專(zhuān)利名稱(chēng)：用于無(wú)繩電動(dòng)工具系統(tǒng)的電池組的充電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的示范性實(shí)施例主要涉及一種向無(wú)繩電動(dòng)工具的電池組充電的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)鋰離子電池組的充電算法通常會(huì)采用恒定電流/恒定電壓(CC/CV)充電算法，其中，當(dāng)電池組電壓增高到設(shè)定的電壓閾值電平(典型值為充電狀態(tài)的90％)時(shí)，充電電流在一段時(shí)間內(nèi)維持在恒定水平。此刻，在電流逐漸減小到較低水平以完成充電的同時(shí)，電池組電壓保持在恒定電壓電平。
為了向傳統(tǒng)的鋰離子電池組充電，向電池組提供充電電流的電源(充電器)需要(在充電過(guò)程中的不同時(shí)間)維持恒定的電壓和/或恒定電流。特別是當(dāng)向具有串聯(lián)連接、其每個(gè)電池電壓可能處于不同電平的多個(gè)電池的電池組充電時(shí)，這需要復(fù)雜的或者繁雜的充電電路。該恒定電流/恒定電壓(CC/CV)充電算法典型地應(yīng)用于傳統(tǒng)鋰離子電池組，該電池組具有例如為氧化鈷鋰、氧化鎳鋰、氧化錳鋰和上述或其他金屬與鋰的氧化物的混合物的電池化學(xué)組分(chemistry)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例旨在一種向電池組充電的方法。在一個(gè)實(shí)施例中，所述電池組被插入到充電器中并對(duì)電池電壓和電池組溫度執(zhí)行初始的一組檢查。一旦滿足初始的一組檢查，則將會(huì)以第一恒定電流水平對(duì)電池充電。在所有電池的電池電壓處于滿充電壓窗口之前，該第一恒定電流水平被調(diào)節(jié)到一個(gè)或者多個(gè)較低的恒定電流水平。在最小滿充電池電壓電平和最大滿充電池電壓電平之間確定該電壓窗口。一旦所有的電池位于滿充電壓窗口之內(nèi)，則充電終止。
在另一個(gè)示范性實(shí)施例中，當(dāng)把電池組插入充電器之后，執(zhí)行在施加零充電電流的情況下的電池電壓和電池組溫度的初始的一組檢查。然后，一旦滿足初始的一組檢查，則以初始充電電流水平對(duì)電池充電，以執(zhí)行第二組電壓和溫度檢查。一旦滿足第二組檢查，則以用于第二組檢查并高于初始充電電流水平的第一恒定電流水平對(duì)電池進(jìn)行充電。當(dāng)達(dá)到了第一轉(zhuǎn)變極限時(shí)，充電電流減小到低于第一恒定電流水平的第二恒定電流水平。當(dāng)達(dá)到第二轉(zhuǎn)變極限時(shí)，充電電流減小到低于第二恒定電流水平的第三恒定電流水平?？梢赃x擇性地對(duì)單個(gè)電池放電，同時(shí)繼續(xù)以第三恒定電流水平對(duì)其他電池充電。一旦所有的電池處于最小滿充電池電壓電平和最大滿充電池電壓電平之間的滿充電壓窗口內(nèi)，則充電終止。


通過(guò)參照附圖對(duì)其示范性實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，所述示范性實(shí)施例將變得更加顯而易見(jiàn)，其中，用類(lèi)似的參考標(biāo)記表示類(lèi)似的部分，這僅僅是為了說(shuō)明性的目的，因而并不意欲限制本發(fā)明。
圖1-3示出了根據(jù)示范性實(shí)施例的無(wú)繩電動(dòng)工具系統(tǒng)中的說(shuō)明性的無(wú)繩電動(dòng)工具。
圖4為用于向諸如圖1-3中的任何一個(gè)所示的無(wú)繩電動(dòng)工具供電的電池組1000的透視圖。
圖5為圖4中的電池組1000的后視圖。
圖6示出了插入電池充電器600的電池組1000。
圖7A和7B示出了根據(jù)示范性實(shí)施例的用于36V電池組1000的示范性電池結(jié)構(gòu)。
圖8A和8B示出了根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的用于25.2V電池組1000的示范性電池結(jié)構(gòu)。
圖9為示出根據(jù)示范性實(shí)施例的在電池組1000和電池充電器600之間的內(nèi)部電子組件及其連接的框圖。
圖10為示出了對(duì)具有鋰金屬磷酸鹽化學(xué)組分的多個(gè)鋰離子電池的鋰離子電池組1000進(jìn)行充電的充電方法的流程圖。
圖11為更詳細(xì)示出由圖10的示范性充電方法所執(zhí)行的預(yù)充電檢查的流程圖。
圖12為示出了在另一示范性充電方法的持續(xù)時(shí)間內(nèi)關(guān)于電池組1000和充電電流的電壓曲線的圖表。
具體實(shí)施例方式
在對(duì)示范性電池充電方法進(jìn)行描述之前，發(fā)明者通過(guò)參照?qǐng)D1-9初步地給出了有關(guān)無(wú)繩電動(dòng)工具系統(tǒng)的概貌，圖1-9包括了示范性電池組和電池充電器、電池組和充電器之間的示范性框圖以及利用無(wú)繩電動(dòng)工具系統(tǒng)的電池組的示范性電池結(jié)構(gòu)。上述概貌為即將描述的示范性電池充電方法提供了更好的上下文環(huán)境。
圖1-3示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的無(wú)繩電動(dòng)工具系統(tǒng)中的無(wú)繩電動(dòng)工具。此后將被進(jìn)一步描述的電池充電方法可以被用于對(duì)為無(wú)繩電動(dòng)工具系統(tǒng)供電的電池組充電。所示的示范性無(wú)繩電動(dòng)工具包括(僅僅示例性地)電動(dòng)圓鋸10(圖1)、往復(fù)鋸20(圖2)和鉆30(圖3)。工具10、20和30中的每個(gè)可以包括由具有給定標(biāo)稱(chēng)額定電壓的電源供電的傳統(tǒng)DC電動(dòng)機(jī)(圖中未示)。
工具10、20和30可以由其標(biāo)稱(chēng)額定電壓至少為18V的可拆卸電源驅(qū)動(dòng)。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的是，示范性實(shí)施例并不限于圖中所示的特定類(lèi)型的工具或此時(shí)提及的特定電壓。在這一點(diǎn)上，本發(fā)明的教導(dǎo)實(shí)際上可以被應(yīng)用于以任何供電電壓供電的任何類(lèi)型的無(wú)繩電動(dòng)工具。
繼續(xù)參考圖1-3，可拆卸電源被示出為電池組1000。在圖中所示的示范性實(shí)施例中，所述電池組可以為可充電電池組1000。電池組1000可以包括多個(gè)串聯(lián)連接的電池、和/或多個(gè)串接的電池串(string)，其中電池串彼此相互平行。
為了描述本發(fā)明的示范性實(shí)施例，電池組1000可以包括具有鋰基電池化學(xué)組分的電池。
由于隨后即將描述的示范性方法旨在對(duì)無(wú)繩電動(dòng)工具環(huán)境中的電動(dòng)工具的電池組進(jìn)行充電，而所述電動(dòng)工具需要具有比使用鋰離子電池或鋰基電池技術(shù)的傳統(tǒng)低壓設(shè)備(例如膝上計(jì)算機(jī)和蜂窩電話)高得多的額定電壓的電源，所以，電池組1000的標(biāo)稱(chēng)額定電壓至少為18V。
圖4為根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例用于向諸如圖1-3中的任何一個(gè)所示的無(wú)繩電動(dòng)工具供電的電池組的透視圖，圖5為圖4中的電池組的后視圖。電池組1000包括具有頂殼100和底殼200的外殼，其連接示于圖4中。頂殼100和底殼200各自可以由硬塑料或者諸如ABS的其他合適材料一體式地構(gòu)造而成。
頂殼100包括了上層部分104，該上層部分的內(nèi)側(cè)(未示出)具有用于容納電子模塊(為清晰起見(jiàn)未示出)的凹進(jìn)區(qū)域。所述電子模塊可以包括微控制器和多個(gè)其他有源元件，用于監(jiān)視電池組1000、附帶的充電器或電動(dòng)工具等、以及電池組1000的電池中的參數(shù)。電池組端子塊(T塊，T-block)110被設(shè)置在頂殼100的開(kāi)孔111之內(nèi)。T塊110的準(zhǔn)確端子或接觸結(jié)構(gòu)不是本發(fā)明的所關(guān)注的焦點(diǎn)，因此為簡(jiǎn)單起見(jiàn)而省略了對(duì)于這些的詳細(xì)描述。如所公知的，T塊110與附帶的電動(dòng)工具10、20、30或者電池充電器的相應(yīng)端子塊接口，用于設(shè)備之間的電力通信和能量流動(dòng)。
電池組1000具有閂鎖(latch)150，它被配置為將電池組1000從電動(dòng)工具或者充電器中釋放出來(lái)的釋放機(jī)制。如圖5所示，操作者可通過(guò)按下位于電池組1000中的閂鎖釋放按鈕155而把電池組1000從電動(dòng)工具或充電器中釋放出來(lái)。閂鎖150和釋放按鈕155可以是例如單個(gè)整體鑄造的工件。為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，關(guān)于閂鎖150的操作的詳細(xì)解釋在此省略，可以理解，通過(guò)壓下閂鎖釋放按鈕155可以將電池組1000從電動(dòng)工具或充電器上移走。
圖6示出了被插于電池充電器中的電池組。電池充電器600包括由上層、下層殼體620和630所構(gòu)成的外殼610。圖中未示出將充電器600連于充電器中的AC線電源的電源線。充電器600包括在其上具有多個(gè)LED燈675(“LED675”)的LED顯示器670。LED顯示器670可以通過(guò)點(diǎn)亮適當(dāng)?shù)腖ED燈675來(lái)指示電池組1000已被完全充滿，和/或利用另一個(gè)LED675來(lái)指示電池組1000在充電操作期間出現(xiàn)的故障或者問(wèn)題。
在圖6中還示出了位于電池組1000上的LED顯示器170。電池組1000中的LED顯示器170可以是如圖5所示而排列的三個(gè)LED175，或者是具有不同顏色的指示器的單個(gè)LED。LED175可以提供充電狀態(tài)的情況和/或提供對(duì)于在充電和/或放電操作期間電池組1000中的問(wèn)題的指示。
此處所示的電池組1000具有至少為18V的標(biāo)稱(chēng)電壓。但是，在特定的實(shí)施例中，電池組1000可以包括提供大約36V輸出電壓的電池結(jié)構(gòu)；在另外的實(shí)施例中，電池組可以被配置為具有多個(gè)提供大約25V(25.2V)輸出電壓的電池。
圖7A和7B示出了根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的用于36V鋰離子電池組的示范性電池結(jié)構(gòu)。具體而言，圖7A和7B示出了用于36V電池組1000的可選擇的電池結(jié)構(gòu)。
參照?qǐng)D7A，電池組1000中的電池排列可以是沿圖示電池方位的多個(gè)26650鋰離子電池(每個(gè)電池直徑26mm、長(zhǎng)650mm)。圖7A示出了10個(gè)26650電池，其中每個(gè)電池具有大約3.6V的標(biāo)稱(chēng)電池電壓。在一個(gè)示例中，26650電池可以具有鋰離子電池化學(xué)組分，這將是氧化鈷鋰、氧化鎳鋰、氧化錳鋰和上述或其他金屬與鋰的氧化物的混合物的電池化學(xué)組分。
在另一個(gè)實(shí)施例中，26650電池可以具有鋰金屬磷酸鹽電池化學(xué)組分。一個(gè)例子是具有磷酸鋰鐵(LFP)陰極(cathode)的鋰離子電池。具有這種化學(xué)組分的電池的陰極中的活性組分為鋰金屬(鐵)磷酸鹽。鋰離子LFP電池可以為圓柱形，且對(duì)于陰極、隔板和陽(yáng)極(anode)具有電池領(lǐng)域所公知的螺線形或“膠輥(jelly roll)”構(gòu)造。負(fù)極材料可以為如鋰基電池領(lǐng)域所公知的處于銅集電環(huán)(collector)上的石墨碳材料或者其他已知的陽(yáng)極材料。
可選擇地，電池組1000中電池的排列可以包括沿圖7B所示的電池方位的20個(gè)具有鋰金屬磷酸鹽電池化學(xué)組分的18650鋰離子電池(每個(gè)電池直徑18mm、長(zhǎng)650mm)。圖7B示出了2并聯(lián)-10串聯(lián)(2P10S)的電池結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)電池具有約3.6V/cell的標(biāo)稱(chēng)電池電壓，從而獲得的電池組電壓為36V。電池組電壓大約為36V，是由于每個(gè)電池的電壓會(huì)因鋰離子基電池組的特定化學(xué)組分而發(fā)生波動(dòng)。例如，具有磷酸鋰鐵(LFP)基電池化學(xué)組分的電池在標(biāo)稱(chēng)上約為3.3V/cell，同時(shí)，具有鋰金屬氧化物基化學(xué)組分的電池在標(biāo)稱(chēng)上約為3.6V/cell。
圖8A和8B示出了根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的用于作為大約25V電池組的電池組1000的示范性電池結(jié)構(gòu)。參看圖8A，電池組1000的電池排列可以包括依照?qǐng)D中示出的電池方位而布置的7個(gè)26650鋰離子(氧化物基)或者鋰離子(磷酸鹽基)電池。可選擇地，圖8B中電池組的電池排列可以包括依照?qǐng)D中示出的電池方位而布置的14個(gè)18650鋰離子(氧化物基)或者鋰離子(磷酸鹽基)電池。電池組電壓大約為25V，這是由于如上所述每個(gè)電池的電壓會(huì)因鋰離子基電池組的特定化學(xué)組分而發(fā)生輕微波動(dòng)。
圖7A-8B所示布置方位的電池?cái)?shù)量和每個(gè)電池的電壓可以根據(jù)對(duì)高能鋰離子電池組要求的總體能量、而進(jìn)行調(diào)整，且可以處于約每電池3.3至4.6V/cell的標(biāo)稱(chēng)電壓范圍，該范圍可提供基于工業(yè)電化學(xué)電壓電勢(shì)指南的可接受范圍。當(dāng)然，這些值可以根據(jù)電池的充電狀態(tài)(電池是否充滿)和電池的特定化學(xué)組分而變化。
圖9為根據(jù)示范性實(shí)施例的電池組1000和電池充電器600之間的內(nèi)部電子元件及其連接的方框圖。在圖7中示出了10個(gè)端子連接頭(端子1-10)。但是，所述示范性實(shí)施并不限于這樣的端子結(jié)構(gòu)，因?yàn)榭梢愿鶕?jù)電池組1000或者充電器600所要監(jiān)視的參數(shù)或其間希望傳遞的信息而包括更多或更少的端子。
電池電子控制單元125可負(fù)責(zé)因使用者(經(jīng)由充電器600、附接的工具和/或由于使用者篡改)在端子產(chǎn)生的任何故障狀況時(shí)對(duì)電池105的保護(hù)。如圖所示，電池電子控制單元125可由內(nèi)部電源135供電。
可以用硬件或者軟件將電池電子控制單元125實(shí)現(xiàn)為數(shù)字微控制器、微處理器或者模擬電路、數(shù)字信號(hào)處理器或者通過(guò)一個(gè)或多個(gè)諸如專(zhuān)用集成電路(ASIC)的數(shù)字IC來(lái)實(shí)現(xiàn)電池電子控制單元125。電池電子控制單元125可以包括能夠執(zhí)行一個(gè)或者多個(gè)軟件或固件程序的各種類(lèi)型的存儲(chǔ)器。示范性存儲(chǔ)器可以包括RAM、FLASH和EEPROM。作為示例，RAM存儲(chǔ)器可用于存儲(chǔ)運(yùn)行時(shí)間期間的程序變量。作為示例，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器可用于存儲(chǔ)程序代碼和校準(zhǔn)值。也可以提供EEPROM用于存儲(chǔ)校準(zhǔn)值、數(shù)據(jù)日志信息、錯(cuò)誤代碼等。此外，將電池電子控制單元125實(shí)現(xiàn)為微控制器，并為簡(jiǎn)單起見(jiàn)稱(chēng)之為“控制器125”。
可以在控制器125的控制下通過(guò)使用半導(dǎo)體裝置130(放電FET)而箝位或者停止進(jìn)行電池組1000中的放電電流，從而以便控制到圖1-3中任何一種工具的工具電動(dòng)機(jī)的電流?？刂破?25可以由如圖中所示的內(nèi)部電源135供電，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路140來(lái)控制放電FET130的ON/OFF狀態(tài)。通常，控制器125通過(guò)控制電路140控制放電FET130的導(dǎo)通截止，從而選擇性地控制了向工具電動(dòng)機(jī)提供的平均電壓，于是，控制著電池組1000所輸出的電能和電流中的至少一個(gè)。
在圖9中，6個(gè)電池105如圖串聯(lián)連接，可以理解的是這僅僅是示范性的，其他的電池可以如這里所述的是串聯(lián)或者串-并聯(lián)關(guān)系。當(dāng)電池組1000被連接到充電器600時(shí)，電池105的充電由控制器125控制，該控制器125實(shí)現(xiàn)示范性充電方法并通過(guò)數(shù)據(jù)線與充電器600進(jìn)行通信。通過(guò)把充電FET157放入充電器600而不是電池組1000之中，空間和能量耗散(熱量)將從壓縮電池組1000轉(zhuǎn)向充電器600。
電池組1000還可以包括電流傳感器145，用于感測(cè)電流并向控制器125提供信號(hào)。電流傳感器145可以利用用于電流傳感器的已知元件實(shí)現(xiàn)，例如分流電阻器、電流變壓器等，所述元件可以向控制器125提供代表在電池組1000中的所感測(cè)到的電流的信號(hào)。
電池組1000也可以包括用于監(jiān)視電池電壓的電壓監(jiān)視電路，例如電壓監(jiān)視單元115。在共同待決和共同轉(zhuǎn)讓的于2005年9月30日向美國(guó)專(zhuān)利和商標(biāo)局提交的申請(qǐng)?zhí)枮镹o.11/239,286、申請(qǐng)人為Carrier等、發(fā)明名稱(chēng)“METHODAND DEVICE FOR MONITORING BATTERY CELLS OF A BATTERY PACKAND METHOD AND ARRANGEMENT FOR BALANCING BATTERY CELLVOLTAGES DURING CHARGE”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)(美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)為No.2006/0071643A1)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為’286申請(qǐng))中詳述了一個(gè)詳細(xì)的示例電池監(jiān)視裝置200，其全部?jī)?nèi)容將通過(guò)引用的方式而被合并于此。
通常，電壓監(jiān)視單元115被配置為感測(cè)各個(gè)電池電壓，并感測(cè)電池串105整個(gè)電池組電壓(“棧電壓，stack voltage”)，從而向控制器125提供代表各個(gè)電池或者棧電壓的信號(hào)。如’286申請(qǐng)中所述，電壓監(jiān)視單元115是集成電路的一部分，該集成電路單個(gè)地或者順序地接受采樣讀數(shù)，包括單個(gè)電池電壓或者電池組中全部電池的總棧電壓中的一個(gè)。在被控制器125讀取之前，在集成電路中對(duì)采樣讀數(shù)進(jìn)行濾波。
在示例中，并且如在’286申請(qǐng)中所詳細(xì)描述的那樣，控制器125指揮電壓監(jiān)視單元115，使其在電池組1000和充電器600之間的充電操作期間周期性地、以順序執(zhí)行的方式、對(duì)電池組中每個(gè)電池上的電池電壓、以及整個(gè)電池組電壓進(jìn)行測(cè)量。所測(cè)得的各個(gè)電池電壓和所有電池的當(dāng)前平均電池電壓由電壓監(jiān)視單元115發(fā)送給控制器125。將所測(cè)得的整個(gè)電池組電壓自動(dòng)地除以電池組中電池的數(shù)量，從而確定當(dāng)前平均電池電壓。
控制器125能夠部分地基于每個(gè)所測(cè)量的單個(gè)電池電壓和所確定的當(dāng)前平均電池電壓來(lái)在電池充電期間控制每個(gè)電池的電壓的平衡(“電池平衡”)。由于這種電池的平衡在本領(lǐng)域?yàn)楣模虼舜颂幨÷詫?duì)其的詳細(xì)描述。但是，如在’286申請(qǐng)中的圖1所示出和描述的，為了平衡電池組1000中的電池105，可以在充電過(guò)程中對(duì)一個(gè)或者更多的單個(gè)電池105進(jìn)行放電以減小電池的電壓。通常，控制器125向用于驅(qū)動(dòng)選通驅(qū)動(dòng)電路的電壓監(jiān)視單元115發(fā)出命令，從而將半導(dǎo)體器件棧中的給定半導(dǎo)體器件FET切換為ON或OFF。每個(gè)電池105具有平衡FET和平衡電阻器?？刂平o定的平衡FET以將其所對(duì)應(yīng)的平衡電阻器切換進(jìn)或切換出電池電流通路，從而從電池組中排出(放電)由平衡電阻值所設(shè)定的特定電流。這樣就降低了電池電壓。
于是，當(dāng)電池105所對(duì)應(yīng)的平衡FET導(dǎo)通時(shí)，電池平衡電阻器可被切換到電池105的電流通路上，從而對(duì)電池105進(jìn)行放電，使得在充電期間降低電池電壓?；谒鶞y(cè)量的每個(gè)電池電壓，控制器125在充電操作期間控制電池105的平衡，以基于由控制器125所實(shí)現(xiàn)的特定充電算法循環(huán)(cycle)導(dǎo)通和截止平衡FET。
電池組1000還可以包括一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器120。溫度傳感器120可以被實(shí)現(xiàn)為諸如NTC或者PTC熱敏電阻器、溫度傳感集成電路、或熱電偶。溫度傳感器120可以將電池組1000之內(nèi)或者每個(gè)電池內(nèi)的溫度(統(tǒng)稱(chēng)為“電池組溫度”)傳送到電池組1000內(nèi)的控制器125和/或例如經(jīng)由到充電器電子控制器155的端子10傳遞到所連充電器600中的信息采集單元(intelligence)。由于此類(lèi)溫度傳感器120的功能是公知的，所以為簡(jiǎn)單起見(jiàn)而于此處省略對(duì)其功能性操作的描述。
可選擇地，如果電池組1000與諸如充電器微處理器或者工具微處理器的另一個(gè)信息采集設(shè)備進(jìn)行通信，則電池組1000可以具有其自己的標(biāo)識(shí)符(ID)。如果需要，可由以下方式實(shí)現(xiàn)電池組ID(未示出)ID電阻器；額外的LED顯示器(未示出)，用于顯示電池組的標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)；在接合(engagement)時(shí)發(fā)生并由經(jīng)由例如數(shù)據(jù)和時(shí)鐘端子5和6連接于電池組1000的工具/充電器感測(cè)所得的序列標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)；和/或經(jīng)空中接口發(fā)送給工具/充電器的數(shù)據(jù)幀內(nèi)的字段。
電池組1000可以在來(lái)自充電器600的返回充電線中包括具有二級(jí)監(jiān)視及過(guò)壓保護(hù)熔斷電路148和充電熔斷器149的輔助內(nèi)部保護(hù)電路或設(shè)備。(除電壓監(jiān)視電路115之外)二級(jí)監(jiān)視及過(guò)壓保護(hù)熔斷電路148分別監(jiān)視每個(gè)電池的電壓，以監(jiān)視在充電期間達(dá)到過(guò)壓狀態(tài)的任一電池105(一個(gè)或者某些或全部電池)。在這種情況下，二級(jí)監(jiān)視及過(guò)壓保護(hù)熔斷電路148直接向充電器600發(fā)送禁止信號(hào)以終止充電電流。萬(wàn)一電壓監(jiān)視單元115中的電池平衡功能在充電期間出現(xiàn)故障和/或電壓監(jiān)視單元115不可操作，這就提供了后備的保護(hù)。
充電熔斷器149充當(dāng)三級(jí)保護(hù)設(shè)備，以在由于任何原因而導(dǎo)致電池平衡(電壓監(jiān)視單元115)和來(lái)自電路148的二級(jí)過(guò)壓保護(hù)措施不可操作和/或無(wú)法檢測(cè)電池過(guò)壓狀態(tài)的情況下熔斷。一旦充電熔斷器149熔斷，則電池組1000中的充電和放電將被永久禁止。
當(dāng)電池組1000連于充電器600時(shí)，充電器600中的充電器電子控制單元155可由電池的內(nèi)部電源135經(jīng)端子9供電。這僅僅是一種示范性的連接方式，因?yàn)檫€可以使用其他方式向充電器電子控制單元155供電。充電器600可以具有自身電源或者由電池電壓直接供電。可以例如用硬件或軟件將充電器電子控制單元155實(shí)現(xiàn)為數(shù)字微控制器、微處理器、模擬電路、數(shù)字信號(hào)處理器、或通過(guò)一個(gè)或多個(gè)諸如專(zhuān)用集成電路(ASIC)的數(shù)字IC實(shí)現(xiàn)充電器電子控制單元155。充電器電子控制單元155可以利用設(shè)定電壓和設(shè)定電流通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路161來(lái)驅(qū)動(dòng)電源控制器160，以經(jīng)由端子1和10從電源165向電池組1000傳遞所需的電壓和電流。
可以通過(guò)位于端子5和6上的串行數(shù)據(jù)通道來(lái)交換電池和充電器數(shù)據(jù)與控制信息。例如，端子5和6可以用來(lái)向控制器125提供充電器ID數(shù)據(jù)和其他信息。這些信息包括(但不限于)充電器的數(shù)字ID、充電器電流、由充電器讀取的電池的總棧壓、充電器溫度狀況、充電器600的AC電源電平(mainlevel)等。在一個(gè)示例中，充電器600在其診斷測(cè)試期間所感測(cè)的任何問(wèn)題可以通過(guò)端子5和6上的串行數(shù)據(jù)通道傳給控制器125。在另一示例中，如果控制器125接收到諸如低AC電源的充電器故障，控制器125可以例如向充電器600產(chǎn)生錯(cuò)誤消息，和/或等待直到恢復(fù)充電。而且，基于故障信息和充電器ID數(shù)據(jù)，控制器125可以控制充電器輸出和/或基于充電器數(shù)據(jù)來(lái)控制對(duì)電池的充電決策。然后，可以向充電器600發(fā)出命令。在任何情況下，以下所描述的充電方式均在電池組1000而并非充電器600中實(shí)施和控制。
已經(jīng)對(duì)具有電動(dòng)工具、電池組1000和充電器600的示范性無(wú)繩電動(dòng)工具系統(tǒng)的概況做了描述，發(fā)明者介紹了用于電池組1000的鋰金屬磷酸鹽電池化學(xué)組分和用于對(duì)具有鋰金屬磷酸鹽電池的鋰離子電池組1000充電的充電方法。
用于鋰離子電池組的鋰金屬磷酸鹽技術(shù)使用磷酸鹽技術(shù)的鋰離子電池設(shè)計(jì)從根本上不同于使用金屬氧化物的傳統(tǒng)鋰離子電池設(shè)計(jì)。因此，發(fā)明者針對(duì)具有橄欖石鋰金屬磷酸鹽電池化學(xué)組分的電池組開(kāi)發(fā)了一種不同于用于為傳統(tǒng)鋰離子電池組充電的充電方法。
區(qū)別于目前應(yīng)用于鋰離子電池或電池組的諸如氧化鈷鋰(LiCoO2)電池的氧化物基鋰離子化學(xué)組分，在鋰離子電池組中使用例如磷酸鋰鐵(LiFeO4，工業(yè)上稱(chēng)之為“LFP”)的鋰金屬磷酸鹽電池化學(xué)組分在于，這樣的鋰金屬磷酸鹽電池更加穩(wěn)定，因?yàn)殇嚱饘倭姿猁}不會(huì)輕易釋放氧。另外，陰極制造商的成本可因鋰金屬磷酸鹽電池化學(xué)組分的應(yīng)用而大幅度減少。諸如LFP電池的鋰金屬磷酸鹽電池具有比LiCoO2電池更低的操作電壓和更平坦的放電曲線。
鋰金屬磷酸鹽電極通常向碳電極傳遞100％的鋰離子。傳統(tǒng)的鋰金屬氧化物向碳電極傳送約50％的鋰離子。若過(guò)度充電，則可以傳送更多的鋰離子，但會(huì)造成鋰金屬覆著(plating)。傳統(tǒng)的鋰離子電池被設(shè)計(jì)為其中50％鋰離子屬于金屬氧化物，以穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)。
傳統(tǒng)鋰離子電池(特別是含鈷或者鎳的)在恒定電流下充電，直到第一電池以較小裕度達(dá)到特定絕對(duì)電壓，例如4.15V+/-.005。因此，電池可以保持嚴(yán)格的恒定電壓(CC/CV)。但是，正如以下根據(jù)示范性實(shí)施例將要描述的，可以采用不同于傳統(tǒng)CC/CV方法的其他方法對(duì)鋰離子(LFP)電池進(jìn)行充電。
正如即將詳述的，示范性充電方法通過(guò)充電至一電壓范圍或者一個(gè)可接受的電壓窗口內(nèi)來(lái)利用鋰金屬磷酸鹽的100％鋰離子傳送特性，而不是傳統(tǒng)鋰離子電池所需的充電到裕度較小的絕對(duì)電壓。傳統(tǒng)CC/CV充電需要復(fù)雜的電子控制和參考電壓。
對(duì)于示范性充電方法，電壓窗口可以具有0.4V寬度，并且示例窗口為在恒定電流充電期間在3.6V至3.8V的0.2V(200mV)。在一個(gè)電池達(dá)到電壓閾值或者設(shè)定點(diǎn)時(shí)，不需第二級(jí)恒定電壓充電。這樣，所有電池都可被完全充滿，而不用像在傳統(tǒng)CC/CV充電算法中所需要的那樣在第一個(gè)電池達(dá)到電壓閾值之后必須將電池保持在一個(gè)很?chē)?yán)格的恒定電壓之下直至充電結(jié)束。
該示范性方法可以應(yīng)用于對(duì)具有諸如LFP的鋰金屬磷酸鹽化學(xué)組分的電池的電池組1000進(jìn)行充電。在隨后描述的示范性實(shí)施例中，電池組1000具有10個(gè)電池，每個(gè)電池的標(biāo)稱(chēng)電池電壓約為3.3V/cell且滿充電電壓為3.6V/cell。因而示范性充電方法因此可以對(duì)具有10節(jié)規(guī)格為26650電池(例如按照10節(jié)電池的串)的電池組充電，可以理解的是，該示范性方法可以應(yīng)用于由任意數(shù)量、不同電池規(guī)格、以串/并聯(lián)方式連接著、和/或不同標(biāo)稱(chēng)或最大每電池額定電壓下的電池。
下面的示范性充電方法通過(guò)充電至一電壓范圍或者一個(gè)可接受的電壓窗口內(nèi)來(lái)利用鋰金屬磷酸鹽的100％鋰離子傳送特性，而不是對(duì)傳統(tǒng)鋰離子電池要求的那樣充電到裕度較小的絕對(duì)電壓。
使用電壓窗口的充電方法——示例1在該示例中，對(duì)于具有諸如LFP的鋰金屬磷酸鹽電池化學(xué)組分的多電池鋰離子電池組(例如10個(gè)串聯(lián)連接的電池和/或2并聯(lián)-10串聯(lián)(2P10S)結(jié)構(gòu)的電池)，其示范性的充電原則為，在可允許的電壓窗口內(nèi)對(duì)電池充電，直到3.8V的最大單個(gè)電池電壓，并且繼續(xù)充電，直至所有電池均高于諸如3.6V的某個(gè)最小值，于是所有電池獲得100％的充電?？梢栽谀承╇姵貨](méi)有達(dá)到3.6V的最小值的情況下，對(duì)那些首先達(dá)到3.8V的電池執(zhí)行電池平衡。可以如’286申請(qǐng)所述的那樣實(shí)施電池平衡。
充電至3.8V的電池和最大充至3.6V的電池的容量之間的差異僅為0.1Ah或更小，這是因?yàn)?00％充電狀態(tài)的電壓極性特征所致。充電到電壓窗口使得處于較高充電電壓的時(shí)間最小化，于是縮短了過(guò)充電時(shí)間。
圖10為用于示出向具有鋰金屬磷酸鹽電池化學(xué)組分的多個(gè)鋰離子電池的鋰離子電池組1000充電的充電方法的流程圖。在此實(shí)施例中，電池組1000具有10個(gè)串聯(lián)連接的電池(電池裕度為+/-0.05V)。這些電池可以具有例如LFP電池化學(xué)組分或者另一種鋰金屬磷酸鹽電池化學(xué)組分。
對(duì)于以下的方法，可以由電壓監(jiān)視單元115如上面通常所述或如在’286申請(qǐng)中所詳細(xì)描述的那樣來(lái)執(zhí)行用于測(cè)量單個(gè)電池和/或總電池組電壓的電壓監(jiān)視?？山?jīng)由電池組1000中的控制器125實(shí)現(xiàn)電池的溫度監(jiān)視，該控制器125從位于電池組1000中的諸如熱敏電阻器的溫度傳感器120中接收電池或電池組溫度數(shù)據(jù)。
這樣，由控制器125提供全部的充電控制并調(diào)用任何過(guò)充保護(hù)機(jī)制。作為一個(gè)例子，控制器125可從內(nèi)部NTC熱敏電阻器(溫度傳感器120)中接收電池溫度值，并通過(guò)串行數(shù)據(jù)通道將此信息傳遞給充電器600中的充電器電子控制單元155。在極端電池溫度的情況下(例如隨后描述的熱或冷電池組延遲條件)，由控制器125通過(guò)串行數(shù)據(jù)通道向充電器電子控制單元155發(fā)出合適的控制信號(hào)以截止充電器600中的FET157，從而掛起充電電流。
現(xiàn)在參考圖10，電池組1000被插入到(1005)充電器600中，且應(yīng)當(dāng)滿足特定初始條件(例如電池組溫度低于50℃且所有電池具有高于2.0V的電壓)。這些初始條件對(duì)于為具有LFP電池的電池組1000充電來(lái)說(shuō)僅僅是示范性的，而不應(yīng)將其看作是對(duì)這里所描述的示范性方法的限制。
因此，通過(guò)由控制器125實(shí)現(xiàn)的充電算法來(lái)執(zhí)行一系列預(yù)充電壓和溫度檢查(1010)。這將參照?qǐng)D11進(jìn)行描述。在圖11中，充電算法在1010a檢查所有的電池電壓高于2.0V(或者電池組電壓高于20V)，并在1010b檢查電池組溫度處于-0℃至50℃之間的溫度窗口之內(nèi)。如滿足上述兩個(gè)檢查，則以第一恒定電流水平開(kāi)始充電(1015)。該命令信息可通過(guò)串行數(shù)據(jù)通道從控制器125發(fā)送給充電器600中的充電器電子控制單元155。如果溫度處于該窗口之外(1010b或1010c的輸出為否)，則將不供給充電電流直至電池組溫度進(jìn)入窗口中(1010d)。
如任一電池的電池電壓小于2.0V(且在1010c處經(jīng)驗(yàn)證溫度處于所述窗口之內(nèi))，則控制器125通過(guò)串行數(shù)據(jù)通道向充電器600發(fā)出合適的命令使其向電池提供預(yù)充電流(1010e)，直至所有電池電壓高于2.0V(1010f的輸出為“是”)，或者預(yù)充電流維持1小時(shí)。例如，所施加的預(yù)充電流可以是小于200mA的電流。
如果當(dāng)施加較小的預(yù)充電流時(shí)電池組溫度超過(guò)控制極限(例如Tpack超過(guò)60℃，1010h的輸出為“是”)，則充電算法調(diào)用問(wèn)題模式(1010i)。如果該較小的預(yù)充電流維持1小時(shí)以上但電池電壓仍不大于2.0V(1010g的輸出為“是”)，則也會(huì)調(diào)用該問(wèn)題模式。問(wèn)題模式可以通過(guò)充電器600上的LED675的特定閃爍方式或者電池組1000上的LED175的特定閃爍方式向使用者發(fā)出提示。在一實(shí)施例中，三個(gè)LED675/175一致地以特別的頻率閃爍，從而提示使用者在電池組1000中存在問(wèn)題。
另外，如果所有電池電壓高于2.0V且電池組溫度處于溫度窗口內(nèi)，則滿足初始預(yù)充電檢查，于是向所有電池施加恒定水平的充電電流(1015)。在一個(gè)例子中，該第一恒定電流水平為3.0A。
參考圖10，在整個(gè)充電過(guò)程中由電壓監(jiān)視單元115對(duì)單個(gè)電池和整個(gè)電池組電壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視。另外，控制器125在充電過(guò)程中通過(guò)溫度傳感器120(熱敏電阻器)對(duì)電池組溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視。另外，在超過(guò)控制極限(電池組溫度(Tpack)超過(guò)60℃)的任何時(shí)刻均可掛起充電，并在Tpack落入控制極限之下時(shí)恢復(fù)充電(參見(jiàn)1025)。
在1020中以第一恒定電流水平對(duì)電池進(jìn)行充電，直至達(dá)到第一轉(zhuǎn)變極限。如果滿足1022、1024或者1026中的任一條件，則達(dá)到第一轉(zhuǎn)變極限。圖10中步驟1022、1024和1026之間的雙箭頭表示所有的三個(gè)條件(第一電池達(dá)到3.7V或電池組電壓＝37V或所有電池≥3.6V)正在由控制器125所實(shí)現(xiàn)的充電算法進(jìn)行評(píng)價(jià)，該評(píng)價(jià)基于控制器125正在解釋的單個(gè)或者整個(gè)電池組電壓的測(cè)量結(jié)果。如果滿足這些條件中的任何一個(gè)，則觸發(fā)用于將充電電流減少至第二恒定電流水平的步驟(1030)。在一個(gè)例子中，第二恒定電流水平為第一恒定電流水平的一半，或者1.5A。
在1040中以第二恒定電流水平對(duì)電池充電，直至達(dá)到第二轉(zhuǎn)變極限。如前所述，如果滿足1042、1044或者1046中的任何一個(gè)，則達(dá)到第二轉(zhuǎn)變極限。在步驟1042、1044和1046之間的雙箭頭表示所有的三個(gè)條件正在由控制器125所實(shí)現(xiàn)的充電算法進(jìn)行評(píng)價(jià)，該評(píng)價(jià)基于控制器125正在解釋的單個(gè)或者整個(gè)電池組電壓的測(cè)量結(jié)果。如果滿足這些條件中的任何一個(gè)，則在1050觸發(fā)用于將充電電流減少至第三恒定電流水平的步驟。在一個(gè)例子中，第三恒定電流水平為第二恒定電流水平的一半，或者0.75A。
在第三恒定電流水平，充電算法確定(在1055)是否所有電池≥3.6V且沒(méi)有電池＞3.8V。換言之，算法驗(yàn)證所有電池的電池電壓處于最小滿充電池電壓電平和最大滿充電池電壓電平之間的滿充電壓窗口內(nèi)。若滿足(1055的輸出為“是”)，則終止充電電流(1060)。這可以由控制器125發(fā)出的合適的終止命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。
若不滿足，則算法檢查電池的最大電壓是否已高于3.6V一設(shè)定的持續(xù)時(shí)間(對(duì)該電池施加第三充電電流)(1070)。例如，該時(shí)限可以為60分鐘或更長(zhǎng)。若具有最大電壓的電池達(dá)到或高于3.6V有1小時(shí)的時(shí)間(1070的輸出為“是”)，則終止充電。即使在充電中的指定時(shí)限內(nèi)所有電池不全高于3.6V，充電依然終止。
可選擇地，若步驟1055和1070均不滿足，則可選擇性地執(zhí)行電池平衡(1065)。不需要下一步的步驟以獲得更高的容量。電池平衡可以用于對(duì)具有較高電壓的電池放電，以等待低于3.6V的電池充至3.6V以上。在該例子中，如任意兩個(gè)正在以該第三恒定電流水平充電的電池的電壓差＞0.5V，則可以進(jìn)行電池平衡。因此，可以通過(guò)導(dǎo)通這些電池的平衡FET、將平衡電阻器切換至電池的電流通路內(nèi)而對(duì)具有更高電壓的電池放電。可以以減小的第四恒定電流水平對(duì)其他電池充電，直至滿足步驟1055，從而沒(méi)有高于0.20V的電壓差。在一個(gè)例子中，第四恒定電流水平可為所施加的0.25A或更小的充電電流，以得到所需的平衡。如通常情況，電池組溫度被連續(xù)監(jiān)視以確保不超過(guò)控制極限，超過(guò)該控制極限將引發(fā)掛起充電，直至Tpack落回控制極限之下。
因此，與傳統(tǒng)鋰離子(氧化物)電池化學(xué)組分相比，具有諸如LFP的鋰金屬磷酸鹽電池化學(xué)組分的鋰離子電池的根本差別是，具有鋰金屬磷酸鹽電池化學(xué)組分的電池允許無(wú)需恒定電壓步驟的滿充電，而該恒定電壓步驟是傳統(tǒng)鋰離子電池組的滿充電所必需的。在上述例子中，可以以單一恒定電流對(duì)包括具有諸如LFP的鋰金屬磷酸鹽電池化學(xué)組分的電池的鋰離子電池組進(jìn)行充電，例如，減小的第二和第三恒定電流步驟(1.5A和/或0.75A)是可選的。如果在第一步驟以較低的電流(例如1.5A)對(duì)電池組充電，則該充電相當(dāng)于兩步3.0A/1.5A。可替換的方式可以包括在第一步驟以較高的恒定電流(3A或更大)進(jìn)行充電，然后，立刻降至100mA進(jìn)行電池平衡。
除具有磷酸鋰鐵(LPF)的之外，示范性的充電方法可應(yīng)用于具有諸如磷酸鋰錳、磷酸鋰釩、磷酸鋰鈷、磷酸鋰鎳、或它們的混合物以及所有具有橄欖石結(jié)構(gòu)的金屬磷酸鹽成份的電池的電池組。對(duì)于每種成份，所需或優(yōu)選的充電電壓窗口可以稍有不同，但是可以處于每個(gè)電池3.6V至4.2V的范圍之內(nèi)。
為對(duì)電池充電而采用的電壓窗口方法簡(jiǎn)化了單個(gè)電池的測(cè)量精確度要求，且減少了對(duì)于電池平衡的需要和/或電池平衡的頻率。在允許一個(gè)或多個(gè)其他電池被充電至較高電壓(如3.8V)的同時(shí)，電池組中的所有電池可獲得滿充(3.6V)。與采用傳統(tǒng)鋰離子CC/CV充電方法所獲得的性能相比，這種使用電壓窗口的充電方法沒(méi)有明顯減少鋰金屬磷酸鹽電池的性能。
使用電壓窗口的充電方法——例2圖12用于示出另一示范性充電方法的隨著持續(xù)時(shí)間的電池組1000的電壓曲線和充電電流的充電曲線圖。在圖12中將充電電流(安培)和電壓(伏特)示出為是充電時(shí)間(秒)的函數(shù)。用區(qū)域1-5對(duì)圖12進(jìn)行標(biāo)記，以有助于對(duì)本示范性充電過(guò)程中執(zhí)行的某些功能的解釋。本示范性方法類(lèi)似于圖10和11中的示例；以下僅描述其中的差別。如同例1一樣，所描述的本充電方法用于對(duì)具有鋰金屬磷酸鹽電池化學(xué)組分的多電池鋰離子電池組(10個(gè)串聯(lián)連接的電池和/或2并聯(lián)-10串聯(lián)(2P10S)結(jié)構(gòu)的電池)的充電，并且如在’286申請(qǐng)中所述的那樣而執(zhí)行單個(gè)電池和/或整個(gè)電池組電壓的電壓監(jiān)視以及電池平衡。此處所述的電池排列和電池化學(xué)組分僅僅是示范性的；下面的充電方法可應(yīng)用于具有不同電池?cái)?shù)量和/或不同電池化學(xué)組分的電池組。如圖10和11，由電池組1000中的控制器125來(lái)提供對(duì)充電的控制。
參考圖12，最初，當(dāng)電池組1000被插入到充電器600中時(shí)，充電電流設(shè)為0安培，且對(duì)于溫度極限檢查熱和冷溫度閾值。延遲任何充電電流的施加，直到電池組溫度處于極限之內(nèi)。例如，如果電池組溫度＞60C，則由于電池組的熱延遲條件而延遲充電；如果電池組溫度＜-10C，則由于電池組的冷延遲條件而延遲充電。
同樣地，當(dāng)電池組1000被插入到充電器600之中時(shí)，在施加任何初始充電電流之前進(jìn)行電壓檢查。作為0安培充電電流的前提條件，若最小電池電壓在電池組1000插入后的30秒內(nèi)不是≥0.4伏，則充電算法轉(zhuǎn)向圖11中所述的問(wèn)題模式。例如，在問(wèn)題模式中，關(guān)斷電流(由控制器125控制)，且向終端使用者指示問(wèn)題模式警告(例如，充電器600或電池組1000其中之一上的LED675/175的閃爍方式)。
在電池組插入充電器時(shí)滿足初始溫度和電壓檢查之后，初始充電電流被設(shè)定為125mA(0.125A)，并且依據(jù)在該較小的初始充電電流水平上的充電算法，由控制器125以該初始充電電流執(zhí)行多個(gè)第二組檢查。例如，通過(guò)控制器125以及依據(jù)充電算法來(lái)執(zhí)行如下的第二組檢查并采取下述動(dòng)作i)如果在從開(kāi)始施加0.125A的初始充電電流的6分鐘內(nèi)最小電池電壓不是≥1.6V，則轉(zhuǎn)到問(wèn)題模式(參見(jiàn)圖11，步驟1010i)；ii)如果(最大電池電壓-最小電池電壓)＞2.0V，則轉(zhuǎn)到問(wèn)題模式；iii)如果最大電池電壓＞3.75V，則充電結(jié)束，終止充電電流；iv)如果電池組溫度＞60C，則電池組熱延遲；如果電池組溫度＜-10C，則電池組冷延遲；在兩種情形下，一旦進(jìn)入溫度窗口則恢復(fù)0.125A的充電電流。
如果不屬于(i)至(iv)任何一個(gè)的情形，則一旦執(zhí)行隨后的電流斜坡(ramp)測(cè)試，則即以第一恒定電流水平開(kāi)始正常充電。在充電開(kāi)始時(shí)，逐漸增大地向最大充電電流前進(jìn)，例如通過(guò)以某較低電流開(kāi)始充電(電池組1000插入到充電器600之中)，并在監(jiān)視電池電壓的同時(shí)任意地增大電流(電流的分步增加)，直至一電池達(dá)到某電壓閾值(≥閾值)，從而防止在充電之初的電壓過(guò)度過(guò)沖。隨著電流的增加，允許在較短持續(xù)時(shí)間的電壓過(guò)沖之后跟隨電流減少。例如，在充電電流增加至最大電流水平之前，已經(jīng)被完全充滿并插入充電器600之中的電池組1000可達(dá)到某電壓閾值(即，≥3.8V)。然后，無(wú)電電流將逐步減小一個(gè)水平，從而使得電池將低于該電壓閾值。在這種情況下，將以比最大充電電流水平低的較低充電電流開(kāi)始充電。在另一種情形下，在電流增加期間未達(dá)到某電壓閾值(即，≥3.8V)的電池組1000將有一個(gè)達(dá)到3.0A的最大充電電流的時(shí)間，通常從電池組100插入開(kāi)始該時(shí)間不大于幾秒；且這對(duì)于終端使用者來(lái)說(shuō)是透明的。
可選擇地，代替在充電的最早期階段達(dá)到或超過(guò)電壓閾值，充電電流可降至略低于閾值的某電池電壓電平，從而，當(dāng)試圖將電流增加到3.0A的最大充電電流值時(shí)，永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)電壓閾值。
參見(jiàn)圖12中的區(qū)域1，將充電電流設(shè)為恒定的3A(與用于第二組檢查的初始充電電流相比高得多)，且連續(xù)監(jiān)視單個(gè)電池電壓和整個(gè)電池組電壓以及電池組溫度。多少有些類(lèi)似于圖10，如果超過(guò)控制極限，則充電被延遲或中斷。但是，在本示例中，控制極限可被表示為溫度窗口的上下邊界；在充電期間電池組溫度必須保持在該窗口(-10℃至+60℃)之中。如果不是這樣，則通過(guò)控制器125向充電器600發(fā)送信號(hào)而中斷充電電流，直至電池組溫度返回至溫度窗口之內(nèi)。
當(dāng)電池的最大電池電壓≥3.6V時(shí)，在第一充電電流水平上達(dá)到第一轉(zhuǎn)變極限。此時(shí)，假設(shè)電池組溫度處于溫度窗口之內(nèi)，充電電流減至第二恒定電流水平(在本示例中為1.5A)。如上所述對(duì)溫度執(zhí)行同樣的檢查；在充電期間電池組溫度必須保持在-10℃至+60℃的溫度窗口之內(nèi)。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖12中的區(qū)域2，當(dāng)電池的最大電池電壓≥3.75V時(shí)，在第二無(wú)電電流水平上達(dá)到第二轉(zhuǎn)變極限。此時(shí)，假設(shè)電池組溫度處于溫度窗口之內(nèi)，充電電流減至第三恒定電流水平(在本示例中為250mA)。
參考圖12中區(qū)域3、4和5來(lái)解釋該第三恒定電流水平上的充電算法的功能。當(dāng)充電電流減至恒定的250mA時(shí)，電壓監(jiān)視單元115連續(xù)監(jiān)視單個(gè)電池電壓。另外，在區(qū)域3和4中，執(zhí)行選擇性的電池平衡，從而確保所有電池的電池電壓處于大約3.6伏特至3.75伏特之間的滿充電壓窗口之中。
例如，在圖12的區(qū)域3中，示出了一個(gè)或多個(gè)電池電壓＜3.6V，則充電算法使得控制器125關(guān)閉與電池對(duì)應(yīng)的平衡電阻器(循環(huán)截止其FET)，于是可以以250mA的充電電流將電池繼續(xù)充電到3.6伏特(區(qū)域4)。一旦達(dá)到區(qū)域4，如果電池電壓≥3.6V，則接通電池所對(duì)應(yīng)的平衡電阻從而對(duì)電池放電。這些功能于是可被執(zhí)行以用于平衡電池電壓直到充電結(jié)束。
如上所述執(zhí)行對(duì)于溫度的相同檢查——在以250mA充電期間電池組溫度必須保持在溫度窗口(-10至+60℃)之內(nèi)。另外，在充電過(guò)程中的此時(shí)，充電算法對(duì)電池組1000中具有最高和最低電壓電平的電池之間的電壓差進(jìn)行額外的連續(xù)檢查。這可以代表向結(jié)束充電施加的另一個(gè)控制極限。如果(最大電池電壓-最小電池電壓)＞2.0V，則算法調(diào)用問(wèn)題模式以警告使用者，且終止充電電流。
可選擇地，在圖12的區(qū)域3和4中執(zhí)行的充電方法可由下面的平衡方法替代。那些在250mA的“平衡區(qū)域”期間(在區(qū)域3和4中)等于最大電池電壓的電池將會(huì)接通它們所對(duì)應(yīng)的平衡電阻器以對(duì)那些電池進(jìn)行放電。當(dāng)最大電池電壓超過(guò)閾值(即3.8V)時(shí)，則充電電流被設(shè)定為0A，并且完成充電(區(qū)域5)。可選擇地，如果最大電池電壓低于電壓閾值(例如3.8V)且最小電池電壓大于最小電壓閾值(例如3.6V)時(shí)，則充電電流被設(shè)定為0A，且完成充電(區(qū)域5)。在區(qū)域5內(nèi)，存在多個(gè)指示符用于標(biāo)識(shí)充電完成。
如果控制器125確定(a)所有電池的最大單個(gè)電池電壓≥3.75伏特；或者(b)所有電池的最小單個(gè)電池電壓≥3.6伏；或者(c)如果電池組中具有最大電池電壓的電池在第三恒定電流水平上處于大于3.6V的電壓已經(jīng)持續(xù)了一個(gè)固定時(shí)間段(例如40分鐘)(即，圖12的區(qū)域3和4內(nèi))，則充電完成(且終止250mA的充電電流)。
此處所描述的實(shí)施例顯然會(huì)以許多方式發(fā)生變形。這些變形并不認(rèn)為脫離了這些示范性實(shí)施例的精神和范圍，并且所有這些對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的修改將意欲被包含在所附的權(quán)利要求書(shū)的范圍之內(nèi)。
對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本美國(guó)非臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)要求于2005年10月31日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No.60/731,500的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)參照而被合并于此。
權(quán)利要求
1.一種向具有多個(gè)電池的電池組充電的方法，包含將電池組插入充電器中，執(zhí)行電池電壓和電池組溫度的初始的一組檢查，一旦滿足初始的一組檢查，則以第一恒定電流水平對(duì)電池進(jìn)行充電，將第一恒定電流水平調(diào)整到一個(gè)或更多較低的恒定電流水平，直到所有電池的電池電壓處于最小滿充電池電壓電平和最大滿充電池電壓電平之間的滿充電壓窗口之內(nèi)，以及一旦所有電池處于滿充電壓窗口之內(nèi)，則終止充電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在充電期間當(dāng)一個(gè)或多個(gè)電池達(dá)到給定電壓設(shè)定點(diǎn)時(shí)，不將所述電池保持在恒定電壓電平一固定持續(xù)時(shí)間，以允許電流逐漸減小從而完成充電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，調(diào)整恒定電流水平還包括確定是否已達(dá)到第一充電電流轉(zhuǎn)變極限，和當(dāng)達(dá)到第一轉(zhuǎn)變極限時(shí)，將充電電流減小至低于第一恒定電流水平的第二恒定電流水平，確定是否達(dá)到第二充電電流轉(zhuǎn)變極限，和當(dāng)達(dá)到第二轉(zhuǎn)變極限時(shí)，將充電電流減小至低于第二恒定電流水平的第三恒定電流水平。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定是否已達(dá)到第一和第二轉(zhuǎn)變極限包括在整個(gè)充電中監(jiān)視單個(gè)電池和整個(gè)電池組電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在整個(gè)充電中監(jiān)視電池組溫度，以確定是否達(dá)到了基于較高電池組溫度的控制極限，如果已達(dá)到或者超過(guò)該控制極限，則中斷充電，和一旦被監(jiān)視的電池組溫度降至控制極限以下，則恢復(fù)充電。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，執(zhí)行電池電壓和電池組溫度的初始的一組檢查包括，檢查電池組溫度處于最小和最大溫度極限之間的溫度窗口之內(nèi)，并延遲以第一恒定電流水平對(duì)電池的充電，直到電池組溫度處于溫度窗口之內(nèi)，和檢查所有初始單個(gè)電池電壓大于電池低壓閾值，其中一個(gè)或多個(gè)電池電壓是否低于電池低壓閾值，以低于200mA的充電電流對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充電，直到所有的初始電池電壓超過(guò)低壓閾值，其中，當(dāng)電池組溫度處于溫度窗口之內(nèi)且沒(méi)有電池電壓低于電池低壓閾值時(shí)，滿足初始的一組檢查。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中如果單個(gè)電池達(dá)到3.7伏特或整個(gè)電池組電壓達(dá)到37.0伏特，則達(dá)到第一轉(zhuǎn)變極限，和如果單個(gè)電池達(dá)到3.8伏特或所有電池的電池電壓≥3.6伏特，或整個(gè)電池組電壓達(dá)到38.0伏特，則達(dá)到第二轉(zhuǎn)變極限。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括通過(guò)在以第三恒定電流水平進(jìn)行充電期間對(duì)達(dá)到3.8V的那些電池進(jìn)行放電，而選擇性地在以第三恒定電流水平進(jìn)行充電期間對(duì)達(dá)到3.8伏特的各個(gè)電池進(jìn)行平衡，直到所有電池達(dá)到或超過(guò)3.6伏特。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，終止充電還包括一旦所有電池處于滿充電壓窗口之內(nèi)且任意電池之間的電壓差為0.20或更小則終止充電。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中如果單個(gè)電池達(dá)到3.6伏特，則達(dá)到第一轉(zhuǎn)變極限，和如果單個(gè)電池達(dá)到3.75伏特，則達(dá)到第二轉(zhuǎn)變極限。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括對(duì)具有電池電壓≥3.6伏特的單個(gè)電池進(jìn)行選擇性地放電，并以第三恒定電流水平對(duì)具有電池電壓＜3.6伏特的電池繼續(xù)進(jìn)行充電，和終止充電還包括一旦所有電池處于滿充電壓窗口之內(nèi)或一旦電池組中具有最大電池電壓的電池在第三恒定電流水平上大于給定電壓電平一固定的持續(xù)時(shí)間，則終止充電。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，終止充電包括如果所有電池的最大單個(gè)電池電壓≥3.75伏特、或所有電池的最小單個(gè)電池電壓≥3.6伏、或電池組中具有最大電池電壓的電池已經(jīng)處于高于3.6伏特的電壓40分鐘，則將確保對(duì)于電池的充電電流在第三恒定電流水平上。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多個(gè)電池具有鋰金屬磷酸鹽電池化學(xué)組分。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述鋰金屬磷酸鹽電池的電池組被配置為提供至少為18伏特的輸出電壓。
15.一種向具有多個(gè)電池的電池組進(jìn)行充電的方法，包括將電池組插入充電器中，以零充電電流執(zhí)行電池電壓和電池組溫度的初始檢查設(shè)定，一旦滿足初始的一組檢查，則以初始充電電流水平對(duì)電池進(jìn)行充電，以執(zhí)行電壓和溫度的第二組檢查，一旦滿足第二組檢查，則以第一恒定電流水平對(duì)電池進(jìn)行充電，第一恒定電流水平實(shí)質(zhì)上高于用于第二檢查的初始充電電流水平，當(dāng)達(dá)到第一轉(zhuǎn)變極限時(shí)，將充電電流減小至低于第一恒定電流水平的第二恒定電流水平，當(dāng)達(dá)到第二轉(zhuǎn)變極限時(shí)，將充電電流減小至低于第二恒定電流水平的第三恒定電流水平，選擇性地對(duì)各個(gè)電池進(jìn)行放電，同時(shí)以第三恒定電流水平繼續(xù)對(duì)其他電池充電，一旦所有電池處于最小滿充電池電壓電平和最大滿充電池電壓電平之間的滿充電壓窗口之內(nèi)，則終止充電。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，當(dāng)電流逐漸減小至較低水平以終止充電時(shí)，一旦電池達(dá)到給定的電壓設(shè)定點(diǎn)則不將電池組電壓維持在恒定電壓電平。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中如果單個(gè)電池達(dá)到3.6伏特，則達(dá)到第一轉(zhuǎn)變極限，和如果單個(gè)電池達(dá)到3.75伏特，則達(dá)到第二轉(zhuǎn)變極限。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，終止充電還包括一旦所有電池處于滿充電壓窗口之內(nèi)或一旦電池組中具有最大電池電壓的電池在第三恒定電流水平上大于給定電壓電平一固定的持續(xù)時(shí)間，則終止充電。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，終止充電包括如果所有電池的最大單個(gè)電池電壓≥3.75伏特、或所有電池的最小單個(gè)電池電壓≥3.6伏、或電池組中具有最大電池電壓的電池在第三恒定電流水平上已經(jīng)處于高于3.6伏特的電壓40分鐘，則確保對(duì)于電池的充電電流在第三恒定電流水平上。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述多個(gè)電池具有鋰金屬磷酸鹽電池化學(xué)組分。
全文摘要
在對(duì)電池組進(jìn)行充電的方法中，電池組被插入到充電器內(nèi)，并執(zhí)行電池電壓和電池組溫度的初始的一組檢查。一旦滿足初始的一組檢查，則可以以第一恒定電流水平對(duì)電池充電。第一恒定電流水平被調(diào)整到一個(gè)或多個(gè)較低的恒定電流水平，直到所有電池的電池電壓處于滿充電電壓窗口之內(nèi)。所述電壓窗口被定義在最小滿充電壓電平和最大滿充電壓電平之間。一旦所有電池處于滿充電電壓窗口之內(nèi)，則充電終止。
文檔編號(hào)H02J7/00GK101013764SQ20061006448
公開(kāi)日2007年8月8日 申請(qǐng)日期2006年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月31日
發(fā)明者珍妮特·M·恩布里, 丹·T·特林 申請(qǐng)人:布萊克和戴克公司