CN1051793A - 测定电池充电状况的装置 - Google Patents

Abstract

一个测定电池(10)充电状况的装置，包含一个电 流-频率转换器(50)，由它产生脉冲，脉冲频率取决 于充电或放电电流。这些脉冲被计数并且用作计算 充电状况的基准。为能指示一个因老化而电池容量 已经改变了的电池的正确的相对充电状况，该装置包 含一个检测装置(53)，用以检测实际充电状况，包含 一个校正装置(52)，用以校正计算装置(51)所计算的 充电状况。在一个实施例中校正装置与电流-频率 转换器相连接并且所产生的脉冲的频率得到适应。

Description

本发明涉及一个测定电池充电状况的装置，它包括：

-一个用于产生脉冲的电流-频率转换器，其脉冲频率取决于流经电池的电流;

-计算装置，根据所产生的脉冲测定所计算的电池充电状况;和

-指示装置，根据一小部分电池容量指示所计算的充电状况。

这样一个装置可以用于以可再充电电池供电的各种设备，特别适用于可再充电的电动剃刀。

本文开始段所述的一个装置，在DE-A2313566中已经公知了。在电池充、放电期间，该装置中的充、放电电流是通过一个与电池串联的电阻来测量的。该电阻上电压被放大，然后被积分，但电池放电时的放大系数和积分常数与充电时不同。被积分的电压与基准电压进行比较，每当达到基准电压，就产生一个脉冲，积分电压重新设置。所有这些脉冲在计数器里计数，借助一个指示器，计数过程是可见的，它指示出电池充电状况。电池放电时，当达到给定的计数时，就发出一个报警信号，并且在一定时间后负载被解除，以防止电池完全放电。当电池充电时，在达到最大计数时，充电电路断开以防止电池的过充电。

在该已知的装置中，在所指示的充电情况下要改变电池容量，可通过测量外部条件如温度的方法，通过增加一些计数脉冲或减少一些计数脉冲实现这一目的。

如果电池容量基本恒定，如果电池容量取决于一个或至多几个可被参数化的外部条件，使用这个方法就可以得到较好的结果。因此，该装置不大适用于可再充电的电气器械，如电动剃刀，因为在这些器械中，使用的是镍-镉电池，这类电池的容量实际不仅取决于温度，而且还取决于各种参数，如使用期限和过程等。例如，镍-镉电池，如果不定期完全充电、放电，其容量就会迅速减少。象电池使用过程这样的条件几乎不可能被参数化。

因此，本发明的一个目的是提供一个装置，从中可以得到电池相对充电状况的精确指示，而无需测定外部和内部参数的变化。根据本发明，这一装置的特征在于进一步包含：

-检测装置，当电池充电或放电时，用来检测至少一个实际的电池充电状况;和

-校正装置，当检测到的实际充电状况偏离所计算的充电状况时，用来校正所计算的充电状况，该校正装置适用于改变与电池绝对或相对充电状况相对应的脉冲数目。

在电池充电或放电期间，检测装置对实际充电状况至少检测一次。例如，它可以指示电池被完全充电，这可以由当时产生的温升检测出来。在放电期间，一个门限电压也能被检测出来，这个门限电压与电池被放电到一定程度有关。如果所计电流-频率转换器产生的脉冲数目与当时产生的被检充电状况不一致，被指示充电状况下的电池容量可由校正装置改变。校正装置适用于改变与电池充电绝对变化对应的脉冲数目和改变与相对充电状况变化的脉冲数目。

应当注意，用检测充放电期间实际充电状况以校正被指示充电状况的方法，实际上在EP-A0248461中已经公知了。不过，在这个已知的装置中，电池完全充电或放电所需时间是通过测定时间而确定的。其次，充电或放电期间所消耗的时间可用来估计充电状况。因此在已知的装置中，不是从所测电池抽取的实际充电采样而是从电池抽取充电采样这段时间被测量。因此，这种装置的工作方法只不过在每个放电周期内当放电电流具有近似相同的性能才给出一个相当精确的充电状况的指示。

EP-A-0012315给出了一个装置，它包含一个电流-频率转换器，以便产生一系列脉冲，脉冲频率取决于流经电池的电流;包含计算装置，以便根据所产生的脉冲，确定所计算的电池充电状况;包含校正装置。但该装置不包含检测装置，以便在充电或放电时检测至少一个电池的实际充电情况，并且校正装置在被检测的实际充电状况偏离所计算的充电状况时，不能校正所计算的充电状况，而是根据所计算的电池充电状况，校正充电电流值，以便改进对电池充电的效率。

按照本发明装置的第一个实施例，其特征在于校正装置适用于修正脉冲数目和所计算的相对充电状况之间的比例。通过改变计算装置中相应于电池容量的脉冲数，就可达到校正被指示的充电状况的目的。每产生一个脉冲的充电数量保持相同，通过程控微机容易解决这一问题。

按照本发明装置的第二个实施例，其特征在于校正装置适用于修正电流-频率转换器中所产生脉冲的频率。按照本实施例，脉冲数对应于给定电池容量百分比保持恒定，但是每产生一个脉冲，从电池抽取的充电量采样是变化的。本实施例装置易于和电流-频率转换器相结合，也能容易地和校正电路连接，校正电路着重解决了在大放电电流下产生的非线性放电问题。

按照本发明装置的一个实施例，其中电流-频率转换器包含一个与电池串联的测量电阻和一个电压控制振荡器，其输入端与测量电阻两端相连;进一步的特征是，电压-控制振荡器具有一个控制输入端以便当信号作用于控制输入端时接收所产生的脉冲频率。本实施例装置中，电压控制振荡器包含一个运算放大器，其进一步的特征在于所述控制输入端是一个运算放大器的控制输入端。施加在测量电阻两端的电压运算放大器的放大系数受检测装置产生的信号作用。

一个实施例装置，其中所产生的脉冲频率受到各方面的影响，其特征在于电压控制振荡器包含一个电容器和一个比较器，比较器的一个输入端与电容器的一端相连接，另一输入端连接到基准电压源上，而基准电压源产生的电压可通过电流-频率转换器的控制输入端进行调节。这也可通过一个电路来实现，其特征在于电压-控制振荡器包含一个电容和一个与电容并联的比较器，比较器的一个输入端与基准电压源相连接，另一个输入端经一个电压分压器与电容器相连接，电压分压器可通过电流-频率转换器控制输入端进行调整。在这两个实施例中，不是运算放大器的放大系数被改变，而是产生脉冲的电容器端电压被改变，及由此造成的流经测量电阻电流的积分时间在改变。

除了按电池容量的百分比指示电池相对充电情况的指示装置，本发明的装置可以进一步具有一个指示器，指示至少一个绝对充电状况。这是重要的，例如，一个可再充电的电动剃刀可被指示出其电池快用完了。为了防止电池过早地用完，这个指示必须在电池充电还足够使剃刀使用至少一次的情况下给出。

为此目的，按照本发明测定电池充电状况的装置进一步的特征是，该装置还包含一个计算装置，以便根据所计算的相对充电状况和调节校正装置来计算要指示的绝对充电状况。用这种方法，绝对充电状况就可以从相对充电状况和对应于所产生的脉冲的充电中被计算出来。

对电池充电所得到的充电状况的信息是很有用的。为此目的，按照本发明装置的实施例进一步特征在于该装置还包含一个充电电路，以便用充电电流对电池充电，充电电流的功率须经过一个与所计算和校正的电池充电情况相适应的过程。通过使充电电流与电池充电状况相匹配，就可避免电池过充电等情况。按照本发明装置的进一步的实施例，其特征在于其适应性依预定特性曲线变化，特性曲线是该电池特有的，特性曲线指示出由电池所接收的最大充电电流和电池充电状况之间的关系。这里电池以其可承受的最大电流恒定充电。这种充电方式非常适于电池快充电。

关于本发明其它详细情况将通过例子给以详细说明。请参见附图，其中，

图1表示了本发明第一个实施例装置;

图2表示了第二个实施例;

图3表示了用于图2实施例中的一个电流-频率转换器的第一个详细电路;

图4表示了本发明可使用的一个电流-频率转换器的第二个详细电路。

图5表示了可被采用的一个电流-频率转换器的第三个实施例;

图6和7表示了本发明装置的实施例包含一个控制充电电路;和

图8给出了一个可再充电电池的充电特性。

图1表示了一个可再充电电池10，它包含蓄电池11和12。电池可通过开关20连于负载21，负载例如是一个电动剃刀的马达，电池用以驱动这个马达。电池可以通过另一开关30被连接到充电电路31上，以便对电池充电。充电电路被供以所需能量，例如由具有两个端子32和33的装置供电。这样一个充电电路已为本领域的技术人员所熟知，例如可能是开关型或振荡型电源。

为了给使用者提供电池10充电状态的信息，充电指示器40包含若干元件42，根据电池容量的一小部分指示充电状况。图中，以20%的单元表示充电。充电指示器40也可能发射一个光信号43和（或）发射一个声音信号44，以便指示电池具有一定的能量，该能量仅能持续很短时间，例如只能在有限的几分钟内供给设备能量。

为了测定电池充电状况，装设了电流-频率转换器50，它产生脉冲，脉冲取决于流经电流-频率转换器的电流。这也就是电池放电或充电电流。电流频率转换器产生的每一个脉冲对应一个给定的充电量，该充电量是从电池中取出或是施加到电池上的。所产生的脉冲在计算装置51中被计数，电池的相对（或）绝对充电状况是从总脉冲数和电池额定容量来计算的。

如果电池实际容量与计算装置中所储存的额定容量相一致，则用这种方法指示电池充电状况就足够准确。不过可再充电的镍镉电池的容量会随使用年限增加而减少，对电池处理方法不当其容量也会大受影响。例如，一个镍-镉电池如果不是定期充电和完全放电，它会部分失效，这就导致其容量迅速减少。

当计算充电状况时，要考虑到电池的实际容量，因而该装置包含检测装置53，以检测实际充电状况。检测装置53检测电池电压，例如电池被放电80%情况下相应的电压。计算装置所确定的充电状况与此相似。如果所计算的充电状况偏离所检测的实际充电状况，所计算的充电状况就通过校正装置52被校正。在图1所示装置中，这种校正包括：改变用脉冲数目表示的额定容量，该脉冲数对应于电池总充电容量。而且与字组42之一显示的那部分对应的脉冲数目可以被按比例修正，并且在计数过程中光信号42、声信号43被启动。上面提到的计数最好以下述办法修改，即当这些信号被启动时，电池里的剩余电荷保持相等，从而在启动以后设备可在同一固定周期例如3分钟内使用。计算装置51和校正装置52可通过程控微机来实现。

检测装置53可包括一个比较器，用来把电池电压和一个基准电压进行比较。注意，这样一个检测装置实际上在US-A-4563753和EP-A-0115625中已经公知了。本技术领域的技术人员也可用其它办法测量实际充电状况，例如用时间测量电池电压的变化，而不是用电池电压本身。事实上，在基本用完了的NC电池中，电池电压会迅速减少。

当电池正被充电，电池实际充电状况和电池的容量可参考某些参数来确定，如电池的温度、电池内部的压力等。对于NC电池，在连续充电情况下还可参考电池电压上升和其后下降的情况。除了单独检测实际充电状况，例如80%放电或几乎完全充电的情况外，检测装置53，在大量实际充电状况下，也可以启动校正装置52。不过在此情况下，电路将变得更复杂更昂贵。

如果需要，电路可进一步备有一个控制装置（未示出），借助它，如果出现电池被完全放电或过充电危险时，开关30和20可被打开。

图2示出了按照本发明的另一个实施例装置。该图中与图1类似的元件标以相同的数码。在这个装置中，经过计算的充电状况与实际充电状况相适应的办法不是通过修正对应于充电变化的脉冲数而是通过修正从电池中抽取充电量和对应于一个脉冲来进行的。为此，调节电路54被连接到计算装置51和检测装置53，从而电流-频率转换器50得到控制，以便当所计算的充电状况和实际充电状况不相符时，可以改变频率。通过这个电路，对应于相对充电状况的脉冲数保持相等。为了显示绝对充电状况，例如声信号43和44启动的门限值状况，须适应以计算装置51中脉冲数表示的有关极限值。

如果由于大的放电电流而造成非线性放电，调节电路54还可匹配频率。

图3示出了本发明装置中所使用的一个电流-频率转换器的实施例。本图仅示出了电流-频率转换器和直接与它连接的元件。在本实施例和下述实施例中，校正装置与电流-频率转换器连接。

电流-频率转换器包含电阻501，它和电池10串联。如果电池提供电流或被充电，在电阻501两端就会有个电压降。这个电压降由电压-控制振荡器转换成一串脉冲，其频率取决于电阻两端的电压。为此，运算放大器502的两个输入端与电阻501并联，而放大器的输出端提供一个与输入端电压差成比例因此也和流经电池的电流成比例的电流。电容器503通过运算放大器502的输出电流被充电。开关如晶体管505和电阻507的串联电路与该电容器并联。电容器503两端电压与参考电压Uref的比较是通过比较器504。电容器电压经电压分压器提供到电容器上，该分压器包含元件509（它具有可调节阻抗，例如是一个FET）和一个电阻508。比较器504的输出端连接到开关505的控制输入端上，从而该开关打开或关闭状态取决于比较器输入端的电压。

一旦电容器503被充电到这种程度，即电压分压器输出端的电压超过基准电压Uref，比较器转向，开关505关闭。电容器503然后经电阻507放电，同时在电流-频率转换器的输出端506上产生一个电压脉冲。

比较器504转向的门限电平取决于具有一个可变阻抗的元件509的调节。该调节是通过调节电路54和电流-频率转换器控制输入端510控制的。通过使元件509阻抗随电池容量的降低而减小，根据电池容量的一小部分相应于输出端506产生的每个脉冲的相对充电量保持恒定。调节电路54经输入端541连接到计算装置51上。检测装置53具有一个第二输出端531，信号由此而被加到计算装置51上以确定绝对充电状况。

不使用可变电压分压器交替改变基准电压Uref的值，就可使电容器放电的门限电平适应被改变的电池容量。这样一个电流-频率转换器示于图4。

图4与图3大体相同，相同部分不再陈述。按照图4的电流-频率转换器包含一个可调基准电压源511，它产生参考电压Uref，电容器503上的电压可与参考电压进行比较。参考电压源511的调节控制来自计算装置51，检测装置53和调节电路54经电流-频率转换器的控制输入端510控制。

图5示出另一个实施例，该图和图3和图4也大体相同，下面仅就其差别进行陈述。按照图5的电路，包含一个运算放大器502，其放大系数和输出电流是可调的，以使电容器503被充电的速率不仅取决于电阻501两端的电压降，而且取决于运算放大器502控制输入端的信号。该控制输入端经电流-频率转换器输入端510连接到调节电路54的输出端，该输出端依次连接到计算装置51和检测装置53上。

图6示出了一个装置的实施例，该装置大体和图1相似，其中两者相同的元件标有相同的参考数码。这里充电电路31具有一个控制输入端61，它和计算装置51及校正装置52的输出端相连接。控制输入端61上的信息根据只读存储器63中存的一张表在计算部件62中被转化成一些信号，这些信号又被一个转换器64转换成可控电源65相适应的控制信号。电源65的作用是经开关30提供一个充电电流到电池10上。控制输入端61的信息指示出电池的被计算和被校正的充电状况，由充电电路提供的电流现在就取决于这个信息。该信息和所要提供电流之间的关系以表格形式存储在ROM63中。表格可以包含象充电指示器40中所具有的元件42同样多的数值。另一方面，也可以具有比件42更多或更少的数值。每当控制输入端61的信息改变，计算部件62就根据ROM63中的数值计算出一个新信号，该信号通过转换器施加到受控电源65上。用这种方法可使电源65所提供的充电电流和电池10的实际充电状况相适应。

图7示出了一个实施例，其装置包含一个类似图6中的充电电路，且在图2所示实施例中被使用。其参考数码和图2及图6中标的相同，该充电电路的工作过程和图6中工作过程一样。

计算部件可通过程控微机实现。可控电源65和转换器64彼此结合成为一个程控电源。由电源65提供充电电流的调节步数不必和充电指示器40指示电池10充电状况的步数相等。也就是例如可用10%的步数计算充电状况，并可以在ROM63中存储10个数值以计算有关的充电电流。

实际上，ROM63中存储的表格可确定电池的充电方式。许多充电方式可以分成或不被分成不同的步数而储存起来。一个很有趣的充电方式由图8a的曲线示出。曲线图中，对应于电池（此处为NC电池）最大充电能力的电流I_M作为电池充电SOC相对状态的函数而画出关系曲线。关系曲线由实验确定，表示电池类型特征。一个电池可通过按所示特性曲线规律变化的充电电流迅速再充电，而无在电池中产生气体或其它副作用的危险。图8b中这种快充方式的特性曲线近似4步，相当于充电指示器40的20%步。这种充电方式的4步然后也被储存到ROM63中，但是一种多于4步以及与之相应多的值的更精确的近似值储存在ROM63中也是可能的。

Claims (11)

1、一个测定电池(10)充电状况的装置，它包含：

--一个用于产生脉冲的电流-频率转换器(50)，脉冲频率取决于流经电池(10)的电流；

--计算装置(51)，根据所产生的脉冲，确定电池(10)所计算的充电状况；

--指示装置(40)，按电池(10)一小部分容量指示所计算的充电状况，其特征在于该装置进一步包括：

--检测装置(53)，当电池正被充电或放电时，检测至少一个电池的实际充电状况；和

--校正装置(52)，当被检测的实际充电状况偏离所计算的充电状况时，对所计算的充电状况进行校正，该校正装置(52)适用于改变与电池(10)绝对或相对充电状况变化相对应的脉冲数目。

2、按照权利要求1的一个测定所述电池充电状况的装置，其特征在于校正装置（52）适用于修改脉冲数目和所计算的相对充电状况变化之间的比例。

3、按照权利要求1的一个用来测定所述电池充电状况的装置，其特征在于校正装置（52）适合用于改变电流-频率转换器（50）中所产生脉冲的频率。

4、按照权利要求3的一个用来测定电池（10）的充电状况的装置，其中电流-频率转换器包含一个和电池（10）串联的测量电阻（501），一个电压控制振荡器，其输入端被连接到测量电阻（501）两端，其特征在于电压-控制振荡器具有一个控制输入端（510）以按照控制输入端（510）上出现的信号的作用来适应所产生脉冲的频率。

5、按照权利要求4的一个测定电池（10）充电状况的装置，其中电压控制振荡器包含一个运算放大器（502），其特征在于所述控制输入端是运算放大器（502）的一个控制输入端（510）。

6、按照权利要求4的一个测定电池（10）充电状况的装置，其特征在于电压控制振荡器包含一个电容器（503）和一个比较器（504），所述比较器（504）的一个输入端被连接到电容器（503）的一端，并且另一端连接到基准电压源（Uref）上，而基准电压源所产生的电压（Uref）可通过电流-频率转换器的控制输入端进行调整。

7、按照权利要求4的一个用来测定电池（10）充电状况的装置，其特征在于电压控制振荡器包含一个电容器（503）和一个与电容器并联的比较器（504），所述比较器（504）的一个输入端与基准电压源（Uref）相连接，另一输入端通过电压分压器（508，509）与电容器（503）的一端相连接，分压器可通过电流-频率转换器控制输入端进行调节。

8、按照权利要求1、2、3、4、5、6或7的一个测定电池（10）充电状况的装置，其中该设备还具有一个指示器（42、43），用以指示至少一个绝对充电状况，其特征在于该装置进一步包含一个计算装置（51），用于由所计算的相对充电状况和校正装置（52）的调节来计算将被指示的绝对充电状况。

9、按照权利要求1、2、3、4、5、6、7或8的一个测定电池充电状况的装置，其特征在于该装置进一步包含一个充电电路（31），用以将充电电流对电池（10）进行充电，该电流的功率要经过一个与所计算的和所校正的电池充电状况逐步适应的过程。

10、按照权利要求9的一个测定电池充电状况的装置，其特征在于适应性按照预定的特性曲线变化，该特性曲线是电池特有的，它表示电池最大充电接受能力的充电电流和电池充电状况之间的关系。

11、按照前述任何一个权利要求的一个具有可再充电电池的剃刀和一个测定电池充电状况的装置。

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