專利名稱：蓄電池的滿充電檢測方法和使用它的滿充電檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蓄電池的滿充電檢測方法。
目前，筆記本型計算機、移動電話等以小型高容量蓄電池為電源的便攜式設(shè)備迅速地普及，此外，以大容量蓄電池為電源的電氣汽車也已實用化。
在這些蓄電池的使用中，要求能防止作為使電池的循環(huán)壽命降低大的重要原因的過充電。此外，為了便利使用者，期望能準確檢測充電狀態(tài)并縮短充電時間。
以往，在使用蓄電池的設(shè)備和充電器裝置中，設(shè)置在充電時檢測滿充電并用于避免過充電的手段。
所用的方法基本上是在測定電池的電壓、溫度或者內(nèi)部壓力的同時、用比較該值與預(yù)先設(shè)定的值對充電進行控制。
下面，對其具體的例進行說明。
例如，在日本特開平6-133468號公報中公開了在鎳-氫蓄電池的充電中，根據(jù)其溫度、內(nèi)壓和電壓，對滿充電進行檢測，并在充電后將充電模式變更成連續(xù)補充充電(trickle charge)的充電方式。
在日本特開平7-240236號公報中公開了在蓄電池的充電中，設(shè)備(或者充電器)對初始安裝的電池在慢慢地提高充電電壓的同時進行充電，并檢測過電壓，以后用這時的充電電壓值進行恒定電壓充電的充電控制方式。
在日本特開平8-70537號公報中公開了在電池的充電中，周期地檢測每一定時間的電池的端電壓變化量ΔV和溫度變化量ΔT，同時在示出ΔV減少而且ΔT增大的傾向時，判定為該電池到達滿充電的方法。
在日本特開平7-240243號公報中公開了在周期地檢測充電中的電池電壓的同時，求出某個周期的電池電壓與其前1個周期的電池電壓的變化量，當這種變化量和至此為止的周期的變化量的最大值的差，大于或者等于預(yù)先設(shè)定的值時，減小充電電流或者停止充電的充電方法。
在日本特開平7-27256號公報中公開了對應(yīng)于充電中的充電電流的變化的充電控制。
根據(jù)相同的公報，利用對附加在設(shè)備上的外部電源的輸出電流限制功能，在設(shè)備的動作中對蓄電池進行充電，也能每單位時間地觀察其充電電流，一邊變更每個單位時間的電池溫度上升的檢測值，一邊算出電池的充電電荷量限制值。
根據(jù)前述的電池電壓、溫度或者內(nèi)部壓力的滿充電的檢測，有下述的問題。
如果根據(jù)電池電壓的滿充電檢測，則在電池溫度上升的場合，難于捕捉充電末期的電壓變化，難于進行正確的檢測。
如果根據(jù)電池的內(nèi)部壓力的滿充電檢測，則因有必要安裝用于在電池的內(nèi)部檢測內(nèi)部壓力的傳感器，所以在電池中必須有特別的結(jié)構(gòu)。
另一方面，如果根據(jù)電池溫度的滿充電檢測，則因依賴于電池內(nèi)的傳熱速度，所以對應(yīng)于電池的狀態(tài)變化的響應(yīng)慢。因此，這種方法在短時間切換充放電的電池系統(tǒng)中，不適合于實際的使用。此外，也受到電池放置的環(huán)境溫度的影響。
在日本特開平7-85892號公報中公開了用RMS電路(rootmean square circuit)檢測來自電池的聲發(fā)射信號，同時在示出得到的值的微分值急劇地上升時，從恒定電流充電切換成恒定電壓充電的充電方法。
在這種方法中，雖然在檢測電池到達滿充電前后的變化后，對連續(xù)進行充電比較地容易了解，但對于脈沖的充放電的重復(fù)難于找出表示變化的點。此外，在進一步對滿充電狀態(tài)的電池進行充電的場合，不能檢知該電池是過充電狀態(tài)。
本發(fā)明提供用于解決前述以往的問題的蓄電池的滿充電檢測方法，這種方法不管充電模式和周圍的環(huán)境，此外，不要特別的電池結(jié)構(gòu)，就能正確地檢測出蓄電池的滿充電，并能抑制起因于過充電的電池特性的降低。
本發(fā)明的蓄電池的滿充電檢測方法，檢測在充電中的蓄電池的內(nèi)部發(fā)生的脈沖振動，當?shù)玫降拿}沖振動的特性值比規(guī)定的值大時，判定所述蓄電池到達滿充電。
當判定到達滿充電時，或者在該時刻結(jié)束充電，或者對應(yīng)于需要變更其后的充電條件。例如，在恒定電流充電中，也能用在該時刻降低充電電流值。此外，也能用在該時刻從恒定電流充電切換成恒定電壓充電。
本發(fā)明著眼這樣的事實，即在鉛氧蓄電池、鎳-鎘蓄電池、鎳-氫蓄電池等的使用水溶液系列的電解液的蓄電池中，一到達充電末期就內(nèi)壓上升、同時從電池內(nèi)部發(fā)生脈沖振動的所謂的聲發(fā)射信號(下面稱為AE信號)。
因脈沖振動必定發(fā)生在電池的充電末期，所以根據(jù)這種脈沖振動的滿充電的檢測，比以往的根據(jù)電池的溫度變化和電壓變化的滿充電檢測受環(huán)境溫度等的影響小。
此外，因能由在電池內(nèi)發(fā)生的氣體量直接地判定電池的充電狀態(tài)，所以即使再次對已滿充電的電池進行充電，也能把握該電池的充電狀態(tài)。此外，也能適用于脈沖充電等的所有的充電模式中。
這里，作為使用的脈沖振動的特性值，包括脈沖振動的發(fā)生頻度、即單位時間內(nèi)的計數(shù)數(shù)和單位時間內(nèi)的脈沖振動的大小的平均值。
特別，用脈沖振動的發(fā)生頻度能減小由于噪聲引起的誤差。對振動進行計數(shù)的方法與用RMS電路計測振動信號的積分值的手段相比，難于受到噪聲的影響。
此外，如前所述，對于每個單位時間，不限于用在該時間內(nèi)直接得到的特性值，也能用其特性值的時間變化、即積分值、微分值或者增加量來判定滿充電。
此外，因從充電末期到過充電脈沖振動的發(fā)生頻度連續(xù)地變化，所以用經(jīng)過多個單位時間的特性值的平均值對測定數(shù)據(jù)進行平坦化，能減小突發(fā)生的混入到信號中的噪聲的影響。
如果優(yōu)先地提取所述脈沖振動中的頻率為1kHz～500kHz的成分，則能有效地排除噪聲。因AE信號是超聲波，所以該頻率區(qū)域以外的振動看作噪聲進行排除，能高精度地檢測脈沖振動。
為了優(yōu)先地提取觀察到的信號中的特定頻率區(qū)域的成分，例如共振頻率包含在該頻率區(qū)域中，用對于該頻率區(qū)域的振動靈敏度高的壓電元件，檢測電池的振動。
此外，在使用將檢測到的振動變換成電信號的振動檢測手段的場合，用例如帶通濾波器，濾過并提取該輸出信號中的與前述相同的頻率區(qū)域的成分。


圖1是表示在本發(fā)明一實施例中使用的滿充電檢測裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖2A是表示在充電中的蓄電池內(nèi)發(fā)生的脈沖振動的計數(shù)數(shù)。
圖2B是表示充電中的蓄電池的電壓。
圖2C是表示充電中的蓄電池的電池內(nèi)壓。
圖3是表示同一實施例中使用的充電裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖4是表示實施同一實施例的滿充電檢測方法的電池的循環(huán)特性圖。
圖5是表示用不同的速率充電時在蓄電池內(nèi)發(fā)生的脈沖振動的計數(shù)數(shù)的舉動的圖。
圖6是表示在本發(fā)明的其它實施例中使用的充電裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖7A是表示根據(jù)在同一充電器裝置中利用帶通濾波器濾波后的壓電元件的輸出信號算出的脈沖振動的計數(shù)數(shù)的舉動的圖。
圖7B是表示在不使用帶通濾波器的實施例1的充電裝置中觀察到的計數(shù)數(shù)的舉動的圖。
下面，參照附圖對實施本發(fā)明的最佳實施例詳細地進行說明。
實施例1下面，對本實施例中根據(jù)在充電中電池內(nèi)發(fā)生的脈沖振動數(shù)的檢測電池的滿充電的方法的例進行說明。
使用圖1所示的裝置對蓄電池進行充電。在蓄電池7中，使用額定容量6.5Ah的密封型鎳-氫蓄電池。在蓄電池7的壁面上壓著由用鋯酸鈦酸鉛陶瓷制的壓電元件(NF電路設(shè)計集團(bloc)制AE-901S)形成的振動檢測用的傳感器1。這種傳感器的共振頻率是140kHz。傳感器輸出對應(yīng)于檢測到的蓄電池7的振動的電信號。在利用前置放大器2(NF電路設(shè)計集團制產(chǎn)品號9913)放大傳感器1的輸出信號后，輸入到信號檢測單元5中。
信號檢測單元5檢測輸入信號中具有某個閾值以上的強度的成分，并在規(guī)定的時間內(nèi)計算該成分發(fā)生的頻度。將這種計算結(jié)果記錄在存儲器6中。
在環(huán)境溫度25℃利用充電單元10，對蓄電池7供給6.5A的恒定電流，對蓄電池7充電到額定容量的105％為止。圖2A示出了在充電中信號檢測單元5在1秒間計數(shù)的脈沖振動數(shù)(下面稱為計數(shù)數(shù))的變化。同時，圖2B和圖2C分別示出了這時的電池電壓的變化和內(nèi)部壓力的變化。
如圖2C所示，當電池的狀態(tài)進入到充電末期時，電池的內(nèi)部壓力開始上升，同時，如圖2A所示，計數(shù)數(shù)開始上升。在電池的充電深度超過其額定容量的100％的地方，計數(shù)數(shù)急劇地增加。
一般地，因使用水溶液系列電解液的電池一達到過充電狀態(tài)，電解液中的水就電解并發(fā)生氣體，所以前述確認的脈沖振動在利用水的電解發(fā)生氧氣和氫氣的氣泡時，在發(fā)生的氣泡到達電解液上面裂開時，考慮多個氣泡被結(jié)合并且形成新的氣泡時等發(fā)出的AE信號。
由前述的比較，當計數(shù)數(shù)比規(guī)定的閾值大時，判定為電池到達滿充電，可見能檢測電池的滿充電。例如，在圖2A中，當計數(shù)數(shù)到達每秒200次時，能判定電池到達滿充電。
因此，借助于使用例如圖3所示的充電裝置，能高精度地控制蓄電池的充電。這種充電裝置是圖1所示的滿充電檢測裝置和以往的充電器的組合后的產(chǎn)物。
信號檢測單元5將關(guān)于得到的計數(shù)數(shù)的信號輸出到存儲單元6中，同時輸出到信號處理單元8中。
信號處理單元8根據(jù)來自信號檢測單元5的信號，算出計數(shù)數(shù)的變化量。將在信號處理單元8算出的信息輸出到判斷單元9中。判斷單元9根據(jù)來自信號處理單元8的信號，判定是否應(yīng)該變更蓄電池7的充電條件。在進一步進行變更的場合，決定新的充電條件。例如，當前述的計數(shù)數(shù)到達每秒200次時，或者停止充電，或者將充電電流值再設(shè)定成更加小的值。判斷單元9在判斷后對充電控制單元10進行操作，并變更電池7的充電條件。
如前所述，如果對脈沖信號進行計數(shù)，則能使噪聲的影響極小。
例如，在使用RMS電路根據(jù)信號的大小進行判定的方式中，雖然混入到信號中的噪聲的大小直接地影響到計算值，但采用本實施例的方法、即對脈沖信號數(shù)進行計數(shù)的方法，則認為混入到信號中的噪聲也僅僅是1個脈沖信號。
實際上，使用前述的充電裝置，重復(fù)電池的充電和放電，考察電池的放電容量的循環(huán)特性。圖4示出了其結(jié)果。此外，充放電的任何一種都在40℃的氣氛下進行。用6.5A的恒定電流進行充電，并用6.5A的恒定電流放電到電池電壓低到0.9V為止。
作為比較例，與當電壓變化量ΔV成為負時停止充電的以往的滿充電檢測方法合在一起進行評價。圖4也示出了其結(jié)果。
如圖4所示，實施本實施例的滿充電檢測方法后的電池的循環(huán)特性，比實施作為比較例的以往的滿充電檢測方法的電池的循環(huán)特性更好。
下面，對充電電流值和計數(shù)數(shù)的關(guān)系進行說明。
圖5示出了在40℃的氣氛下，分別用1.0A和6.5A作為一定的充電電流值時的脈沖振動的計數(shù)數(shù)。
在任何一種情況下，在充電開始后的一會兒時間，計數(shù)數(shù)小得幾乎一定。這時檢測出的信號能判斷為噪聲(起因于氣體發(fā)生以外的信號)。
從充電開始用6.5A充電大約5.5分鐘后，用1.0A充電大約4小時后，計數(shù)數(shù)急劇地增大?？紤]在這種時刻電池內(nèi)開始發(fā)生氣體。
然后，計數(shù)數(shù)的變化因充電速率而不同。也就是說，根據(jù)每個單位時間的氣體發(fā)生頻度而不同。如果對于不同的充電電流值任何一種都用相同的閾值，則在使用低的充電電流時，計數(shù)數(shù)要較長的時間到達閾值。但是，不會由于充電速率的不同，電池被過充電的量產(chǎn)生大的差別。為了更高精度地判定滿充電，希望認為到達滿充電的計數(shù)數(shù)的閾值與充電速率之間保持相關(guān)。
此外，如果使閾值成為一定，則基于充電環(huán)境的變化的噪聲的變化的影響增大。因此，在各充電中，希望參照噪聲電平?jīng)Q定閾值。例如，由充電開始取得規(guī)定時間內(nèi)的計數(shù)數(shù)的平均值，并將規(guī)定值加到該平均值上后的值作為閾值。
實施例2下面，對在本實施例中用排除包含在得到的信號中的噪聲的更高精度的滿充電檢測方法的例進行說明。
實際上，用圖1所示的裝置，在25℃的氣氛下用6.5A的恒定電流對任何一種額定容量為6.5Ah的密封型鉛氧蓄電池、鎳-鎘蓄電池、鎳-氫蓄電池進行充電時，在任何一種電池中其充電狀態(tài)從充電末期到過充電為止的階段，都能確認從電池內(nèi)部發(fā)生1kHz-500kHz的脈沖振動。這時，在傳感器1中使用由用鋯酸鈦酸鉛陶瓷制的壓電元件(NF電路設(shè)計集團制AE-900S-WB)。
因此，能僅僅提取在傳感器1的輸出信號中的特定的頻率區(qū)域的信號，排除噪聲。
此外，AE信號的發(fā)生基本上起因于水的電解的氣泡的產(chǎn)生、破壞或者吸收。因此，在使用水系列的其它的蓄電池中，也能考慮同樣的頻率區(qū)域的振動發(fā)生。
實際上，用圖6所示的充電裝置，對與前述相同的鎳-氫蓄電池進行充電。這種充電裝置是在實施例1中使用的充電裝置中附加帶通濾波器3和前置放大器4。此外，在本充電裝置中，帶通濾波器3和前置放大器4以及信號檢測單元5成為整體的測試器11(NF電路設(shè)計集團制產(chǎn)品號9501)。
由前置放大器2放大的傳感器1的輸出信號在由前置放大器2放大后，輸入到帶通濾波器3中。帶通濾波器3僅使頻率為1kHz～500kHz的成分通過。通過帶通濾波器3去除噪聲后的信號，由前置放大器4進一步放大后，輸入到信號檢測單元5中。
圖7A示出了使用本實施例的充電裝置，用帶通濾波器3對傳感器1的輸出信號進行濾波時的計數(shù)數(shù)。此外，圖7B示出了不用帶通濾波器3對蓄電池7進行充電時信號檢測單元5檢測的計數(shù)數(shù)。由對它們進行比較可知，使用帶通濾波器3能去除包含在信號中的噪聲。
如前所述，除在一定的時間檢測的脈沖振動的計數(shù)數(shù)外，根據(jù)用RMS電路等測定的一定時間的振動強度，也能判定滿充電狀態(tài)。例如，用與前述相同的裝置，對在充電中檢測到的脈沖振動的大小(用時間積分振幅后的值)與其閾值進行比較，也能高精度地檢測電池的滿充電。特別，假如積分時間在1秒以上，則能令人滿意地減小混入到信號中的噪聲的影響。此外，用對信號進行平滑化，能進一步提高可靠性。
為了更高精度地判定滿充電，保持與充電速率相關(guān)是有效的。
此外，用一定間隔算出計數(shù)數(shù)，同時也可以用其時間的微分值、即計數(shù)數(shù)的增加率。這里，因微分值受噪聲的影響大，所以在微分前對數(shù)據(jù)進行平滑化是必要的。計數(shù)數(shù)的算出間隔在1秒以上為佳。
權(quán)利要求
1．一種蓄電池的滿充電檢測方法，其特征在于，檢測在充電中的蓄電池的內(nèi)部發(fā)生的脈沖振動，當?shù)玫降拿}沖振動的特性值比規(guī)定的值大時，判定所述蓄電池到達滿充電。
2．如權(quán)利要求1所述的蓄電池的滿充電檢測方法，其特征在于，所述特性值是在規(guī)定的時間內(nèi)的脈沖振動的計數(shù)數(shù)。
3．如權(quán)利要求1所述的蓄電池的滿充電檢測方法，其特征在于，所述特性值是在規(guī)定的時間內(nèi)的脈沖振動的大小的平均值。
4．如權(quán)利要求1所述的蓄電池的滿充電檢測方法，其特征在于，優(yōu)先地提取所述脈沖振動中的頻率為1kHz～500kHz的成分，并進行評價。
5．如權(quán)利要求4所述的蓄電池的滿充電檢測方法，其特征在于，用其共振頻率包含在所述頻率范圍內(nèi)的壓電元件，檢測所述脈沖振動。
6．如權(quán)利要求4所述的蓄電池的滿充電檢測方法，其特征在于，用帶通濾波器提取檢測所述脈沖振動得到的電氣信號中的所述頻率范圍的成分。
7．一種蓄電池的滿充電檢測裝置，其特征在于，包括檢測在充電中的蓄電池的內(nèi)部發(fā)生的脈沖振動的特性值的脈沖振動檢測單元，和比較所述特性值和預(yù)先設(shè)定的值，判定所述蓄電池的滿充電的滿充電判定單元手段。
8．如權(quán)利要求7所述的蓄電池的滿充電檢測裝置，其特征在于，所述特性值是在規(guī)定的時間內(nèi)的脈沖振動的計數(shù)數(shù)。
9．如權(quán)利要求7所述的蓄電池的滿充電檢測裝置，其特征在于，所述特性值是在規(guī)定的時間內(nèi)的脈沖振動的大小的平均值。
10．如權(quán)利要求7所述的蓄電池的滿充電檢測裝置，其特征在于，所述脈沖振動檢測單元包括優(yōu)先地提取所述脈沖振動中的頻率為1kHz～500kHz的成分的手段。
11．如權(quán)利要求10所述的蓄電池的滿充電檢測裝置，其特征在于，所述脈沖振動檢測單元包括壓電元件。
12．如權(quán)利要求10所述的蓄電池的滿充電檢測裝置，其特征在于，所述壓電元件的共振頻率包含在所述頻率的范圍內(nèi)。
13．如權(quán)利要求11所述的蓄電池的滿充電檢測裝置，其特征在于，所述脈沖振動檢測單元包括濾過并提取所述壓電元件的輸出信號中的所述頻率的范圍的成分的帶通濾波器。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種蓄電池的滿充電檢測方法和使用它的滿充電檢測裝置。本發(fā)明提供的蓄電池的滿充電檢測方法,不管充電模式和周圍的環(huán)境,不要特別的電池結(jié)構(gòu),就能正確地檢測出蓄電池的滿充電,并能抑制起因于過充電的電池特性的降低。本發(fā)明的滿充電檢測方法,檢測在充電中的蓄電池的內(nèi)部發(fā)生的脈沖振動,當?shù)玫降拿}沖振動的特性值、例如發(fā)生頻度比規(guī)定的值大時,判定所述蓄電池到達滿充電。
文檔編號H01M10/48GK1235277SQ9910673
公開日1999年11月17日 申請日期1999年5月11日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月11日
發(fā)明者岡田行広, 松田宏夢, 豐口吉德, 山田義則 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社