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干电池电池充电器


这个项目, 干式电池充电器 from 1992年,展示了如何为普通的主要电池(锌锰)以及其他人收取费用。

这个is the circuit design that was thought impossible i.e. how to make a zinc manganese battery charger (or ordinary battery). The reason it was thought impossible was that designers expressley forbade you from doing this as the cell heats up when charged.

这种设计能够对以下电池充电

*普通碳 - 锌电池

*初级碱性锌/二氧化锰细胞

*碱性 - 锰("RAM") batteries

*镍镉或氢化镍

*锂 - 亚硫酰氯电池

*铅酸电池

此外,电路声称能够绕过旧的Ni-CAD电池中发现的记忆效果,并可以从部分或完全放电状态充电电池。



干电池电池充电器执行摘要

一种用于充电初级碱性锌/二氧化锰细胞的电池充电器。具有电路的电池充电器,用于在25摄氏度的温度下产生直流电压,从约1.6至约1.7伏,单独地和独立地限制由电池充电器输送到每个电池的电压。

充电器还包含单独地和独立地限制施加到每个所述电池充电器的电流的电路,并且单独地和连续地改变施加到每个所述电池的电流。一旦电荷中的任何电池达到其所需电压,充电器将提供给所述电池的电流基本上变为零电流。

干电池电池充电器的背景

电池制造商经常气馁充电。因此,例如,在标题的出版物的第2页上"Eveready电池工程数据"(Union Carbide Corporation,纽约,1968年),警告是,“如果,evereade初级电池都受到任何形式的充电,所有保证。 。 。是无效的。请注意第23页的讨论。"

“联盟硬质合金公开”公开说明,在某些有限的条件下,可以对初级电池充电。报价国家标准局(信函通函LC965),该出版物表示:"尽管干电池名义上被认为是机电池,但是在某些条件下可以在有限数量的循环中进行充电。

当电池从服务中除去电池时,放电的工作电压不应低于1.0伏以下。

2.从服务中移除后,电池应尽快放置。

3.放电的安培小时数应为120%-180%。

4.充电率应足够低,可在12-16小时内分配充电。

在充电后,电池必须尽快投入使用,因为充电的细胞具有差的保质期。"

如该联合硬质合金公开所公开的,用于再充电初级电池的现有技术方法是没有吸引力的。首先,在1.0伏的放电上的工作电压严重限制了可以从电池中取出的可用能量,只表示浅放电。

在第二个地方,在从服务中移除后,并不总是很快就可以置于充电电池。在第三位,电池的最终用户通常不愿意为电池充电,长时间长达16小时,更倾向于更短的再充电循环。在第四处,由先前过程生产的充电电池具有差的保质期。

它是该设计的目的,提供一种用于充电的电池充电器,用于充电电池,该电池可以允许在低于1.0伏以下的1.0伏下放电的工作电压。

这是该设计的另一个目的,提供一种用于充电的电池充电器,用于给机器充电,这最小化延迟再充电的不利影响。

这是该设计的另一个目的,提供了一种电池充电器,可以有效地将主要电池充电,只需大约8小时。

这是该设计的另一个目的,提供电池充电器,该电池充电器将提供具有基本改善的搁板的充电的主要电池。

这种设计的另一个目的是提供适用于充电可充电碱性锰的电池充电("RAM") batteries.

这是该设计的另一个目的,提供一种适用于充电可充电镍镉电池的电池充电,以及普通的碳 - 锌电池。

这是该设计的另一个目的,提供适合充电锂 - 亚硫酰氯电池的电池充电器。

这是该设计的另一个目的,提供适用于充电锂 - 硫电池的电池充电器。

干电池电池充电器概述

根据该设计,提供了一种电池充电器,其包括用于单独充电的装置,该装置具有具有指定范围的电流和电压值范围的直流电流的多个电池的每个单元,用于单独控制所施加的直流电流在所述细胞的内容,以及用于向每个所述细胞提供不同的电荷量的装置。

干电池电池充电器的描述

在一个说明性优选实施例中,该设计的电池充电器用于对初级锌 - 二氧化锌电池施加。如本领域技术人员所知,这些原发性锌 - 二氧化锌细胞通常被认为是不可充电的,优化以使其能量使用,然后被丢弃,因为它们不受达到化学上不可逆转的状态。

这些锌 - 二氧化锰机是本领域技术人员所熟知的"dry cells," "重型干细胞," and "碱性电池;"并且它们很容易商购获得。因此,通过说明而非限制,并参考纽瓦克电子产品目录号110(纽瓦克电子,芝加哥,生病,1989),可以购买Eveready EN91碱性电池(参见第562页),一个Impereade 101-5锌碳电池(参见第562页),一个Eveready EV15工业通用锌碳电池(参见第562页),一个Eveready EV115工业重型碳电池(第562页),Duracell MN1500碱性电池(第564页)等。

作为说明,干细胞可以是氯化锌 - 二氧化锰碳系统;参见,例如,Charles Mantell的第34-54页's "Batteries & Energy Systems"(麦格劳鸿纳公司,纽约,1983年)。因此,例如,干细胞可以是锌 - 碱 - 二氧化锰机电池(参见Mantell书的第55-67页),或重型"dry cell"(参见Mantell Book的第70页)等。

在一个优选的实施方案中,申请人使用的电池'S方法优选是碱 - 二氧化锰原代细胞。作为说明,在美国专利No.4,522,588中公开了一种这种电池。美国专利No.4,857,424,其公开内容在此引入本说明书。

在本节的剩余部分中,参考将使用此类电池使用此类电池,它旨在了解该过程也适用于其他锌碳细胞。

申请人的充电器'S设计可以为电池充电,该电池已被排放到较小程度或专注;而且,此外,它还能够在从服务中迅速地(这通常被称为载体之后,再充电"sleepy battery" or a "电池内存效果"当参考镍镉电池时)。

因此,申请人'S的充电器比国家标准局函件通函所描述的充电器大大多才多多妙;和申请人产生的带电细胞'与现有技术充电器产生的电池的保质期相比,S充电器具有显着提高的保质期。

设计的反向脉冲充电器

在申请人的一个实施例中'■设计如下所述,电池充电器为电池提供了长期且短的反向脉冲。

这discharged battery is then connected to applicant'S电池充电器,在此规范中的其他位置描述。此后,在该过程的第一步中,向电池提供多个充电脉冲。

电流脉冲源连接到切换装置,该开关装置又连接到电池。根据当时电池的电气状况,切换装置选择性地为要充电的电池提供特定的电流脉冲。

这current pulses used in this embodiment of applicant'S充电器优选地是具有至少约1毫秒的持续时间的直流脉冲,并且优选地,约1至约8毫秒,优选地方便地从传统的交流电源中衍生。

优选的是,直流脉冲的持续时间为约5至约7毫秒,最优选约6毫秒。然而,对于本领域技术人员来说是显而易见的,也可以使用滤波的电源,其提供基本更长的脉冲选项。

这current pulses will have an average value which does not exceed about 40 percent of the initial capacity of the cell and, more preferably is from about 9 to about 20 percent of the initial capacity of the cell. The initial capacity of the cell is the current rating given to such cell by the manufacturer.

因此,例如,AA碱性细胞在8小时的速率下额定为1.5安培;用于重新充电这种细胞的脉冲通常不超过约200毫安平均值。

在申请人的充电器的这个实施例中 'S的设计,提供了用于确定是否应通过切换装置传送到小区的特定直流电流脉冲的装置。确定装置测量单元的电压的存储值,然后将其与参考电压的放电循环(下面讨论)的指定时间点进行比较。

如果电池电压的存储值低于参考电压,则将电流脉冲传递到电池。如果电池电压的存储值高于参考电压,则电流脉冲不会被传送到小区。

电池的参考电压是带电单元中所需的最终电压;当电池在25摄氏度的温度为25摄氏度时测量,近似为每度摄氏度的负温度系数为约-0.07至-0.13%。因此,对于二氧化锰初级碱性电池,参考电压为至少约1.585伏,优选为约1.60至约1.65伏特;在一个实施例中,在25摄氏度下,这种参考电压为1.62伏。

在申请人的这个实施例中 'S充电器,在碱性锰细胞的任何情况下都没有超过1.7伏特)。当该过程与铅酸电池一起使用时,参考电压限制为每电池2.45伏。当该过程与RAM电池一起使用时,参考电压限制为每个单元1.7伏。

当该过程与镍镉电池一起使用时,每个电池的参考电压限制为1.42伏,在这种情况下,该情况表示电流有限和恒流充电之间的过渡电压。通常,参考电压不得超过电池的长期安全浮动电压。


图1:是本发明的电池充电器的一个优选实施例的示意图,其利用用于干电电池电池充电器的双脉冲反向电流图案

View larger image 这里 .


在一个优选实施例中,图1中示出。如图1所示,如果电池不能接受并通过切换装置从可用源电压接受并传导输送到其的电流脉冲,则将小的附加电流路径提供给提供源电压的两倍的电池。不希望受到任何特定理论的束缚,申请人认为,这种额外的电流源确保细胞受到长时间放电储存的初始带电性。

对于本领域技术人员显而易见的是,在放电之后经受长时间储存​​的铅电池经常对充电的启动抵抗。

在申请人的这个实施例中 'S充电器,除了为要充电的电池选择性地提供周期性直流脉冲之外,电池周期性排出。从细胞周期性地撤回直流电流的脉冲。这些脉冲的持续时间为直流充电脉冲持续时间的约5至约35%;它们还具有在充电脉冲可获得的平均电流值的约10至约25%的排放期间的电流值。

因此,通过说明,对于由60赫兹电源时钟时钟的系统,其将提供约200毫安的平均电流值,用于在约6毫秒的范围内的充电脉冲,放电脉冲通常优选地具有持续时间约1.0至约1.5毫秒,瞬时电流值约为40毫安,具有120赫兹重复率。通常,放电脉冲表示可用充电能量的约3至约8%的损失。

除了提供短充电脉冲和从电池中取出较短的放电脉冲,申请人的本实施例的充电器'S定期还周期性地终止充电过程,并提供相对长的电池的电流的连续放电。持续时间"continuous"放电脉冲将至少约0.5秒,更优选地,至少约1.0秒。

在长脉冲放电期间撤回的电流值通常为来自充电脉冲可获得的平均电流值的约10至约25%。在一个实施例中,图1中所示。如图1所示,长放电脉冲的电流值基本上与短放电脉冲的电流值相同。在该实施例中,可以使用共享的放电组件。

优选的是,总充电时间的约2至约15%由周期性的长放电脉冲表示。因此,通过说明,当长脉冲放电的持续时间约为2秒时,长脉冲之间的时间约为30秒。

通常,当图1的充电器时。 1与碱性电池一起使用,并用镍 - 镉电池和Ram细胞一起使用,长脉冲之间的时间优选为约10至约60秒;通过镍 - 镉电池和RAM细胞,可以使用与碱性细胞一起使用的相当的脉冲图案。

通过比较,通过铅酸电池,长脉冲的持续时间为约15至约30秒,长脉冲之间的时间为约1.5至约5.0分钟。

不希望受到任何特定理论的束缚,申请人认为,在初始验收水平(通常为碱性细胞中的40%)的情况下,将短脉冲模式的使用和导致的电荷接受的改善,与长脉冲模式(允许增量)在连续充电的深度放电或放电储存的细胞的恢复允许适当的单元操作,而不需要超越电池的安全浮动电压限制并且没有该操作模式所需的大量硬件。

在申请人的实施例中'■图1中所示的充电器。如图1所示,可以提供用于测量电池的值的值,以便在终止时在时间点处测量电池的电压。此时,比较器使用关于电池电压的信息以确定它是否超过参考电压。

如上所述,当放电终止时的电池电压超过参考电压时,无需将电流脉冲输送到电池(但是,无论电池存储电压的值如何,仍然仍然从电池中取出放电脉冲)。相反,当存储的电池电压小于参考电压时,允许电流脉冲流到电池。

无花果。附图说明图1是申请人的电池充电器10的一个优选实施例的示意图'S设计。图1的实施例。 1适用于独立充电两个碱性电池。本领域技术人员显而易见的是,当电池充电器10与其他类型的细胞(例如铅酸电池)一起使用时,电路必须提供不同的时间常数和电流值。

参考图1。如图1所示,一个碱性电池可以连接在点12和公共总线14之间,并且另一个碱性电池可以连接在点16和公共总线14之间。对于本领域技术人员来说,可以设计一种适于的相似电路是显而易见的充电4,8,20或任何任意和期望数量的细胞。

再次参考图1。如图1所示,交流电流优选地通过电源变压器18提供到二极管20,22,24和26。在一个实施例中,交流电是标准的120伏/ 60赫兹电源功率。在另一个实施例中,交流电是传统的220伏/ 50赫兹电源。也可以使用其他交流源。

这alternating current provided to diodes 20 and 22 is rectified. The direct current thus produced is connected to common bus 14. The main positive bus 28 is taken from the center tap 30 of the secondary of transformer 18.

二极管24和26向总线32提供整流的正电压,该总线32是总线28上的电压大约两倍。总线32上的正电压可用于功率比较器34和36并为电阻单元提供源极通过电阻器38和40提供的击穿电压。

如说明书中所示,如果在总线14和点12或16之间连接的电池无法进行,则电阻器38和/或40将通过反转隔离二极管42或44向非导电单元提供电压。这增加了电压通常足以在核批变细胞内引发充电验收。

电路还提供了用于比较从由元件46到68组成的网络的参考电压进行比较任一电池电压的装置。在图1所示的实施例中。如图1所示,这种装置由来自总线32的电流提供,该电流通过隔离二极管46(用作反向放电隔离器),以及电流限制电阻器48到齐纳二极管50;该电流由电容器52过滤。

齐纳二极管50通常具有大约5伏的击穿电压,为数字集成电路70,72和74提供适当的电源电压以及第二级调节器的良好调节的零温度系数源,由元件54到68组成。由元件50和52提供的电压从电阻器54和56串联流动,并通过二极管58和60与它们串联流动。

二极管58和60提供二级调节器,以帮助确保最小的线电压扰动,并且它们提供大的负温度系数。因此,通过选择电阻器54和56之间的关系,可以选择所需的温度系数。

这junction 76 of resistors 54 and 56 is the source of current for resistors 62, 64, and 66 in series, with variable resistor 64 acting as the voltage reference adjustment. Capacitor 68 acts as a secondary filter for the reference voltage.

这reference voltage is delivered to comparators 34 and 36 through transistor switch 78 under the control of the timing circuits to be described later.

点12和16处的电池电压分别被晶体管开关84和86跟踪,并存储在电容器80和82上,电容器80和82连接到比较器34和36的反相输入。在所示的实施例中,晶体管84和86是通过电阻器88和90的比较器34和36的输出控制,因此,当主电池脉冲充电晶体管开关92和94被停用时,自动接通。

通过电流限制电阻器96和98提供给电池的初级充电电流脉冲,其通过发光二极管100和102分流,该发光二极管100和102又通过保护电阻器104和106的电流限制;他们充当充电活动显示。

当晶体管开关116接通时,通过隔离二极管108和110连接在点12和16处的电池的放电脉冲流过隔离二极管108和110,以及放电电流控制电阻器112和114。当任意晶体管118通过电阻器124接通时,晶体管开关116亮起,或晶体管120允许电流流过电阻器140和二极管126。

当总线32通过电阻器122时,晶体管120将通过电阻器140防止电阻器140通过电阻器140通过电阻器116到达晶体管116。换句话说,晶体管120用作晶体管116的零交叉使能开关用作零交叉使能开关。通过电阻器112和114提供简要放电脉冲。

这two-second discharge pulse is provided by powering transistor 116 through resistor 124 from transistor 118 when flip-flop 70 is turned on (binary 1). At that time, flip-flop 70 also disconnects voltage reference switch 78 from the non-inverting inputs to comparators 34 and 36.

这additional flip-flop 72 is unused, and its inputs are appropriately connected to common negative bus 14 to prevent noise response in this unused half of the integrated circuit containing flip-flop 70.

触发器70又由十二位二进制计数器74控制,当计数器74的输出Q12运转正的输出Q12时将其转动,并且当计数器74的输出Q9变为肯定时将其关闭。因此,触发器70仅从Q12的正边缘开始到Q9的下一个正输出(其约为时间约为时间)。

反过来,计数器Q12依次计数来自总线32,二极管134和连接到其时钟输入的电阻器136的总线32的每秒脉冲(在60赫兹源的情况下)。电阻器130和二极管134之间的接合部138通过钳位二极管132钳位到加 - 五伏电源线,以防止电压过大的电压施加到计数器74的时钟输入。

通过说明而非限制,下面提出了某些常规和广泛可用的组件用于装置10.然而,对于本领域技术人员来说,可以很容易地显而易见的是,其他可相当的市售的组件可以被描述的那些没有大量不良影响。

优选的是,装置10中的所有电阻器是市售的碳膜电阻器,除电阻器96和98外,除电阻器96和98(这是2.0瓦电阻,这种绕线,金属膜或碳膜2.0瓦电阻器)。

优选的是,设备10中的每一个二极管是1n4001二极管,或者与其相当。齐纳二极管50应该优选地是1N4733A齐纳二极管,或者与其相当。优选地根据它们的外观选择发光二极管100和102。

PNP晶体管84和86优选地是2n4403晶体管,或者甚至与其远程相似的任何晶体管。 NPN晶体管92,94,116,118,120和78优选地是2N4401晶体管,或任何可比较的晶体管。

比较器34和36可以是LM358集成电路的一半,或者几乎可以是任何双运算放大器,例如,例如,1458.或者,比较器34和36,当使用附加比较器的较大系统中使用时,可以是LN324的一部分四边形运算放大器(或类似的设备)。触发器70和72被标记为与CMOS部分4013的引脚布局相对应。二进制计数器74示出为CMOS部分4040。

滤波器电容器52和68是典型的小型电解电容器。信息存储电容器80和82优选地是固体电解质钽单元。

对于设计不超过四个AA尺寸电池的系统,待同时充电,变压器18应优选地是半级核心介质质量(M19)降压变压器,其二次电压为10.8伏中心抽头开路电路。

对于需要较大容量的系统(更多单元或更大的电池),将需要更大的变压器芯来提供所需的功率。除非串联收取细胞组,否则不需要增加电压。

这charger illustrated in FIG. 1 may be used to recharge Rechargeable Alakaline Manganese cells. As is known to those skilled in the art, Rechargeable Alkaline Manganese cells are currently available (as "RAM"来自加拿大安大略省Missasauga的电池技术公司的细胞。

这些RAM电池专门用于再充电,通过改变初级碱性细胞的某些特征,提供了显着改善的循环寿命。低温操作,峰值充电和放电电流,这些细胞的总容量从其主要细胞对应物中有点减少。

在该设计的过程中,如果与RAM电池一起使用,则不需要充电器10的显着变化。然而,推荐用于这些电池的参考电压为1.65伏,而本系统的主要细胞,则为1.625伏特提供了可见的电荷存储密封寿命。

这battery charger illustrated in FIG. 1 also may be used to recharge lead acid batteries. These lead acid batteries are well known to those skilled in the art and are described, e.g., on pages 142-187 of the Mantell book. These batteries are available as single cells, but they generally are provided as multi-cell preassembled batteries.

虽然可访问的液体电解液电池仍然可广泛,但密封的铅酸(SLA)电池已成为市场的不断增加的部分,既是淹没的细胞(典型的汽车应用)和饥饿(重组)或凝胶细胞,典型的工业应用程序。

因此,在申请人中'S过程中,适用于这些应用的典型电池充电器是为多电池系列配置设计的,其中6伏名义(即3-和6个单元组)是最常见的。由图2中所示的相同架构的适当常数集。

图1将是每个电池的参考电压2.3伏,平均可用充电电流约为标称安培小时容量的约1至约50%,与碱性细胞一起使用的电荷取出比,以及时间常数非常多更长(如本规范的其他地方讨论)。

这battery charger illustrated in FIG. 1 also may be used to recharge nickel-cadmium or nickel hydride batteries. These batteries differ fundamentally in their charge requirements from all of the batteries previously discussed. They are designed for constant current recombinant standby service.

虽然许多方案可用于增强可充电性,通常称为Delta-T或Delta-V系统,但这些方法通常有点棘手,并且需要电池和充电器成为集成设计。在申请人'S系统,用于改进的镍 - 镉性能和无锌/锰能力,可以改变装置10,其提供恒定电流代替循环的无电荷部分(当比较器指示电压超过参考时电压)如果参考电压设定为每电池的约1.42伏和25摄氏度,负温度系数为0.1%的摄氏度,则电压将非常有效地工作。

充电电流可以高达完全常规电池的电池的标称安培容量的两倍,而不需要高温的快速充电特殊施工单元。当采样电压超过参考电压时,约10%的安培小时容量通常是合适的。

另一个双脉冲反向电流充电器


图2是利用用于干电池电池充电器的双脉冲反向电流图案的本发明的另一个优选电池充电器的示意图

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双脉冲反向电流充电器的另一个实施例在图2中示出。参考图2.如图2所示,可以看出,电池充电器150由电源变压器18组成,该电源变压器18为单个电池(未示出)提供适当电压的功率,其可以附接在正端子154和负端子156之间。

通常,更优选的是,变压器电压为约11至约12伏中心螺纹(根均方)。

这circuit of FIG. 2 is very similar in many respects to that illustrated in FIG. 1, and it shares many common circuit elements. However, it differs in the respects described below.

再次参考图1。如图2所示,定时电路158由4060集成电路实现,该4060集成电路将样本选通脉冲提供给CMOS开关162,其通常可以是通过区分4060集成电路的输入逆变器164的输出来成为4066集成电路的部分具有时间常数,其RC值等于电容器166和电阻器168的乘积。这在170处于与主零交叉同步的倒置(正)脉冲的前沿发生。

这"short high current"通过与电容器172和电阻器174的乘积相同的延迟产生的脉冲产生放电脉冲,由晶体管176和178放大。这些晶体管通常是2n4401 npn晶体管,其又电源PNP晶体管180(可以是类型2N4403),从而通过晶体管180连接到端子156。

通过电阻器182的电流将等于电池(未示出)的电池上的电压,其晶体管180的基本发射电压降减去,除以电阻器182的值。该放电事件的持续时间将等于持续时间在点170处的正脉冲减去由时间常数172-174引起的延迟,因为脉冲的结束将迅速通过二极管184提供。

当阶段Q14的输出186施加通过电阻器188到NPN晶体管190(这可以是2N4401)时,大约一分钟将发生类似的事件过程。然而,与经由晶体管178的驱动的效果相比,二极管192的附加二极管下降将减小电阻器182的电压约为600毫伏。

因此,通过该路径排出的放电电流大致由先前描述的快速脉冲移除的一半。脉冲的持续时间将通过选择用于通过电阻196复位IC 158的输出194来设置。二极管198钳位复位200直到Q14输出186变为正数;然后在输出194随后变为正数时发生复位。

因此,可以通过选择适当的复位输出源(图2中的Q9)来选择长脉冲的持续时间,从而产生大约2秒。

在该电池充电器150中。如图2所示,充电电流由电阻器40控制。尽管在该实施例中没有示出了高电压喷射器,但是对于本领域技术人员来说是显而易见的,即可以使用这种注射器。

电池充电器的另一个实施例


图3:是用于干电池电池充电器的本发明的另一个优选电池充电器的示意图



无花果。图3示出了另一个电池充电器210,其在申请人的范围内'S设计。从图中可以看出。如图3所示,电源变压器18以适当的电压(在约11至约12伏中心的范围内敲击下午3至下方),用于对端子154和156之间的单个电池充电。

电流由二极管20和22提供,变压器18的次级的Centertap 30通过电流控制电阻器49(在该图示中大约6欧姆,并由串联开关92控制[2n4401或类似晶体管])。与电阻器104串联的发光二极管100用作"pilot light" to display "activity" in resistor 40.

晶体管92由比较器34的输出控制,该输出可以是低成本运算放大器的输出(例如LM358 [Dual]或LM324 [四边形])。比较器34响应施加到其反相输入( - )的电池电压之间的差值,以及施加到非变换输入(+)的参考电压。

只要电池电压小于参考电压,比较器输出高,接通晶体管92并允许充电电流通过电阻器40流动。一旦电池电压等于参考电压,比较器34将限制基电流进入晶体管92和充电电流被充电的电池。

这reference voltage is derived from a voltage divider 62,64,66 connected to a stable voltage source 50. Zener diode 50 is powered by diodes 24 and 26 through current control resistor 48. The higher voltage available from diodes 24 and 26 (compared to the centertap) broadens the "conduction"二极管50在这种未过滤,经济且可靠的系统中的角度。

二极管24和26还为比较器34提供电力以确保充分"output swing"对于低成本运算放大器至饱和晶体管92。

该系统有几个限制。可以选择二极管50(低电压齐纳)以具有几乎所需的负温度系数。遗憾的是,如本领域技术人员所知,低压齐纳二极管具有相对较差的动态电阻值,线电压变化会产生不可接受的参考电压变化。


图4是图4的电池充电器的改进版本的示意图。 3为干电池电池充电器



因此,二极管50应该优选地是低阻抗装置(n伏特的范围,具有大量操作电流,或许50毫安,用于防止"soft knees"经常在低成本设备中找到)。遗憾的是,在该电压范围内,温度系数通常接近零。图2的电路解决了该问题。 4.

改装电池充电器

无花果。图4是图4的电池充电器的改进版本。参见图3。如图4所示,可以看出,电池充电器220提供具有某些优点的参考电压源。二极管50是二极管,其可以是例如1N4733A类型,并且其为电阻器54和56和二极管58和60提供稳定(但大约零温度系数)电压源,其中二极管58和60是常规的,前进的偏置硅二极管(例如,例如1N4001),其具有大的负温度系数并且还提供进一步的电压稳定。

因此,电阻器54/56的比率为来自零附近的温度系数提供了选择机制(作为电阻器54接近零),以过度负(作为电阻器56减小(防止电阻器62,64和66,所以简单起见)。在期望的参考电压下选择电阻器62到中心电阻器64,电阻器62和66设置调节"span" of resistor 64.

电阻器212在该未过滤的系统中充当电流限制器和安全电阻(反对比较器34的故障),其中每秒120次(对于60赫兹电源)电源,与充电器的可用性同步地提供给比较器34和参考电压网络电阻器40,晶体管92等的电源,因此,当可以(如果需要)时,系统将充电,而不会增加成本和可靠性的所得到的滤波电容器(能量存储)。

这种设计的缺点,如果充电时间很重要,是将电池电压直接比较到具有非合作充电电流的系统中的参考电压的效果(在电源正弦波的波峰处每秒达到120次峰值)。每个电流峰值产生等于的电池电压峰值"true"电池电压加上瞬时充电电流的内阻时间(IR)值。

因此,随着细胞接近完全充电,"peak"电池在电池完全充电之前的电压将超过参考电压,并且比较器34将反应将驱动器减小到晶体管92,因此,电流到正弦波电压的峰值附近的电池。这将导致充电结束和扩展充电时间的降低的充电率。

再次参考图1。如图4所示,二极管100和电阻器104的右侧可以重复任何次数,以提供任何所需数量的单元的同时,单独控制的电池,所以提供功率分量被适当地缩放。

无花果。因此,因此示出了图4的配置的简单修改。 3部分克服了"artificial"通过添加电容器80上面讨论的速率限制。如果电阻器212和电容器80的乘积与电源半周期(在该示例中的8.33毫秒)相比,则"average"将与参考电压进行比较电池电压。


图5A:电池充电器的原理图,适用于充电串联连接的电池组,用于干电池电池充电器的各个分流调节



图2中所示的电池充电器。图5A表示细胞充电的另一种方法。一系列细胞258(即,由串联的多个电池组成的电池)设置有来自电源变压器18,整流二极管24和26的公共电流,以及电阻器254.发光二极管250(电流过量通过电阻分流252)简直是一个方便的"power" indicator.


图5B:是图5的电路的伪齐纳。 5A用于干电池电池充电器



每个单元258被a分开"pseudo-Zener"由网络256制成,图2中所示。 5B。二极管234和236,基础发射极电压240是负温度系数的主要源,并且与电阻器238组合,"Zener voltage."电阻器232提供了降低过度负温度系数的简单手段;电阻器244是用于从晶体管242移除电路耗散的大部分的简单装置(例如,例如,例如,2N4403,对2N4401的公共PNP补充,其提供足够的NPN性能。

对于本领域技术人员来说,这将是显而易见的,申请人'S设计,可以串联充电碱性电池并用简单,经济的分流调节器控制各个电池,实现良好的调节和负温度系数,而无需每个调节器的任何外部电源。

另一系列带电分流调节充电器


图6A是图6的电池充电器的改进版本的示意图。 5用于干电池电池充电器




图6B:是图6的电路的伪齐纳。 6A用于干电池电池充电器



Another series charged shunt regulated charger 260 is illustrated in FIG. 6A. Referring to FIG. 6A, it will be seen that battery charger 260 is an improvement upon the system of FIG. 5A. In the device of this FIG. 6A, resistor 254 is replaced with a constant current generator comprised of transistors 266 and 268 and resistors 264 and 270, whereby the reference voltage derived from resistor 64 sets the current through resistor 270 and, thus, the cells 258. Again 每个单元258被a分开"pseudo-Zener"由网络256制成,图2中所示。 6B。

除了变压器18,电阻器254或其等效物(266,268,270)的较低电压要求(以及较低的成本,较低的热量和更高的利用效率)之外,这种方法的优点是较低的电压要求(以及较低的成本,较低的热量和更高的利用率)是设备的能力调整电流"trim"调节器电压为所需值。相对行为二极管234,236等非常可再现,但总设定值需要生产调整。

对于本领域技术人员显而易见的是,参考电压是单个,大约零温度系数,电压源,二极管50.因此,充电电流与温度无关,并且由设计提供负温度系数这"pseudo Zener" 256.

显而易见的是,二极管262用作"isolator" between the "battery"在该电路中的其余系统,如果要移除电源功率,则在该电路中漏电流。

另一个改进的分流调节充电器


图7A:是图7的电池充电器的改进版本的示意图。 6为干电池电池充电器



无花果。图7A示出了电池充电器280,因为添加了反向电流二极管306,可以在整个串联电池258上施加反向电流脉冲模式。一对驱动脉冲,由基本类似于的定时网络产生图2的设备的定时网络。如图2所示,通过电阻器290和通过电阻器294通过电阻器302通过输入来控制反向电流。


图7B:是用于图7A的伪齐纳,用于干电池电池充电器



It will be apparent to those skilled in the art that the reference voltage must be appropriately suppressed (see FIG. 2) for pulses longer than about 1 millisecond, centered at the mains zero crossing. Again 每个单元258被a分开"pseudo-Zener"由网络256制成,图2中所示。 7B。

单个细胞分流调节装置


图8:是用于干电池电池充电器的分流式电池充电器的示意图



这device illustrated in FIG. 8 is a special purpose variant of the device of FIG. 4 in which the time constant produced by resistor 212 and capacitor 80 is relatively short compared to the 8.33 milliseconds time constant of the mains half period; and this RC network is suitable for high frequency noise control.

这feedback from this network is "real time"(见图)并且不平均。当该实施例的电池电压达到参考电压时,甚至暂时地,来自电阻器40的电池电流通过电阻器322和晶体管324通过晶体管328通过电阻器330通过电阻器34的输出而转移。

因此,对于本领域技术人员来说是显而易见的,输出可以是"clamped"在接收到忽略不计的参考电压下,充电将相对较慢。然而,朝向电荷结束的非常小的充电电流允许扩散平衡,以基本上除去浓度梯度而没有反向电流脉冲。

该设备的充电器相对"gentle,"随着接近完全充电的情况下,基本上没有过冲和几乎零电流的焦点;因此,很少的气体正在演变。因此,对于能够长时间的待机的细胞,没有大的树突形成,并且在缓慢充电可接受的应用中,该装置代表了用于例如防盗和火警,应急照明等的实际备用电源。它将是对于本领域技术人员而言,图2的串联开关配置是显而易见的。 4也可以适用于此目的。

经济的电池充电器


图9:是用于干电池电池充电器的本发明的范围内的另一个优选电池充电器的示意图



无花果。图9示出了可以根据申请人生产的相对便宜的电池充电器340'S设计。该设计的闭环控制系统提供了用于控制要充电的各个单元的另一种方法。

参考图1。参照图9,可以看出,单个比较器34用于控制出现在串联电池电阻器348的公共端350处的电压。它是通过与负温度系数参考电压的比较来控制的公共端350处的电压应用于比较器34的非旋转(+)输入。

该电压是"averaged"通过电阻器212和电容器80的RC时间常数并施加到反相输入( - )。对于本领域技术人员显而易见的是,单个电池控制可以通过由比较器34,晶体管342和346,电阻344和总电流控制电阻器40组成的单个,相对高的电流控制器来近似。

如果点350处的输出被调整为所需的最终输出电压(例如1.625伏),则单控制器能够控制充电所需的所有电流,以及缓慢逐渐变细的电荷和电流风险受损坏的电池陷入困扰可能是可接受的。

这larger the resistance of resistor 348, the better the "最终充电质量,"即,个人控制,但充电速度较慢。对于AA细胞的约1至约2欧姆的范围内的值在最小的成本下提供各个电池调节的可接受的近似。

这Output of the Charger of this Design

在图中1-9,申请人已经说明了实现其设计目标的九种不同手段。许多其他装置对本领域技术人员显而易见的是能够实现相同的目的;它们也在设计的范围内。

对于本领域技术人员显而易见的是,每个上述设备共享某些特性,例如,例如,用于在25摄氏度的直流电压为约1.6至约1.7伏的装置,其用于单独限制电压的装置应用于以25摄氏度的直流电压以约1.6至约1.7伏的直流电压施加的每个电池,这意味着单独限制施加到每种电池的电池的电流施加到每个细胞的电池小于约800毫安并且小于由某个公式指定的热度值,以及用于单独和连续地改变施加到每个细胞的电流的装置。

对于本领域技术人员而言,申请人将显而易见'由于充电器充电,并且无论电池是否串联连接,都可以使用每个电池充电器只有一个电源的电池充电器,只需几个电池充电器即可实现上述目标。

然而,这将是显而易见的,即可以在电池充电器中使用多个电源。这样的行动方案并未被认为是有利的。

申请人'S器件包括用于在25摄氏度的直流电压为约1.6至约1.7伏特的装置组成的装置。因此,在图1所示的装置中。如图1,2,3和4,8和9所示,来自可调电阻器64的电压用于该功能。在图1和图2中所示的装置中。如图5,6和7所示,该功能由分流调节元件256的结构提供,优选地通过使用源自电阻器64的电压基准调节总串联电流来调节的分流调节器元件256(参见图6和7)。

通过这种方式产生的直流电压是25摄氏度的电压。在申请人的若干实施例中'S Design(即,除了图3中的每个实施例),申请人'S器件还包括用于产生直流电压的装置,在25摄氏度下的直流电压为约1.6至约1.7伏,这将以每度摄氏度的约1至约4毫伏的速率降低,因为温度升高25由于温度降低低于25摄氏度,程度地区,并且其每度摄氏度的速度将以约1至约4毫伏的速度增加。

优选的是,每次摄氏度的增加或减少速度为约1.6毫伏。该特征在图1和图2的装置中提供。参照图1,2,3,4,8和9(通过二极管58和60的正向电压温度系数)和图1和2中。图5,6和7(通过二极管234,236的正向电压温度系数和晶体管240的基本发射极电压)。

申请人'S电池充电器还包括用于单独限制每个电池在25摄氏度的直流电压下的电压的装置组成的装置,在约1.6至约1.7伏的范围内;如上所述,该最大电压优选地是负温度补偿,使得其每度摄入量的约1至约4毫伏变化它从25摄氏度变化。

因此,例如,如上所述提供该特征;通过改变参考电压,可以改变最大电池电压。

申请人'S电池充电器还包括用于单独限制施加到施加到较小800毫安的电池的电流的装置的装置,只要电流也小于由下面的公式定义的量:i 最大限度 =(1.7 volts-V r)/ r 一世。 I 最大限度 是允许的最大充电电流,总是小于800毫安,但可能甚至更低。

Vr 是参考电压,等于上述最大允许的电池电压;它通常在25摄氏度下为1.6至1.7伏特,该值优选地是如上所述的负温度补偿。 R. i 是电池的内阻被带电。

如本领域技术人员所知,电池的内阻可以通过标准数字电压表测量,等于电池电压的变化与施加到该电池的阶梯负荷的电流的比率。对于AA尺寸的碱性电池,内部电阻的测试通常涉及将10欧姆负载的连接到卸载的电池。

在一个优选实施例中,申请人充电器包括用于限制施加到每种电池的电流的装置,该电池被充电至小于300毫安的电流。在另一个实施方案中,施加到每个电池的电流限制为最大为200毫安。在又一个实施方案中,施加到每个电池的电流限制为最大170毫安。

此功能的申请人'S装置在图1和2中示出。参照图1,2,3,4,8和9(通过选择电阻器40的值)。如图5所示,通过选择电阻器254的值,并且在图5中。如图6和7所示,通过选择电阻器270的值和电阻器64的参考电压的值)。

申请人'S器件还包括用于单独和连续地改变施加到每个单元的电流的装置。对于本领域技术人员来说,这是申请人的事实'S充电器单独地并连续地调节施加到每个单元的电流意味着,至少在任何特定小区的充电循环期间,提供给任何一个电池的电流将与提供给任何其他单元的电流不同。

该特征允许同时对电池的电池和/或初始充电状态同时再充电,而无需根据细胞的任何重组电流吸收能力。该特征允许每个单元收取其容量,而不需要通过此或任何其他单元的任何电流,以便将这种小区充电到其容量。

这种装置用于单独和连续地改变施加到每个单元的电流在图1和2中示出。在图1和2中,参照图1,2,3,4和8(参见控制电池的充电电流的比较器34)。如图5,6和7所示,每个分流调节器256仅限于其相关联的电池258的电压,并且在图1中。 9(比较器34限制任何和所有细胞可用的电压)。

申请人所知的最现有技术的电池充电器含有用于为在这种电池达到所需电压的情况下,即使在这种电池达到所需的电压之后也含有用于为电池充电的小的充电电流的装置。"high charge cutoff." This "trickle current"有两个功能。首先,它补偿了"local currents" or "自放电电流"在细胞内,因此提供容量维护。

在第二个地方,尽管细胞之间的容量变化,但是根据这些细胞受到该电流的重组吸收能力但已经以足够的充电状态不显着地,它慢慢完成每种细胞的100%的容量。吸收电流。

在申请人'通过比较,通过比较,所带电的任何特定小区已达到其最终允许电压,因此仅提供额外的电流才能提供,以便在所需的情况下保持该电压。当电池达到其所需电压时,提供了单独且独立地将电流变为零的装置。在一个实施例中,在25摄氏度下,电池的所需电压为约1.625至约1.630伏。

对于本领域技术人员显而易见的是,对于某些特定应用,基本设计的修改可能是有利的。

作为说明,在一个实施例中,在充电循环中相对较早的容量恢复速率通过施加短,相对高的反向电流脉冲而尖锐地突出。参见例如,参见图。 1,2和7。

此外,或另外,或另外,可以改善电池在排出状态下从过度放电或储存中恢复的能力,特别是在第一充电循环上。通过罕见的宽,相对低的电流放电脉冲可以稍微改善该特征,如图1和图2所示。 1,2和7。

如图1所示。如图8所示,可以在连续充电条件下为潜在的备用应用提供连续充电条件进行延长存活的充电时间。

这following examples are presented to illustrate the claimed design but are not to be deemed limitative thereof. Unless otherwise specified, all parts are by weight, and all temperatures are in degrees centigrade.

例1

图2的充电器电路。 1用于给一对AA Duracell碱性电池1.5伏电池充电。这些电池使用10欧姆的负荷排出,直到从它们中的每一个取出1.4安培的时间。此后,使用图1的电路。 1,它们独立充电,最大电流为200毫安,放电电流为40毫安,每个8.33毫秒间隔的放电持续时间为2毫秒,每30秒的长脉冲放电2.0秒。

电池再充电18小时,然后允许静置48小时。此后,将它们串联10欧姆负载串联,第二次达到总共1.0安培逐时移除容​​量和每块电池0.9伏的最终电压。然后再充电电池16小时(使用1.582伏的电压参考),然后在上述条件下排出。

在第三个循环中,将1.3个安培的时间除去1.9伏的最终组合电压。使用循环两种中使用的条件充电电池,然后再次排出,提供1.1安培的时间,以1.8伏的最终电压。重复充电,但参考电压移动到1.585伏特。

在排出号5中,所描述的条件使用,但仅提供950毫安的时间以1.8伏的截止值。再次使用1.585伏的参考电压再次进行充电。如上所述发生放电,但仅提供925毫安的时间以1.80伏的截止值。

此时,显而易见的是,参考电压太低。因此,将参考电压升至1.60伏特,并且电池被停放90小时,以达到平衡。下一个放电(循环七)产生1.18个安培的时间,并在1.615参考伏特重复再充电20小时。

这next discharge yielded only 925 milliamperes hours, to a cutoff voltage of 1.80 volts; and the reference voltage was raised to 1.63 volts for 20 hours recharge. In cycle 9, only 900 milliamperes hours were produced. The cells were returned to recharge at 1.630 volts for 72 hours.

应该注意的是,尽管这些细胞的能力明显下降,但这是一个奇异的残酷测试,因为基本上所有的可用容量都被撤回了每个循环,并且主要细胞的可充电能力仅为67其主要能力的百分比。

这early apparent excess capacity was probably provided by additional irreversible primary discharge. If the expected capacity of a 1.5 ampere-hour cell is nominally 1.0 ampere hour as a rechargeable, and one is still able to extract 90 percent of that capacity on the ninth recharge--discharge cycle, clearly something effective is happening.

例2.

单一,AA 1.5安培小时碱性电池,以名称销售"Duracell"通过Mallory Corporation,受到复杂和不同的测试序列。

初始放电用十欧姆电阻进行,仅取出675毫安的时间(约一半的标称容量),最终端电压为1.25伏。电池在1.582伏特直流下充电20小时,电流限值为150毫安。

在第二放电循环中,使用上述条件,将600毫安的时间撤出到1.212伏的端电压,如上所述重复再充电。

在第三个循环中,使用上述条件,再次撤出600毫安的时间,以1.223伏的结束电压,并如上所述重复再充电。

这fourth cycle was identical to the third, but the end voltage 1.189. The fifth cycle was substantially identical to the fourth, but the end voltage was 1.219 volts; and, in this cycle, recharge was continued for 72 hours.

已经清楚地明确说,浅层放电和谨慎的充电没有提供显着的老化率。因此,条件急剧变化。

在循环六,排放量为1.294伏的端电压产生600毫安的小时,允许负载再保持20小时,以达到0.078伏直流的深度放电端电压。然后使用上述条件对细胞再充电24小时。

这seventh discharge cycle produced only 650 milliamperes hours to an end voltage of 0.90 volts. The observed capacity of the cell had been reduced to less than half of its nominal value.

这cell was then recharged, as described above. Then it was connected to the charging device shown in FIG. 1 and utilized in Example 1; and it was allowed to charge for an additional 24 hours.

然后用5.0欧姆负荷(更严重的放电,但严重程度相等地运行排出循环8,但是对于实施例1中使用的放电条件等于)。排放循环八个八个小时达到0.9伏的终点。基本上大部分电池容量已经通过单个脉冲放电时段回收。

在放电号码八时,电池基本上如上所述返回到直线直流充电,除了使用的充电电压为1.60伏特。电池充电72小时。

在放电循环9中,基本上重复放电循环8的步骤; 1.1安培的时间被交付到0.918伏的最终电压。将充电电压升至1.615伏,再充电36小时。

在排放循环10中,提供了900毫安的时间,以0.9伏特截止值。充电是1.630伏特,持续20小时。

在放电循环11中,使用循环8,9和10的条件用于放电。截止值为0.9伏特,只有650毫安的时间。从该数据出现,直接电流再充电在循环深度放电面前不节省电池容量。

例3.

在这个例子中,测试了两种老年RAM(可恢复碱性锰)细胞。这些细胞最初是从加拿大安大略省Mississauga的电池技术公司公司获得的。他们使用不同的方案年迈。其中一种细胞大量排出,然后储存30天。将其他细胞以带电条件储存30天。

最初,使用1.65伏直流脉冲48小时的每种电池充电;脉冲持续约6毫秒,然后关闭约2毫秒。

在10欧姆负荷下,这些细胞的初始能力为放电储存单元的650毫安的时间("sleepy cell"),普通RAM电池为870毫安的时间。在图1的装置中同时补充这些细胞中的每一个。如图1所示,使用实施例1中描述的条件,除了使用的参考电压为1.65伏。

在第二个循环中,如上所述放电细胞;它们分别被击落至840〜870毫安的时间,分别为困测单元和正常电池,分别为1.10和1.15伏的末端电压。然后根据上述脉冲程序将这些细胞再充电至20小时。

这cells were discharged as described above, and they provided only 600 and 650 milliampere hours to cutoff voltages of 0.929 and 1.005 volts, respectively. It was believed that a prolonged power outage occurred during this recharging cycle.

根据上述脉冲程序,重复再充电72小时。然后将细胞用10-欧姆电阻器完全排出24小时,以远低于0.1伏的每种细胞。

这cells were then recharged for 48 hours using the charger of FIG. 1. The next discharge was run with 5-ohm resistors, providing a severe test. The sleepy cell provided 1.1 ampere hours to a cutoff voltage of 0.94 volts; the normal cell provided only 0.9 ampere hours to a cutoff voltage of 0.83 volts.

似乎循环历史较长的正常细胞最终遭受不可逆转的能力下降。在其历史中具有较少循环的困倦单元,在双脉冲环境下恢复得很好。

应当理解,上述描述仅是说明性的,并且可以在设备中,在成分及其比例中以及在组合和处理步骤顺序中以及在本文讨论的设计的其他方面中进行改变。 ,在不脱离所附权利要求中定义的设计范围的情况下。

因此,例如,本领域技术人员显而易见的是,申请人的参数'S电池充电器基于目前使用的碱性电池的材料,结构和化学。如果这些材料和/或构建和/或化学改变,则显然这些参数也会受到影响。

这种新参数在这种设计的精神和范围内。


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