專利名稱：用于電池快速充電和整修的改進(jìn)的方法和裝置的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考本申請(qǐng)依照Title 35，U.S.C.ξ119(e)要求享有1997年1月7日提交的名稱為“IMPROVED METHOD AND APPARATUS FOR RAPIDLY CHARGINGAND RECONDITIONING A BATTERY”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第60/034,921號(hào)的優(yōu)先權(quán)。
本發(fā)明一般涉及到用于電池充電，生成和整修的裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及到用于電池快速充電和/或整修的方法和裝置，它可以提供特別的分段順序，這其中主要包括充電脈沖，放電脈沖，例如在電池上施加一個(gè)負(fù)載，以及等待或是間歇周期。電池普遍被用來為各種各樣的用途提供直流(dc)電源的電能。電池一般都是由組裝在一個(gè)共同的容器中并且在電路上連接的許多電池構(gòu)成的，用來提供特定的dc電源。例如，四個(gè)額定值為1安培(amp)的1.5伏電池串聯(lián)連接后可以提供一個(gè)額定值為1amp的6伏dc電源。電池也可以并聯(lián)連接，例如，四個(gè)額定值為1amp的1.5伏電池并聯(lián)連接后可以提供一個(gè)額定值為4amp的1.5伏dc電源，或者是采用組合的串聯(lián)-并聯(lián)方式。電池包括兩個(gè)電極，其中之一連接到正端子，而另一電極連接到負(fù)端子，將它們作為電流進(jìn)、出電池的導(dǎo)體。電極或是板的周圍是一種電解液，它對(duì)電極的作用方式取決于用來構(gòu)成電池的材料的性質(zhì)。
電池可以是原電池或是二次電池。本發(fā)明基本上僅僅涉及到二次電池類型的電池，可以通過在與放電方向相反的方向上強(qiáng)迫電流通過電池而進(jìn)行充電。用電池存儲(chǔ)電流，電池的存儲(chǔ)容量大體上是按照安培-小時(shí)容量來定標(biāo)的，也就是說，電池可以在兩小時(shí)內(nèi)不間斷地提供10amp的平均電流，電池在此時(shí)間結(jié)束時(shí)因達(dá)到一個(gè)低電壓限制而完全放電，這一電池額定容量就是20(10×2)安培-小時(shí)。如果放電的速度較快，例如是一個(gè)小時(shí)而不是兩個(gè)小時(shí)，電池的額定容量就比較小。
從最簡(jiǎn)單的意義上來說，電池充電是通過向電池提供電流，從而使極板電離成相反的電位(電壓)而完成的。對(duì)于線性充電器來說，這是通過使用比電池的最高剩余電壓稍高一點(diǎn)的充電電壓來完成的。最基本的充電器類型通常很少考慮到調(diào)整電流或是電壓。電池僅僅是被充到其最高的電位。這樣做雖然很慢，并且沒有考慮到電池隨著時(shí)間的均衡，但卻是可行的。當(dāng)電池最低時(shí)，流過的電流最大。如果將電池的充電時(shí)間劃分成五段，第一時(shí)間段將完成電池充電的70％，下一時(shí)間段達(dá)到90％，而剩下的三個(gè)時(shí)間段逐漸達(dá)到100％。
在對(duì)電池充電時(shí)，使用的充電電壓應(yīng)該僅僅是稍微高于滿電池電位。這是因?yàn)楦叩碾妷簩⒔?jīng)使電池的電解液排泄而不能存儲(chǔ)。無處存儲(chǔ)的能量被轉(zhuǎn)變成熱量。粗略地估計(jì)，這部分能量是(Ec-ER)xIc＝Pw，其中的Ec是充電電壓，ER是電池剩余電壓，Ic是充電電流(安培)，而Pw是浪費(fèi)的功率(瓦特)。這一Pw由于不能被電池吸收而轉(zhuǎn)變成了熱量。更先進(jìn)的充電器采用了脈沖技術(shù)，用較高的電壓向電池傳送能量脈沖。但是，這樣做不但不能提高速度，還會(huì)因?yàn)槭箖?nèi)部的電解液發(fā)熱并逐漸氣化而使電池逐漸損壞。
另一種途徑是使用恒定的電流源，假設(shè)電池能夠在任何時(shí)候承受設(shè)定的電流量。此類充電器是通過自動(dòng)調(diào)整電壓來調(diào)整電流的，從而獲得預(yù)定量的電流。電流的量是設(shè)計(jì)的因素，而不是電池的電壓。然而，其效果卻并不理想。如果對(duì)電池能夠承受的量估計(jì)過高，電池就可能無法承受這一電流。通過提高充電電壓而隨時(shí)對(duì)充電器進(jìn)行補(bǔ)償。電池發(fā)熱，熱量會(huì)進(jìn)一步加重這種情況，使電池變得更難以進(jìn)一步充電。如果這種循環(huán)無限制地持續(xù)下去，就可能造成電池的損壞。
在充電過程中，極板發(fā)生電離，負(fù)離子流向正極板，正離子流向負(fù)極板，這樣就會(huì)妨礙離子向極板的進(jìn)一步遷移，因而妨礙了電池的進(jìn)一步充電。隨著電池中充電電荷的增加，阻抗形式的電阻在電池中逐漸增大。先進(jìn)的電池充電技術(shù)是在充電脈沖之間間歇地施加放電脈沖，使電池的極板去極化，以期更快地為電池充電。放電脈沖從極板上間歇地帶走離子，以便使額外的離子流動(dòng)，在后續(xù)的充電脈沖期間向極板傳送額外的電荷。
在給定的充電脈沖期間，電池的電壓在充電脈沖結(jié)束時(shí)是最高的?，F(xiàn)有技術(shù)的電池充電器是在充電脈沖之后施加放電脈沖，在電池處在其最高電壓電平時(shí)使電池去極化，使電池為后面的充電脈沖做準(zhǔn)備。在美國(guó)專利US4,829,225(Podrazhznsky)中公開了一種此類的現(xiàn)有技術(shù)電池充電器，其中的放電脈沖緊接在充電脈沖后面。在充電和放電脈沖之間采用等待或是間歇周期，用來在充電期間穩(wěn)定電池，這一點(diǎn)對(duì)于鎳基的電池是極為重要的。充電，放電以及等待的周期大致是數(shù)十秒到幾秒的范圍。施加在電池上的負(fù)載通常是采用去極化脈沖的形式，其電流等級(jí)和充電脈沖的電流等級(jí)幅值相同或是稍大一點(diǎn)。一般來說，充電脈沖要比負(fù)載或是去極化脈沖的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)得多。間歇周期或是穩(wěn)定周期的持續(xù)時(shí)間通常要大于負(fù)載或是去極化脈沖的持續(xù)時(shí)間。
充電或是負(fù)載的幅值，充電的持續(xù)時(shí)間，負(fù)載，間歇階段，以及這三個(gè)階段的具體順序是根據(jù)需要充電或是整修的電池的具體類型來確定的。另外，在對(duì)電池進(jìn)行充電或是整修的過程中可以改變這些階段的順序，幅值，以及持續(xù)時(shí)間?？偟貋碚f，在負(fù)載條件下對(duì)電池進(jìn)行測(cè)量，確定電荷的電平，以便對(duì)電池進(jìn)行更精確的測(cè)量，以免由于電池的阻抗和輸送的電荷而出現(xiàn)誤差。
普通的電池充電器僅僅是提供穩(wěn)定的電壓，使電池的極板緩慢地電離。這樣做的問題是電池不能吸收所有輸送的能量，并且充電過程需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成。一部分原因是由于強(qiáng)迫充電器提供比正常容量略高的一定的電壓電平，而電池的靜態(tài)電阻會(huì)產(chǎn)生一定量的電流。電流的大小對(duì)于工作的充電器來說總是過高的。另外，在充電過程中的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，電池的電阻是變化的，進(jìn)而會(huì)影響到電池的充電。如果向電池提供的功率超過了它能夠吸收的功率，超過的量就會(huì)轉(zhuǎn)化成熱量而浪費(fèi)。
有些先進(jìn)的脈沖充電器在充電過程中采用了負(fù)載，充電和等待/間歇周期。盡管這種脈沖充電器將電荷“射入”電池，在電池兩端測(cè)得的干線間的電壓量并不是很明顯。如果剛好在充電脈沖之前用負(fù)載使電池放電，干線間的電壓就會(huì)增大，這樣對(duì)電池造成的“沖擊”更強(qiáng)。由于脈沖充電器采用了非線性的供電方式，不能將靜態(tài)電池電阻作為一個(gè)因素。然而，電池阻抗是一個(gè)因素，并且會(huì)受到與脈沖充電器有關(guān)的頻率和占空比的影響。
被稱為wall-wart型充電器的現(xiàn)有技術(shù)的電池充電器存在的一個(gè)問題涉及到要充滿一個(gè)電池所需要的時(shí)間量。這種公知的充電器通常需要持續(xù)充電12-24小時(shí)的時(shí)間才能完全充滿一個(gè)普通的電池。這種結(jié)果很不理想，由于電池需要充電而延長(zhǎng)了用電池供電的設(shè)備停機(jī)的時(shí)間，或者是需要購(gòu)買和保存幾個(gè)電池。
現(xiàn)有技術(shù)中存在的另一個(gè)問題是用現(xiàn)有技術(shù)的充電器充電的電池往往存在充電容量或是記憶量不斷下降的不利影響，也就是所謂的“記憶效應(yīng)”。在電池被多次充電之后，其充電容量逐漸下降。記憶效應(yīng)是由于電池阻抗的不斷增大會(huì)造成對(duì)充電的電阻增大。甚至使電池不能維持適當(dāng)?shù)某潆姞顟B(tài)，只能是丟棄或是整修。
本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的電池充電器和整修器，它采用了一種改進(jìn)的充電順序，可以在充電過程中有效地改變電池的阻抗，促進(jìn)電池對(duì)電流的接收能力。本發(fā)明的充電器提供的功率和電流剛好是電池能夠吸收的量，這樣就避免了無效的發(fā)熱，更快地為電池充電，并且提高被充電電池的充電電平，同時(shí)逆轉(zhuǎn)或者至少是避免由于阻抗不斷增大所造成的記憶效應(yīng)的負(fù)作用。本發(fā)明的電池充電器充分利用了一個(gè)恒定的電流源來提供穩(wěn)定的電流，并且避免標(biāo)準(zhǔn)的住宅AC電源產(chǎn)生的沖擊。
按照E＝IR的歐姆定律，它說明了電壓E(伏特)等于電流I(安培)乘以R電阻(歐姆)。如果使用一個(gè)恒流源，電流就是已知的。通過提供所需的電流而產(chǎn)生電壓。通過簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算就可以計(jì)算出電池的電阻。實(shí)際上，由于我們所考慮的情況是采用脈沖技術(shù)的波動(dòng)電壓，用另外的項(xiàng)目代替了電阻。用字母Z表示的阻抗來代替電阻R，其作用是等效的，上述公式也是等效的(E＝IZ)。
本發(fā)明的一個(gè)重要方面是降低電池的阻抗，允許用比較低的電壓為電池提供同等的電流。在充電過程中，短而快的放電脈沖剛好在充電脈沖之前使電池的阻抗降低，用比較低的充電脈沖電壓來提供同等量的電流。在電池被充電時(shí)，電池會(huì)保持在兩個(gè)電壓電平。一個(gè)是指定的電位。另一個(gè)屬于具有較高電壓的電容式副作用，但是在這一電壓下幾乎沒有電流。通過計(jì)算但是最好是試驗(yàn)就可以確定放電脈沖的強(qiáng)度(或是所連接的負(fù)載的大小)，并且確定最好用多長(zhǎng)的時(shí)間來消耗這一人為抬高電池阻抗的虛假電位。負(fù)載越重，阻抗就變得越低，但是有一定的限制；主要是在不損壞的條件下電池所能達(dá)到的能力。施加負(fù)載的時(shí)間越長(zhǎng)，阻抗就變得越低，但是在這種情況下有一個(gè)遞減的折返點(diǎn)。緊接在放電脈沖后面是一個(gè)恒流脈沖，并且充電實(shí)際上可以比理論限制超過一個(gè)小的百分?jǐn)?shù)。最初的電流大小是由最大充電速度或是C來確定的。對(duì)于鎳基的電池來說，最大充電速度大約是4C，這表示在4倍的電池額定電流條件下充電時(shí)間大約是15分。最佳的充電脈沖長(zhǎng)度取決于放電脈沖對(duì)降低電池阻抗所起的作用。充電脈沖的持續(xù)時(shí)間基本上取決于電池的阻抗在何時(shí)傾斜上升到某一個(gè)點(diǎn)，過量的能量在該點(diǎn)以上就被浪費(fèi)了。在實(shí)踐中，這些最佳數(shù)據(jù)是通過精心的計(jì)算或者最好是試驗(yàn)而獲得的。
可以利用測(cè)量的電壓在最佳的時(shí)刻自動(dòng)地停止放電脈沖和充電脈沖。遺憾的是，這樣會(huì)妨礙充電器檢測(cè)電池容量，從而確定應(yīng)該在何時(shí)結(jié)束充電(這也是最重要的)的檢測(cè)能力。然而，在這種結(jié)構(gòu)中還可以利用關(guān)于充電脈沖的定時(shí)來確定應(yīng)該在何時(shí)結(jié)束充電。例如，當(dāng)充電脈沖變得異常短時(shí)，以及放電脈沖變得異常長(zhǎng)的時(shí)候，就可以認(rèn)為充電已經(jīng)完成了。然而，這樣做的另一個(gè)缺點(diǎn)是在某種程度上限制了充電器在沒有這種功能時(shí)所具有的安培-小時(shí)的靈活性。沒有這種方法，充電器僅僅需要考慮到電池的額定電壓。有了這種方法，也能夠?qū)哂邢嗤妷旱才嘁恍r(shí)特性不同的大多數(shù)電池充電。
充電技術(shù)中的一個(gè)重要突破就是“脈沖”充電的理論。這其中包含按照特定的時(shí)間間隔切換充電電流的通、斷，將較高的能量快速傳送給電池。如上文所述，現(xiàn)有技術(shù)提出了應(yīng)該在每個(gè)放電脈沖之后設(shè)置一個(gè)穩(wěn)定等待周期，并且在充電脈沖之后施加放電脈沖。與此相反，本發(fā)明的電池充電器是大體上剛好在提供充電脈沖之前施加放電脈沖，最好是沒有中間的等待周期，從而降低電池的阻抗和電壓，使充電器能夠在盡可能低的電壓下按照恒流源的形式提供所需的電流量。為了提供定量的電流，電池的阻抗越大，所需的電壓就越高。這種理論的基礎(chǔ)在于電池僅僅能保持特定量的電壓。為了提供最合適的電流，充電的電壓應(yīng)該很低。當(dāng)電池電壓很高時(shí)，額外的電流會(huì)使電池的電壓進(jìn)一步升高，造成電池“擊穿”。其結(jié)果是大部分能量沒有被儲(chǔ)存，反而被轉(zhuǎn)化成熱量。在發(fā)出脈沖之前降低電池電壓可以使電池儲(chǔ)存所提供的能量，基本上消除了擊穿的可能性。
本發(fā)明的一種形式是具有至少兩個(gè)數(shù)字輸出端的微處理器來控制電流源和負(fù)載源以及至少一個(gè)用來讀出電池電壓的A/D端口。在完美的充電器設(shè)計(jì)中，定時(shí)是另一個(gè)重要的因素。本發(fā)明采用兩種不同的定時(shí)算法。其中之一是一個(gè)“等待”定時(shí)，通過循環(huán)一個(gè)計(jì)算的次數(shù)來消耗時(shí)間。因?yàn)槭怯镁w來控制微處理器的振蕩器，等待程序中的定時(shí)是非常精確的?？梢詫⒌却龝r(shí)間定為按照20微秒遞增。另一種等待程序是一種基本作業(yè)到時(shí)程序。用一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的“瞬間”使到時(shí)變量遞減。這種方式能夠提供的到時(shí)增量是16,384微秒。這一時(shí)間可以用來調(diào)整整個(gè)的充電到時(shí)變量。用A/D端口“監(jiān)視”電池的電壓。端口的標(biāo)度比例是11∶1。A/D端口所能達(dá)到的最高電壓是5V，增量是1.95mV。按照這一標(biāo)度，21mV的增量相當(dāng)于55V。這種監(jiān)視方式是非常精確的，并且提供了充足的范圍，可以為大多數(shù)類型的電池充電。A/D端口可以在間歇，負(fù)載和脈沖期間對(duì)電壓進(jìn)行監(jiān)視。電池拆除檢測(cè)是根據(jù)恒流源將會(huì)試圖向無限大的阻抗提供定量的電流，而電壓則會(huì)達(dá)到其極限的事實(shí)完成的。當(dāng)微處理器檢測(cè)到過高的電壓時(shí)，就知道電池已經(jīng)被斷開了。
最佳的充電特性取決于待充電的電池類型。對(duì)于不同類型的電池來說，要達(dá)到滿充電狀態(tài)，顯示充電電平，以及接受充電的能力，所需要的條件是不同的。鉛基的電池比較容易充電，并且可以充電到稍微超過1C定額的程度。鉛基的電池在擊穿狀態(tài)下是穩(wěn)定的，可以在間歇時(shí)測(cè)量電平，并且能夠預(yù)測(cè)最高電壓。針對(duì)鉛-酸電池的算法采用了一種“充電分布圖”，在100ms的充電脈沖前有一個(gè)2ms的放電脈沖。在脈沖之間幾乎沒有等待時(shí)間地重復(fù)執(zhí)行這種分布圖，直至達(dá)到“中間”電壓或是達(dá)到一個(gè)零-增量-V，或者是到時(shí)。中間充電采用了4組充電/放電脈沖，具有25ms的等待時(shí)間周期，直至在負(fù)載和間歇電壓上達(dá)到零-增量-V時(shí)為止?！敖Y(jié)尾”充電僅僅工作兩分鐘，在每個(gè)充電/放電脈沖之間具有100ms的等待時(shí)間。然后還應(yīng)該增加一個(gè)微電流充電，在充電/放電脈沖之間采用的時(shí)間量是500ms等待時(shí)間。
鎳基電池的充電需要某些技巧，但是可以充電到4C定額。這些電池的電壓在擊穿時(shí)會(huì)變得不穩(wěn)定，不能作為有意義的間歇電壓值，并且其最高電壓電位會(huì)隨時(shí)間逐漸降低?；镜摹俺潆姺植紙D”包括6ms負(fù)載，300ms充電(max)，以及50ms間歇。充電器能夠檢測(cè)到擊穿，并且能改進(jìn)充電電平的檢測(cè)方式。為此類電池充電的第一步是預(yù)測(cè)最長(zhǎng)的充電時(shí)間量。這是通過為電池施加負(fù)載并且讀出其電壓來完成的。通過對(duì)電池施加200ms的負(fù)載并且讀出電池電壓而完成預(yù)測(cè)。這樣就能粗略地估計(jì)需要多長(zhǎng)時(shí)間。然后對(duì)電池充電，直至達(dá)到目標(biāo)電壓，或者是到時(shí)。充電分布圖中有一些編碼，用來避免擊穿狀態(tài)，并且在發(fā)生擊穿時(shí)從擊穿狀態(tài)恢復(fù)。在提供放電脈沖的同時(shí)讀出電池的電壓。在提供充電脈沖的同時(shí)，如果電壓達(dá)到了被認(rèn)為是接近擊穿的電平，就停止充電脈沖。為了加快恢復(fù)，采用了與達(dá)到接近擊穿狀態(tài)所需要的時(shí)間成反比的放電脈沖。如果發(fā)生擊穿，放電脈沖不但無助于恢復(fù)，反而會(huì)起到相反的作用。用一個(gè)3秒的暫停渡過擊穿。擊穿會(huì)給電池拆除檢測(cè)造成麻煩，因?yàn)樘幵趽舸顟B(tài)的電池看起來好象是已經(jīng)斷開了。
鉛基電池生成的明顯區(qū)別在于可以準(zhǔn)確地知道電池的初始狀態(tài)并且可以預(yù)測(cè)生成所需的的時(shí)間量。本發(fā)明的充電器采用標(biāo)準(zhǔn)的分布圖(2/100)，在1 1/2小時(shí)中有1ms的間歇。在總共14個(gè)小時(shí)期間，間歇時(shí)間延長(zhǎng)到50ms，而在另外121/2小時(shí)中連續(xù)生成。除非是為了進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視/數(shù)據(jù)采集以及拆除檢測(cè)工作，不需要讀出電池電壓。
同樣適用于鉛基電池和鎳基電池的充電與放電時(shí)間的50∶1的比例部分取決于使用的負(fù)載類型，因此，它隨著負(fù)載的變化可能會(huì)較大。負(fù)載的大小應(yīng)該是電池能夠承受的。通過延長(zhǎng)負(fù)載時(shí)間就能延長(zhǎng)脈沖時(shí)間，但是有一個(gè)遞減的折返點(diǎn)，在此后不能通過延長(zhǎng)放電時(shí)間來增加足夠的額外充電時(shí)間。其目的是在充電和放電時(shí)間之間獲得最大的比例。本發(fā)明的充電器所提供的比例是50∶1。該比例被認(rèn)為是能量浪費(fèi)最少的一種最佳關(guān)系。
按照一種形式，本發(fā)明的電池充電器采用的標(biāo)準(zhǔn)充電分布圖包括一個(gè)2毫秒持續(xù)時(shí)間的負(fù)載或是放電脈沖，100毫秒持續(xù)時(shí)間的充電脈沖，以及一個(gè)可變持續(xù)時(shí)間的間歇或是等待階段。放電脈沖的特征在于其放電速率的幅值大于充電脈沖，大約處在充電脈沖速率的2到5倍之間。然而，這些參數(shù)都是可以按照被充電電池的類型而改變的。放電，充電和間歇這三個(gè)基本元素可以共同編制成各種順序的結(jié)構(gòu)，用來實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的充電程序。具體的充電分布圖也就是這三個(gè)充電元素的特定順序可以根據(jù)電池在任意的給定時(shí)間點(diǎn)上的充電狀態(tài)而改變。在各種條件的范圍內(nèi)可以將多種充電分布圖組合在一起為電池充電，但是以上所述的是基本的充電順序。在整個(gè)充電程序中隨著充電電平的變化監(jiān)視電池電荷的電平，可以相應(yīng)地改變充電順序。
給電池增大電流的過程類似于用水管向池塘中注水的過程，水注入速率越大，在池塘中形成的波浪就越高。池塘中的波浪類似于電池在充電過程中的不穩(wěn)定作用，當(dāng)池塘基本上被灌滿時(shí)，波浪就會(huì)使水從池塘邊上溢出。如果間歇地停止向池塘中注水，就能夠使水平面穩(wěn)定，減少溢出。在電池接近滿充電狀態(tài)時(shí)，電池對(duì)充電的阻力會(huì)加大，功率以發(fā)熱的形式被浪費(fèi)了，這樣就會(huì)造成效率低下并且可能損壞電池。間歇或是等待周期至少能使電池部分地穩(wěn)定下來。
例如分別是2毫秒和100毫秒的充電和放電脈沖的持續(xù)時(shí)間和幅值之間的關(guān)系對(duì)于改變降低的電池阻抗以便用最有效的方式為電池充電是極為重要的。在圖3A中針對(duì)鉛基電池充電器的基本或是標(biāo)準(zhǔn)的充電分布圖是2毫秒(ms)的負(fù)載時(shí)間，100毫秒的充電時(shí)間，然后是1ms的間歇時(shí)間。在整個(gè)電池充電過程中基本上都是重復(fù)這種分布圖。圖3B的分布圖表示一種典型的“微電流”充電順序，如果電池的穩(wěn)定是主要問題，就提供較長(zhǎng)的間歇時(shí)間，以便在充電程序的下一階段更充分地穩(wěn)定被充電的電池。為了更加有效和快速地從完全放電狀態(tài)直到完全充電狀態(tài)為電池充電，可以改變標(biāo)準(zhǔn)的充電分布圖。
在圖5中所示的與鎳基電池充電器相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)充電分布圖具有6ms的放電脈沖，緊接著是200ms的充電脈沖，然后是50ms的間歇周期。在電池接近滿充電狀態(tài)時(shí)，為了能更加穩(wěn)定，可以縮短充電脈沖并且延長(zhǎng)間歇周期。
在電池的充電過程中，電池通過兩種途徑儲(chǔ)存電荷。一種途徑是在設(shè)計(jì)中讓極板的一側(cè)保持正或是負(fù)的離子。第二種途徑是在兩個(gè)金屬極板相互靠近時(shí)具有的自然作用，這種自然作用會(huì)產(chǎn)生微量的電容。這種電容非常小，但是，在對(duì)電池充電的過程中，電容會(huì)形成負(fù)載，這當(dāng)然會(huì)在一定程度上增大電池的阻抗。這種現(xiàn)象在使用線性充電裝置時(shí)并不重要。然而，在使用諸如脈沖等非線性充電系統(tǒng)對(duì)電池充電時(shí)，電容就變成了一個(gè)很重要的因素。用放電脈沖消除天然電容就可以進(jìn)一步降低電池的阻抗并且允許降低采用的充電電壓。充電脈沖前面的放電脈沖靠得越近越好，因?yàn)榉烹娒}沖和充電脈沖之間的等待周期都會(huì)使電池自然充電。這種中間的充電會(huì)使電壓，電容和電池的阻抗上升，需要使用更高的充電電壓才能產(chǎn)生所需的固定量的電流。
本發(fā)明的電池充電器最好是采用微處理器驅(qū)動(dòng)的電路，利用固件和相關(guān)的接口部件來檢測(cè)諸如電壓等等電池的充電狀態(tài)，并且按順序執(zhí)行充電分布圖。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是有益地采用了恒流開關(guān)電源來消除普通AC電源的尖峰所產(chǎn)生的副作用。本發(fā)明的電池充電器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于利用充電，負(fù)載和間歇階段的幅值和持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系更加有效和快速地為電池充電。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種用一個(gè)輸入端連接到電源的電池充電器為電池快速充電的方法，用電池充電器向電池提供交變的充電和放電脈沖，該充電方法包括以下步驟a)緊接在充電脈沖之前使電池部分放電，在為電池充電之前降低電池的阻抗和電壓；b)緊接在電池部分放電之后向電池一充電脈沖，在充電脈沖期間提供給電池的電荷量大于在放電脈沖期間從電池中排泄的電荷量；c)在步驟b)的充電脈沖之后和向電池施加后續(xù)的放電脈沖之前等待一個(gè)間歇周期，讓電池至少能部分地穩(wěn)定；以及d)重復(fù)上述步驟。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種為電池快速充電的裝置，這種充電裝置包括一個(gè)適合用電路連接到電池上的輸出。該充電裝置進(jìn)一步包括一個(gè)用來通過上述輸出提供充電脈沖的充電脈沖發(fā)生器；一個(gè)放電裝置，用來在上述輸出上提供使電池排泄電流的放電脈沖，從而降低電池的阻抗；以及一個(gè)控制裝置，用來交替地將放電裝置和充電脈沖發(fā)生器連接到輸出上，分別向電池交替地提供放電脈沖，充電脈沖，以及中性電位的間歇周期。按照預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)充電順序?qū)﹄姵厥┘臃烹娒}沖，充電脈沖和間歇周期，其中的放電脈沖是緊接在充電脈沖之前提供的。
在又一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種用一個(gè)輸入端連接到電源上的電池充電器生成電池的方法，用電池充電器交替地向電池提供充電和放電脈沖。該生成方法包括以下步驟，提供第一生成序列和第二生成序列的充電和放電脈沖和一個(gè)中性電位的間歇周期。第一生成序列包括以下的步驟a)向電池施加第一充電脈沖；b)停歇一個(gè)第一等待周期，讓電池至少是部分地穩(wěn)定下來；c)測(cè)量電池的電荷并且重復(fù)步驟a)和b)，直至檢測(cè)到第一充電門限值，在檢測(cè)到第一充電門限值時(shí)，讓電池充電器從第一生成序列過渡到第二生成序列。第二生成序列包括以下步驟d)緊接在施加充電脈沖之前使電池部分放電，降低電池的阻抗；e)緊接在電池放電之后對(duì)電池施加充電脈沖；f)在向電池施加后續(xù)的放電脈沖之前停歇第二次的等待周期；以及g)重復(fù)步驟d)到f)，直至電池達(dá)到一個(gè)第二門限值。
在下一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了以下的特征1)用來整修由于記憶效應(yīng)而造成充電容量降低的電池的一種方法；2)為具有不同的額定電壓和不同額定充電容量的多種類型的電池快速充電的一種裝置；3)用來消除在可充電電池上形成的支狀生成的一種方法，以便恢復(fù)電池所損失的充電容量；4)用來中斷電池充電程序的一種方法；以及5)在充電過程中沖擊電池的一種方法，使其從異常狀態(tài)恢復(fù)到正常充電狀態(tài)。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提供了一種快速的電池充電器，與現(xiàn)有技術(shù)的電池充電器相比，它可以在很短的時(shí)間內(nèi)使電池達(dá)到滿充電狀態(tài)。特別是本發(fā)明的電池充電器能夠剛好在充電脈沖之前降低被充電電池的阻抗，從而提高電池對(duì)電流的接受能力，使電池能夠在降低電壓電平的條件下接收較大的電流，減少或是消除發(fā)熱現(xiàn)象，并且能更快地為電池充電，而不會(huì)對(duì)電池的狀態(tài)造成不利的影響。現(xiàn)有技術(shù)的電池充電器需要12-24小時(shí)才能完成電池的充電，而本發(fā)明的充電器僅僅需要45分鐘到一小時(shí)。由于采用了快速開關(guān)的半導(dǎo)體元件來代替達(dá)林頓晶體管來執(zhí)行充電順序，效率得到了改進(jìn)，特別是減少了工作中發(fā)熱的現(xiàn)象。
本發(fā)明的電池充電器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是被充電的電池不會(huì)形成記憶效應(yīng)，即使是在反復(fù)充電之后仍然能夠保持其滿充電容量。本發(fā)明的電池充電器可以在充電過程中有效地整修電池，并且大大延長(zhǎng)電池的壽命。本發(fā)明的電池充電器可以適用于各種各樣尺寸和型號(hào)的電池，諸如鉛電池，鎳電池等等，這其中包括鎳-鎘(Ni-Cad)電池，鎳金屬混合電池(Ni-MH)，以及鎳-鋅電池和鎘電池，這其中包括銀-鎘電池和鎘-氣體電池，以及鋅電池和鋰電池等等。
參照以下接合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的具體描述就能夠深入地了解本發(fā)明的上述和其它特征和目的以及用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法在附圖中

圖1是一個(gè)電路圖，表示與本發(fā)明的電池充電器有關(guān)的硬件的一個(gè)實(shí)施例。
圖2A是一個(gè)與圖1的電池充電電路有關(guān)的軟件流程圖，表示鉛基電池充電器的充電初始化程序。
圖2B是一個(gè)與圖1的電池充電電路有關(guān)的軟件流程圖，表示鉛基電池充電器的一種充電程序。
圖3A是在圖1的電路中采用的充電分布定時(shí)圖表，表示鉛基電池充電器的標(biāo)準(zhǔn)充電順序。
圖3B是在圖1的電路中采用的充電分布定時(shí)圖表，表示鉛基電池充電器的微電流充電順序。
圖4A是一個(gè)與圖1的電池充電電路有關(guān)的軟件流程圖，表示鎳基電池充電器的充電初始化程序。
圖4B是一個(gè)與圖1的電池充電電路有關(guān)的軟件流程圖，表示鎳基電池充電器的一種充電程序。
圖5是在圖1的充電電路中采用的一種充電循環(huán)定時(shí)圖，表示鎳基電池充電器的充電分布圖。
圖6是本發(fā)明的電池充電器的一個(gè)功能框圖。
圖7A是一個(gè)定時(shí)圖表，表示本發(fā)明的電池充電器的生成充電分布圖的第一階段。
圖7B是一個(gè)定時(shí)圖表，表示本發(fā)明的電池充電器的生成充電分布圖的第二階段。
圖8表示圖1的電池充電器的生成充電分布圖的流程。
圖9表示與圖1的電池充電器電路有關(guān)的主充電器控制順序的流程圖。
圖10是一個(gè)流程圖，表示與圖9的主充電器控制順序有關(guān)的連續(xù)中斷計(jì)數(shù)器子程序。
圖11是一個(gè)流程圖，表示與圖9的主充電器控制順序有關(guān)的充電器微電流順序。
圖12是一個(gè)流程圖，表示與圖9的主充電器控制順序有關(guān)的鉛基電池充電順序。
圖13A是一個(gè)流程圖，表示與圖9的主充電器控制順序有關(guān)的鎳基電池充電順序中的第一部分。
圖13A是一個(gè)流程圖，表示與圖9的主充電器控制順序有關(guān)的鎳基電池充電順序中的其余部分。
圖14是可用于圖1的電池充電電路的另一種可選擇的負(fù)載放電裝置的示意圖。
在所有附圖中用對(duì)應(yīng)的符號(hào)表示對(duì)應(yīng)的部分。本文所給出的例子用一種形式表示了本發(fā)明的最佳實(shí)施例，這種例子并不對(duì)本發(fā)明的范圍構(gòu)成任何形式的限制。
以下主要參見附圖中的1到6，統(tǒng)一用10來表示與本發(fā)明的電池充電器有關(guān)的硬件，它是用普通的民用AC電源12供電的，其電壓值處在90到132伏RMS之間。AC電源12被連接到功率輸入電路13的前面，由它為一個(gè)統(tǒng)一用14表示的恒流調(diào)整電源供電。恒流電源14將AC電源12轉(zhuǎn)換成直流電源，通過晶體管18和相應(yīng)的電路20向電池16提供恒流的電源。電源12還被連接到恒壓源24，它具有6.2伏的調(diào)節(jié)部分和5伏的調(diào)節(jié)部分，分別為充電器10的邏輯電路提供6.2伏和5伏的供電電壓。與充電器10有關(guān)的邏輯部件被裝在充電控制器15和脈寬調(diào)制(PWM)電流控制器17的內(nèi)部。用充電控制器15來控制恒流源14，PWM電流控制器17和可切換負(fù)載19的開/關(guān)。
PWM電流控制器17用數(shù)字開關(guān)方式來控制恒流源14向充電器16提供預(yù)定的固定電流。PWM電流控制器17包括橋式整流器BD1，用來將AC電源轉(zhuǎn)換成連接到變壓器18原邊的DC電源。電池16從變壓器18的副邊接收恒定的電流。變壓器18的原邊被連接到PWM電流控制器17的脈沖開關(guān)MOSFET Q1和電阻R12，用控制器17控制通過變壓器18提供給電池16的電流量。開關(guān)晶體管Q1的柵極被連接到電流模式控制器U1的一個(gè)輸出端，用U1在輸出端上產(chǎn)生的控制信號(hào)按照適當(dāng)?shù)乃俣群驼伎毡葋砜刂崎_關(guān)晶體管Q1向電池16提供所需的恒定電流。PWM電流調(diào)節(jié)器17是由微處理器U3來控制的，其型號(hào)例如是Microchip PIC16C71，它的輸出端可以驅(qū)動(dòng)光電隔離器U4，脈沖控制器，以及電源控制器U5。兩個(gè)獨(dú)立的電源也就是恒流源14和電壓源24被裝在獨(dú)立的接地面上以便減少噪聲。光電隔離器U4和U5被用來在獨(dú)立的邏輯部件之間傳遞指令信號(hào)和信息。盡管可以將兩個(gè)獨(dú)立的接地面連到一起，但是最好是采用隔離的方式。光電隔離器U4和U5被連接到電流模式控制器U1的輸入端。在充電脈沖期間，微處理器U3通過電流模式控制器U3快速地切換晶體管Q1，讓電流從橋式整流器BD1的直流輸出端經(jīng)過變壓器18的原邊，晶體管Q1的漏極和源極以及電阻R12接地。
恒流源14包括具有負(fù)載開關(guān)MOSFET晶體管Q3和負(fù)載電阻R21的可切換負(fù)載源19。晶體管Q3的柵極通過微處理器U3的輸出從充電控制器15接收一個(gè)激勵(lì)信號(hào)?？汕袚Q負(fù)載源19被設(shè)置在電池16的正端或是非接地端和接地端之間。在放電脈沖期間，電流通過晶體管Q3的漏極和源極以及電阻R21排泄到接地端。采用MOSFET晶體管的好處是它具有很快的開關(guān)速度，并且從源極到漏極的電阻很小，因此，電阻R21基本上消耗了所有的功率。按照這種方式就能在充電過程中降低電池16的阻抗和電壓，提高電池對(duì)電流的接收能力。恒流源這樣就能用降低的電壓電平向電池提供所需的電流量。盡管此處是用MOSFET和負(fù)載電阻來充當(dāng)為電池放電的手段，根據(jù)本發(fā)明完全可以設(shè)想到采用其它的器件，例如繼電器和達(dá)林頓晶體管等等。
比較大的功率被傳送到負(fù)載上。電阻21作為MOSFET Q3的一個(gè)散熱器能夠非常有效地散發(fā)熱量。負(fù)載電路應(yīng)該在電池的上限之內(nèi)用最短的時(shí)間帶走盡可能多的熱量，但是不能損傷電池。電阻21的數(shù)值確定了放電的速度。例如，24伏電池在1歐姆的電阻上放電會(huì)產(chǎn)生24安培的電流。假設(shè)是一種額定容量為10安培-小時(shí)的鉛基電池，排泄的24安培就是電池定額的2.4倍。一般來說，鉛基電池可以接受其額定容量的5-6倍的排泄電流而不會(huì)損傷電池。對(duì)于鉛基電池來說，充電器的充電定額大約是1C，C是電池的額定容量。因此，放電電路的放電定額大約是充電定額的5-6倍。對(duì)于鎳基電池來說，充電器的充電定額可高達(dá)4C，而放電電路的放電定額大約是充電定額的二倍。例如，定額為24伏1200毫安-小時(shí)的鎳基電池可以用5安培的充電器按照電池額定容量的大約4倍充電。如果R21是一歐姆，電池的放電電流就是24安培，也就是電池額定容量的20倍。以如此高速率放電會(huì)損害電池。如果R21是4歐姆，電池的放電電流就是(24÷4)＝6安培，也就是電池額定容量的五倍，這是可以接受的。
PWM反饋是由分流電阻R22提供的，它提供的反饋信號(hào)代表著流經(jīng)電池的電流量。這一反饋信號(hào)被送到運(yùn)算放大器U2的一個(gè)輸入端，由它來決定PWM電流調(diào)節(jié)器是否需要通過恒流源14向電池16提供更多或是更少的電流。運(yùn)算放大器U2-2構(gòu)成了一個(gè)放大器，而U2-3是一個(gè)比較器。U2-3的輸出被連接到光電隔離器U4的部件LED1。電流模式控制器U1根據(jù)LED1產(chǎn)生并經(jīng)TPD1輸入電流模式控制器的信號(hào)來改變Q1的占空比。通過將穩(wěn)壓電容器C20旁路就能夠有效地消除由恒流電源的PWM切換而產(chǎn)生的AC過渡。該電容器可以使AC過渡繞過電阻22接地，從而使得從分流電阻上讀出的dc電流更加精確。作為一個(gè)非限制性的例子，在下面提供了關(guān)于圖1所示電路的數(shù)值表。
數(shù)值表電阻
電容
二極管
晶體管
其它元件
對(duì)于圖1中具體的部件來說，變壓器繞組比例和其它分立元件值都是可以按照具體的用途而調(diào)節(jié)的?？赡艿挠猛景ㄓ糜?3安培，10安培，5安培，以及2.5安培的電路。下面的表中顯示了圖1中電阻R12的選擇值，可以用于以上的具體用途。
安培電阻(R12)13 0.1Ω10 0.2Ω50.33Ω2.5 0.75Ω本發(fā)明的電池充電器還可以設(shè)有能夠拆除和更換的電阻組件，讓使用者或是技術(shù)人員按照具體的用途有選擇地組裝充電電路。另外，在充電器電路中可以包括串聯(lián)電阻或是電位器，并且通過操作連接到電阻或是設(shè)備的選擇撥盤或者開關(guān)上。在電池充電器中可以采用各種各樣的自動(dòng)選擇裝置來獲得同樣的結(jié)果。按照這種方式，充電器的充電電流可以在幾個(gè)值當(dāng)中進(jìn)行選擇，例如2.5，5，10和13安培等等。這樣就能用一個(gè)充電器為具有不同的安培-小時(shí)定額的各種各樣的電池充電。通過充電器基座與各種已知構(gòu)造的電池的選擇配合就可以完成這種工作。
在工作中，微處理器U3產(chǎn)生的信號(hào)將電池16交替地連接到恒流電源14和開關(guān)負(fù)載19。為了產(chǎn)生充電脈沖，微處理器U3在PWM模式下按照電流模式控制器U1的控制使Q1通過變壓器18排泄電流。為了形成放電脈沖，微處理器U3使Q3通過負(fù)載電阻R21到地從電池中排泄電流。在充電程序中同樣插入中性電荷的等待周期。在微處理器U3構(gòu)成的電路10中設(shè)有模-數(shù)(A/D)輸入端或是端口，用來在充電順序中監(jiān)視電池的電壓電平。在整個(gè)充電程序中周期性地提取電壓測(cè)量值，在放電脈沖期間提取的測(cè)量值是負(fù)載電壓值，在充電脈沖期間提取的測(cè)量值是“熱”電壓值，而在間歇周期期間提取的測(cè)量值是無負(fù)載電壓值。
在電路10中還可以設(shè)置電壓選擇器開關(guān)，用于從電池充電設(shè)備的范圍內(nèi)人工選擇可供選擇的電壓電平。在本發(fā)明的范圍內(nèi)還可以用自動(dòng)的方式選擇電壓。在圖14所示的實(shí)施例中設(shè)置了一個(gè)具有開關(guān)位置SWA-SWF的多位開關(guān)SW，各個(gè)位置分別連接到電阻R12A-R12F。以下還要詳細(xì)說明圖14的多電阻網(wǎng)絡(luò)的工作方式。還可以將這種電壓選擇開關(guān)連接到微處理器的輸入。電壓選擇開關(guān)能夠指示微處理器改變電壓觸發(fā)電平，從而在不同的充電階段也就是負(fù)載，充電和間歇之間進(jìn)行切換。
應(yīng)該調(diào)整電源的電流而不是電壓?？梢杂秒姵爻潆婋娐?0為各種類型的電池充電。在對(duì)10安培的電池充電時(shí)，電路10可以改變電壓，在整個(gè)充電程序中為電池16提供10安培的電流。由于恒流電源不能用來操作電路10的邏輯和支持部分，采用了一個(gè)用24表示的獨(dú)立的調(diào)壓電源來提供用22表示的工作電壓。恒流電源14和調(diào)壓電源24最好是光電耦合到一起以免產(chǎn)生交叉噪聲，例如可以采用光電耦合器或是光電隔離器32。圖1中所示的光電隔離器32的發(fā)光二極管LED1在電池接地面上工作，而晶體管光敏器件TPD1在控制接地面上工作。
圖6表示本發(fā)明的電池充電器的功能框圖。由普通家用插座上提供的常規(guī)的120VAC電源12為電池充電器10供電。如上所述，120VAC電源12被連接到前端電源13，用來為調(diào)節(jié)電流的電源14和調(diào)壓電源24供電。調(diào)壓電源24為邏輯電路提供工作電壓。微處理器U3通過PWM電流調(diào)節(jié)器17和可切換的負(fù)載源19交替地向充電電池16提供恒流電源14。用Microchip的PIC16C71型微處29或是其等效產(chǎn)品提供順序的信號(hào)，按照與被充電電池的具體類型有關(guān)的充電分布圖來驅(qū)動(dòng)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)27。通過A/D端口連接的微處理器29在充電脈沖之后的間歇周期中讀出電池16的電壓。
在一個(gè)實(shí)施例中，恒流電源14有一個(gè)電源輸入(一般是110VAC)，一個(gè)PWM控制輸入(大約是100KHz的可變占空比)，一個(gè)邏輯驅(qū)動(dòng)的通/斷開關(guān)(用于完全關(guān)斷恒流源)，以及連接到電池的輸出(在額定電流(即10A)和通常超過目標(biāo)電池電壓至少50％的電壓下，輸出應(yīng)該是36V+50％＝54V)。恒壓源24有一個(gè)電源輸入和用來驅(qū)動(dòng)邏輯和支持電路的電壓輸出。PWM電流調(diào)節(jié)器17有一個(gè)電源輸入，一個(gè)邏輯驅(qū)動(dòng)的通/斷開關(guān)(用來短暫地關(guān)斷恒流輸出)，一個(gè)反饋輸入，以及用來控制恒流源的一個(gè)輸出?？汕袚Q的負(fù)載源19具有一個(gè)開關(guān)器件(例如MOSFET)和連接到電池連接點(diǎn)上的一個(gè)大功率電阻。例如，在導(dǎo)通時(shí)，它在12V下可以被用來排泄大約10A的電流(針對(duì)10A的充電器)。這種邏輯中包括電源輸入，反饋輸入以及恒流源的邏輯控制，PWM電流調(diào)節(jié)器，以及可切換的負(fù)載源。最初，邏輯電路等待電池被連接到充電器上，然后為恒流源供電。接著就按照它的充電分布圖工作，這其中包括(通過PWM控制器)切換電源輸出的開、關(guān)以及切換放電電路的開、關(guān)。輸出可以在可達(dá)1/4秒內(nèi)接通，占空比可以高達(dá)95％。使用放電電路的時(shí)間很少，通常只占用小于占空比的2％的幾毫秒時(shí)間。用邏輯電路監(jiān)視電池電壓，在達(dá)到某種狀態(tài)時(shí)，充電器停止和關(guān)斷恒流源。應(yīng)該指出的是，恒流輸出可以具有比較大的波動(dòng)，因?yàn)榭梢杂帽怀潆婋姵氐碾娙葑饔脕怼捌交边@種波動(dòng)。
可以用一個(gè)開關(guān)在6或12伏充電的多種電壓之間進(jìn)行人工選擇。可以將開關(guān)連接到微處理器上，并且在需要改變電壓觸發(fā)電平以便在不同的充電階段之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的要求傳送到微處理器。由于采用了控制電流的電源，各種各樣的電池都可以連接到電池充電器上。充電器能夠提供產(chǎn)生10安培電流的電壓。由于恒流源不能用來操作裝置的邏輯和支持部分，使用了一個(gè)獨(dú)立的調(diào)壓電源。將它們光電耦合到一起以免產(chǎn)生交叉噪聲。
以下要關(guān)注與電池充電器10的工作相關(guān)的固件，主要的工作步驟如下在接通電源時(shí)，電池充電器復(fù)位并且保持工作狀態(tài)，等待將電池連接到電池充電器的連接器26上。如果通過微處理器對(duì)最小剩余電壓的檢測(cè)而檢測(cè)到電池16已經(jīng)被連接到電池充電器上，充電器就按照上、下文中述的充電順序?yàn)殡姵爻潆?。在電?6完成充電之后，軟件等待電池從充電電路10上斷開，用軟件循環(huán)等待連接其它的電池并且為電池充電。如果在充電順序中斷開電池，裝置就復(fù)位并且等待電池的連接。
在等待過程中，電路根據(jù)電壓選擇器的位置來監(jiān)視A/D端口上出現(xiàn)的最小電壓。如果這一最小電壓沒有出現(xiàn)，就重復(fù)上述順序。10k歐姆和1k歐姆的電阻R37和R40分別構(gòu)成了一個(gè)11∶1比例(也就是11伏＝1伏)的分壓電路，為運(yùn)算放大器U2-4提供單位增益。運(yùn)算放大器U2-4的輸出被提供給微處理器U3，然后中斷這一信息以便確定是否檢測(cè)到最小電壓電平，也就是電池是否已被連接到充電器上。微處理器U3的模-數(shù)(A/D)輸入端能夠處理的最高電壓是5伏，增量是1.95毫伏(mv)。這一標(biāo)度相當(dāng)于增量為21mv的55伏。這種精度是足夠的，并且其范圍足以為大多數(shù)種類的電池充電。在間歇，負(fù)載和脈沖期間用A/D端口監(jiān)視電壓。電池拆除檢測(cè)是利用恒流源將會(huì)嘗試向一個(gè)無限大的阻抗提供特定的電流，即此時(shí)的電壓就會(huì)達(dá)到電源限制(55伏)的事實(shí)完成的。當(dāng)微處理器檢測(cè)到過高的電壓時(shí)，就確認(rèn)電池已經(jīng)被斷開了。
以下參見圖9，在開始充電程序之前必須通過用戶接口將一些參數(shù)值燒入存儲(chǔ)器。其中之一就是目標(biāo)電壓。例如，如果充電器被用來為10伏的電池充電，目標(biāo)電壓就是10伏。另一個(gè)參數(shù)是被充電的電池類型，諸如鉛-酸電池，鎳-鎘電池，或是鎳-金屬-混合電池。另一種方式是用充電器內(nèi)部附帶的檢測(cè)和/或分析固件自動(dòng)地檢測(cè)所連接的電池類型，并且在多個(gè)存儲(chǔ)的專用程序當(dāng)中自動(dòng)地執(zhí)行所需的固件。其他參數(shù)值還包括最大運(yùn)行時(shí)間(分)，微電流運(yùn)行時(shí)間(分)，以及微電流延遲(ms)。在這些數(shù)值被提供給充電器之后，充電程序就可以開始了。
最初由電路核查連接到充電器上的是不是有效的電池。例如，如果目標(biāo)電壓被設(shè)定在6伏，此時(shí)的充電程序所采用的最小電壓電平就是3伏。如果連接到充電器上的電池沒有達(dá)到至少3伏的電壓，充電器就不會(huì)開始充電。即使是在電池被放電之后，如果它沒有損壞，它仍然應(yīng)該至少有一定的最小電壓。如果電池存在諸如電池開路一類的某種損傷或是故障，充電器就會(huì)識(shí)別出故障并且為電池故障狀態(tài)提供某種形式的顯示。如果在充電器上沒有連接電池，充電器就不能檢測(cè)到電壓，也就不會(huì)開始充電程序。
本發(fā)明的電池充電器可以用于多種類型的電池，例如鉛，鎳，鎘，鋅和鋰基的電池。這種可充電電池可以用于各種各樣的產(chǎn)品和廣泛的用途，諸如電動(dòng)設(shè)備(例如汽車，卡車，自行車，高爾夫球車，玩具等等)，蜂窩電話，計(jì)算機(jī)，通信設(shè)備，錄音機(jī)，軍用裝備(諸如飛機(jī)，坦克，潛水艇，艦船等等)，重工業(yè)設(shè)備(例如叉車)等等，也就是各種需要電源的電子產(chǎn)品。本發(fā)明的電池根據(jù)具體的用途可以組合成0-500伏和0-1000安培的范圍很大的值。還可以為電池充電器加上某些其他的特征，用來提高整體性能和用戶/操作接口的性能。這些特征之一就是LCD顯示器及其附帶的固件，可以用來選擇電池類型，并且指示出被充電電池的類型，電池所具有的充電電平，充電的持續(xù)時(shí)間，剩下/過去的充電時(shí)間，電池溫度等等。
從設(shè)計(jì)充電器的角度來看，一個(gè)目標(biāo)是能夠在最短時(shí)間內(nèi)采用充電和放電脈沖以及基本上處在中性電位的間歇或是等待周期的組合為電池充電，而不會(huì)損壞電池。放電脈沖在被充電電池給定的限制的允許范圍內(nèi)應(yīng)該盡量強(qiáng)，以便減少需要的時(shí)間。這種因素是由電池的最大沖擊電流額定值確定的。放電脈沖應(yīng)該盡量地短，因?yàn)樗且环N反充電的作用，但是，放電脈沖越長(zhǎng)，電池中的阻抗就降得越低，也就允許采用更長(zhǎng)的充電脈沖。充電脈沖應(yīng)該盡量地長(zhǎng)，因?yàn)樗且粋€(gè)正充電作用。充電脈沖在不損壞電池的情況下應(yīng)該盡量強(qiáng)，以便減少使電池達(dá)到滿充電所需要的時(shí)間。這是由電池的最大理論充電速率C確定的。充電脈沖應(yīng)該能用最小的電壓提供允許的最大電流，因?yàn)槌^電池勢(shì)壘的電壓是有害的。間歇周期應(yīng)該盡量地短，因?yàn)樗鼘?shí)際上不起作用，主要是用來穩(wěn)定電池的。在給定放電脈沖的情況下，為了確定充電脈沖限制，可以施加脈沖直到電壓達(dá)到預(yù)定的限制，超過此限制就會(huì)造成損壞。然后還要改變放電脈沖和最大充電脈沖持續(xù)時(shí)間。放電脈沖越長(zhǎng)，允許的充電脈沖就越長(zhǎng)，然而，兩者之間不是線性的函數(shù)。一些的公式有助于確定給定的放電/充電順序AT＝((Ac×TSc)-(AD×TSD))/TST其中的AT代表提供給電池的總充電電流(安培)；AC代表充電脈沖的電流強(qiáng)度(安培)；TSc代表充電脈沖的持續(xù)時(shí)間；AD代表放電脈沖電流強(qiáng)度(安培)；TSD代表放電脈沖的持續(xù)時(shí)間；而TST代表總充電順序的持續(xù)時(shí)間。
例如有一個(gè)10A的鉛酸電池充電器，放電裝置排泄的定額是40A，而充電分布圖是2ms的放電脈沖，100ms的充電脈沖和1ms的間歇周期，因此((10A×100)-(40A×2))/(100+2+1)＝8.932A假設(shè)充電脈沖可以延長(zhǎng)到126ms，提供的電流強(qiáng)度就可以增大到((10A×126)-(40A×2))/(126+2+1)＝9.147A假設(shè)將放電脈沖縮短到1ms，可以獲得68ms的充電脈沖，其結(jié)果是((10A×68)-(40A×1))/(68+1+1)＝9.142A因此，在這一假定的例子中，縮短放電脈沖會(huì)有輕微的損害。假設(shè)將放電脈沖延長(zhǎng)到3ms，就可以獲得148ms的充電脈沖，結(jié)果的電流量就是((10A×148)-(40A×3))/(148+3+1)＝8.947A比2ms的最佳狀態(tài)差一些。綜合上述結(jié)果，可以看出峰值出現(xiàn)在1ms和3ms的放電脈沖之間。峰值可以等于，大于或是小于2ms。在獲得了初始的最佳放電時(shí)間之后選擇間歇周期。
在圖3A和12中表示了用于鉛基電池的標(biāo)準(zhǔn)充電分布圖，它包括以下的三個(gè)步驟給電池施加2毫秒的負(fù)載，對(duì)電池充電100毫秒，然后等待1ms的間歇周期。如圖3B所示，可以在充電程序接近結(jié)束時(shí)執(zhí)行一種微電流充電順序，以便更充分地完成充電。在微電流充電期間采用標(biāo)準(zhǔn)的充電分布圖，只是用一個(gè)251毫秒的間歇周期代替1毫秒的間歇周期。分配給這一階段的時(shí)間例如可以是1小時(shí)。
圖2A和2B表示了電池充電順序的流程圖，在圖中包括了圖3A和12的專用于鉛基電池的充電分布圖。圖2A，2B和12的流程圖以及圖3A和3B的時(shí)序圖表示了用來操作圖1的鉛基電池充電電路的相應(yīng)的軟件。
對(duì)于鉛基電池來說，本發(fā)明的電池充電器執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的充電分布圖2ms負(fù)載時(shí)間，100ms充電時(shí)間，以及1ms等待周期。電池充電器可以使用可變的間歇時(shí)間，其大小取決于電池的充電狀態(tài)。等待周期在充電接近完成時(shí)可以逐漸延長(zhǎng)，有助于在充電過程中進(jìn)一步穩(wěn)定。關(guān)鍵的關(guān)系是2ms負(fù)載時(shí)間和100ms充電時(shí)間以及充電和放電脈沖各自的幅值。這種關(guān)系決定了對(duì)電池阻抗的作用，以便更加有效地為鉛基電池充電。在電池充電過程中，電池用兩種方式儲(chǔ)存電荷。其中一種是通過設(shè)計(jì)的方式，讓兩側(cè)的極板分別保持正離子或是負(fù)離子。還有第二種方式就是在兩個(gè)金屬板彼此靠近時(shí)形成的自然作用，這種作用會(huì)形成微小的電容。電容雖然很小，但是，在對(duì)電池充電時(shí)，就會(huì)加載該電容，這樣當(dāng)然會(huì)增大電池的阻抗。這種問題在使用線性充電裝置時(shí)并不重要。但是，在使用脈沖充電一類的非線性充電系統(tǒng)為電池充電時(shí)，它就變成了一個(gè)顯要的因素。用放電脈沖可以消除自然電容，從而進(jìn)一步降低電池的阻抗，并且能夠降低充電電壓。充電脈沖前面的放電脈沖越近越好，因?yàn)榉烹娒}沖和充電脈沖之間的任何等待周期都會(huì)使電池自然充電。這種間歇的充電會(huì)升高電壓，電容和電池的阻抗，并且需要使用更高的充電電壓來產(chǎn)生固定量的電流。如果象普通的充電設(shè)備那樣在充電脈沖之后而不是之前施加放電脈沖，就會(huì)大大降低放電脈沖的作用，并且使效率下降。將放電脈沖放在充電脈沖后面是為了減少對(duì)電池的損傷，將放電脈沖放在充電脈沖前面同樣也可以防止對(duì)電池的損傷。如果將放電脈沖放的充電脈沖前面并且在施加放電脈沖之后測(cè)量電池的電壓，就可以更精確地讀出電池的真實(shí)充電狀態(tài)。
如圖2A和2B的流程圖所示，充電器首先用前述的方式來識(shí)別電池是否已經(jīng)被連接到充電器上。充電器隨后執(zhí)行自測(cè)試程序，確定脈沖電源工作正常并且提供一個(gè)適當(dāng)?shù)某潆婋娫?。充電器監(jiān)視電池的連接狀態(tài)，確認(rèn)電池已經(jīng)被連接到充電器上至少2.5秒。充電器隨后監(jiān)視了電壓選擇開關(guān)(如果有的話)，設(shè)定適當(dāng)?shù)某潆婋妷合拗?。這種充電器也可以專用于預(yù)定電壓的特定型號(hào)電池。在圖2A所示的例子中，最大運(yùn)行時(shí)間被設(shè)定在1小時(shí)45分鐘。從圖2B的頂上開始進(jìn)入充電程序，充電器接著執(zhí)行上述的充電-放電循環(huán)，在圖12中還要進(jìn)一步說明。為了保護(hù)被充電的電池不會(huì)受到損傷而采用了某些安全程序。如果電路檢測(cè)到電池的電壓電平上升的過快，就會(huì)產(chǎn)生電池故障指示并且停止充電程序。如果電路檢測(cè)到已經(jīng)達(dá)到了最大運(yùn)行時(shí)間，就會(huì)產(chǎn)生電池故障指示并且結(jié)束充電程序。如下文所述，充電程序中可能不僅包含標(biāo)準(zhǔn)的充電分布圖，根據(jù)具體的用途還可以通過在中間插入其他階段而獲得更方便的充電程序。在對(duì)電池充電之后，充電器等待電池?cái)嚅_，充電器在斷開之后循環(huán)等待下一個(gè)電池。如果在充電程序期間斷開電池，裝置就復(fù)位。等待電池連接是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的程序，充電器核查電壓選擇器(如果有的話)的設(shè)定位置，讀出A/D端口，檢查是否符合所需的最小電壓，如果不是，就重復(fù)上述順序。作為防止火花的一種附加的安全機(jī)制，只有在大約2.5秒的時(shí)間內(nèi)連續(xù)五次測(cè)量到要求的最小電壓時(shí)，充電器才實(shí)際開始充電程序。這樣就可以確保正確的連接。
在另一個(gè)實(shí)施例中，電池可以分四個(gè)階段充電。第一階段執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的充電分布圖，施加5ms負(fù)載，并且間歇10ms。一直進(jìn)行到達(dá)到一定的初始電壓時(shí)為止，然后通過固件進(jìn)入第二階段。在第二階段中施加2ms的負(fù)載，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的充電分布圖5次，中間僅有1ms的間歇，等待8ms，施加10ms的負(fù)載，再等待10ms。在達(dá)到下一個(gè)電壓電平時(shí)，充電器就過渡到下一階段。在第三個(gè)預(yù)定結(jié)束充電階段中執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的充電，然后間歇100ms。反復(fù)執(zhí)行2分鐘，不考慮電壓電平。綠色LED開始持續(xù)發(fā)光，向使用者指示裝置已完成充電。然后通過固件進(jìn)入微電流充電模式，這種模式與結(jié)束充電階段幾乎完全相同，只是將間歇時(shí)間改成500ms，結(jié)束階段的持續(xù)時(shí)間是1小時(shí)。
對(duì)于包括鎳-鎘(Ni-Cad)電池和鎳-金屬-混合(NiHM)電池的鎳基電池來說，按照一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明的電池充電器采用了以下的標(biāo)準(zhǔn)充電分布圖6ms負(fù)載時(shí)間，200ms充電時(shí)間，然后是50ms間歇時(shí)間，如圖5，13A和13B所示。200ms的充電時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵值。明顯地超過200ms會(huì)造成過分延長(zhǎng)的“沖擊”，導(dǎo)致電池不能接受充電。明顯地小于200ms會(huì)造成電池產(chǎn)生很高的電位(電壓)，但是沒有電流。這就好比是500英尺高的水塔僅僅裝了幾加侖的水。6ms的負(fù)載時(shí)間也是重要的，選擇6ms是為了使電池阻抗降低到與200ms充電脈沖達(dá)到最佳匹配的最低限度值。放電脈沖的作用是降低電池的阻抗和電壓電平，讓電池能夠接收恒流源所提供的額外的電流，通過電池短時(shí)間的放電就可以延長(zhǎng)充電脈沖。電池放電量越大，充電脈沖的持續(xù)時(shí)間就可以越長(zhǎng)。在設(shè)計(jì)放電和充電脈沖的最佳持續(xù)時(shí)間時(shí)，有一個(gè)遞減的折返點(diǎn)，在該點(diǎn)之后，增大電池放電量不但不能延長(zhǎng)充電脈沖，實(shí)際上還會(huì)由于電池過度排泄而延長(zhǎng)整個(gè)充電時(shí)間。當(dāng)然，這些數(shù)值是隨著具體的電池類型而變化的。在每個(gè)充電/放電脈沖開始時(shí)施加負(fù)載，剛好在脈沖斷開之前讀出電池電壓。這樣就能獲得更準(zhǔn)確的電池電壓。
Ni-Cad電池面臨的一個(gè)問題是充電電流過大，這樣可能造成Ni-Cad電池在施加負(fù)載之后突然被“斷開”。充電器獲得的電壓會(huì)突然變得很低，就好象電池被斷開時(shí)一樣。如果在電池恢復(fù)以前將負(fù)載加在電池上，出現(xiàn)在負(fù)載上的電壓僅僅是電池電壓的一小部分。電池被鎖定在這一狀態(tài)直至去掉負(fù)載。在一個(gè)1-5秒的等待周期之后，電池電壓恢復(fù)正常。這樣會(huì)使充電過程復(fù)雜化。
由于這一問題，在固件中提供了一個(gè)異常程序，用來至少是暫停充電程序，并且使電池恢復(fù)到正常狀態(tài)。如下文中所述，如果電池電壓在充電脈沖期間的某一點(diǎn)超過了一個(gè)預(yù)定的最大值，就結(jié)束充電脈沖并且延長(zhǎng)等待周期，以免再出現(xiàn)這種情況。從圖13B的流程圖中可見，當(dāng)電池看起來是被斷開時(shí)，充電器中止充電，并且等待3秒鐘。如果電池看起來仍象斷開一樣，那么充電器結(jié)束充電，并且過渡到圖9的主充電器控制程序中的“ON BATTERY DISCONNECT”位置。如果電池提供的僅僅是暫時(shí)的虛假讀數(shù)，并且在三秒的等待周期后恢復(fù)到正常狀態(tài)，充電器就恢復(fù)鎳基電池的充電程序。
充電分布圖設(shè)計(jì)中的首要問題就是在這種情況發(fā)生之前加以避免。如圖5，13A和13B所示，這是在提供脈沖的同時(shí)讀出電池電壓而完成的。如果脈沖期間的電壓超過了最大充電門限值，也就是目標(biāo)電壓的1.667倍，就結(jié)束充電脈沖并且延長(zhǎng)間歇周期。間歇周期的長(zhǎng)度取決于跨過門限值的時(shí)間。如果在一個(gè)核查點(diǎn)上跨過了門限值，在以下的表中表示了脈沖核查點(diǎn)和延長(zhǎng)的等待周期的持續(xù)時(shí)間。脈沖核查點(diǎn)在跨越門限值時(shí)的間歇時(shí)間(除正常的50ms之外)10ms 500ms50ms 350ms100ms250ms150ms200ms200ms150ms在間歇時(shí)間之后，如果電池仍然在門限值以上，或者是電池超過了它的“擊穿”限度，就可能發(fā)生虛假的“斷開”或是真實(shí)的斷開。按照上文中所述的缺省程序，充電器等待3秒讓電池恢復(fù)正常。讀出電壓，如果仍然處在范圍之外，充電器就認(rèn)為使用者已經(jīng)將電池?cái)嚅_，如果不是在范圍之外就恢復(fù)充電。在某些電池中包括的用來限制電壓或是電流的保護(hù)電路有可能進(jìn)一步加重這種問題。用這種方法充電有可能在用來保護(hù)電池防止在過高的溫度下充電的某些電路中感應(yīng)出電壓。
進(jìn)一步的復(fù)雜問題還有，Ni-Cad電池往往難以在充電過程中獲得準(zhǔn)確的電壓讀數(shù)。因此就需要在圖13A的充電流程圖開始時(shí)為充電設(shè)定一個(gè)最終的時(shí)間限制。在充電之前對(duì)電池施加200ms的放電脈沖，讀出電池的電壓，根據(jù)測(cè)得的電壓與目標(biāo)充電電壓之間的差距計(jì)算出一個(gè)最大充電運(yùn)行時(shí)間。電池通常會(huì)在達(dá)到這一最大運(yùn)行時(shí)間之前達(dá)到其目標(biāo)電壓，在這種情況下可以縮短時(shí)間。最大運(yùn)行時(shí)間可以防止迫使衰弱的電池達(dá)到其無法保持的目標(biāo)電壓。作為一種額外的保護(hù)措施，在圖13A中采用了一種負(fù)增量的電壓順序，用來在后序的電壓測(cè)量值超過了前面的電壓測(cè)量值，也就是負(fù)載電壓發(fā)生下降的情況下結(jié)束充電操作。
從硬件的角度來看，充電器是通過恒流電源14和負(fù)載源19完成這種任務(wù)的，通過具有A/D端口的微處理器U3對(duì)其進(jìn)行數(shù)字式的切換，在充電期間讀出電池的電壓。例如，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的充電器電路稍做修改就可以獲得能夠提供2.5，5和10安培電流的三種不同的型號(hào)?？梢栽诿恳环N型號(hào)的前面設(shè)置一個(gè)開關(guān)，讓使用者能夠在多種不同的目標(biāo)電壓之間進(jìn)行選擇，從而使同一種型號(hào)能夠?yàn)閮煞N以上不同類型的電池充電。開關(guān)可以連接到微處理器，完全由固件來確定開關(guān)的功能。在選擇一個(gè)裝置為電池充電時(shí)，該裝置應(yīng)該能夠提供足夠的電流，在合理的時(shí)間內(nèi)為電池充電，但是不能由于過度充電造成“斷開”。C的二到三倍被認(rèn)為是最佳的平衡，其中的C是電池的額定容量，盡管該比例最高可以達(dá)到五倍。例如，可以用2.5安培(稍大于2C)的裝置為一個(gè)1200mAH的電池充電。按照2C的速率，從理論上來說可以在半小時(shí)內(nèi)將一個(gè)完全沒有電的電池充滿。由于電源是控制電流而不是控制電壓的，可以連接任意數(shù)量和型號(hào)的電池，充電器的電壓能夠使其向電池提供2.5安培的電流，由于恒流源14不能被用來為裝置的邏輯和支持部分供電，采用了獨(dú)立的電壓控制電源24。將它們光電耦合到一起避免切換噪聲。
圖4A和4B表示一種操作流程圖，而圖5是與其相對(duì)應(yīng)的一個(gè)充電循環(huán)時(shí)序圖。在電源接通后，就象上文中有關(guān)電池充電器的情況一樣，首先要識(shí)別電池是否已經(jīng)被連接到充電器。充電器執(zhí)行自測(cè)試，確認(rèn)脈沖電源能夠正常地工作，并且可以作為充電的電源。充電器監(jiān)視電池的連接，識(shí)別出至少已有2.5秒連接到充電器上的電池。充電器隨后監(jiān)視電壓選擇開關(guān)(如果有的話)，以設(shè)定適當(dāng)?shù)某潆婋妷合拗?。同樣，充電器可以專用于具有預(yù)定電壓的特定型號(hào)電池。如果是鎳基的電池，就按照電池與其目標(biāo)電壓的差距來確定最長(zhǎng)工作時(shí)間。施加200ms的負(fù)載，并且在結(jié)束之前測(cè)量電壓，以便在充電之前確定電池的電壓。從圖4B的頂部開始進(jìn)入充電程序，充電器接著執(zhí)行上、下文中所述的充電-放電循環(huán)，在圖13A和13B中還要進(jìn)一步說明。
為了保護(hù)被充電的電池不會(huì)受到損傷而提供了某些安全程序。如果電路檢測(cè)到電池的電壓電平上升過快，就會(huì)發(fā)出電池故障指示，停止充電程序。如果電路檢測(cè)到已經(jīng)超過了最長(zhǎng)工作時(shí)間，就發(fā)出電池故障指示并且停止充電程序。有時(shí)需要采用適當(dāng)?shù)奈㈦娏鞒潆妬怼巴瓿伞彪姵氐某潆?。這類似于標(biāo)準(zhǔn)的充電，但是在脈沖之間具有一秒的間歇周期，運(yùn)行時(shí)間大約是5分鐘。在電池被充電之后，充電器等待電池被斷開，在斷開之后，充電器就返回等待下一個(gè)電池。如果在充電順序期間斷開電池，裝置就復(fù)位。等待連接電池的程序非常簡(jiǎn)單，充電器核查電壓選擇器(如果有的話)的位置，就讀出A/D端口，檢查是否滿足所需的最小電壓，如果不是，就重復(fù)充電順序。作為防止產(chǎn)生火花的一種額外的安全機(jī)制，只有在大約2.5秒間隔的時(shí)間內(nèi)連續(xù)五次測(cè)量到所需的最小電壓時(shí)，充電器才開始實(shí)際的充電程序。這樣能讓使用者確認(rèn)正確的連接。
在充電之前，為了保持電荷，必須對(duì)沒有生成的電池執(zhí)行生成或是以電化學(xué)方式初始化。圖7A和7B以及圖8分別表示本發(fā)明的電池充電器的一種最佳的充電循環(huán)定時(shí)圖表和一個(gè)流程圖，用來表示生成充電分布圖。本發(fā)明的電池充電器的生成方式是按照一種最有效的方式交替地施加充電脈沖，放電脈沖以及等待/間歇周期?，F(xiàn)有技術(shù)的電池生成僅僅提供穩(wěn)定電壓的電荷，并且使電池中的電解液緩慢地電離，這樣就不能吸收所有獲得的能量，導(dǎo)致可能會(huì)造成損害的發(fā)熱現(xiàn)象。其部分原因是由于現(xiàn)有技術(shù)的充電器采用了稍稍高于被充電電池的正常容量的固定的電壓電平，并且還由于電池的靜態(tài)電阻，僅僅能提供一定量的電流。這種電流量在充電過程中幾乎總是過大的。另外，在充電過程中的各個(gè)點(diǎn)上，電池的電阻是變化的，使生成過程進(jìn)一步復(fù)雜化。
脈沖生成充電器用電荷“沖擊”電池，但是在電池兩端測(cè)得的極板間的電壓并不是很高。如果剛好在電池接收充電脈沖之前用負(fù)載使電池放電，極板間的電壓就會(huì)升高，對(duì)電池形成更強(qiáng)烈的“沖擊”。本發(fā)明的生成電池充電器采用了控制電流的電源系統(tǒng)。因此，靜態(tài)電池電阻不起作用，而是電池阻抗在起作用，它會(huì)受到脈沖充電器的頻率和占空比的影響。降低電池阻抗的意義在于降低充電電壓，以便采用固定量的電流。
本發(fā)明的電池生成充電器主要采用圖7B中所示的生成分布圖；2ms的負(fù)載時(shí)間，接著是100ms充電時(shí)間，然后是200ms間歇時(shí)間。然而，在剛剛開始生成程序時(shí)，電池中沒有保持電荷，因而不需要放電。因而采用圖7A的初始生成分布圖，直到電池達(dá)到一個(gè)最小門限電壓電平。在檢測(cè)到已經(jīng)達(dá)到此最小電壓電平時(shí)，生成程序就過渡到圖7B中后續(xù)的生成分布圖。關(guān)鍵因素是2ms負(fù)載時(shí)間和100ms充電時(shí)間。這樣能夠根據(jù)需要降低電池的阻抗，更加有效地生成電池。
從硬件的角度來看，生成充電器是由數(shù)字開關(guān)控制的電流源14，數(shù)字切換的負(fù)載源19，以及用于切換的微處理器U3(Microchip PIC16C71)來完成這種任務(wù)的。一種實(shí)施方案是用一個(gè)開關(guān)在RUN或是PAUSE生成位置之間進(jìn)行選擇。開關(guān)可以連接到微處理器的輸入端，不會(huì)直接影響到硬件的工作。由于在恒流源14中是控制電流而不是控制電壓，任何數(shù)量或是型號(hào)的電池都可以接入，充電器能夠用適當(dāng)?shù)碾妷合螂姵靥峁┕潭ǖ碾娏?。從軟件的角度來看，其工作方式非常?jiǎn)單。在接通電源時(shí)，復(fù)位，核查運(yùn)行/暫停開關(guān)位置。如果能接通，就生成電池。
盡管本發(fā)明是用最佳實(shí)施例的方式來描述的，在這種公開的精神和范圍之內(nèi)還可以對(duì)本發(fā)明作出進(jìn)一步的修改。本申請(qǐng)的目的是要覆蓋采用了本發(fā)明一般原理的任何變更，使用或是修改。另外，本發(fā)明還要覆蓋本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中屬于已知或是慣用手段而形成與本公開件有所偏離的此類內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.用一個(gè)輸入端連接到電源的電池充電器為電池快速充電的一種方法，用電池充電器向電池提供交變的充電和放電脈沖，該充電方法包括以下步驟a)緊接在充電脈沖之前使電池部分放電，以便在為電池提供充電脈沖之前降低電池的阻抗和電壓；b)緊接在使電池部分放電之后向電池提供充電脈沖，在充電脈沖期間提供給電池的電荷量大于在放電脈沖期間從電池中排泄的電荷量；c)在步驟b)的充電脈沖之后和向電池施加后續(xù)的放電脈沖之前等待一個(gè)間歇周期，讓電池至少能部分地穩(wěn)定；以及d)重復(fù)上述步驟。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是間歇周期的持續(xù)時(shí)間在主要的充電過程中比步驟b)的充電脈沖要短。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是電池充電器提供恒定的電流。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其特征是電池充電器是一個(gè)線性或是開關(guān)式恒流源。
5.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是進(jìn)一步包括以下步驟檢測(cè)電池的電荷，在檢測(cè)到第一預(yù)定門限值時(shí)開始充電程序，并且在檢測(cè)到第二預(yù)定門限值時(shí)結(jié)束充電程序。
6.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是進(jìn)一步包括以下步驟測(cè)量電池的電壓，在檢測(cè)到第一預(yù)定最小電壓值時(shí)開始充電程序，并且在檢測(cè)到第二預(yù)定最大電壓值時(shí)結(jié)束充電程序。
7.按照權(quán)利要求6的方法，其特征是測(cè)量電池電壓的步驟發(fā)生在放電脈沖期間。
8.按照權(quán)利要求7的方法，其特征是測(cè)量電池電壓的步驟發(fā)生在放電脈沖結(jié)束和充電脈沖開始之前的時(shí)刻。
9.按照權(quán)利要求6的方法，其特征是進(jìn)一步包括在充電程序接近結(jié)束時(shí)當(dāng)檢測(cè)到介于第一和第二電壓值之間的一個(gè)預(yù)定的微電流門限電壓值時(shí)用微電流為電池充電的步驟，這一微電流充電步驟包括步驟a)到d)，在其中將步驟c)的間歇周期持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)到等于或是大于步驟b)的充電脈沖的持續(xù)時(shí)間。
10.按照權(quán)利要求9的電池充電方法，其特征是在一個(gè)預(yù)定的固定時(shí)間周期內(nèi)執(zhí)行微電流充電步驟。
11.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是進(jìn)一步包括監(jiān)視電池電壓的步驟，并且防止電池電壓超過電池的勢(shì)壘，從而在充電過程中防止發(fā)熱和電池的損壞。
12.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是在充電脈沖期間提供給電池的電荷與放電脈沖期間從電池排泄的電荷的比例大約是在10比1到200比1之間。
13.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是上述電池是一種鉛基的二次電池型可充電電池。
14.按照權(quán)利要求13的方法，其特征是放電脈沖的持續(xù)時(shí)間不超過10毫秒。
15.按照權(quán)利要求13的方法，其特征是充電脈沖的持續(xù)時(shí)間大約是100毫秒。
16.按照權(quán)利要求13的方法，其特征是間歇周期的持續(xù)時(shí)間在充電程序的主要部分中大約占1毫秒。
17.按照權(quán)利要求13的方法，其特征是上述充電脈沖的持續(xù)時(shí)間與上述放電脈沖的持續(xù)時(shí)間的比例處在10比1到100比1的范圍之內(nèi)。
18.按照權(quán)利要求13的方法，其特征是上述充電脈沖的持續(xù)時(shí)間與上述間歇周期的持續(xù)時(shí)間的比例處在10比1到200比1的范圍之內(nèi)。
19.按照權(quán)利要求13的方法，其特征是電池具有有限的電荷儲(chǔ)存容量，電池充電器的充電定額大約等于被充電電池的電荷儲(chǔ)存容量。
20.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是上述電池是一個(gè)鎳基的二次電池。
21.按照權(quán)利要求20的方法，其特征是上述電池是由鎳鎘和鎳氫構(gòu)成的一個(gè)組。
22.按照權(quán)利要求20的方法，其特征是放電脈沖的持續(xù)時(shí)間不超過10毫秒。
23.按照權(quán)利要求20的方法，其特征是充電脈沖的持續(xù)時(shí)間大約是200毫秒。
24.按照權(quán)利要求20的方法，其特征是間歇周期的持續(xù)時(shí)間在充電程序的主要部分中大約占50毫秒。
25.按照權(quán)利要求20的方法，其特征是上述充電脈沖的持續(xù)時(shí)間與上述放電脈沖的持續(xù)時(shí)間的比例處在10比1到100比1的范圍內(nèi)。
26.按照權(quán)利要求20的方法，其特征是上述充電脈沖的持續(xù)時(shí)間與上述間歇周期的持續(xù)時(shí)間的比例在主要的充電程序中處在3比1到45比1的范圍內(nèi)。
27.按照權(quán)利要求20的方法，其特征是進(jìn)一步包括在整個(gè)充電程序中周期性地測(cè)量電池電壓的步驟，如果電壓測(cè)量值超過了預(yù)定的電壓門限值，就臨時(shí)暫停充電脈沖并且延長(zhǎng)間歇周期，在間歇周期結(jié)束時(shí)施加放電脈沖，并且在放電脈沖期間進(jìn)行后續(xù)的電壓測(cè)量，并且在后續(xù)的電壓測(cè)量值超過了預(yù)定電壓門限時(shí)結(jié)束充電操作，或者是在后續(xù)的電壓測(cè)量值小于預(yù)定電壓門限時(shí)繼續(xù)執(zhí)行充電程序。
28.按照權(quán)利要求20的方法，其特征是電池具有有限的電荷儲(chǔ)存容量，而電池充電器的充電定額可達(dá)到被充電電池的電荷儲(chǔ)存容量的五倍。
29.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是充電脈沖，放電脈沖，以及間歇周期的持續(xù)時(shí)間加在一起小于一秒。
30.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是用電池充電器提供一個(gè)恒流源，它包括多個(gè)可選擇的恒流充電電平。
31.按照權(quán)利要求30的方法，其特征是進(jìn)一步包括從多個(gè)恒流充電電平中選擇所需的恒流充電電平的步驟。
32.按照權(quán)利要求31的方法，其特征是上述選擇所需恒流充電電平的步驟是由一個(gè)微處理器完成的。
33.按照權(quán)利要求31的方法，其特征是上述選擇所需恒流充電電平的步驟是通過在多個(gè)電阻中進(jìn)行選擇而完成的。
34.按照權(quán)利要求31的方法，其特征是上述選擇所需恒流充電電平的步驟是通過操作一個(gè)具有多種設(shè)定狀態(tài)的開關(guān)而完成的。
35.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是進(jìn)一步包括測(cè)量電池電壓并且將首次測(cè)量的電池電壓電平與第二次測(cè)量的電池電壓電平相比較的步驟，如果檢測(cè)到首次測(cè)量的電壓電平高于二次測(cè)量的電壓電平，就結(jié)束充電程序。
36.按照權(quán)利要求35的方法，其特征是進(jìn)一步包括在檢測(cè)到首次測(cè)量的電壓電平高于二次測(cè)量的電壓電平時(shí)提供電池故障狀態(tài)指示的步驟。
37.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是進(jìn)一步包括測(cè)量電池電壓并且將首次測(cè)量的電池電壓電平與第二次測(cè)量的電池電壓電平相比較的步驟，如果檢測(cè)到首次和二次測(cè)量值之間的差超過了一個(gè)預(yù)定的最大值，就結(jié)束充電程序。
38.按照權(quán)利要求37的方法，其特征是進(jìn)一步包括在檢測(cè)到首次和二次測(cè)量的電壓電平之間的差超過了預(yù)定的最大值時(shí)提供電池故障狀態(tài)指示的步驟。
39.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是進(jìn)一步包括在開始步驟a)到d)之前測(cè)量電池電壓的步驟，根據(jù)測(cè)得的電壓為充電程序的持續(xù)時(shí)間提供一個(gè)預(yù)定的時(shí)間限制，并且在達(dá)到該時(shí)間限制時(shí)結(jié)束充電程序。
40.按照權(quán)利要求39的方法，其特征是進(jìn)一步包括在達(dá)到時(shí)間限制時(shí)提供電池故障狀態(tài)指示的步驟。
41.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是進(jìn)一步包括在開始步驟a)到d)之前施加充電前放電脈沖的步驟，在充電前放電脈沖期間測(cè)量電池的充電前電壓，并且根據(jù)測(cè)得的電池充電前電壓來確定充電程序的時(shí)間限制。
42.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是進(jìn)一步包括測(cè)量電池電壓的步驟，并且按照一或多個(gè)預(yù)定的門限電壓值來改變一或多個(gè)放電脈沖，充電脈沖以及間歇周期。
43.按照權(quán)利要求42的方法，其特征是間歇周期的持續(xù)時(shí)間在充電程序期間是隨著測(cè)得的電壓增高而增大的。
44.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是電池充電器是一個(gè)包括存儲(chǔ)器的微處理器式充電器，用存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)交變的充電脈沖，放電脈沖和間歇周期的預(yù)定順序。
45.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是充電脈沖的持續(xù)時(shí)間比放電脈沖長(zhǎng)得多。
46.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是用一個(gè)專用集成電路來驅(qū)動(dòng)電池充電器，用集成電路提供交變的恒定充電脈沖，放電脈沖和間歇周期的預(yù)定順序。
47.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是進(jìn)一步包括在步驟a)到d)之前提供一個(gè)與步驟a)到d)基本上相同的充電初始化階段的步驟，其區(qū)別僅僅是充電初始化階段的間歇周期比步驟d)的間歇周期要長(zhǎng)。
48.按照權(quán)利要求47的方法，其特征是充電初始化階段持續(xù)一個(gè)固定的預(yù)定時(shí)間周期。
49.為電池快速充電的一種裝置包括適合以電氣方式連接到一個(gè)電池上的輸出；一個(gè)充電脈沖發(fā)生器，用來在上述輸出上提供為電池充電的充電脈沖；一個(gè)放電裝置，用來在上述輸出上提供使電池排泄電流的放電脈沖，從而降低電池的阻抗；一個(gè)控制裝置交替地將上述放電裝置和上述充電脈沖發(fā)生器連接到上述輸出，從而分別向電池交替地提供上述放電脈沖，充電脈沖，以及中性電位的間歇周期，按照預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)充電順序?qū)﹄姵厥┘由鲜龇烹娒}沖，充電脈沖和間歇周期，特別是在緊接著上述充電脈沖之前施加上述放電脈沖。
50.權(quán)利要求49的電池充電裝置，其特征是上述充電脈沖發(fā)生器包括一個(gè)恒流源。
51.權(quán)利要求50的電池脈沖裝置，其特征是上述恒流源是一種線性或是開關(guān)式的恒流源。
52.權(quán)利要求49的電池充電裝置，其特征是上述電池是一種鉛基的二次電池型可充電電池。
53.權(quán)利要求52的電池充電裝置，其特征是上述放電脈沖的持續(xù)時(shí)間大約不超過10毫秒。
54.權(quán)利要求52的電池充電裝置，其特征是充電脈沖的持續(xù)時(shí)間大約是100毫秒。
55.權(quán)利要求52的電池充電裝置，其特征是間歇周期的持續(xù)時(shí)間在充電程序的主要部分中大約占1毫秒。
56.權(quán)利要求52的電池充電裝置，其特征是上述充電脈沖的持續(xù)時(shí)間與上述放電脈沖的持續(xù)時(shí)間的比例處在10比1到100比1的范圍之內(nèi)。
57.權(quán)利要求52的電池充電裝置，其特征是上述充電周期的持續(xù)時(shí)間與上述間歇周期的持續(xù)時(shí)間的比例處在10比1到200比1的范圍之內(nèi)。
58.權(quán)利要求52的電池充電裝置，其特征是電池具有有限的電荷儲(chǔ)存容量，上述電池充電器的充電定額可達(dá)到上述電池電荷儲(chǔ)存容量的一到一倍半。
59.權(quán)利要求49的電池充電裝置，其特征是上述電池是由鎳鎘和鎳氫型電池構(gòu)成的組中的一個(gè)。
60.權(quán)利要求59的電池充電裝置，其特征是上述放電脈沖的持續(xù)時(shí)間不超過10毫秒。
61.權(quán)利要求59的電池充電裝置，其特征是充電脈沖的持續(xù)時(shí)間大約是200毫秒。
62.權(quán)利要求59的電池充電裝置，其特征是間歇周期的持續(xù)時(shí)間在充電程序的主要部分中大約占50毫秒。
63.權(quán)利要求59的電池充電裝置，其特征是上述充電脈沖的持續(xù)時(shí)間與上述放電脈沖的持續(xù)時(shí)間的比例處在10比1到100比1的范圍內(nèi)。
64.權(quán)利要求59的電池充電裝置，其特征是上述充電周期的持續(xù)時(shí)間與上述間歇周期的持續(xù)時(shí)間的比例處在10比1到200比1的范圍之內(nèi)。
65.權(quán)利要求59的電池充電裝置，其特征是電池具有有限的電荷儲(chǔ)存容量，上述電池充電器的充電定額可達(dá)到上述電荷儲(chǔ)存容量的五倍。
66.權(quán)利要求59的電池充電裝置，其特征是上述控制裝置可以在上述標(biāo)準(zhǔn)充電順序之前提供一個(gè)充電初始化順序，上述放電脈沖在其中的持續(xù)時(shí)間大于其在上述標(biāo)準(zhǔn)充電順序中的持續(xù)時(shí)間。
67.權(quán)利要求49的電池充電裝置，其特征是上述放電裝置包括以電氣方式連接到上述電池上的一個(gè)負(fù)載，在放電脈沖期間使電池通過負(fù)載排泄電流。
68.權(quán)利要求49的電池充電裝置，其特征是上述放電裝置包括一個(gè)開關(guān)元件和一個(gè)電阻，上述開關(guān)元件與電池和上述電阻相串聯(lián)，在放電脈沖期間使電池通過上述開關(guān)元件排泄電流，并且將上述電阻接地，用上述電阻耗散存儲(chǔ)在電池中的功率。
69.權(quán)利要求68的電池充電裝置，其特征是用上述電阻的歐姆值和功率定額來確定耗散電池功率的定額，并且確定充電和放電脈沖持續(xù)時(shí)間的比例。
70.權(quán)利要求68的電池充電裝置，其特征是上述開關(guān)元件是一個(gè)半導(dǎo)體元件。
71.權(quán)利要求70的電池充電裝置，其特征是上述開關(guān)元件包括至少一個(gè)晶體管，電流從電池上通過上述電阻流經(jīng)上述晶體管的集電極和發(fā)射極。
72.權(quán)利要求71的電池充電裝置，其特征是上述至少一個(gè)晶體管是MOSFET型晶體管。
73.權(quán)利要求68的電池充電裝置，其特征是在放電脈沖期間通過上述電阻排泄的電流大約是電池充電容量定額的五到六倍。
74.權(quán)利要求49的電池充電裝置，其特征是進(jìn)一步包括一個(gè)可以連接到電池上的電池電荷檢測(cè)器，在上述檢測(cè)器檢測(cè)到第一門限值時(shí)開始上述標(biāo)準(zhǔn)充電順序，并且在上述檢測(cè)器檢測(cè)到第二門限值時(shí)結(jié)束上述標(biāo)準(zhǔn)充電順序。
75.權(quán)利要求74的電池充電裝置，其特征是用上述電池電荷檢測(cè)器測(cè)量電池的電壓電平，上述第一和第二門限值分別是最小和最大的電壓測(cè)量值。
76.權(quán)利要求75的電池充電裝置，其特征是上述電池電荷檢測(cè)器在放電脈沖期間測(cè)量電池的電壓電平。
77.權(quán)利要求76的電池充電裝置，其特征是上述電池電荷檢測(cè)器在放電脈沖基本結(jié)束并且上述充電脈沖開始之前測(cè)量電池的電壓電平。
78.權(quán)利要求75的電池充電裝置，其特征是，當(dāng)上述電池充電器檢測(cè)到介于上述第一和第二電壓值之間的一個(gè)第三預(yù)定電壓值時(shí)，上述控制裝置就能在上述標(biāo)準(zhǔn)充電順序接近完成時(shí)執(zhí)行微電流充電順序，上述微電流充電順序與上述標(biāo)準(zhǔn)充電順序基本上相同，其區(qū)別僅僅是上述間歇周期的持續(xù)時(shí)間大體上等于或是大于上述充電脈沖的持續(xù)時(shí)間。
79.權(quán)利要求78的電池充電裝置，其特征是上述微電流充電是在一個(gè)預(yù)定的固定時(shí)間周期內(nèi)執(zhí)行的。
80.權(quán)利要求74的電池充電裝置，其特征是上述電池充電檢測(cè)器監(jiān)視電池的電壓，并且結(jié)束充電程序，防止電池電壓超過電池的勢(shì)壘，從而防止發(fā)熱以及在充電過程中可能對(duì)電池造成的損傷。
81.權(quán)利要求49的電池充電裝置，其特征是進(jìn)一步包括光電隔離裝置，上述充電脈沖發(fā)生器包括一個(gè)具有接地面的電源，上述光電隔離器在電路中介于上述電源接地面和上述控制裝置的接地面之間。
82.權(quán)利要求81的電池充電裝置，其特征是上述光電隔離裝置包括一個(gè)在上述控制裝置接地面上工作的發(fā)光二極管，并且從功能上連接到在上述電源接地面上工作的一個(gè)晶體管光敏器件，用上述晶體管光敏器件檢測(cè)上述發(fā)光二極管的狀態(tài)。
83.權(quán)利要求49的電池充電裝置，其特征是上述放電裝置緊接在上述充電脈沖之前降低電池的阻抗，從而提高電池對(duì)電流的接收能力。
84.權(quán)利要求49的電池充電裝置，其特征是上述放電裝置降低電池的固有電容。
85.權(quán)利要求49的電池充電裝置，其特征是進(jìn)一步包括連接到上述充電脈沖發(fā)生器的電壓選擇器，它所具有的多個(gè)電壓電平對(duì)應(yīng)著需要連接到上述電池充電裝置上充電的各種電池所需要的額定電壓電平。
86.權(quán)利要求85的電池充電裝置，其特征是上述電壓選擇器被設(shè)定到從對(duì)應(yīng)著被充電電池的額定電壓設(shè)定的多個(gè)電壓電平當(dāng)中選出的一個(gè)。
87.權(quán)利要求86的電池充電裝置，其特征是進(jìn)一步包括連接到電池上的電池充電檢測(cè)器，當(dāng)上述檢測(cè)器檢測(cè)到第一門限值時(shí)開始充電程序，并且當(dāng)上述檢測(cè)器檢測(cè)到第二門限值時(shí)結(jié)束充電程序，用上述電池充電檢測(cè)器測(cè)量電池的電壓電平，上述第一和第二門限值分別是最小和最大的電壓測(cè)量值，上述第一最小門限值的數(shù)值大約是選定電壓的三分之二。
88.權(quán)利要求87的電池充電裝置，其特征是上述選定電壓被設(shè)定在12V，而上述第一最小門限值大約是8V。
89.權(quán)利要求49的電池充電裝置，其特征是上述控制裝置進(jìn)一步包括電池充電檢測(cè)器和一個(gè)比較器，用上述檢測(cè)器測(cè)量電池的電壓電平，上述比較器包括用來接收首次測(cè)量電池電壓值的第一輸入端和用來接收第二次測(cè)量電池電壓值的第二輸入端，當(dāng)上述比較器檢測(cè)到上述首次測(cè)量電壓值大于上述二次測(cè)量電壓值時(shí)，上述控制裝置就結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)充電順序。
90.權(quán)利要求89的電池充電裝置，其特征是進(jìn)一步包括一個(gè)指示器，當(dāng)上述比較器檢測(cè)到上述首次測(cè)量值大于上述二次測(cè)量值時(shí)，用上述指示器指示電池處在故障狀態(tài)。
91.權(quán)利要求49的電池充電裝置，其特征是上述控制裝置進(jìn)一步包括電池充電檢測(cè)器和一個(gè)比較器，用上述檢測(cè)器測(cè)量電池電壓，上述比較器包括用來接收首次測(cè)量電池電壓值的第一輸入端和用來接收第二次測(cè)量電池電壓值的第二輸入端，當(dāng)上述比較器檢測(cè)到上述首次和二次測(cè)量值之間的差超過了預(yù)定的最大值時(shí)，上述控制裝置就結(jié)束充電工作。
92.權(quán)利要求91的電池充電裝置，其特征是進(jìn)一步包括一個(gè)指示器，當(dāng)上述比較器檢測(cè)到首次和二次測(cè)量值之間的差超過了上述預(yù)定最大值時(shí)，用上述指示器指示電池處在故障狀態(tài)。
93.權(quán)利要求49的電池充電裝置，其特征是進(jìn)一步包括一個(gè)時(shí)鐘，上述控制裝置在上述時(shí)鐘達(dá)到預(yù)定的時(shí)間限制時(shí)結(jié)束充電程序。
94.權(quán)利要求93的電池充電裝置，其特征是進(jìn)一步包括一個(gè)指示器，當(dāng)上述控制裝置在結(jié)束充電操作之前達(dá)到上述時(shí)間限制時(shí)，用上述指示器指示電池處在故障狀態(tài)。
95.權(quán)利要求93的電池充電裝置，其特征是進(jìn)一步包括用來測(cè)量電池電壓的電池電壓檢測(cè)器，上述控制裝置在開始上述標(biāo)準(zhǔn)充電順序之前施加一個(gè)放電脈沖，并且測(cè)量電池的預(yù)充電電壓，上述控制裝置根據(jù)上述電池預(yù)充電電壓來確定上述時(shí)間限制。
96.權(quán)利要求49的電池充電裝置，其特征是進(jìn)一步包括用來測(cè)量電池電壓的電池電壓檢測(cè)器，其中的上述控制裝置按照一或多個(gè)預(yù)定的門限電壓值來改變一或多個(gè)放電脈沖，充電脈沖和間歇周期。
97.權(quán)利要求95的電池充電裝置，其特征是，上述控制裝置隨著測(cè)量電壓在充電過程中的增大而延長(zhǎng)間歇周期的持續(xù)時(shí)間。
98.權(quán)利要求49的電池充電裝置，其特征是上述控制裝置是一種微處理器，或者是一種專用集成電路。
99.用適合為電池提供交替的充電和放電脈沖的一種電池充電器生成電池的一種方法，該生成方法包括以下步驟提供包括以下步驟的第一生成序列a)向電池施加第一充電脈沖；b)停歇一個(gè)第一等待周期，讓電池至少能部分地穩(wěn)定下來；c)測(cè)量電池的電荷并且重復(fù)步驟a)和b)，直至檢測(cè)到第一充電門限值，在檢測(cè)到第一充電門限值時(shí)，讓電池充電器從第一生成序列過渡到包括以下步驟的第二生成序列d)緊接在施加充電脈沖之前使電池部分放電，從而降低電池的阻抗；e)緊接在電池放電之后對(duì)電池施加充電脈沖；f)在向電池施加后續(xù)的放電脈沖之前停歇第二等待周期；以及g)重復(fù)步驟d)到f)，直至電池達(dá)到一個(gè)第二充電門限值。
100.權(quán)利要求99的電池生成方法，其特征是測(cè)量電池電壓的步驟中包括測(cè)量電池的電壓電平。
101.權(quán)利要求99的電池生成方法，其特征是測(cè)量電池電荷的步驟在放電周期期間進(jìn)行。
102.權(quán)利要求99的電池生成方法，其特征是進(jìn)一步包括在根據(jù)生成過程開始時(shí)檢測(cè)到的過高電壓電平從而檢測(cè)到電池故障狀態(tài)時(shí)結(jié)束上述生成程序的步驟。
103.權(quán)利要求99的電池生成方法，其特征是進(jìn)一步包括將首次測(cè)量的電池電壓電平與第二次測(cè)量的電池電壓電平相比較的步驟，如果檢測(cè)到首次測(cè)量值大于二次測(cè)量值，就結(jié)束生成程序。
104.權(quán)利要求99的電池生成方法，其特征是充電脈沖是一種恒流充電脈沖。
105.權(quán)利要求99的電池生成方法，其特征是電池充電器是一種微處理器，或者是一種專用集成電路。
106.用來整修由于記憶效應(yīng)而造成充電容量降低的電池的一種方法，該整修方法包括以下步驟a)在一定時(shí)間周期內(nèi)用能夠完成以下充電過程的一個(gè)電池充電器對(duì)電池充電1)緊接在充電脈沖之前使電池部分放電，從而降低電池的阻抗；2)緊接在電池放電之后向電池施加充電脈沖；3)在施加后續(xù)的放電脈沖之前等待一個(gè)間歇周期，讓電池至少是部分地穩(wěn)定下來；以及4)重復(fù)上述步驟直到充電過程結(jié)束；b)放掉存儲(chǔ)在電池中的大部分電荷；以及c)在每次執(zhí)行放電步驟b)之后按照步驟1)到4)反復(fù)對(duì)電池充電，直至電池基本上恢復(fù)到其原始充電容量，從而提高電池的性能和壽命。
107.權(quán)利要求106的方法，其特征是電池充電器向電池提供恒定的電流。
108.權(quán)利要求106的方法，其特征是通過四到六次重復(fù)步驟a)到b)使電池基本上恢復(fù)其原始充電容量。
109.權(quán)利要求106的方法，其特征是電池可恢復(fù)到其原始充電容量的95％。
110.為具有不同額定電壓和不同充電容量的多種類型的電池快速充電的一種裝置，上述充電裝置包括適合用電路連接到一個(gè)電池的輸出；一個(gè)充電脈沖發(fā)生器，用來在上述輸出上提供為電池充電的充電脈沖；一個(gè)放電裝置，用來在上述輸出上提供使電池排泄電流的放電脈沖，從而降低電池的阻抗；一個(gè)控制裝置交替地將上述放電裝置和上述充電脈沖發(fā)生器連接到上述輸出，從而分別向電池交替地提供上述放電脈沖，充電脈沖，以及中性電位的間歇周期，按照預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)充電順序?qū)﹄姵厥┘由鲜龇烹娒}沖，充電脈沖和間歇周期，特別是在緊接著上述充電脈沖之前施加上述放電脈沖，上述控制裝置可以按照多種型號(hào)電池的最低額定電流和最高額定電壓用適合所有多種電池型號(hào)的額定值提供上述充電脈沖，為被充電的任何一種型號(hào)的電池提供容許的電流排泄電平。
111.權(quán)利要求110的電池充電裝置，其特征是上述充電電流發(fā)生器是一個(gè)恒流源。
112.權(quán)利要求110的電池充電裝置，其特征是上述恒流源是一個(gè)線性或是開關(guān)式的恒流源。
113.權(quán)利要求110的電池充電裝置，其特征在于電池是一種鉛性的電池，放電裝置從電池排泄電流的定額大約是電池額定充電容量的五到六倍。
114.權(quán)利要求110的電池充電裝置，其特征在于電池是一種鎳基的二次可充電電池。
115.權(quán)利要求114的電池充電裝置，其特征是上述電池是由鎳鎘和鎳氫構(gòu)成的組中的一種，而放電裝置從電池排泄電流的定額大約是電池額定充電容量的兩倍。
116.權(quán)利要求110的電池充電裝置，其特征是上述控制裝置是一種微處理器控制器，或者是一種專用集成電路。
117.權(quán)利要求110的電池充電裝置，其特征是上述放電裝置用可以選擇的定額通過電池排泄電流。
118.權(quán)利要求117的電池充電裝置，其特征是上述控制裝置可以配合著被充電電池的特定型號(hào)通過放電裝置來選擇電流排泄的定額，從而優(yōu)化通過電池排泄的電流。
119.權(quán)利要求117的電池充電裝置，其特征是上述放電裝置包括多個(gè)電阻，每個(gè)上述電阻對(duì)應(yīng)著通過電池排泄電流的多種可選擇的定額之一。
120.權(quán)利要求119的電池充電裝置，其特征是上述多個(gè)電阻中各自的歐姆值決定了從電池上耗散的功率定額，并且確定了充電和放電脈沖持續(xù)時(shí)間的比例。
121.權(quán)利要求120的電池充電裝置，其特征是上述控制裝置包括一個(gè)微處理器，上述微處理器選擇上述電阻中的一個(gè)，按照特定的定額從電池排泄電流。
122.權(quán)利要求120的電池充電裝置，其特征是上述控制裝置包括一個(gè)開關(guān)，開關(guān)的多個(gè)選擇位置對(duì)應(yīng)地電連接到上述多個(gè)電阻，上述開關(guān)被放在對(duì)應(yīng)著一個(gè)上述電阻的選定位置上，按照特定的定額從電池排泄電流。
123.權(quán)利要求117的電池充電裝置，其特征是上述控制裝置可以檢測(cè)出連接到電池充電裝置上的電池類型。
124.用來消除在可充電電池上形成的支狀生成以便恢復(fù)電池所損失的充電容量的一種方法，上述支狀消除方法包括以下步驟a)在一定時(shí)間周期內(nèi)用能夠完成包括以下步驟的充電過程的一個(gè)電池充電器對(duì)電池充電1)緊接在充電脈沖之前使電池部分放電，從而降低電池的阻抗；2)緊接在電池放電之后向電池施加充電脈沖；3)在施加后續(xù)的放電脈沖之前等待一個(gè)間歇周期，讓電池至少是部分地穩(wěn)定下來；以及4)重復(fù)上述步驟直到充電過程結(jié)束；b)放掉存儲(chǔ)在電池中的大部分電荷；以及c)在每次執(zhí)行放電步驟b)之后按照步驟1)到4)反復(fù)對(duì)電池充電，直至支狀生成明顯地減少，從而提高電池的性能和壽命。
125.按照權(quán)利要求124的方法，其特征是電池充電器包括一個(gè)恒流源。
126.按照權(quán)利要求124的方法，其特征是在于恒流源是一個(gè)線性或是開關(guān)式恒流源。
127.按照權(quán)利要求124的方法，其特征在于電池是一種鉛性的電池，電池放電的定額大約是電池額定充電容量的五到六倍。
128.按照權(quán)利要求124的方法，其特征在于電池是一種鎳基的二次可充電電池。
129.按照權(quán)利要求128的方法，其特征是上述電池是由鎳鎘和鎳氫電池構(gòu)成的組中的一種，電池放電的定額大約是電池額定充電容量的兩倍。
130.具有交替的充電，放電和等待周期的一種用來中斷電池充電程序的方法，用一個(gè)電池充電器在充電期間提供充電脈沖，在放電期間提供放電脈沖，以及在等待期間提供一個(gè)中性電位的穩(wěn)定間歇，上述中斷方法包括以下步驟a)在放電期間至少對(duì)電池的電壓電平進(jìn)行一次測(cè)量，從而獲得電池的負(fù)載電壓；b)在整個(gè)充電期間對(duì)電池的電壓電平進(jìn)行周期性的測(cè)量，從中確定是否超過了一個(gè)門限電壓；c)如果超過了門限電壓，就在充電期間中斷充電脈沖，并且根據(jù)在充電周期中檢測(cè)到超值電壓測(cè)量值的那一時(shí)間點(diǎn)來延長(zhǎng)等待周期；d)在步驟c)的延長(zhǎng)等待周期結(jié)束時(shí)使電池部分放電，并且在放電周期期間測(cè)量電池的電壓電平，從中確定測(cè)得的負(fù)載電壓是否超過了門限電壓；以及如果在步驟d)中測(cè)得的電壓超過了步驟b)的門限電壓，就停止充電程序，反之，如果在步驟d)中測(cè)得的電壓沒有超過步驟b)的門限電壓，就繼續(xù)充電程序。
131.在包括交替的充電，放電和間歇周期的一種標(biāo)準(zhǔn)充電順序的充電過程中對(duì)電池進(jìn)行檢測(cè)，并且使其從異常狀態(tài)恢復(fù)到正常充電狀態(tài)的一種方法，該方法包括以下步驟a)在充電過程中測(cè)量電池的電壓電平；b)在檢測(cè)到明顯超過電池額定電壓的異常電壓狀態(tài)時(shí)中斷標(biāo)準(zhǔn)的充電順序，并且等待一個(gè)預(yù)定的穩(wěn)定等待周期；c)在穩(wěn)定等待周期結(jié)束時(shí)向電池施加一個(gè)放電脈沖；以及d)在放電脈沖結(jié)束時(shí)測(cè)量電池的電壓，并且1)如果電壓測(cè)量值下降到異常電壓狀態(tài)以下，就恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)充電順序，或者是2)如果電壓測(cè)量值仍然是異常電壓狀態(tài)，就結(jié)束充電程序。
132.按照權(quán)利要求131的方法，其特征是穩(wěn)定等待周期的范圍大約是1到5秒。
133.按照權(quán)利要求131的方法，其特征在于電池是一種鎳基的二次可充電電池。
134.按照權(quán)利要求133的方法，其特征是上述電池是由鎳鎘和鎳氫電池構(gòu)成的組中的一種。
135.按照權(quán)利要求131的方法，其特征是電池的額定電壓大約是6伏，而異常電壓狀態(tài)等于或是大于15伏。
136.用一個(gè)輸入端連接到電源的電池充電器為電池快速充電的一種方法，用電池充電器交替地為電池提供充電和放電脈沖，該充電方法包括以下步驟a)緊接在充電脈沖之前施加一個(gè)使電池部分放電的放電脈沖，用來在向電池提供充電脈沖之前降低電池的阻抗和電壓；b)在電池被部分放電之后向電池提供充電脈沖，在充電脈沖期間提供給電池的電荷量大于在步驟a)的放電脈沖期間從電池排泄的電荷量，并且在足夠接近放電脈沖的時(shí)間內(nèi)發(fā)出充電脈沖，以便使電池電壓相對(duì)于放電脈沖接近結(jié)束時(shí)測(cè)得的帶負(fù)載的電池電壓不會(huì)有明顯的升高；c)在充電脈沖之后以及向電池施加后續(xù)的放電脈沖之前等待一個(gè)間歇周期，讓電池至少能部分地穩(wěn)定下來；以及d)重復(fù)上述步驟。
137.用一個(gè)輸入端連接到電源的電池充電器為電池快速充電的一種方法，用電池充電器交替地為電池提供充電和放電脈沖，該充電方法包括以下步驟a)當(dāng)電池處在第一電壓電平時(shí)，在充電脈沖之前使電池部分放電，將電池的電壓降低到小于第一電壓電平的第二電壓電平；b)在電池被部分放電之后向電池提供充電脈沖，在充電脈沖期間提供給電池的電荷量大于在步驟a)的放電脈沖期間從電池排泄的電荷量，并且在電池基本上處于降低的第二電壓電平時(shí)開始充電脈沖；c)在充電脈沖之后以及向電池施加后續(xù)的放電脈沖之前等待一個(gè)間歇周期，讓電池至少能部分地穩(wěn)定下來；以及d)重復(fù)上述步驟。
138.按照權(quán)利要求137的方法，其特征是步驟b)的充電脈沖是緊接在步驟a)的放電脈沖之后施加的。
139.按照權(quán)利要求137的方法，其特征是步驟b)的充電脈沖是在步驟a)的放電脈沖的4毫秒之內(nèi)施加的。
140.在電池充電器的充電程序期間減少可充電電池產(chǎn)生的發(fā)熱量的一種方法，充電器的輸入端連接到一個(gè)電源，在充電程序中交替地為電池提供充電和放電脈沖，該方法包括以下步驟a)當(dāng)電池處在第一電壓電平時(shí)施加一個(gè)預(yù)定的放電脈沖，，將電池的電壓電平從第一電壓電平降低到第二電壓電平；b)緊接放電脈沖之后向電池提供充電脈沖，電池在充電脈沖開始時(shí)基本上處在第二電壓電平，用充電脈沖使電池電壓上升到大于第一電壓電平的第三電壓電平；c)在充電脈沖之后以及向電池施加后續(xù)的放電脈沖之前等待一個(gè)間歇周期，讓電池至少能部分地穩(wěn)定下來，在充電程序的主要部分中，間歇周期的持續(xù)時(shí)間比步驟b)的充電脈沖要短得多；以及d)重復(fù)上述步驟。
141.按照權(quán)利要求140的方法，其特征是進(jìn)一步包括根據(jù)第一，第二和第三電壓電平之間的關(guān)系確定一個(gè)最佳充電脈沖持續(xù)時(shí)間的步驟，在充電程序中使充電脈沖持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，并且使間歇周期的持續(xù)時(shí)間最短。
142.按照權(quán)利要求141的方法，其特征是進(jìn)一步包括根據(jù)第一，第二和第三電壓電平之間的關(guān)系確定最佳的放電脈沖持續(xù)時(shí)間及其幅值的步驟，在充電程序中使充電脈沖持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，并且使充電程序的持續(xù)時(shí)間最短。
143.在用電池充電器為電池充電的過程中用來增多提供給可充電電池的電荷量并且減少發(fā)熱的一種方法，充電器的輸入端連接到一個(gè)電源，用電池充電器交替地為電池提供充電和放電脈沖，該方法包括以下步驟a)施加具有一定的持續(xù)時(shí)間和幅值的一個(gè)預(yù)定的放電脈沖；b)緊接在放電脈沖結(jié)束之后向電池提供充電脈沖；c)讓放電脈沖的持續(xù)時(shí)間和幅值與充電脈沖的持續(xù)時(shí)間和幅值相配合，為了優(yōu)化充電程序，用放電脈沖降低電池的阻抗，使其達(dá)到與預(yù)定的充電脈沖最佳匹配的水平，從而將充電脈沖的持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)到最佳的時(shí)間，同時(shí)使總的電池充電時(shí)間最短；d)在充電脈沖之后以及向電池施加后續(xù)的放電脈沖之前等待一個(gè)中性電位的間歇周期，讓電池至少能部分地穩(wěn)定下來，在充電程序的主要部分中，間歇周期的持續(xù)時(shí)間比步驟b)的充電脈沖要短得多；以及e)重復(fù)上述步驟。
144.在用電池充電器為電池充電的過程中基本上避免發(fā)熱的一種方法，充電器的輸入端連接到一個(gè)電源，用電池充電器交替地為電池提供充電和放電脈沖，該方法包括以下步驟a)施加具有一定的持續(xù)時(shí)間和幅值的一個(gè)預(yù)定的放電脈沖；b)緊接在放電脈沖結(jié)束之后向電池提供充電脈沖；c)讓放電脈沖的持續(xù)時(shí)間和幅值與充電脈沖的持續(xù)時(shí)間和幅值相配合，為了優(yōu)化充電程序，用放電脈沖降低電池的阻抗，使其達(dá)到與預(yù)定的充電脈沖最佳匹配的水平，從而將充電脈沖的持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)到最佳的時(shí)間，同時(shí)使總的電池充電時(shí)間最短；d)在充電脈沖之后以及向電池施加后續(xù)的放電脈沖之前等待一個(gè)中性電位的間歇周期，讓電池至少能部分地穩(wěn)定下來，在充電程序的主要部分中，間歇周期的持續(xù)時(shí)間比步驟b)的充電脈沖要短得多；以及e)重復(fù)上述步驟。
全文摘要
用一個(gè)輸入端連接到電源的電池充電器為電池快速充電的方法和裝置,用電池充電器向電池提供交變的充電和放電脈沖。緊接在充電脈沖之前使電池部分放電,在為電池提供充電脈沖之前降低電池的阻抗和電壓。緊接在電池放電之后向電池提供充電脈沖,在充電脈沖期間提供給電池的電荷量大于在放電脈沖期間從電池中排泄的電荷量。在充電脈沖之后和向電池施加后續(xù)的放電脈沖之前有一個(gè)間歇周期,讓電池能部分地穩(wěn)定下來。
文檔編號(hào)H02J7/00GK1244307SQ98801712
公開日2000年2月9日 申請(qǐng)日期1998年1月7日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月7日
發(fā)明者R·W·皮特曼, H·斯蒂芬森 申請(qǐng)人:離子控制方法公司