CN101013764A - 用于无绳电动工具系统的电池组的充电方法 - Google Patents

Abstract

在对电池组进行充电的方法中，电池组被插入到充电器内，并执行电池电压和电池组温度的初始的一组检查。一旦满足初始的一组检查，则可以以第一恒定电流水平对电池充电。第一恒定电流水平被调整到一个或多个较低的恒定电流水平，直到所有电池的电池电压处于满充电电压窗口之内。所述电压窗口被定义在最小满充电压电平和最大满充电压电平之间。一旦所有电池处于满充电电压窗口之内，则充电终止。

Description

用于无绳电动工具系统的电池组的充电方法

技术领域

本发明的示范性实施例主要涉及一种向无绳电动工具的电池组充电的方法。

背景技术

传统锂离子电池组的充电算法通常会采用恒定电流/恒定电压(CC/CV)充电算法，其中，当电池组电压增高到设定的电压阈值电平(典型值为充电状态的90％)时，充电电流在一段时间内维持在恒定水平。此刻，在电流逐渐减小到较低水平以完成充电的同时，电池组电压保持在恒定电压电平。

为了向传统的锂离子电池组充电，向电池组提供充电电流的电源(充电器)需要(在充电过程中的不同时间)维持恒定的电压和/或恒定电流。特别是当向具有串联连接、其每个电池电压可能处于不同电平的多个电池的电池组充电时，这需要复杂的或者繁杂的充电电路。该恒定电流/恒定电压(CC/CV)充电算法典型地应用于传统锂离子电池组，该电池组具有例如为氧化钴锂、氧化镍锂、氧化锰锂和上述或其他金属与锂的氧化物的混合物的电池化学组分(chemistry)。

发明内容

本发明的实施例旨在一种向电池组充电的方法。在一个实施例中，所述电池组被插入到充电器中并对电池电压和电池组温度执行初始的一组检查。一旦满足初始的一组检查，则将会以第一恒定电流水平对电池充电。在所有电池的电池电压处于满充电压窗口之前，该第一恒定电流水平被调节到一个或者多个较低的恒定电流水平。在最小满充电池电压电平和最大满充电池电压电平之间确定该电压窗口。一旦所有的电池位于满充电压窗口之内，则充电终止。

在另一个示范性实施例中，当把电池组插入充电器之后，执行在施加零充电电流的情况下的电池电压和电池组温度的初始的一组检查。然后，一旦满足初始的一组检查，则以初始充电电流水平对电池充电，以执行第二组电压和温度检查。一旦满足第二组检查，则以用于第二组检查并高于初始充电电流水平的第一恒定电流水平对电池进行充电。当达到了第一转变极限时，充电电流减小到低于第一恒定电流水平的第二恒定电流水平。当达到第二转变极限时，充电电流减小到低于第二恒定电流水平的第三恒定电流水平。可以选择性地对单个电池放电，同时继续以第三恒定电流水平对其他电池充电。一旦所有的电池处于最小满充电池电压电平和最大满充电池电压电平之间的满充电压窗口内，则充电终止。

附图说明

通过参照附图对其示范性实施例进行详细描述，所述示范性实施例将变得更加显而易见，其中，用类似的参考标记表示类似的部分，这仅仅是为了说明性的目的，因而并不意欲限制本发明。

图1-3示出了根据示范性实施例的无绳电动工具系统中的说明性的无绳电动工具。

图4为用于向诸如图1-3中的任何一个所示的无绳电动工具供电的电池组1000的透视图。

图5为图4中的电池组1000的后视图。

图6示出了插入电池充电器600的电池组1000。

图7A和7B示出了根据示范性实施例的用于36V电池组1000的示范性电池结构。

图8A和8B示出了根据本发明的示范性实施例的用于25.2V电池组1000的示范性电池结构。

图9为示出根据示范性实施例的在电池组1000和电池充电器600之间的内部电子组件及其连接的框图。

图10为示出了对具有锂金属磷酸盐化学组分的多个锂离子电池的锂离子电池组1000进行充电的充电方法的流程图。

图11为更详细示出由图10的示范性充电方法所执行的预充电检查的流程图。

图12为示出了在另一示范性充电方法的持续时间内关于电池组1000和充电电流的电压曲线的图表。

具体实施方式

在对示范性电池充电方法进行描述之前，发明者通过参照图1-9初步地给出了有关无绳电动工具系统的概貌，图1-9包括了示范性电池组和电池充电器、电池组和充电器之间的示范性框图以及利用无绳电动工具系统的电池组的示范性电池结构。上述概貌为即将描述的示范性电池充电方法提供了更好的上下文环境。

图1-3示出了根据本发明示范性实施例的无绳电动工具系统中的无绳电动工具。此后将被进一步描述的电池充电方法可以被用于对为无绳电动工具系统供电的电池组充电。所示的示范性无绳电动工具包括(仅仅示例性地)电动圆锯10(图1)、往复锯20(图2)和钻30(图3)。工具10、20和30中的每个可以包括由具有给定标称额定电压的电源供电的传统DC电动机(图中未示)。

工具10、20和30可以由其标称额定电压至少为18V的可拆卸电源驱动。对于本领域技术人员来说显而易见的是，示范性实施例并不限于图中所示的特定类型的工具或此时提及的特定电压。在这一点上，本发明的教导实际上可以被应用于以任何供电电压供电的任何类型的无绳电动工具。

继续参考图1-3，可拆卸电源被示出为电池组1000。在图中所示的示范性实施例中，所述电池组可以为可充电电池组1000。电池组1000可以包括多个串联连接的电池、和/或多个串接的电池串(string)，其中电池串彼此相互平行。

为了描述本发明的示范性实施例，电池组1000可以包括具有锂基电池化学组分的电池。

由于随后即将描述的示范性方法旨在对无绳电动工具环境中的电动工具的电池组进行充电，而所述电动工具需要具有比使用锂离子电池或锂基电池技术的传统低压设备(例如膝上计算机和蜂窝电话)高得多的额定电压的电源，所以，电池组1000的标称额定电压至少为18V。

图4为根据本发明的示范性实施例用于向诸如图1-3中的任何一个所示的无绳电动工具供电的电池组的透视图，图5为图4中的电池组的后视图。电池组1000包括具有顶壳100和底壳200的外壳，其连接示于图4中。顶壳100和底壳200各自可以由硬塑料或者诸如ABS的其他合适材料一体式地构造而成。

顶壳100包括了上层部分104，该上层部分的内侧(未示出)具有用于容纳电子模块(为清晰起见未示出)的凹进区域。所述电子模块可以包括微控制器和多个其他有源元件，用于监视电池组1000、附带的充电器或电动工具等、以及电池组1000的电池中的参数。电池组端子块(T块，T-block)110被设置在顶壳100的开孔111之内。T块110的准确端子或接触结构不是本发明的所关注的焦点，因此为简单起见而省略了对于这些的详细描述。如所公知的，T块110与附带的电动工具10、20、30或者电池充电器的相应端子块接口，用于设备之间的电力通信和能量流动。

电池组1000具有闩锁(latch)150，它被配置为将电池组1000从电动工具或者充电器中释放出来的释放机制。如图5所示，操作者可通过按下位于电池组1000中的闩锁释放按钮155而把电池组1000从电动工具或充电器中释放出来。闩锁150和释放按钮155可以是例如单个整体铸造的工件。为简明起见，关于闩锁150的操作的详细解释在此省略，可以理解，通过压下闩锁释放按钮155可以将电池组1000从电动工具或充电器上移走。

图6示出了被插于电池充电器中的电池组。电池充电器600包括由上层、下层壳体620和630所构成的外壳610。图中未示出将充电器600连于充电器中的AC线电源的电源线。充电器600包括在其上具有多个LED灯675(“LED675”)的LED显示器670。LED显示器670可以通过点亮适当的LED灯675来指示电池组1000已被完全充满，和/或利用另一个LED675来指示电池组1000在充电操作期间出现的故障或者问题。

在图6中还示出了位于电池组1000上的LED显示器170。电池组1000中的LED显示器170可以是如图5所示而排列的三个LED175，或者是具有不同颜色的指示器的单个LED。LED175可以提供充电状态的情况和/或提供对于在充电和/或放电操作期间电池组1000中的问题的指示。

此处所示的电池组1000具有至少为18V的标称电压。但是，在特定的实施例中，电池组1000可以包括提供大约36V输出电压的电池结构；在另外的实施例中，电池组可以被配置为具有多个提供大约25V(25.2V)输出电压的电池。

图7A和7B示出了根据本发明的示范性实施例的用于36V锂离子电池组的示范性电池结构。具体而言，图7A和7B示出了用于36V电池组1000的可选择的电池结构。

参照图7A，电池组1000中的电池排列可以是沿图示电池方位的多个26650锂离子电池(每个电池直径26mm、长650mm)。图7A示出了10个26650电池，其中每个电池具有大约3.6V的标称电池电压。在一个示例中，26650电池可以具有锂离子电池化学组分，这将是氧化钴锂、氧化镍锂、氧化锰锂和上述或其他金属与锂的氧化物的混合物的电池化学组分。

在另一个实施例中，26650电池可以具有锂金属磷酸盐电池化学组分。一个例子是具有磷酸锂铁(LFP)阴极(cathode)的锂离子电池。具有这种化学组分的电池的阴极中的活性组分为锂金属(铁)磷酸盐。锂离子LFP电池可以为圆柱形，且对于阴极、隔板和阳极(anode)具有电池领域所公知的螺线形或“胶辊(jelly roll)”构造。负极材料可以为如锂基电池领域所公知的处于铜集电环(collector)上的石墨碳材料或者其他已知的阳极材料。

可选择地，电池组1000中电池的排列可以包括沿图7B所示的电池方位的20个具有锂金属磷酸盐电池化学组分的18650锂离子电池(每个电池直径18mm、长650mm)。图7B示出了2并联-10串联(2P10S)的电池结构，其中每个电池具有约3.6V/cell的标称电池电压，从而获得的电池组电压为36V。电池组电压大约为36V，是由于每个电池的电压会因锂离子基电池组的特定化学组分而发生波动。例如，具有磷酸锂铁(LFP)基电池化学组分的电池在标称上约为3.3V/cell，同时，具有锂金属氧化物基化学组分的电池在标称上约为3.6V/cell。

图8A和8B示出了根据本发明的示范性实施例的用于作为大约25V电池组的电池组1000的示范性电池结构。参看图8A，电池组1000的电池排列可以包括依照图中示出的电池方位而布置的7个26650锂离子(氧化物基)或者锂离子(磷酸盐基)电池。可选择地，图8B中电池组的电池排列可以包括依照图中示出的电池方位而布置的14个18650锂离子(氧化物基)或者锂离子(磷酸盐基)电池。电池组电压大约为25V，这是由于如上所述每个电池的电压会因锂离子基电池组的特定化学组分而发生轻微波动。

图7A-8B所示布置方位的电池数量和每个电池的电压可以根据对高能锂离子电池组要求的总体能量、而进行调整，且可以处于约每电池3.3至4.6V/cell的标称电压范围，该范围可提供基于工业电化学电压电势指南的可接受范围。当然，这些值可以根据电池的充电状态(电池是否充满)和电池的特定化学组分而变化。

图9为根据示范性实施例的电池组1000和电池充电器600之间的内部电子元件及其连接的方框图。在图7中示出了10个端子连接头(端子1-10)。但是，所述示范性实施并不限于这样的端子结构，因为可以根据电池组1000或者充电器600所要监视的参数或其间希望传递的信息而包括更多或更少的端子。

电池电子控制单元125可负责因使用者(经由充电器600、附接的工具和/或由于使用者篡改)在端子产生的任何故障状况时对电池105的保护。如图所示，电池电子控制单元125可由内部电源135供电。

可以用硬件或者软件将电池电子控制单元125实现为数字微控制器、微处理器或者模拟电路、数字信号处理器或者通过一个或多个诸如专用集成电路(ASIC)的数字IC来实现电池电子控制单元125。电池电子控制单元125可以包括能够执行一个或者多个软件或固件程序的各种类型的存储器。示范性存储器可以包括RAM、FLASH和EEPROM。作为示例，RAM存储器可用于存储运行时间期间的程序变量。作为示例，FLASH存储器可用于存储程序代码和校准值。也可以提供EEPROM用于存储校准值、数据日志信息、错误代码等。此外，将电池电子控制单元125实现为微控制器，并为简单起见称之为“控制器125”。

可以在控制器125的控制下通过使用半导体装置130(放电FET)而箝位或者停止进行电池组1000中的放电电流，从而以便控制到图1-3中任何一种工具的工具电动机的电流。控制器125可以由如图中所示的内部电源135供电，并通过驱动电路140来控制放电FET130的ON/OFF状态。通常，控制器125通过控制电路140控制放电FET130的导通截止，从而选择性地控制了向工具电动机提供的平均电压，于是，控制着电池组1000所输出的电能和电流中的至少一个。

在图9中，6个电池105如图串联连接，可以理解的是这仅仅是示范性的，其他的电池可以如这里所述的是串联或者串-并联关系。当电池组1000被连接到充电器600时，电池105的充电由控制器125控制，该控制器125实现示范性充电方法并通过数据线与充电器600进行通信。通过把充电FET157放入充电器600而不是电池组1000之中，空间和能量耗散(热量)将从压缩电池组1000转向充电器600。

电池组1000还可以包括电流传感器145，用于感测电流并向控制器125提供信号。电流传感器145可以利用用于电流传感器的已知元件实现，例如分流电阻器、电流变压器等，所述元件可以向控制器125提供代表在电池组1000中的所感测到的电流的信号。

电池组1000也可以包括用于监视电池电压的电压监视电路，例如电压监视单元115。在共同待决和共同转让的于2005年9月30日向美国专利和商标局提交的申请号为No.11/239,286、申请人为Carrier等、发明名称“METHODAND DEVICE FOR MONITORING BATTERY CELLS OF A BATTERY PACKAND METHOD AND ARRANGEMENT FOR BALANCING BATTERY CELLVOLTAGES DURING CHARGE”的美国专利申请(美国专利申请公开号为No.2006/0071643A1)(以下简称为’286申请)中详述了一个详细的示例：电池监视装置200，其全部内容将通过引用的方式而被合并于此。

通常，电压监视单元115被配置为感测各个电池电压，并感测电池串105整个电池组电压(“栈电压，stack voltage”)，从而向控制器125提供代表各个电池或者栈电压的信号。如’286申请中所述，电压监视单元115是集成电路的一部分，该集成电路单个地或者顺序地接受采样读数，包括单个电池电压或者电池组中全部电池的总栈电压中的一个。在被控制器125读取之前，在集成电路中对采样读数进行滤波。

在示例中，并且如在’286申请中所详细描述的那样，控制器125指挥电压监视单元115，使其在电池组1000和充电器600之间的充电操作期间周期性地、以顺序执行的方式、对电池组中每个电池上的电池电压、以及整个电池组电压进行测量。所测得的各个电池电压和所有电池的当前平均电池电压由电压监视单元115发送给控制器125。将所测得的整个电池组电压自动地除以电池组中电池的数量，从而确定当前平均电池电压。

控制器125能够部分地基于每个所测量的单个电池电压和所确定的当前平均电池电压来在电池充电期间控制每个电池的电压的平衡(“电池平衡”)。由于这种电池的平衡在本领域为公知的，因此此处省略对其的详细描述。但是，如在’286申请中的图1所示出和描述的，为了平衡电池组1000中的电池105，可以在充电过程中对一个或者更多的单个电池105进行放电以减小电池的电压。通常，控制器125向用于驱动选通驱动电路的电压监视单元115发出命令，从而将半导体器件栈中的给定半导体器件FET切换为ON或OFF。每个电池105具有平衡FET和平衡电阻器。控制给定的平衡FET以将其所对应的平衡电阻器切换进或切换出电池电流通路，从而从电池组中排出(放电)由平衡电阻值所设定的特定电流。这样就降低了电池电压。

于是，当电池105所对应的平衡FET导通时，电池平衡电阻器可被切换到电池105的电流通路上，从而对电池105进行放电，使得在充电期间降低电池电压。基于所测量的每个电池电压，控制器125在充电操作期间控制电池105的平衡，以基于由控制器125所实现的特定充电算法循环(cycle)导通和截止平衡FET。

电池组1000还可以包括一个或多个温度传感器120。温度传感器120可以被实现为诸如NTC或者PTC热敏电阻器、温度传感集成电路、或热电偶。温度传感器120可以将电池组1000之内或者每个电池内的温度(统称为“电池组温度”)传送到电池组1000内的控制器125和/或例如经由到充电器电子控制器155的端子10传递到所连充电器600中的信息采集单元(intelligence)。由于此类温度传感器120的功能是公知的，所以为简单起见而于此处省略对其功能性操作的描述。

可选择地，如果电池组1000与诸如充电器微处理器或者工具微处理器的另一个信息采集设备进行通信，则电池组1000可以具有其自己的标识符(ID)。如果需要，可由以下方式实现电池组ID(未示出)：ID电阻器；额外的LED显示器(未示出)，用于显示电池组的标识符数据；在接合(engagement)时发生并由经由例如数据和时钟端子5和6连接于电池组1000的工具/充电器感测所得的序列标识数据；和/或经空中接口发送给工具/充电器的数据帧内的字段。

电池组1000可以在来自充电器600的返回充电线中包括具有二级监视及过压保护熔断电路148和充电熔断器149的辅助内部保护电路或设备。(除电压监视电路115之外)二级监视及过压保护熔断电路148分别监视每个电池的电压，以监视在充电期间达到过压状态的任一电池105(一个或者某些或全部电池)。在这种情况下，二级监视及过压保护熔断电路148直接向充电器600发送禁止信号以终止充电电流。万一电压监视单元115中的电池平衡功能在充电期间出现故障和/或电压监视单元115不可操作，这就提供了后备的保护。

充电熔断器149充当三级保护设备，以在由于任何原因而导致电池平衡(电压监视单元115)和来自电路148的二级过压保护措施不可操作和/或无法检测电池过压状态的情况下熔断。一旦充电熔断器149熔断，则电池组1000中的充电和放电将被永久禁止。

当电池组1000连于充电器600时，充电器600中的充电器电子控制单元155可由电池的内部电源135经端子9供电。这仅仅是一种示范性的连接方式，因为还可以使用其他方式向充电器电子控制单元155供电。充电器600可以具有自身电源或者由电池电压直接供电。可以例如用硬件或软件将充电器电子控制单元155实现为数字微控制器、微处理器、模拟电路、数字信号处理器、或通过一个或多个诸如专用集成电路(ASIC)的数字IC实现充电器电子控制单元155。充电器电子控制单元155可以利用设定电压和设定电流通过驱动电路161来驱动电源控制器160，以经由端子1和10从电源165向电池组1000传递所需的电压和电流。

可以通过位于端子5和6上的串行数据通道来交换电池和充电器数据与控制信息。例如，端子5和6可以用来向控制器125提供充电器ID数据和其他信息。这些信息包括(但不限于)充电器的数字ID、充电器电流、由充电器读取的电池的总栈压、充电器温度状况、充电器600的AC电源电平(mainlevel)等。在一个示例中，充电器600在其诊断测试期间所感测的任何问题可以通过端子5和6上的串行数据通道传给控制器125。在另一示例中，如果控制器125接收到诸如低AC电源的充电器故障，控制器125可以例如向充电器600产生错误消息，和/或等待直到恢复充电。而且，基于故障信息和充电器ID数据，控制器125可以控制充电器输出和/或基于充电器数据来控制对电池的充电决策。然后，可以向充电器600发出命令。在任何情况下，以下所描述的充电方式均在电池组1000而并非充电器600中实施和控制。

已经对具有电动工具、电池组1000和充电器600的示范性无绳电动工具系统的概况做了描述，发明者介绍了用于电池组1000的锂金属磷酸盐电池化学组分和用于对具有锂金属磷酸盐电池的锂离子电池组1000充电的充电方法。

用于锂离子电池组的锂金属磷酸盐技术

使用磷酸盐技术的锂离子电池设计从根本上不同于使用金属氧化物的传统锂离子电池设计。因此，发明者针对具有橄榄石锂金属磷酸盐电池化学组分的电池组开发了一种不同于用于为传统锂离子电池组充电的充电方法。

区别于目前应用于锂离子电池或电池组的诸如氧化钴锂(LiCoO₂)电池的氧化物基锂离子化学组分，在锂离子电池组中使用例如磷酸锂铁(LiFeO₄，工业上称之为“LFP”)的锂金属磷酸盐电池化学组分在于，这样的锂金属磷酸盐电池更加稳定，因为锂金属磷酸盐不会轻易释放氧。另外，阴极制造商的成本可因锂金属磷酸盐电池化学组分的应用而大幅度减少。诸如LFP电池的锂金属磷酸盐电池具有比LiCoO₂电池更低的操作电压和更平坦的放电曲线。

锂金属磷酸盐电极通常向碳电极传递100％的锂离子。传统的锂金属氧化物向碳电极传送约50％的锂离子。若过度充电，则可以传送更多的锂离子，但会造成锂金属覆着(plating)。传统的锂离子电池被设计为其中50％锂离子属于金属氧化物，以稳定晶体结构。

传统锂离子电池(特别是含钴或者镍的)在恒定电流下充电，直到第一电池以较小裕度达到特定绝对电压，例如4.15V+/-.005。因此，电池可以保持严格的恒定电压(CC/CV)。但是，正如以下根据示范性实施例将要描述的，可以采用不同于传统CC/CV方法的其他方法对锂离子(LFP)电池进行充电。

正如即将详述的，示范性充电方法通过充电至一电压范围或者一个可接受的电压窗口内来利用锂金属磷酸盐的100％锂离子传送特性，而不是传统锂离子电池所需的充电到裕度较小的绝对电压。传统CC/CV充电需要复杂的电子控制和参考电压。

对于示范性充电方法，电压窗口可以具有0.4V宽度，并且示例窗口为在恒定电流充电期间在3.6V至3.8V的0.2V(200mV)。在一个电池达到电压阈值或者设定点时，不需第二级恒定电压充电。这样，所有电池都可被完全充满，而不用像在传统CC/CV充电算法中所需要的那样在第一个电池达到电压阈值之后必须将电池保持在一个很严格的恒定电压之下直至充电结束。

该示范性方法可以应用于对具有诸如LFP的锂金属磷酸盐化学组分的电池的电池组1000进行充电。在随后描述的示范性实施例中，电池组1000具有10个电池，每个电池的标称电池电压约为3.3V/cell且满充电电压为3.6V/cell。因而示范性充电方法因此可以对具有10节规格为26650电池(例如按照10节电池的串)的电池组充电，可以理解的是，该示范性方法可以应用于由任意数量、不同电池规格、以串/并联方式连接着、和/或不同标称或最大每电池额定电压下的电池。

下面的示范性充电方法通过充电至一电压范围或者一个可接受的电压窗口内来利用锂金属磷酸盐的100％锂离子传送特性，而不是对传统锂离子电池要求的那样充电到裕度较小的绝对电压。

使用电压窗口的充电方法——示例1

在该示例中，对于具有诸如LFP的锂金属磷酸盐电池化学组分的多电池锂离子电池组(例如10个串联连接的电池和/或2并联-10串联(2P10S)结构的电池)，其示范性的充电原则为，在可允许的电压窗口内对电池充电，直到3.8V的最大单个电池电压，并且继续充电，直至所有电池均高于诸如3.6V的某个最小值，于是所有电池获得100％的充电。可以在某些电池没有达到3.6V的最小值的情况下，对那些首先达到3.8V的电池执行电池平衡。可以如’286申请所述的那样实施电池平衡。

充电至3.8V的电池和最大充至3.6V的电池的容量之间的差异仅为0.1Ah或更小，这是因为100％充电状态的电压极性特征所致。充电到电压窗口使得处于较高充电电压的时间最小化，于是缩短了过充电时间。

图10为用于示出向具有锂金属磷酸盐电池化学组分的多个锂离子电池的锂离子电池组1000充电的充电方法的流程图。在此实施例中，电池组1000具有10个串联连接的电池(电池裕度为+/-0.05V)。这些电池可以具有例如LFP电池化学组分或者另一种锂金属磷酸盐电池化学组分。

对于以下的方法，可以由电压监视单元115如上面通常所述或如在’286申请中所详细描述的那样来执行用于测量单个电池和/或总电池组电压的电压监视。可经由电池组1000中的控制器125实现电池的温度监视，该控制器125从位于电池组1000中的诸如热敏电阻器的温度传感器120中接收电池或电池组温度数据。

这样，由控制器125提供全部的充电控制并调用任何过充保护机制。作为一个例子，控制器125可从内部NTC热敏电阻器(温度传感器120)中接收电池温度值，并通过串行数据通道将此信息传递给充电器600中的充电器电子控制单元155。在极端电池温度的情况下(例如随后描述的热或冷电池组延迟条件)，由控制器125通过串行数据通道向充电器电子控制单元155发出合适的控制信号以截止充电器600中的FET157，从而挂起充电电流。

现在参考图10，电池组1000被插入到(1005)充电器600中，且应当满足特定初始条件(例如电池组温度低于50℃且所有电池具有高于2.0V的电压)。这些初始条件对于为具有LFP电池的电池组1000充电来说仅仅是示范性的，而不应将其看作是对这里所描述的示范性方法的限制。

因此，通过由控制器125实现的充电算法来执行一系列预充电压和温度检查(1010)。这将参照图11进行描述。在图11中，充电算法在1010a检查所有的电池电压高于2.0V(或者电池组电压高于20V)，并在1010b检查电池组温度处于-0℃至50℃之间的温度窗口之内。如满足上述两个检查，则以第一恒定电流水平开始充电(1015)。该命令信息可通过串行数据通道从控制器125发送给充电器600中的充电器电子控制单元155。如果温度处于该窗口之外(1010b或1010c的输出为否)，则将不供给充电电流直至电池组温度进入窗口中(1010d)。

如任一电池的电池电压小于2.0V(且在1010c处经验证温度处于所述窗口之内)，则控制器125通过串行数据通道向充电器600发出合适的命令使其向电池提供预充电流(1010e)，直至所有电池电压高于2.0V(1010f的输出为“是”)，或者预充电流维持1小时。例如，所施加的预充电流可以是小于200mA的电流。

如果当施加较小的预充电流时电池组温度超过控制极限(例如Tpack超过60℃，1010h的输出为“是”)，则充电算法调用问题模式(1010i)。如果该较小的预充电流维持1小时以上但电池电压仍不大于2.0V(1010g的输出为“是”)，则也会调用该问题模式。问题模式可以通过充电器600上的LED675的特定闪烁方式或者电池组1000上的LED175的特定闪烁方式向使用者发出提示。在一实施例中，三个LED675/175一致地以特别的频率闪烁，从而提示使用者在电池组1000中存在问题。

另外，如果所有电池电压高于2.0V且电池组温度处于温度窗口内，则满足初始预充电检查，于是向所有电池施加恒定水平的充电电流(1015)。在一个例子中，该第一恒定电流水平为3.0A。

参考图10，在整个充电过程中由电压监视单元115对单个电池和整个电池组电压进行连续监视。另外，控制器125在充电过程中通过温度传感器120(热敏电阻器)对电池组温度进行连续监视。另外，在超过控制极限(电池组温度(Tpack)超过60℃)的任何时刻均可挂起充电，并在Tpack落入控制极限之下时恢复充电(参见1025)。

在1020中以第一恒定电流水平对电池进行充电，直至达到第一转变极限。如果满足1022、1024或者1026中的任一条件，则达到第一转变极限。图10中步骤1022、1024和1026之间的双箭头表示所有的三个条件(第一电池达到3.7V或电池组电压＝37V或所有电池≥3.6V)正在由控制器125所实现的充电算法进行评价，该评价基于控制器125正在解释的单个或者整个电池组电压的测量结果。如果满足这些条件中的任何一个，则触发用于将充电电流减少至第二恒定电流水平的步骤(1030)。在一个例子中，第二恒定电流水平为第一恒定电流水平的一半，或者1.5A。

在1040中以第二恒定电流水平对电池充电，直至达到第二转变极限。如前所述，如果满足1042、1044或者1046中的任何一个，则达到第二转变极限。在步骤1042、1044和1046之间的双箭头表示所有的三个条件正在由控制器125所实现的充电算法进行评价，该评价基于控制器125正在解释的单个或者整个电池组电压的测量结果。如果满足这些条件中的任何一个，则在1050触发用于将充电电流减少至第三恒定电流水平的步骤。在一个例子中，第三恒定电流水平为第二恒定电流水平的一半，或者0.75A。

在第三恒定电流水平，充电算法确定(在1055)是否所有电池≥3.6V且没有电池＞3.8V。换言之，算法验证所有电池的电池电压处于最小满充电池电压电平和最大满充电池电压电平之间的满充电压窗口内。若满足(1055的输出为“是”)，则终止充电电流(1060)。这可以由控制器125发出的合适的终止命令来实现。

若不满足，则算法检查电池的最大电压是否已高于3.6V一设定的持续时间(对该电池施加第三充电电流)(1070)。例如，该时限可以为60分钟或更长。若具有最大电压的电池达到或高于3.6V有1小时的时间(1070的输出为“是”)，则终止充电。即使在充电中的指定时限内所有电池不全高于3.6V，充电依然终止。

可选择地，若步骤1055和1070均不满足，则可选择性地执行电池平衡(1065)。不需要下一步的步骤以获得更高的容量。电池平衡可以用于对具有较高电压的电池放电，以等待低于3.6V的电池充至3.6V以上。在该例子中，如任意两个正在以该第三恒定电流水平充电的电池的电压差＞0.5V，则可以进行电池平衡。因此，可以通过导通这些电池的平衡FET、将平衡电阻器切换至电池的电流通路内而对具有更高电压的电池放电。可以以减小的第四恒定电流水平对其他电池充电，直至满足步骤1055，从而没有高于0.20V的电压差。在一个例子中，第四恒定电流水平可为所施加的0.25A或更小的充电电流，以得到所需的平衡。如通常情况，电池组温度被连续监视以确保不超过控制极限，超过该控制极限将引发挂起充电，直至Tpack落回控制极限之下。

因此，与传统锂离子(氧化物)电池化学组分相比，具有诸如LFP的锂金属磷酸盐电池化学组分的锂离子电池的根本差别是，具有锂金属磷酸盐电池化学组分的电池允许无需恒定电压步骤的满充电，而该恒定电压步骤是传统锂离子电池组的满充电所必需的。在上述例子中，可以以单一恒定电流对包括具有诸如LFP的锂金属磷酸盐电池化学组分的电池的锂离子电池组进行充电，例如，减小的第二和第三恒定电流步骤(1.5A和/或0.75A)是可选的。如果在第一步骤以较低的电流(例如1.5A)对电池组充电，则该充电相当于两步3.0A/1.5A。可替换的方式可以包括在第一步骤以较高的恒定电流(3A或更大)进行充电，然后，立刻降至100mA进行电池平衡。

除具有磷酸锂铁(LPF)的之外，示范性的充电方法可应用于具有诸如磷酸锂锰、磷酸锂钒、磷酸锂钴、磷酸锂镍、或它们的混合物以及所有具有橄榄石结构的金属磷酸盐成份的电池的电池组。对于每种成份，所需或优选的充电电压窗口可以稍有不同，但是可以处于每个电池3.6V至4.2V的范围之内。

为对电池充电而采用的电压窗口方法简化了单个电池的测量精确度要求，且减少了对于电池平衡的需要和/或电池平衡的频率。在允许一个或多个其他电池被充电至较高电压(如3.8V)的同时，电池组中的所有电池可获得满充(3.6V)。与采用传统锂离子CC/CV充电方法所获得的性能相比，这种使用电压窗口的充电方法没有明显减少锂金属磷酸盐电池的性能。

使用电压窗口的充电方法——例2

图12用于示出另一示范性充电方法的随着持续时间的电池组1000的电压曲线和充电电流的充电曲线图。在图12中将充电电流(安培)和电压(伏特)示出为是充电时间(秒)的函数。用区域1-5对图12进行标记，以有助于对本示范性充电过程中执行的某些功能的解释。本示范性方法类似于图10和11中的示例；以下仅描述其中的差别。如同例1一样，所描述的本充电方法用于对具有锂金属磷酸盐电池化学组分的多电池锂离子电池组(10个串联连接的电池和/或2并联-10串联(2P10S)结构的电池)的充电，并且如在’286申请中所述的那样而执行单个电池和/或整个电池组电压的电压监视以及电池平衡。此处所述的电池排列和电池化学组分仅仅是示范性的；下面的充电方法可应用于具有不同电池数量和/或不同电池化学组分的电池组。如图10和11，由电池组1000中的控制器125来提供对充电的控制。

参考图12，最初，当电池组1000被插入到充电器600中时，充电电流设为0安培，且对于温度极限检查热和冷温度阈值。延迟任何充电电流的施加，直到电池组温度处于极限之内。例如，如果电池组温度＞60C，则由于电池组的热延迟条件而延迟充电；如果电池组温度＜-10C，则由于电池组的冷延迟条件而延迟充电。

同样地，当电池组1000被插入到充电器600之中时，在施加任何初始充电电流之前进行电压检查。作为0安培充电电流的前提条件，若最小电池电压在电池组1000插入后的30秒内不是≥0.4伏，则充电算法转向图11中所述的问题模式。例如，在问题模式中，关断电流(由控制器125控制)，且向终端使用者指示问题模式警告(例如，充电器600或电池组1000其中之一上的LED675/175的闪烁方式)。

在电池组插入充电器时满足初始温度和电压检查之后，初始充电电流被设定为125mA(0.125A)，并且依据在该较小的初始充电电流水平上的充电算法，由控制器125以该初始充电电流执行多个第二组检查。例如，通过控制器125以及依据充电算法来执行如下的第二组检查并采取下述动作：

i)如果在从开始施加0.125A的初始充电电流的6分钟内最小电池电压不是≥1.6V，则转到问题模式(参见图11，步骤1010i)；

ii)如果(最大电池电压-最小电池电压)＞2.0V，则转到问题模式；

iii)如果最大电池电压＞3.75V，则充电结束，终止充电电流；

iv)如果电池组温度＞60C，则电池组热延迟；如果电池组温度＜-10C，则电池组冷延迟；在两种情形下，一旦进入温度窗口则恢复0.125A的充电电流。

如果不属于(i)至(iv)任何一个的情形，则一旦执行随后的电流斜坡(ramp)测试，则即以第一恒定电流水平开始正常充电。在充电开始时，逐渐增大地向最大充电电流前进，例如通过以某较低电流开始充电(电池组1000插入到充电器600之中)，并在监视电池电压的同时任意地增大电流(电流的分步增加)，直至一电池达到某电压阈值(≥阈值)，从而防止在充电之初的电压过度过冲。随着电流的增加，允许在较短持续时间的电压过冲之后跟随电流减少。例如，在充电电流增加至最大电流水平之前，已经被完全充满并插入充电器600之中的电池组1000可达到某电压阈值(即，≥3.8V)。然后，无电电流将逐步减小一个水平，从而使得电池将低于该电压阈值。在这种情况下，将以比最大充电电流水平低的较低充电电流开始充电。在另一种情形下，在电流增加期间未达到某电压阈值(即，≥3.8V)的电池组1000将有一个达到3.0A的最大充电电流的时间，通常从电池组100插入开始该时间不大于几秒；且这对于终端使用者来说是透明的。

可选择地，代替在充电的最早期阶段达到或超过电压阈值，充电电流可降至略低于阈值的某电池电压电平，从而，当试图将电流增加到3.0A的最大充电电流值时，永远不会超过电压阈值。

参见图12中的区域1，将充电电流设为恒定的3A(与用于第二组检查的初始充电电流相比高得多)，且连续监视单个电池电压和整个电池组电压以及电池组温度。多少有些类似于图10，如果超过控制极限，则充电被延迟或中断。但是，在本示例中，控制极限可被表示为温度窗口的上下边界；在充电期间电池组温度必须保持在该窗口(-10℃至+60℃)之中。如果不是这样，则通过控制器125向充电器600发送信号而中断充电电流，直至电池组温度返回至温度窗口之内。

当电池的最大电池电压≥3.6V时，在第一充电电流水平上达到第一转变极限。此时，假设电池组温度处于温度窗口之内，充电电流减至第二恒定电流水平(在本示例中为1.5A)。如上所述对温度执行同样的检查；在充电期间电池组温度必须保持在-10℃至+60℃的温度窗口之内。

现在参见图12中的区域2，当电池的最大电池电压≥3.75V时，在第二无电电流水平上达到第二转变极限。此时，假设电池组温度处于温度窗口之内，充电电流减至第三恒定电流水平(在本示例中为250mA)。

参考图12中区域3、4和5来解释该第三恒定电流水平上的充电算法的功能。当充电电流减至恒定的250mA时，电压监视单元115连续监视单个电池电压。另外，在区域3和4中，执行选择性的电池平衡，从而确保所有电池的电池电压处于大约3.6伏特至3.75伏特之间的满充电压窗口之中。

例如，在图12的区域3中，示出了一个或多个电池电压＜3.6V，则充电算法使得控制器125关闭与电池对应的平衡电阻器(循环截止其FET)，于是可以以250mA的充电电流将电池继续充电到3.6伏特(区域4)。一旦达到区域4，如果电池电压≥3.6V，则接通电池所对应的平衡电阻从而对电池放电。这些功能于是可被执行以用于平衡电池电压直到充电结束。

如上所述执行对于温度的相同检查——在以250mA充电期间电池组温度必须保持在温度窗口(-10至+60℃)之内。另外，在充电过程中的此时，充电算法对电池组1000中具有最高和最低电压电平的电池之间的电压差进行额外的连续检查。这可以代表向结束充电施加的另一个控制极限。如果(最大电池电压-最小电池电压)＞2.0V，则算法调用问题模式以警告使用者，且终止充电电流。

可选择地，在图12的区域3和4中执行的充电方法可由下面的平衡方法替代。那些在250mA的“平衡区域”期间(在区域3和4中)等于最大电池电压的电池将会接通它们所对应的平衡电阻器以对那些电池进行放电。当最大电池电压超过阈值(即3.8V)时，则充电电流被设定为0A，并且完成充电(区域5)。可选择地，如果最大电池电压低于电压阈值(例如3.8V)且最小电池电压大于最小电压阈值(例如3.6V)时，则充电电流被设定为0A，且完成充电(区域5)。在区域5内，存在多个指示符用于标识充电完成。

如果控制器125确定：(a)所有电池的最大单个电池电压≥3.75伏特；或者(b)所有电池的最小单个电池电压≥3.6伏；或者(c)如果电池组中具有最大电池电压的电池在第三恒定电流水平上处于大于3.6V的电压已经持续了一个固定时间段(例如40分钟)(即，图12的区域3和4内)，则充电完成(且终止250mA的充电电流)。

此处所描述的实施例显然会以许多方式发生变形。这些变形并不认为脱离了这些示范性实施例的精神和范围，并且所有这些对于本领域技术人员来说是显而易见的修改将意欲被包含在所附的权利要求书的范围之内。

对相关申请的交叉引用

本美国非临时专利申请要求于2005年10月31日提交的美国临时专利申请No.60/731,500的优先权，其全部内容通过参照而被合并于此。

Claims (20)

1.一种向具有多个电池的电池组充电的方法，包含：

将电池组插入充电器中，

执行电池电压和电池组温度的初始的一组检查，

一旦满足初始的一组检查，则以第一恒定电流水平对电池进行充电，

将第一恒定电流水平调整到一个或更多较低的恒定电流水平，直到所有电池的电池电压处于最小满充电池电压电平和最大满充电池电压电平之间的满充电压窗口之内，以及

一旦所有电池处于满充电压窗口之内，则终止充电。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在充电期间当一个或多个电池达到给定电压设定点时，不将所述电池保持在恒定电压电平一固定持续时间，以允许电流逐渐减小从而完成充电。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，调整恒定电流水平还包括：

确定是否已达到第一充电电流转变极限，和

当达到第一转变极限时，将充电电流减小至低于第一恒定电流水平的第二恒定电流水平，

确定是否达到第二充电电流转变极限，和

当达到第二转变极限时，将充电电流减小至低于第二恒定电流水平的第三恒定电流水平。

4.根据权利要求1所述的方法，

其中，确定是否已达到第一和第二转变极限包括：在整个充电中监视单个电池和整个电池组电压。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在整个充电中监视电池组温度，以确定是否达到了基于较高电池组温度的控制极限，

如果已达到或者超过该控制极限，则中断充电，和

一旦被监视的电池组温度降至控制极限以下，则恢复充电。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，执行电池电压和电池组温度的初始的一组检查包括，

检查电池组温度处于最小和最大温度极限之间的温度窗口之内，并延迟以第一恒定电流水平对电池的充电，直到电池组温度处于温度窗口之内，和

检查所有初始单个电池电压大于电池低压阈值，其中一个或多个电池电压是否低于电池低压阈值，

以低于200mA的充电电流对电池进行预充电，直到所有的初始电池电压超过低压阈值，

其中，当电池组温度处于温度窗口之内且没有电池电压低于电池低压阈值时，满足初始的一组检查。

7.根据权利要求3所述的方法，其中

如果单个电池达到3.7伏特或整个电池组电压达到37.0伏特，则达到第一转变极限，和

如果单个电池达到3.8伏特或所有电池的电池电压≥3.6伏特，或整个电池组电压达到38.0伏特，则达到第二转变极限。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

通过在以第三恒定电流水平进行充电期间对达到3.8V的那些电池进行放电，而选择性地在以第三恒定电流水平进行充电期间对达到3.8伏特的各个电池进行平衡，直到所有电池达到或超过3.6伏特。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，终止充电还包括一旦所有电池处于满充电压窗口之内且任意电池之间的电压差为0.20或更小则终止充电。

10.根据权利要求3所述的方法，其中

如果单个电池达到3.6伏特，则达到第一转变极限，和

如果单个电池达到3.75伏特，则达到第二转变极限。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：

对具有电池电压≥3.6伏特的单个电池进行选择性地放电，并以第三恒定电流水平对具有电池电压＜3.6伏特的电池继续进行充电，和

终止充电还包括一旦所有电池处于满充电压窗口之内或一旦电池组中具有最大电池电压的电池在第三恒定电流水平上大于给定电压电平一固定的持续时间，则终止充电。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，终止充电包括：如果所有电池的最大单个电池电压≥3.75伏特、或所有电池的最小单个电池电压≥3.6伏、或电池组中具有最大电池电压的电池已经处于高于3.6伏特的电压40分钟，则将确保对于电池的充电电流在第三恒定电流水平上。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个电池具有锂金属磷酸盐电池化学组分。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述锂金属磷酸盐电池的电池组被配置为提供至少为18伏特的输出电压。

15.一种向具有多个电池的电池组进行充电的方法，包括：

将电池组插入充电器中，

以零充电电流执行电池电压和电池组温度的初始检查设定，

一旦满足初始的一组检查，则以初始充电电流水平对电池进行充电，以执行电压和温度的第二组检查，

一旦满足第二组检查，则以第一恒定电流水平对电池进行充电，第一恒定电流水平实质上高于用于第二检查的初始充电电流水平，

当达到第一转变极限时，将充电电流减小至低于第一恒定电流水平的第二恒定电流水平，

当达到第二转变极限时，将充电电流减小至低于第二恒定电流水平的第三恒定电流水平，

选择性地对各个电池进行放电，同时以第三恒定电流水平继续对其他电池充电，

一旦所有电池处于最小满充电池电压电平和最大满充电池电压电平之间的满充电压窗口之内，则终止充电。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，当电流逐渐减小至较低水平以终止充电时，一旦电池达到给定的电压设定点则不将电池组电压维持在恒定电压电平。

17.根据权利要求15所述的方法，其中

如果单个电池达到3.6伏特，则达到第一转变极限，和

如果单个电池达到3.75伏特，则达到第二转变极限。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，终止充电还包括：一旦所有电池处于满充电压窗口之内或一旦电池组中具有最大电池电压的电池在第三恒定电流水平上大于给定电压电平一固定的持续时间，则终止充电。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，终止充电包括：如果所有电池的最大单个电池电压≥3.75伏特、或所有电池的最小单个电池电压≥3.6伏、或电池组中具有最大电池电压的电池在第三恒定电流水平上已经处于高于3.6伏特的电压40分钟，则确保对于电池的充电电流在第三恒定电流水平上。

20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个电池具有锂金属磷酸盐电池化学组分。

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