專利名稱：二次電池的充電方法及充電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蓄電池的新充電方法及用來實施這樣的充電方法的二次電池充電裝置。
近幾年，在眾多的領(lǐng)域廣泛地普及了便攜式或移動式的各種電氣、電子器械類，例如攜帶電話，筆記本個人計算機等信息處理裝置，手提終端，電視攝象機，充電式電動工具，小型清掃器，各種搬運器械等。而作為驅(qū)動源的電池是必不可少的。
眾所周知，在這樣的電池中有僅能放電一次的一次電池，和可多次充電及放電的二次電池。
以錳電池和堿性錳電池為代表的廣泛使用的一次電池，在國際上已實現(xiàn)了標準化，并具有能輕易得到的優(yōu)點。但由于完全是消耗品，故不經(jīng)濟。
鉛蓄電池是可多次充放電的二次電池，很早就在汽車發(fā)動機等方面開始被使用了，在長久的歷史中經(jīng)過種種改良，它的尺寸及容量等都得到顯著的進步。但是，由于鉛蓄電池重量大、使用稀硫酸作電解液等原因，不適宜用作小型移動用例如攜帶用器械的電源。
雖然也采用了一部分這種歷史上已熟知的把鉛蓄電池做成小型的小型密封鉛電池，但是其每單位重量的電池容量小?，F(xiàn)在，作為小型蓄電池，廣泛采用的是鎳-鎘(Ni-Cd)電池，鎳-氫(NiMH)電池，鋰離子(Li)電池等。
其中，Ni-Cd電池在二十世紀六十年代就已經(jīng)商品化了，在市場中占有壓倒多數(shù)的份額?？梢粤信e出Ni-Cd電池的以下特征。(1)它是密閉型不需要補充液，(2)重量輕，(3)可以小型化，采用與1號，2號，5號等標準規(guī)格的錳干電池相同的形狀，可以直接置換，(4)電壓變動少，可以輸出大電流，(5)與一次性電池的錳干電池相比，由于可反復(fù)使用，所以使用的成本顯著降低，等等。
雖然是具有眾多特征的小型蓄電池，但是依照電池廠商所推薦的標準充電條件，被指定用0.1A量級的電流充電大約10～15小時。很明顯，這樣長的充電時間在實用上是不方便的，從而削弱了上述眾多的特征。
因此，有時通過把充電電流提高到0.3A的量級來縮短充電時間，或者對可以作為進行特別快速充電的電池用30分～1小時的時間來充電，但是這僅限于特殊設(shè)計的電池。再者，如果縮短充電時間，在充電末期電池溫度將升得很高，存在著減少電池壽命的危險性。
此外，這種二次電池，除了殘余容量外，在反復(fù)進行不完全充電的期間有時會發(fā)生有效容量逐漸下降的所謂的記憶效應(yīng)，最后變得不能使用。將這樣的電池輕易地扔掉會導(dǎo)致資源的浪費，進而會加速土壤中的重金屬污染等，這是人們所不希望的。
在小型蓄電池內(nèi)的電量沒有用完的時候進行下一次充電，即進行所謂補充充電，會使上述記憶效應(yīng)變得顯著。在攜帶用器械的內(nèi)裝二次電池等中，重新開始使用之前，為慎重起見進行追加充電或添補充電。在這種情況下會發(fā)生記憶效應(yīng)。
通常，便攜式的信息處理裝置或通信裝置類，例如手提終端，攜帶電話等的電源，如果每次在使用前對二次電池充電時都要遵守先進行完全放電的程序，則很花費時間，也很費事，所以，實際上幾乎做不到。
例如，在外出之前對攜帶電話的內(nèi)裝二次電池充電時，或者是當(dāng)天使用完畢后開始進行補充充電時，要做到每次都確認二次電池的剩余電量，或先進行完全放電是極其困難的。因此，總是在必定發(fā)生記憶效應(yīng)的條件下進行補充充電。
為了預(yù)防這種記憶效應(yīng)，可以使用再生充電法。所謂再生充電法就是定期反復(fù)進行電池完全放電后的標準充電，這是一種有效的方法。圖7表示NiCd電池及NiMH電池的電壓-容量特性。圖中實線表示發(fā)生了記憶效應(yīng)的情況，虛線表示進行了再生充電后的情況。
但是，在進行這樣的再生充電時必須注意避免過度放電。因此同樣是費事且費時的。
特別是把單個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來的組合電池，一旦到達過度放電狀態(tài)，每個電池的放電狀態(tài)就各不相同。先放完電的電池被充進相反極性的電荷，變得不能恢復(fù)原狀態(tài)。對此必須給予特別的考慮。
而為了避免上述問題，在再生充電時就采用較淺的放電。這樣由于構(gòu)成電池組的各個電池的特性差異，當(dāng)一部分或大部分電池還沒有被再生時就結(jié)束了放電。這樣就得不到預(yù)期的效果。
采用上述現(xiàn)有技術(shù)的充電方式，很難做到在既不過度也沒有不足的充電狀態(tài)結(jié)束充電過程?，F(xiàn)有技術(shù)不能從外部確認小型二次電池的充電狀態(tài)。因此，很難確定必要的且充分的充電結(jié)束的時刻。
已知的決定二次電池充電結(jié)束時間的方法有下面幾種1.充電時間設(shè)定方式，2.端子電壓檢測方式，3.電池溫度檢測方式，4.電池電壓變化率測定方式(基本方式之外還有幾種改良方式)。下面對這些方式分別進行說明。
1.充電時間設(shè)定方式是用計時器來控制充電電路的接通狀態(tài)，是最簡易的方式。但是由于開始充電時電池的剩余電量不盡相同，所以在一定的充電時間后停止充電并不能保證達到適當(dāng)?shù)某潆?，多發(fā)生充電不足或過度充電的情況。
2.端子電壓檢測方式是，用一定的充電電流進行充電，當(dāng)蓄電池的端子電壓達到了預(yù)先決定的某個既定電壓，即接近充電末期的最大電壓的電壓值時就停止充電的方式。
但是，充電末期電壓因電池的溫度及充電電流而變動。為了避免過度充電，不得不把用來檢測充電末期的設(shè)定電壓設(shè)置得較低。因此，檢測出來的端子電壓并不能反映真正的充電狀態(tài)，一般多發(fā)生充電不足的情況。
3.電池溫度檢測方式是這樣工作的，用預(yù)先裝入電池內(nèi)的溫度檢測元件來監(jiān)視電池溫度，當(dāng)達到某些既定溫度時依次減小充電電流，最終停止充電。這種方式檢測的是充電末期發(fā)生的氣體被陰極吸收時產(chǎn)生的反應(yīng)熱。但是它易受周圍溫度的影響，低溫時易出現(xiàn)過度充電，高溫時易出現(xiàn)充電不足。此方式在本質(zhì)上是檢測因過度充電而致的溫度上升，而過度充電對電池本身來說是不希望出現(xiàn)的。因此不能否認，充電次數(shù)的增加會導(dǎo)致電池的劣化。
4-1.端子電壓變化率(ΔV/dt)測定方式是這樣工作的。如圖4所示，在充電末期電池電壓的上升結(jié)束，而轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆?ΔV/dt≤0)的時候，通過檢測斜率的變化率，即檢測出變成-ΔV時結(jié)束充電。此方式在本質(zhì)上是通過檢測由電池溫度的上升引起的電壓下降來停止充電的，故必然發(fā)生電池的溫度上升。另外，此方法中有到達了既定電壓就完全停止充電的情形，和為保持狀態(tài)繼續(xù)進行微弱充電(涓流充電)的情形。圖4(B)的充電電流曲線表示進行涓流充電的狀態(tài)。
4-2.上述端子電壓變化率(ΔV/dt)測定方式是這樣工作的。如圖5(A)所示，在充電末期當(dāng)?shù)竭_了溫度開始上升的電池電壓時檢測出電壓的變化率，并如圖5(B)所示階梯狀地減小充電電流。在此情形下，需要根據(jù)電池的種類、大小等來變更設(shè)定電壓V1，V2，V3…等。
4-3.經(jīng)過改良的第二種端子電壓變化率測定方式是這樣工作的。如圖6(A)的電池電壓曲線所示，當(dāng)檢測出電池電壓上升的斜率的變化率，即如圖(C)所示的ΔV/dt到達了某個既定值時，如圖6(B)所示的那樣對電流進行控制。但是這種情形中的所謂既定值，在本質(zhì)上是通過檢測出電池電壓的變化來繼續(xù)進行充電的電壓，所以有必要依據(jù)電池的種類及容量來變更設(shè)定值。
使用這種方式必然伴隨著溫度上升，且需要一邊考慮充電對象電池的種類及容量一邊進行設(shè)定。所以這種方式是麻煩的，且因誤操作等容易發(fā)生問題。
在上述現(xiàn)有的各種充電方式中，如發(fā)生充電不足則不能充分發(fā)揮電池的性能，從而影響裝有該電池的器械的性能。
相反，一旦具有密閉構(gòu)造的二次電池發(fā)生過度充電，它將導(dǎo)致溫度上升，甚至導(dǎo)致電解質(zhì)泄漏及它所引起的電解質(zhì)不足的現(xiàn)象，即干化現(xiàn)象。這對于二次電池來說是蒙受了致命的損害。
本發(fā)明的目的是提供這樣的充電方法，它不導(dǎo)致給二次電池帶來損害的溫度上升，總能夠進行適當(dāng)?shù)某潆姡夷軌蚍磸?fù)進行充放電而不發(fā)生記憶效應(yīng)；并提供適合于實施這樣的充電方法的充電裝置。
本發(fā)明采用下述充電方法來實現(xiàn)上述目的。該二次電池充電方法是這樣工作的把具有高于被充電電池端子電壓的最大值，且按照來自外部的控制信號可以減低電壓的可變直流電壓施加到被充電電池的正負端子之間并使它的極性與電池的極性相同；一邊提供與上述施加電壓相對應(yīng)的充電電流，一邊檢測被充電電池的電池電壓·時間曲線上的拐點，并根據(jù)該拐點的檢測結(jié)果通過依次控制上述施加直流電壓來減小充電電流。
圖1是表示本發(fā)明的二次電池充電裝置的基本構(gòu)成的概要框圖。
圖2是表示本發(fā)明的二次電池充電方法的電池電壓及電流波形時間變化的說明圖。圖(C)為局部擴大圖。
圖3是表示本發(fā)明的二次電池充電裝置的實施例之構(gòu)成的框圖。
圖4是表示現(xiàn)有技術(shù)的第1種二次電池充電方法的電池電壓及電流波形時間變化的說明圖。
圖5是表示現(xiàn)有技術(shù)的第2種二次電池充電方法的電池電壓及電流波形時間變化的說明圖。
圖6是表示現(xiàn)有技術(shù)的第3種二次電池充電方法的電池電壓及電流波形時間變化的說明圖。圖(C)為局部擴大圖。
圖7表示采用現(xiàn)有技術(shù)時，NiCd電池及NiMH電池發(fā)生了記憶效應(yīng)時和再生充電后的電壓與容量對應(yīng)關(guān)系。
本發(fā)明用二次電池充電裝置10來實現(xiàn)上述目的。如圖1所示，二次電池充電裝置10具備產(chǎn)生直流電壓的電源部分12用來給被充電電池20充電時施加電壓，和接受來自該電源部分12的電壓并按照來自外部的控制信號來檢測輸出電壓及持續(xù)時間的電力控制部分14，和監(jiān)視上述被充電電池20的電池電壓及充電電流的時間變化，檢測出該電池電壓·時間曲線的拐點并產(chǎn)生輸出信號的監(jiān)視部分16，和接受該監(jiān)視部分16的輸出信號并驅(qū)動上述電力控制部分14的演算·驅(qū)動部分18。
在本發(fā)明的二次電池充電方法中，施加在二次電池的正負極之間的直流電壓能夠被設(shè)置成連續(xù)電壓或者是脈沖電壓。在進行充電的期間一直監(jiān)視著被充電蓄電池的端子電壓。在實行這樣的監(jiān)視時參照預(yù)先存儲在監(jiān)視部分16中的與要求特性數(shù)據(jù)相符合的特性數(shù)據(jù)，例如電池的種類，端子電壓及要領(lǐng)等等。
采用這樣的充電電流監(jiān)視就能測定出被充電電池的狀態(tài)，特別是殘余容量。根據(jù)這個監(jiān)視結(jié)果進行演算處理，然后依據(jù)其結(jié)果來決定繼續(xù)充電用的電壓大小和充電時間。而充電用電壓的施加形態(tài)，既可以是斷續(xù)的(脈沖狀)也可以是連續(xù)的可變電壓。
如圖2(A)的電池電壓-時間曲線及它的局部擴大圖(C)所示，檢測出電池電壓到達了二階微分實際上的零點(d2V/dt2＝0)，即拐點或到達了實際上的拐點。又如圖(B)的充電電流曲線所示，象I1，I2，I3，I4那樣，隨著到達被充電電池的各個拐點而減小充電電流。
這樣，根據(jù)既定的最佳值數(shù)據(jù)，一邊改變施加的電壓一邊繼續(xù)進行充電，就能夠防止發(fā)生過充電、過熱及記憶效應(yīng)并實現(xiàn)所希望的充電。
被充電電池是否出現(xiàn)溫度急劇上升的征兆，可以利用上述充電電壓-時間曲線的電壓變化率是否從正變?yōu)樨?，即是否通過拐點來發(fā)現(xiàn)。如用數(shù)學(xué)的表述方法，這樣的拐點即是在電壓曲線上電壓對時間的二階微分值為零的點。
即，向下凸出的電壓-時間曲線轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏贤钩龅那€時的狀態(tài)，或者是發(fā)生與此相反的變化的狀態(tài)。即著眼于越過這樣的拐點時電流發(fā)生急劇變化，與此相伴發(fā)生溫度急劇上升的情況。
另外，在這種充電電壓-時間曲線上出現(xiàn)拐點的現(xiàn)象，幾乎不隨二次電池的種類及容量發(fā)生差異。因此，采用本發(fā)明的充電方法及用來實施該方法的充電裝置，總能夠安全地并且高效率地實施充電。
通過嚴密監(jiān)視電壓變化的二階微分值d2V/dt2的狀態(tài)，能夠容易地檢測出被充電電池的端子電壓-時間曲線中的拐點。實際上當(dāng)二階微分值小于根據(jù)電池等因素而定的系數(shù)k(此處，-1＜k＜1，而嚴格地講k＝0時為拐點)時就把此時的狀態(tài)視為拐點從而能夠進行控制。
通過加上這樣的考慮，就能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的充電，在充電過程中也不發(fā)生過度的溫度上升或記憶效應(yīng)。因此，能夠大大延長電池壽命，并能夠?qū)崿F(xiàn)資源的有效利用和抑制環(huán)境污染。
作為本發(fā)明充電對象的二次電池有鎳-鎘電池，鎳-氫電池，鉛蓄電池，鎳-鋅電池，氧化銀-鋅電池，氧化銀-鎘電池，和其他各種鋰二次電池等。如上所述，本發(fā)明的充電方法及充電裝置廣泛地適用于上述各種二次電池。
下面，參照


本發(fā)明的實施例。圖3是表示適宜于實施本發(fā)明的充電方法的二次電池的充電裝置10的構(gòu)成例的框圖。對于與圖1相同的構(gòu)成部分，標以相同的參照符號。
在圖1的基本要素中，把監(jiān)視部分16及演算·驅(qū)動部分18的具體構(gòu)成示于圖3。監(jiān)視部分16具有電壓檢測部分16V用來檢測被充電電池20的端子電壓，和用來檢測充電電流的電流檢測部分16A。根據(jù)這兩個檢測的結(jié)果來綜合地監(jiān)視被充電電池20當(dāng)時的充電容量等狀態(tài)。
再有，監(jiān)視部分16具有主記憶部分16M用來記憶為實施一連串充電操作所必需的數(shù)據(jù)。主記憶部分16M所記憶的數(shù)據(jù)，以被充電電池20當(dāng)時的充電容量為基礎(chǔ)，并包含充電電流隨時間的變化及溫度特性等。
在監(jiān)視部16里設(shè)置了拐點檢測部分?？梢杂孟铝胁糠謥順?gòu)成拐點檢測部分檢測電壓變化率的電路16d，暫時記憶部分16T，比較部分16C。由電壓檢測部分每隔一定時間檢測出來的電壓信號，在電壓變化率檢測電路16d中就被變成二階微分值而檢測出來。
這樣檢測出來的二階微分值暫時存儲在暫時記憶部分16T內(nèi)。這樣被存儲的數(shù)值與下一個二階微分值被依次送進比較電路C進行比較，而一個二階微分值是這樣測出來的在一定的時間間隔，例如每15秒鐘對電壓值進行取樣，對多個電壓值在1～2分鐘長的時間里連續(xù)求平均從而得到二階微分值。當(dāng)端子電壓-時間曲線的電壓變化二階微分值小于既定的系數(shù)k時(d2V/dt2≤k)就發(fā)生與此相對應(yīng)的輸出信號。這種情況中的系數(shù)k因二次電池的種類、容量等而異，但是如上所述，此處為-1＜k＜1，而k＝0的狀態(tài)是嚴格的拐點。
在監(jiān)視部分16當(dāng)作拐點檢測出來的信號輸入到由微電腦等構(gòu)成的演算·驅(qū)動部分18。經(jīng)過所希望的演算處理后，作為驅(qū)動信號被送入電力控制部分14。結(jié)果，電力控制部分14就將對被充電電池20最適宜的電壓供給它。而演算·驅(qū)動部分18具有驅(qū)動部分18D和演算部分18T。
電源部分12具有高于上述被充電電池20的端子電壓的最大電壓，是用來發(fā)生適合被充電電池的直流電壓的?？梢愿鶕?jù)被充電電池的種類，電池結(jié)構(gòu)，容量等把這個電壓做成可變的。
由演算·驅(qū)動部分18所控制的電力控制部分把電源部分12的直流輸出電壓，變換成具有高于被充電電池電壓的峰值的斷續(xù)電壓或連續(xù)電壓。當(dāng)把直流電壓變換成斷續(xù)電壓時，最好使這個直流電壓的峰值至少為被充電電池端子電壓的1.3倍以上。由于對二次電池實行快速充電的緣故，這件事對于解除或防止記憶效應(yīng)是重要的。
但是，長時間連續(xù)施加這樣的高電壓將變成給二次電池供給過于苛刻的電流。由于這樣會導(dǎo)致電池的過熱或發(fā)生電極的物理破壞等，在使用上必須注意。
本發(fā)明的二次電池充電裝置，可以通過適當(dāng)?shù)匕延布蛯ζ溥M行控制的軟件組合起來的方法容易地構(gòu)造出來。而上述硬件是由在該技術(shù)領(lǐng)域已知的微電腦，存儲器，寄存器、傳感器等的組合來構(gòu)成的。
可以用本發(fā)明的充電方法進行充電的被充電電池的種類，如上所述，有鎳-鎘電池，鎳-氫電池，鉛蓄電池，鎳-鋅電池，氧化銀-鋅電池，氧化銀-鎘電池，和其他各種鋰二次電池等。
本發(fā)明的二次電池充電方法著眼于對上述電池的多數(shù)進行充電的作用為吸熱反應(yīng)這一事實；其特征是在開始充電的初期讓大電流流過，對電池電壓-時間曲線的拐點進行檢測，通過了這個拐點之后就控制充電裝置以減小充電電流，實現(xiàn)在二次電池沒有溫度上升的條件下的充電。
因此，采用本發(fā)明就使短時間充電成為可能，而且由于電池狀態(tài)連續(xù)地得到監(jiān)視，所以不會發(fā)生過度的溫度上升或過充電等情況，結(jié)果就能夠延長電池的壽命。
采用本發(fā)明的二次電池充電方法，與上述現(xiàn)有技術(shù)相比用大約1/3的充電時間就能夠進行充電。因此，對攜帶用器械類的充電也變得有利了。
再有，由于進行所謂補充充電也不發(fā)生記憶效應(yīng)，在緊急的時候可以用上述15～20分的充電時間的數(shù)分之一，例如5分鐘進行充電，告一段落之后也可以進行追加充電。
本發(fā)明的充電方法的適用范圍，并不僅限于小型·攜帶用的二次電池。上述各種二次電池，也可以是充分適用于電池叉式升降車，電動手推車等運輸裝置，電動汽車用電源等的大型蓄電池。對于在夜間等不使用的時候目前要花上數(shù)小時進行充電的用途，可以用數(shù)分之一的時間來充電。這樣在節(jié)省能源方面也是有利的。
再有，目前仍處于試制階段的電動汽車的最大問題在于沒有小型輕量的電池，和因電池容量有限不能長距離行駛，和不能縮短充電時間，等等。在電動汽車等大容量電池的領(lǐng)域，人們期待著使用在容量重量比及容量體積比方面優(yōu)于鉛電池的堿性蓄電池。而本發(fā)明的充電方法在這些電池種類的充電技術(shù)方面也向人們提供了有用的技術(shù)。因此，在汽車電池充電站等需要快速充電的領(lǐng)域也具有潛在的可能性。
采用本發(fā)明的方法可以大幅度延長電池的壽命，促進了資源的有效利用。在減少廢電池垃圾量和防止環(huán)境破壞方面也能夠做出貢獻。
權(quán)利要求
1.一種二次電池充電方法，其特征在于將對應(yīng)的充電電流供給到被充電電池正負端子之間，以使具有大于被充電電池端子電壓的最大值并且可以隨外部的控制信號而降低的可變直流電壓成為順極性，通過檢測被充電電池的電池電壓·時間曲線上的拐點，并根據(jù)該拐點的檢測依次控制上述施加直流電壓來減小充電電流而進行充電。
2.權(quán)利要求1所述的二次電池充電方法，其特征在于上述拐點的檢測是根據(jù)監(jiān)視被充電電池的電池電壓·時間曲線上的電壓變化二階微分值且當(dāng)該二階微分值從正變?yōu)樨摃r發(fā)生的信號而進行的。
3.一種二次電池的充電裝置，其特征在于具備發(fā)生直流電壓的電源部分，用來在給被充電電池充電時施加電壓，接受來自該電源部分的電壓并按照來自外部的控制信號來控制輸出電壓及持續(xù)時間的電力控制部分、監(jiān)視上述被充電電池的電池電壓及充電電流的時間變化和檢測該電池電壓·時間曲線的拐點并發(fā)生輸出信號的監(jiān)視部分、和接受該監(jiān)視部分的輸出信號并驅(qū)動上述電力控制部分的演算·驅(qū)動部分。
4.權(quán)利要求3所述的二次電池的充電裝置，其特征在于設(shè)置在上述監(jiān)視部分的拐點檢測部分具備每隔一定時間就求出上述被充電電池的電池電壓變化率的電路、暫時存儲剛才得到的電壓變化率的暫時存儲電路和把該存儲電路存儲的存儲值與經(jīng)過一定時間后產(chǎn)生的下一個電壓變化率依次進行比較的比較電路；把這些先后電壓變化率的差值從正變?yōu)樨摃r的點判斷為拐點，根據(jù)該判斷結(jié)果對上述演算·驅(qū)動部分進行控制。
全文摘要
一種不導(dǎo)致給二次電池帶來損害的溫度上升,總能夠進行適當(dāng)?shù)某潆?且能夠反復(fù)進行充放電而不發(fā)生記憶效應(yīng)的二次蓄電池充電方法及充電裝置,其是將對應(yīng)的充電電流供給被充電電池正負端子之間,以使之具有大于被充電電池端子電壓的最大值,可以隨外部的控制信號而降低的可變直流電壓成為順極性,通過檢測被充電電池的電池電壓·時間曲線上的拐點,并根據(jù)該拐點的檢測依次控制上述施加直流電壓來減小充電電流。
文檔編號H02J7/10GK1193214SQ9810603
公開日1998年9月16日 申請日期1998年3月5日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月6日
發(fā)明者巖佐貞之, 影山雄一 申請人:株式會社Jnt