專利名稱：電池充電器的制作方法
本申請的對應(yīng)美國申請為申請人1992年1月27日提交的美國專利申請07/826，002號共同未決專利申請之部分繼續(xù)申請。
本發(fā)明公開了一種適用于充電傳統(tǒng)的堿錳原電池的電池充電器。
電池制造商經(jīng)常勸阻再充電原電池。從而，例如在一本名為“常備電池工程數(shù)據(jù)”(EvereadyBatteryEngineeringData)(聯(lián)合碳化物公司，紐約，1968)的出版物的第二頁上，提出了這樣的警告“如果‘EVEREADY’原電池受到任何形式的再充電，則所有保證…都將無效與作廢。注意第23頁上的討論”該聯(lián)合碳化物公司的出版物第23頁公開了在一定限制條件下，原電池可以充電。引用了國家標(biāo)準(zhǔn)局的條文(傳閱函件LC965)，該出版物申明說“雖然干電池在標(biāo)稱上認(rèn)為是一種原電池，但在一定條件下它可再充電有限次數(shù)。1、當(dāng)從使用中取出電池充電時(shí)，放電的工作電壓不應(yīng)低于每一電池1.0伏。2、電池從使用中取出后應(yīng)立即充電。3、再充電的安培小時(shí)應(yīng)為放電的120%-180%。4，充電率應(yīng)低到足以分布在12-16小時(shí)的再充電時(shí)間上。5，由于再充電的電池儲存期限不長，充電后應(yīng)立即投入使用”。
正如該聯(lián)合碳化物公司的出版物所公開的，再充電原電池的先有技術(shù)方法是沒有吸引力的。首先，1.0伏以上的放電工作電壓嚴(yán)重地限制了能從電池中抽取的可利用能量，只表示淺層放電。第二，將一個(gè)電池從使用中取出后立即進(jìn)行充電不是經(jīng)常能夠做到的。第三，電池的最終用戶通常不愿意用16小時(shí)的長時(shí)間來再充電一個(gè)電池而希望較短的再充電周期。第四，用先有工藝產(chǎn)生的再充電電池具有短的儲存期限。
本發(fā)明的一個(gè)目的為提供一種用于再充電原電池的電池充電器，它容許放電工作電壓顯著低于1.0伏。
本發(fā)明的另一目的為提供一種用于再充電原電池的電池充電器，它使延時(shí)再充電的反作用為最小。
本發(fā)明的又一個(gè)目的為提供一種電池充電器，它能在短到大約8小時(shí)中有效地再充電一個(gè)原電池。
本發(fā)明的又一個(gè)目的為提供一種電池充電器，它將提供具有顯著增進(jìn)的儲存期間的再充電原電池。
本發(fā)明的又一個(gè)目的為提供一種適用于再充電可再充電的堿錳(“RAM”)電池的電池充電器。
本發(fā)明的又一個(gè)目的為提供一種適用于再充電可再充電的鎳鎘電池以及常用的碳鋅電池的電池充電器。
本發(fā)明的又一個(gè)目的為提供一種適用于再充電鋰亞硫酰氯電池的電池充電器。
本發(fā)明的又一個(gè)目的為提供一種適用于再充電鋰硫電池的電池充電器。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種電池充電器，它包括用具有指定的電流與電壓值范圍的直流電單獨(dú)充電多個(gè)電池中各個(gè)電池的裝置，用于獨(dú)立控制作用在所述電池中各個(gè)電池上的直流電的裝置，以及用于向所述電池中的各個(gè)電池提供不同的電荷量的裝置。
當(dāng)結(jié)合附圖對照閱讀下述詳細(xì)說明時(shí)，將會更全面地理解本發(fā)明，在附圖中，相同的參照數(shù)字指明相同的元件，其中
圖1為利用雙脈沖反向電流圖樣的本發(fā)明的電池充電器的一個(gè)較佳實(shí)施例的示意圖;
圖2為利用雙脈沖反向電流圖樣的本發(fā)明的另一種較佳電池充電器的示意圖;
圖3為本發(fā)明的另一種較佳電池充電器的示意圖;
圖4為圖3的電池充電器的改進(jìn)型的示意圖;
圖5為適用于以獨(dú)立分路調(diào)整充電一系列連接的電池組的電池充電器的示意圖;
圖6為圖5的電池充電器的改進(jìn)型的示意圖;
圖7為圖6的電池充電器的改進(jìn)型的示意圖;
圖8為分路調(diào)整的電池充電器的示意圖;
圖9為本發(fā)明的范圍內(nèi)的另一種較佳電池充電充器的示意圖。
在一個(gè)示例性較佳實(shí)施例中，本發(fā)明的電池充電器是用于充電原鋅二氧化錳電池的。正如熟悉本技術(shù)的人員所知的，這些原鋅二氧化錳電池通常被認(rèn)為是不能再充電的，由于它們不受到達(dá)不可逆化學(xué)狀態(tài)的保護(hù)，最好在用盡它們的能量后便將它們拋棄。
對于熟悉本技術(shù)的人員而言，這些鋅二氧化錳原電池是熟知為“干電池”、“高功率干電池”與“堿性原電池”的;并且它們是很容易購得的。從而，作為示例而不是限制，并參照Newark電子產(chǎn)品目錄110號(NewarkElectronics，芝加哥，伊利諾州，1989)，人人都可購買EvereadyEN91堿性電池(見562頁)、Eveready101-5鋅碳電池(見562頁)、EvereadyEV15工業(yè)通用鋅碳電池(見562頁)、EvereadyEV115工業(yè)高功率鋅碳電池(562頁)、DuracellMN1500堿性電池(564頁)以及諸如此類。
作為示例，干電池可以是一種鋅-氯化銨-二氧化錳碳系統(tǒng);例如見CharlesMantell的“電池與能量系統(tǒng)”(Batteries&EnergySystem)(McGraw-Rill公司，紐約，1983)第34-54頁。從而，例如該干電池也可以是鋅-堿-二氧化錳原電池(見Mantell書的55-67頁)，或者一種高功率“干電池”(見Mantell書的70頁)，及諸如此類。
在一個(gè)較佳實(shí)施例中，用于申請人的過程中的電池最好是一個(gè)堿性二氧化錳原電池。作為示例，這種電池之一是4，857，424號美國專利中所公開的，在本說明書中引入這一專利的公開作為參照。在本節(jié)的其余部分中，將參照過程對照這種電池的使用，應(yīng)當(dāng)理解本過程也能應(yīng)用于其它鋅碳電池。
本申請人發(fā)明的充電器能再充電一個(gè)已經(jīng)放電到一個(gè)較小程度或者較大程度的電池;并且此外，它也能再充電一個(gè)并不是從使用中取出后立即投入充電的電池(當(dāng)涉及鎳鎘電池時(shí)，它通常稱作“睡眠的電池”或“具有記憶效應(yīng)的電池”)。從而，申請人的充電器是顯著地較上述國家標(biāo)準(zhǔn)局傳閱函件中所描述的充電器更為萬能的;并且由申請人的充電器所產(chǎn)生的充電的電池比先有技術(shù)充電器所產(chǎn)生的電池有顯著地增進(jìn)了的儲存壽命。
本發(fā)明的反向脈沖充電器下面所描述的申請人的發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該電池充電器既向被充電的電池提供一個(gè)長的反向脈沖并且還向其提供一個(gè)短的反向脈沖。
將放電后的電池連接到申請人的電池充電器上，在本說明書中隨處都提到該充電器。此后，在過程的第一步中，將多個(gè)充電脈沖提供給電池。
將一個(gè)電流脈沖源連接到一個(gè)開關(guān)裝置上，再將后者連接到電池上。開關(guān)裝置根據(jù)當(dāng)時(shí)電池的電氣狀態(tài)有選擇地將一個(gè)特定的電流脈沖供給待充電的電池。
申請人的充電器的這一實(shí)施例中所使用的電流脈沖最好是具有至少大約1毫秒的周期的直流脈沖，并且最好從大約1至大約8毫秒，如最好從通常的交流電源中方便地獲得的。直流脈沖以具有大約5至大約7毫秒的周期為佳，并且最好是大約6毫秒。然而，正如熟悉本技術(shù)的人員所明了的，也可使用提供顯著地較長的脈沖選擇的濾波電源。
電流脈沖將具有不超過大約40%電池的原始容量的平均值，并且更好是從大約9%至大約20%電池的原始容量。電池的原始容量便是制造商給予這種電池的電流額定值。從而，例如AA堿性電池在8小時(shí)額定值上額定為1.5安培小時(shí);而用于再充電這一電池的脈沖通常應(yīng)不大于大約200毫安的平均值。
在申請人的發(fā)明的充電器的這一實(shí)施例中，設(shè)置了用于判定是否需要將特定的直流脈沖通過開關(guān)裝置發(fā)送到電池的裝置。該判定裝置測定電池電壓的儲存值并隨后在放電周期(下面討論)中的一個(gè)指定的時(shí)間點(diǎn)上將其與一個(gè)參照電壓進(jìn)行比較。如果電池電壓的儲存值低于該參照電壓，則將電流脈沖發(fā)送給電池。如果電池電壓的儲存值高于該參照電壓，則不將電流脈沖發(fā)送給電池。
電池的參照電壓是充電電池所要求的最終電壓;這是以從大約-0.07%至-0.13%每攝氏度的一個(gè)近似的負(fù)溫度系數(shù)規(guī)定在25攝氏度上的。因此，對于一個(gè)二氧化錳原堿性電池，參照電壓至少大約為1.585伏，而最好為從大約1.60伏至大約1.65伏;在一個(gè)實(shí)施例中，這一參照電壓在25攝氏度為1.62伏。
在申請人的充電器的這一實(shí)施例中，對于一個(gè)堿性電池而言，參照電壓無論如何不超過1.7伏。當(dāng)將這一過程用于鉛酸蓄電池時(shí)，參照電壓極限為每一電池2.45伏。當(dāng)將這一過程用于一個(gè)RAM電池時(shí)，參照電壓極限為每一電池1.7伏。當(dāng)將這一過程用于一個(gè)鎳鎘電池時(shí)，參照電壓極限為每一電池1.42伏，在這一情況中，它表示電流限制的與恒定電流充電之間的過渡電壓。通常參照電壓不得超過電池的長期安全浮動電壓。
在圖1所示的一個(gè)較佳實(shí)施例中，如果電池不能接收與傳導(dǎo)由開關(guān)裝置從可利用的電源電壓向其發(fā)送的一個(gè)電流脈沖，則對電池設(shè)置了一條小的附加的電流路徑供給兩倍電源電壓。不希望受任何特殊理論的約束，申請人深信這一附加的電流源保證了經(jīng)受長期放電存儲后的電池的初始可充電性。正如熟悉本技術(shù)的人員所明了的，放電后經(jīng)過長期存放的鉛電池通常是抗拒初始充電的。
在申請人的充電器的這一實(shí)施例中，除了選擇性地向待充電的電池提供周期性的直流脈沖以外，電池是周期性地放電的。周期性地從電池抽取直流脈沖。這些脈沖具有從大約5%至大約35%的直流充電脈沖的周期;并且它們在放電時(shí)還具有從大約10%至大約25%的從充電脈沖得到的平均電流值的一個(gè)電流值。因此，作為示例，對于一個(gè)以60赫茲電源計(jì)時(shí)的系統(tǒng)，它將為大約6毫秒的范圍內(nèi)的充電脈沖提供大約200毫安的一個(gè)平均電流值，放電脈沖通常最好具有大約1.0至大約1.5毫秒的周期以及具有以120赫茲重復(fù)率的大約40毫安的一個(gè)瞬時(shí)電流值。
一般，放電脈沖表示大約3%至8%可利用的充電器能量的損失。
除了提供短充電脈沖及從電池抽取更短的放電脈沖之外，申請人的發(fā)明的這一實(shí)施例的充電器還周期性地中止充電過程并提供從電池連續(xù)放電一段較長的時(shí)間間隔。
“連續(xù)”放電脈沖的延續(xù)時(shí)間至少大約為0.5秒，最好是至少大約1.0秒。
在長脈沖放電中抽取的電流值通常為大約10%至大約25%的從充電脈沖中得到的平均電流值。在圖1所示的一個(gè)實(shí)施例中，長放電脈沖的電流值基本上等于短放電脈沖的電流值。在這一實(shí)施例中，可利用共用的放電部件。
最好是大約2%至大約15%的總充電時(shí)間由周期性長放電脈沖表示。從而，作為示例，當(dāng)長脈沖放電具有大約2秒的延續(xù)時(shí)間時(shí)，長脈沖之間的時(shí)間大約為30秒。
通常，當(dāng)將圖1的充電器用于堿性電池、鎳鎘電池、以及RAM電池時(shí)，長脈沖之間的時(shí)間最好是大約10秒至大約60秒;用于鎳鎘電池與RAM電池時(shí)，可使用與堿性電池所使用的類似的脈沖圖樣。作為比較，用于鉛酸蓄電池時(shí)，長脈沖的延續(xù)時(shí)間是大約15至大約30秒，并且長脈沖間的時(shí)間大約從15至大約30秒，并且長脈沖間的時(shí)間大約從1.5分至大約5分鐘。
不受任何特定理論的制約，申請人深信采用短脈沖圖樣及得到的超越初始接收級(在堿性電池中通常40%)的充電接收改進(jìn)，結(jié)合長脈沖圖樣(它使深度放電或連續(xù)再充電后放電存放的電池能夠增進(jìn)電池容量的恢復(fù))使適當(dāng)?shù)碾姵靥幚沓蔀榭赡埽鵁o須偏移超出電池的安全浮動電壓極限并且不需要用于這種操作方式所需的龐大硬件。
在圖1所示的申請人的充電器的實(shí)施例中，設(shè)置了用于在每當(dāng)放電中止時(shí)的時(shí)間點(diǎn)上測定并存儲電池的電壓值的裝置。在時(shí)間中這一點(diǎn)上，有關(guān)電池電壓的信息被一個(gè)比較器用來判定它是否超過參照電壓。如上面所指出的，當(dāng)放電中止時(shí)的電池電壓超過參照電壓時(shí)，則不向電池發(fā)送電流脈沖(但不論電池存儲電壓的值為多大放電脈沖仍按時(shí)間表從電池抽取)。反之，當(dāng)存儲的電池電壓小于參照電壓時(shí)，則容許電流脈沖流向電池。
圖1為申請人的發(fā)明的電池充電器10的一個(gè)較佳實(shí)施例的示意圖。圖1的實(shí)施例適用于獨(dú)立地充電兩個(gè)堿性電池。熟悉本技術(shù)的人員應(yīng)能明了，當(dāng)電池充電器10被用于其它種類的電池(諸如鉛酸電池)時(shí)，電路必須提供不同的時(shí)間常數(shù)與電流值。
參見圖1，一個(gè)堿性電池可連接在點(diǎn)12與公用母線14之間，而另一個(gè)堿性電池則可連接在點(diǎn)16與公用母線14之間。對于熟悉本技術(shù)的人員而言應(yīng)能理解，可以設(shè)計(jì)出適用于充電4、8、20或任意個(gè)所要求的數(shù)目的電池的類似電路。
再參見圖1，交流電最好通過電源變壓器18提供給二極管20、22、24與26。在一個(gè)實(shí)施例中，交流電為標(biāo)準(zhǔn)的120伏/60赫茲市電。在另一個(gè)實(shí)施例中，交流電是傳統(tǒng)的220伏/50赫茲市電。也可使用其它的交流電源。
提供給二極管20與22的交流電受到整流。將這樣產(chǎn)生的直流電連接到公用母線14。電源正母線28是取自變壓器18的次級繞組的中心抽頭30的。
二極管24與26向母線32提供一個(gè)整流的正電壓，該電壓大約為母線28上的電壓的兩倍。母線32上的正電壓可用于為比較器34與36加電并為通過電阻器38與40提供的電阻電池故障電壓提供電源。
如說明書中所指出的，如果連接在母線14與點(diǎn)12或16中之一間的一個(gè)電池不能導(dǎo)通，則電阻器38和/或40將通過反向隔離二極管42或44從母線32向不導(dǎo)電的電池提供電壓。通常，這一增加的電壓是足以啟動抗拒電池接受充電的。
電路還提供了用于將兩個(gè)電池之一的電壓與一個(gè)參照電壓進(jìn)行比較的裝置，該參照電壓是從由元件46至68構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)得到的。在圖1所示的實(shí)施例中，這一裝置由通過隔離二極管46(它作為一個(gè)反向放電隔離器工作)的母線32以及至齊納二極管50的電流限制電阻器68供給電流;這一電流由電容器52濾波。齊納二極管通常具有大約5伏的擊穿電壓以為數(shù)字集成電路70、72與74提供適當(dāng)?shù)碾娫措妷翰橛稍?4至68構(gòu)成的第二階段穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定良好的零溫度系數(shù)源。來自由元件50與52所提供的電壓的電流流自串聯(lián)的電阻器54與56并流經(jīng)與它們串聯(lián)的二極管58與60。二極管58與60提供一次級穩(wěn)壓器來協(xié)助保證最小的線路電壓波動，并且它們提供一個(gè)大的負(fù)溫度系數(shù)。從而，通過選擇電阻器54與56之間的關(guān)系，可選擇一個(gè)理想的溫度系數(shù)。
電阻器54與56的結(jié)點(diǎn)76是串聯(lián)的電阻器62、64與66的電流源，其中可變電阻器64作為電壓參照調(diào)整工作。電容器68作為參照電壓的一個(gè)次級濾波器。
參照電壓是在下面要描述的定時(shí)電路的控制下通過晶體管開關(guān)78發(fā)送到比較器34與36的。
點(diǎn)12與16上的電池電壓分別由晶體管開關(guān)84與86跟蹤并存儲在電容器80與82中，這兩個(gè)電容器是連接到比較器34與36的反相輸入端上的。在所示的實(shí)施例中，晶體管84與86是受通過電阻器88與90的比較器34與36的輸出控制的，從而，當(dāng)主電池脈沖充電晶體管開關(guān)92與94釋放時(shí)，晶體管84與86自動連通。
對電池的主充電電流脈沖是通過電流限制電阻器96與98提供的，后者被發(fā)光二極管100與102分路，而發(fā)光二極管又受保護(hù)電阻器104與106的電流限制;并且它們作為充電活動顯示器工作。
當(dāng)晶體管開關(guān)116導(dǎo)通時(shí)，來自連接在點(diǎn)12與16的電池的放電脈沖流經(jīng)隔離二極管108與110，以及放電電流控制電阻器112與114。當(dāng)晶體管118通過電阻器124將晶體管開關(guān)116導(dǎo)通時(shí)或者晶體管120容許電流流經(jīng)電阻器140與二極管126時(shí)，晶體管開關(guān)116便被導(dǎo)通。每當(dāng)母線32正到足夠大來通過電阻器122為晶體管120加電時(shí)，晶體管120通過將其分流到公用母線14來防止流經(jīng)電阻器140的電流到達(dá)晶體管116。換言之，晶體管120作為一個(gè)晶體管116的過零啟動開關(guān)來提供通過電阻器112與114的短放電脈沖。
當(dāng)觸發(fā)器70接通時(shí)(二進(jìn)制1)由功率晶體管116通過來自晶體管118的電阻器124提供兩秒放電脈沖。此時(shí)，觸發(fā)器70還斷開從非反相輸入端到比較器34與36的電壓參照開關(guān)78。
附加觸發(fā)器72是不使用的，并且其輸入端是適當(dāng)?shù)剡B接到公用負(fù)母線14上的，以防止包含觸發(fā)器70的這一半未使用的集成電路中的噪聲響應(yīng)。
觸發(fā)器70受到12位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74的控制，當(dāng)計(jì)數(shù)器74的輸出Q12過渡到正時(shí)它被導(dǎo)通，而當(dāng)計(jì)數(shù)器74的輸出Q9成為正時(shí)它被截止。從而，觸發(fā)器70只從Q12的正邊緣開始到Q9的下一次正輸出之間導(dǎo)通(大約15%的時(shí)間)。
計(jì)數(shù)器Q12每秒計(jì)數(shù)120個(gè)從母線通過連接到其時(shí)鐘輸入端上的電阻器130、二極管134及電阻器136發(fā)送的脈沖(在60赫茲電源的情況中)。為了防止過高的電壓作用在計(jì)數(shù)器74的時(shí)鐘輸入端上，電阻器130與二極管134之間的結(jié)點(diǎn)138通過箝位二極管132箱位在正5伏電源線上。
作為示例而非限制，下面建議在裝置10中采用某些傳統(tǒng)的與隨處可得到的部件。然而，熟悉本技術(shù)的人員應(yīng)能理解，其它相似的可購得的部件可用以代替所描述的部件而無實(shí)質(zhì)性不良影響。
除了電阻器96與98(它們是2.0瓦電阻器，如一線繞的、金屬膜或碳膜2.0瓦電阻器)之外，裝置裝置10中的所有電阻器最好都是可以買到的碳膜電阻器。
裝置10中的各個(gè)二極管最好是1N4001二極管或者類似的二極管。齊納二極管50最好應(yīng)為1N4733A或類似的齊納二級管。發(fā)光二極管100與102最好根據(jù)它們的外觀選擇。
PNP晶體管84與86最好是2N4403晶體管或者任何與之略為相似的晶體管。NPN晶體管92、94、116、118、120與78最好是2N4401晶體管或任何相似的晶體管。
比較器34與36可以是一個(gè)LM358集成電路的兩半，或者可以是任何雙運(yùn)算放大器諸如1458。另一方面，比較器34與36當(dāng)與其它比較器一起用于較大的系統(tǒng)中時(shí)，可以是一個(gè)LN324四運(yùn)算放大器(或類似器件)的一部分。
觸發(fā)器70與72是標(biāo)出為對應(yīng)于CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)部件4013的管腳布置的。二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74是示出為CMOS部件4040的。
濾波電容器52與68為典型的小型電解容器。信息存儲電容器80與82最好是固體電解質(zhì)鉭單元。
對于為同時(shí)充電不多于4個(gè)AA型號電池而設(shè)計(jì)的一個(gè)系統(tǒng)，變壓器18最好應(yīng)為具有10.8伏中心抽頭開路的次級電壓的兩半鐵芯的中等質(zhì)量(M19)的降壓變壓器。
對于要求較大容量的一個(gè)系統(tǒng)(或者較多的電池，或者較大的電池)，需要較大的變壓器芯來提供所需的功率。除非電池但要求串聯(lián)充電，電壓無需增高。
圖1所示的充電器可用于再充電可再充電的堿錳電池。正如熟悉本技術(shù)者所知的，可再充電的堿錳電池當(dāng)前可從加拿大安大略省的電池技術(shù)公司Missasauga公司購得(作為“RAM”電池)。這些RAM電池是專門為再充電設(shè)計(jì)的，而其顯著地增進(jìn)了的生命周期則是通過改進(jìn)了原堿性電池的某些特性而得到的。
這些電池的低溫工作、峰值充電與放電電流、以及總?cè)萘枯^其原電池對應(yīng)物有所減小。
在本發(fā)明的過程中，如果用于RAM電池，則無須對充電器10作較大變動。然而，用于這些電池的參照電壓則推薦為1.65伏，而對于這一系統(tǒng)為之設(shè)計(jì)的原電池則在1.625伏上提供改進(jìn)的電荷存儲密封壽命。
圖1所示的電池充電器也可用于再充電鉛酸電池。這些鉛酸電池對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是熟知的，并且在Mantell書中第142-187頁有所描述。這些電池可作為單個(gè)電池得到，但通常是作為多單元預(yù)組裝電池供應(yīng)的。雖然半密封的液體電解質(zhì)電池仍然隨處可得，但密封的鉛酸(SLA)電池已日漸成為市場中不斷增加的部分，既作為溢流電池(通常用于汽車)又作為饑鋨的(starved)(重組體)或膠質(zhì)電池，通常用于工業(yè)應(yīng)用。一種適用于這些應(yīng)用的典型電池充電器可設(shè)計(jì)成用于多電池串聯(lián)配置，最常用的為6與12伏額定電壓(即，3電池與6電池組)。圖1中所示的相同結(jié)構(gòu)所用的一組適當(dāng)?shù)某?shù)為每一電池的參照電壓2.3伏、平均可利用充電電流約1%至50%額定安培小時(shí)容量、與用于堿性電池差不多的充電抽取比、以及非常長的時(shí)間常數(shù)(如在本說明書中別處所討論的)。
圖1中所示的電池充電器也可用于再充電鎳鎘或鎳氫化物電池。這些電池與前面討論的所有電池在它們的充電要求上有根本性的差別。它們是為恒流重組體后備服務(wù)而設(shè)計(jì)的。雖然有許多方案可用于改進(jìn)可再充電性，通常稱作時(shí)間增量(delta-T)，或電壓增量(delta-V)系統(tǒng)，這些方法通常是有點(diǎn)技巧的并要求電池與充電器設(shè)計(jì)成一體化。在申請人的系統(tǒng)中，對于改進(jìn)的鎳鎘性能而非鋅/二氧化錳性能，裝置10的提供恒定電流來代替周期中的不充電部分(當(dāng)比較器指示電壓超過參照電壓時(shí))的一種改型在25攝氏度上在參照電壓設(shè)定為大約1.42伏每一電池及帶有一個(gè)0.1%每攝氏度的負(fù)溫度系數(shù)時(shí)能夠非常有效地工作。對于完全傳統(tǒng)的電池，充電電流可高達(dá)電池的額定安培容量的兩倍，不需要快速充電特殊結(jié)構(gòu)電池的高溫。當(dāng)采樣的電壓超過參照電壓時(shí)，大約為安培小時(shí)容量的10%的一個(gè)電流通常是合適的。
另一種雙脈沖反向電流充電器雙脈沖反向電流充電器的另一個(gè)實(shí)施例示出在圖2中。參見圖2，可看到電池充電器150包括主變壓器18，它在一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷荷蠟閱蝹€(gè)電池(未示出)提供電能，電池可連接在正接線端154與負(fù)接線端156之間。通常，變壓器電壓最好在約11伏至約12伏之間的中心抽頭RMS(均方根)。
圖2的電路在許多方面與圖1中所示的電路非常相似，并且它們共有許多共同的電路元件。然而，在下述方面它們是不同的。
再參見圖2，定時(shí)電路158是用一個(gè)4060集成電路實(shí)現(xiàn)的，它向CMOS開關(guān)162提供樣本選通脈沖，通常開關(guān)162可以是4066集成電路的一個(gè)部分，而樣本選通脈沖則是通過以一個(gè)其RC值等于電容器166與電阻器168的乘積的時(shí)間常數(shù)求出4060集成電路的輸入反相器164的輸出的微分而提供的。這出現(xiàn)在170處的反相(正)脈沖的前沿與電源變號點(diǎn)同步時(shí)。
“短高電流”放電脈沖是由同一脈沖生成的，但帶有等于電容器172與電阻器174的乘積的延時(shí)，并由晶體管176與178放大。這些晶體管通常是2N4401NPN晶體管，后者又為PNP晶體管180(它可以是型號2N4403)供電并從而將電阻器182通過晶體管180連接到接線端156。
通過電阻器182的電流將等于充電中的電池(未示出)的電壓減去晶體管180的基極發(fā)射極電壓降除以電阻器182的值。這一放電事件的延續(xù)時(shí)間將等于點(diǎn)170上的正脈沖的延續(xù)時(shí)間減去時(shí)間常數(shù)172-174所引起的延時(shí)，這是由于脈沖的尾部將迅速地通過二極管184提供。當(dāng)級Q14的輸出186通過電阻器188作用在NPN晶體管190(它可以是一個(gè)2N4401)上時(shí)，相同的事件歷程大約每分鐘發(fā)生一次。然而，與經(jīng)由晶體管178驅(qū)動的效果相比，二極管192的額外二極管電壓降將會減少跨越電阻器182的電壓大約600毫伏。從而，由這一路徑排出的放電電流粗略地等于前面所述的快速脈沖所取走的一半。脈沖的延續(xù)時(shí)間可通過選擇用于經(jīng)由電阻器196復(fù)位IC(集成電路)158的輸出194來設(shè)定。二極管198箝位復(fù)位200直到Q14的輸出186成為正的;然后在輸出194隨即成為正的時(shí)出現(xiàn)復(fù)位。因此，長脈沖的延續(xù)時(shí)間可以通過選擇適當(dāng)?shù)膹?fù)位輸出源(圖2中的Q9)來選定，它提供大約2秒鐘。
在圖2的電池充電器150中，充電電流是受電阻器40控制的。雖然在這一實(shí)施例中未示出高壓注入器，但熟悉本技術(shù)的人員應(yīng)能理解這種注入是可以使用的。
電池充電器的另一個(gè)實(shí)施例圖3示出申請人的發(fā)明范圍內(nèi)的另一個(gè)較佳電池充電器210。如從圖3中所見，電源變壓器18提供適當(dāng)電壓的(在大約11伏至大約12伏中心抽頭r.m.s.的范圍內(nèi))電力用于充電連接在接線端154與156之間的單個(gè)電池。二極管20與22以及變壓器18的次級繞組的中心抽頭30通過電流控制電阻器49(在本例中大約6歐姆，并受串聯(lián)開關(guān)92(2N4401或類似的晶體管)控制)提供電流。與電阻器104串聯(lián)的一個(gè)發(fā)光二極管100作為顯示電阻器40中的“活動”的一個(gè)“指示燈”工作。
晶體管92是受比較器34的輸出控制的，它可以是一個(gè)廉價(jià)的運(yùn)算放大器(諸如LM358(雙)或LM324(四))的輸出。比較器34響應(yīng)作用在其反相輸入端(一)上的電池電壓與作用在非反相輸入端(+)上的一個(gè)參照電壓之間的差。只要電池電壓低于參照電壓，比較器輸出為高電平，導(dǎo)通晶體管92并容許充電電流經(jīng)電阻器40。一旦電池電壓等于參照電壓，比較器34將限制基極電流進(jìn)入晶體管92以及充電電流進(jìn)入正在充電的電池。
參照電壓是從一個(gè)連接到穩(wěn)壓源50的分壓器62、64、66得到的。二極管24與26通過電流控制電阻器48為齊納二極管50供電。從二極管24與26得到的較高電壓(與中心抽頭相比)加寬了這一不濾波的經(jīng)濟(jì)與可靠的系統(tǒng)中的二極管50的“導(dǎo)電”角。二極管24與26還向比較器34供電，保證廉價(jià)的運(yùn)算放大器對飽和晶體管92的足夠“輸出擺幅”。
對這一系統(tǒng)有若干限制。二極管50可選擇(一低壓齊納管)為具有幾乎所需要的負(fù)溫度系數(shù)的。不幸的是，正如熟悉本技術(shù)的人員所知的，低壓齊納二極管具有相對地差的動態(tài)電阻值并且線路電壓變化會產(chǎn)生不能接受的參照電壓變化。從而，二極管50最好應(yīng)是一低阻抗器件(在5伏的范圍內(nèi)，具有相當(dāng)大的工作電流，大概50毫安，來防止廉價(jià)器件中經(jīng)常出現(xiàn)的“曲線緩變彎折處”)。不幸的是，在這一電壓范圍內(nèi)，溫度系數(shù)通常接近零，這一問題由圖4的電路論述。
一種改進(jìn)的電池充電器圖4是圖3的電池充電器的改進(jìn)型。參見圖4，可以看出電池充電器220提供了具有某些優(yōu)點(diǎn)的一種參照電壓源。二極管50為一個(gè)諸如1N4733A型的二極管，它向串聯(lián)的電阻器54與56及二極管58與60提供一個(gè)穩(wěn)定(但近似零溫度系數(shù))的電壓源，其中的二極管58與60是傳統(tǒng)的、正向編置的硅二極管(諸如1N4001)，它呈出大的負(fù)溫度系數(shù)并且同時(shí)提供更高的穩(wěn)壓性。從而，電阻器54/56之比為溫度系數(shù)從接近零(當(dāng)電阻器54接近零時(shí))到極度負(fù)值(當(dāng)電阻器56減小時(shí))提供了一種選擇機(jī)制(為了簡單起見，電阻器62、64與66是假定為大的)。電阻器62是選擇為將電阻器64定心在所述要求的參照電壓上，而電阻器62與66則設(shè)定電阻器64的調(diào)節(jié)“跨度”。
電阻器212在這一非濾波系統(tǒng)中作為一個(gè)電流限制器與安全電阻器(對抗比較器34的故障)工作，在這一系統(tǒng)中向比較器34及與供給電阻器40、晶體管92等的充電器電力同步的參照電壓網(wǎng)絡(luò)提供每秒120次電力(對于60赫茲市電)。從而，該系統(tǒng)能在(如果需要)不增加不濾波電容器(能量存儲)的情況下進(jìn)行充電，從而節(jié)省了成本并提高了可靠性。
如果充電時(shí)間是重要的，則這一設(shè)計(jì)的一個(gè)缺點(diǎn)是直接將電池電壓與具有非恒定充電電流的一個(gè)系統(tǒng)中的參照電壓相比較(該充電電流每秒在電源正弦波的波峰上峰化120次)。每一個(gè)電流波峰產(chǎn)生一個(gè)等于“真實(shí)的”電池電壓加上內(nèi)阻乘瞬時(shí)充電電流的電流值(IR)的電池電壓波峰。因此，當(dāng)電池接近完全充電時(shí)，“峰值”電壓將在電池完全充電之前超出參照電壓，而比較器34則對此作出反應(yīng)減少驅(qū)動晶體管92，從而在正弦波電壓的波峰附近減少到達(dá)電池的電流。這在接近充電尾聲時(shí)會減少充電率并延長充電時(shí)間。
再參見圖4，假定功率部件是適當(dāng)?shù)囟?biāo)的，則二極管100與電阻器104右側(cè)部分可以重復(fù)任意次對任何要求的數(shù)目的電池提供同時(shí)的、獨(dú)立控制的充電作業(yè)。
這樣，圖4便示出了圖3的配置的一種簡單的改型，它部分地克服了上面通過增加電容器80所討論的“人為的”速率限制。如果電阻器212與電容器80的乘積與電源半周期(在這一實(shí)例中為8.33毫秒)相比是長的，則將“平均”電池電壓與參照電壓進(jìn)行比較。
圖5中所示的電池充電器表示電池充電的另一種方法。對一個(gè)串聯(lián)的電池258的串(即，由多個(gè)串聯(lián)的單元組成的一個(gè)電池)供給來自電源變壓器18、整流二極管24與26、以及電阻器254的公用電流。發(fā)光二極管250(其過量電流由電阻器252分路)只是一個(gè)方便的“電源”指示燈。
各電池258由一個(gè)示出在圖5的左下方的網(wǎng)絡(luò)256構(gòu)成的“偽齊納”管分路。二極管234與236以及基極發(fā)射極電壓240是負(fù)溫度系數(shù)的主來源并且與電阻器238結(jié)合在一起成為“齊納電壓”的主來源。電阻器232提供了減小過大的負(fù)溫度系數(shù)的一種簡單裝置;并且電阻器244是用于從晶體管242消除大量電路能耗的一種簡單裝置(晶體管242可以是諸如2N4403，它是對提供足夠的NPN性能的2N4401的一種普通的PNP互補(bǔ))。
熟悉本技術(shù)的人員應(yīng)能理解，使用申請人的發(fā)明便有可能充電串聯(lián)的堿性電池并且用簡單經(jīng)濟(jì)的分路調(diào)節(jié)器來控制單個(gè)電池，達(dá)到良好的調(diào)節(jié)與負(fù)溫度系數(shù)，并且不需要為各調(diào)節(jié)器設(shè)置任何外部電源。
另一種串聯(lián)充電的分路調(diào)節(jié)充電器圖6中示出了另一種串聯(lián)充電的分路調(diào)節(jié)充電器260。參見圖6，從中可見電池充電器260是對圖5的系統(tǒng)的一種改進(jìn)。在圖6的裝置中，一個(gè)由晶體管266與268以及電阻器264與270組成的恒定電流發(fā)生器取代了電阻器254，從而，從電阻器64得到的參照電壓設(shè)定了通過電阻器270的電流，從而也設(shè)定了通過電池258的電流。這一方法的優(yōu)點(diǎn)，除了變壓器18、電阻器254或其等效物(266、268、270)的較低電壓要求(因此，低成本、低熱、及較高的利用效率)之外，還有該設(shè)備能夠?qū)㈦娏髡{(diào)節(jié)為將調(diào)節(jié)器電壓“修整”到一個(gè)所要求的值。相關(guān)狀態(tài)二極管234、236等是可再現(xiàn)的，但整體設(shè)定點(diǎn)則要求在制造時(shí)調(diào)整。
熟悉本技術(shù)的人員應(yīng)能理解，參照電壓是一個(gè)單一的近似零溫度系數(shù)電壓源二極管50。這樣，充電電流是固定的而與溫度無關(guān)，而負(fù)溫度系數(shù)是由“偽齊納”管256的設(shè)計(jì)提供的。也能理解，二極管262是作為“電池”與系統(tǒng)的其余部分之間的一個(gè)“隔離器”工作的，在這一電路中，如果去掉了電源，則系統(tǒng)將從電池抽取電流。
另一種改進(jìn)的分路調(diào)節(jié)充電器圖7示出一個(gè)電池充電器200，由于在其中增加了一個(gè)反向電流二極管306，它能在整個(gè)串聯(lián)的電池258的串上施加反向電流脈沖圖樣。由基本上與圖2的裝置的定時(shí)網(wǎng)絡(luò)相似的一個(gè)定時(shí)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的一對驅(qū)動脈沖控制反向電流，如電阻器282通過經(jīng)由290的輸入以及通過電阻器294通過經(jīng)由電阻器302的輸入所確定的。熟悉本技術(shù)的人員應(yīng)能理解，對于長于大約1毫秒以電源變號為中心的脈沖，參照電壓必須適當(dāng)?shù)丶右詨嚎s(見圖2)。
一種獨(dú)立的電池分路調(diào)節(jié)裝置圖8中所示的裝置為圖4的裝置的一種特殊目的變型，其中由電阻器212與電容器80生成的時(shí)間常數(shù)與電源半周期的8.33毫秒時(shí)間常數(shù)相比是相對較短的;并且這一RC網(wǎng)絡(luò)是適用于高頻噪聲控制的。來自這一網(wǎng)絡(luò)的反饋是“實(shí)時(shí)”的(見圖)并不是平均值。當(dāng)這一實(shí)施例的電池電壓達(dá)到參照電壓時(shí)，即使是瞬時(shí)地，來自電阻器40的電池電流在通過電阻器330來自比較器34的輸出端的晶體管328的控制下通過電阻器322與晶體管324改變方向。從而，正如熟悉本技術(shù)的人員所理解的，輸出能以可以忽略不計(jì)的過沖量“箝位”在參照電壓上，而充電將是相對地慢的。然而，充電結(jié)尾時(shí)的非常小的充電電流使擴(kuò)散平衡能基本上消除濃度梯度而不產(chǎn)生反向電流脈沖。這種裝置的充電器是相對“溫和”的，基本上沒有過沖量并且當(dāng)接近完全充電時(shí)逐漸減弱到實(shí)際零電流;從而不放出氣體。因而，對于長時(shí)間備用的、沒有大的樹枝狀結(jié)晶組織的、以及應(yīng)用在允許緩慢地充電的應(yīng)用中的電池而言，這一裝置代表一種實(shí)用的備用電源，用于防盜與防火警報(bào)、應(yīng)急照明等。熟悉本技術(shù)的人員應(yīng)能明了，圖4的串聯(lián)開關(guān)配置也適用于這一目的。
一種經(jīng)濟(jì)的電池充電器圖9示出了一種相對地廉價(jià)的電池充電器340，它是可以按照申請人的發(fā)明生產(chǎn)的。本發(fā)明的閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了控制單個(gè)待充電的電池的另一種裝置。
參見圖9，從圖中可見，使用了一個(gè)單一的比較器34來控制出現(xiàn)在串聯(lián)電池電阻器348的公共端350上的電壓。通過與作用在比較34的非反向(+)輸入端上的負(fù)溫度系數(shù)參照電壓進(jìn)行比較而加以控制的正是公共端350上的電壓。這一電壓經(jīng)過電阻器212與電容器80的RC時(shí)間常數(shù)“平均”后作用在反向輸入端(-)上。正如熟悉本技術(shù)的人員所熟知的，單個(gè)電池控制可以用一個(gè)由比較器34、晶體管342與346、電阻器344以及總電流控制電阻器40構(gòu)成的單一的、相對地高的電流控制器來逼近。如果將點(diǎn)350上的輸入調(diào)整成所要求的最終輸出電壓(諸如1.625伏)，則單個(gè)控制器能夠控制充電所有電池所需的所有電流，并且緩慢地逐漸減弱到零的充電及由一個(gè)損壞的電池所產(chǎn)生的電流拱起是可以接受的。電阻器348的電阻越大，“最終充電質(zhì)量”(即，單個(gè)控制)越好，但充電越慢。對于AA電池，在大約1歐姆至大約2歐姆范圍內(nèi)的值以最小的成本提供可接受的單個(gè)電池調(diào)節(jié)逼近。
本發(fā)明的充電器的輸出在圖1至9中，申請人已經(jīng)展示了九種用于達(dá)到本發(fā)明的目的的不同裝置。能夠達(dá)到同一目標(biāo)的許多其它的裝置對于熟悉本技術(shù)的人員而言是顯而易見的;它們也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
正如熟悉本技術(shù)的人員所熟知的，所有上述裝置具有某些共同的特征，諸如，用于在25攝氏度產(chǎn)生一個(gè)從大約1.6至大約1.7伏的直流電壓的裝置，用于在攝氏25度上將作用在各正在充電的電池上的電壓逐個(gè)地限制在大約1.6至大約1.7伏的直流電壓上的裝置，用于將作用在正在充電的各電池上的電流逐個(gè)地限制在小于每個(gè)電池大約800毫安并小于由一定公式指定的安培值的電流的裝置，以及用于逐個(gè)地并且連續(xù)地改變作用在各電池上的電流的裝置。
正如熟悉本技術(shù)的人員所能理解的，無論有多少電池正在被充電器充電也無論這些電池是否串聯(lián)在一起構(gòu)成一個(gè)蓄電池，申請人的電池充電器都能以每一電池充電器少到只用一個(gè)電源來完成上述目標(biāo)。然而，也應(yīng)理解，在該電池充電器中也能使用多個(gè)電源。這樣一種工作過程看不出有什么好處。
申請人的裝置包括一個(gè)用于在25攝氏度上生成一個(gè)從大約1.6至大約1.7伏的直流電壓的裝置。因而，在圖1、2、3與4、8與9中所示的裝置中，從可調(diào)電阻器64得出的電壓便是起這一功能的作用的。在圖5、6與7所示的裝置中，這一功能是由分路調(diào)節(jié)器元件256的構(gòu)造完成的，最好是通過使用從電阻器64得到的一個(gè)電壓參照來調(diào)整總的串聯(lián)電流而調(diào)該元件256(見圖6與7)。
這一裝置所產(chǎn)生的直流電壓是在25攝氏度上的電壓。在申請人的發(fā)明的某些實(shí)施例中(即，除圖3以外的每一個(gè)實(shí)施例)，申請人的裝置還包括一個(gè)用于在25攝氏度上生成一個(gè)從大約1.6至大約1.7伏的直流電壓的裝置，當(dāng)溫度上升超過25攝氏度時(shí)，該裝置以每攝氏度大約1至大約4毫伏的速率遞減，并且當(dāng)溫度降至25攝氏度以下時(shí)，則以每攝氏度從大約1至大約4毫伏的速率遞增。遞增或遞減的速率最好是每攝氏度大約1.6毫伏。圖1、2、3、4、8與9的裝置中提供了這一特性(由二極管58與60的正向電壓溫度系數(shù))，并且在圖5、6與7的裝置中也提供了這一特性(由二極管234、236的正向電壓溫度系數(shù)及晶體管240的基板發(fā)射極電壓)。
申請人的電池充電器還包括用于在25攝氏度上將每一個(gè)電池可以充電的電壓逐個(gè)地限制在從大約1.6至大約1.7伏的范圍內(nèi)的直流電壓上的裝置;如上所述，這一最高電壓最好是負(fù)向溫度補(bǔ)償?shù)?，使得溫度偏離25攝氏度改變時(shí)，它以大約1至大約4毫伏每攝氏度變化。從而，這一特性是如上所述地提供的;通過改變參照電壓，可以改變最高電池電壓。
申請人的電池充電器還包括，假定電流也小于由下式確定的量時(shí)Imax＝(1.7伏-Vr)/Ri，用于將作用在每一個(gè)正在充電的電池上的電流逐個(gè)地限制在低于800毫安的電流上的裝置。Imax為最大允許充電電流，它是永遠(yuǎn)小于800毫安的，但可能更低。Vr為參照電壓，并且等于上述最大允許電池電壓;在25攝氏度上，它通常在大約1.6至大約1.7伏之間，如上所述該值最好是負(fù)向溫度補(bǔ)償?shù)?。Ri為正在充電的電池的內(nèi)電阻。正如熟悉本技術(shù)的人員所知的，一個(gè)電池的內(nèi)電阻可用一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電壓表測出，并等于電池電壓的改變除以作用在該電池上的一個(gè)階躍式加載電流之比。對于AA號堿性電池，對內(nèi)電阻的測試通常包含將一個(gè)10歐姆負(fù)載連接在一個(gè)未加載的電池上。
在一個(gè)較佳實(shí)施例中，申請人的充電器包括用于將作用在各正在充電的電池上的電流限制在低于300毫安的電流上的裝置。在另一個(gè)實(shí)施例中，作用在各電池上的電流是限制在200毫安的最大值上的。在又另一個(gè)實(shí)施例中，作用在各電池上的電流是限制在170毫安的最大值上的。
申請人的裝置的這一特性示出在圖1、2、3、48與9中(通過選擇電阻器40的值)，在圖5中(通過選擇電阻器254的值)，以及在圖6與7中(通過選擇電阻器270的值并對來自電阻器64的參照電壓的調(diào)整)。
申請人的裝置還包括用于逐個(gè)地與連續(xù)地改變作用在各電池上的電流的裝置。正如熟悉本技術(shù)的人員所熟知的，申請人的充電器至少在任何特定電池的充電周期的一部分中逐個(gè)地與連續(xù)地調(diào)整作用在各電池上的電流這一事實(shí)使供給任何一個(gè)電池的電流不同于供給任何另一個(gè)電池的電流。這一特性使同時(shí)再充電具有顯著的不同容量和/或充電初始狀態(tài)的電池成為可能，而不依賴于任何電池的重組體電流吸收量。這一特性使各電池能夠充電到其容量而不需要任何超過將這一電池充電到其容量所需的電流通過這一個(gè)或任何其它電池。必要時(shí)，可以容易地加上一個(gè)不等于零的最小恒定電流，如在NiCd或N.MH電池的情況中。
用于逐個(gè)地與連續(xù)地改變作用在各電池上的電流的這一裝置示出在圖1、2、3、4與8中(見只控制對該電池的充電電流的比較器34)，在圖5、6與7中(各分路調(diào)節(jié)器256只限制到達(dá)與其相關(guān)聯(lián)的電池258的電壓)，以及在圖9中(比較器34限制任何及所有電池可得到的電壓)。
申請人所知的大多數(shù)先有技術(shù)電池充電器中包括用于向正在充電的電池提供小的充電電流的裝置，即使在這些電池已經(jīng)到達(dá)了“高充電截止”(“highchargecutoff”)處它們所要求的電壓，也連續(xù)提供充電電流。這一“涓滴電流”具有兩個(gè)作用。首先，它補(bǔ)償電池內(nèi)部的“局部電流”或“自放電電流”，從而提供了容量維持，第二，它通過依靠經(jīng)受這一電流但已經(jīng)在充分充電狀態(tài)中而不顯著地吸收該電流的那些電池的重組體吸收容量，緩慢地將各個(gè)與每一個(gè)電池充電到100%的容量，不論電池間的容量變化如何。
在申請人的裝置中，通過比較，任何特定的正在充電的電池已到達(dá)其最終容許電壓時(shí)，只在有必要維持這一電壓時(shí)才提供額外的電流。并且設(shè)置了當(dāng)電池已經(jīng)達(dá)到其所要求的電壓時(shí)用于單個(gè)地與獨(dú)立地將電流降至零的裝置。
在一個(gè)實(shí)施例中，正在充電的電池所要求的電壓在25攝氏度上為大約1.625至大約1.630伏。
熟悉本技術(shù)的人員應(yīng)知，對于某些特定的應(yīng)用，對基本設(shè)計(jì)加以改型是有利的。
作為示例，在一個(gè)實(shí)施例中，在充電周期的早期的容量恢復(fù)率是通過應(yīng)用短而相對地高的反向電流脈沖增強(qiáng)的。例如，見圖1、2與7。
此外，替代地或者附加地，電池從過度放電或儲存在放電狀態(tài)中，特別是在第一個(gè)再充電周期上，恢復(fù)的能力得以改進(jìn)。這一特征可以通過應(yīng)用稀的、寬的、相對地低的電流放電脈沖在一定程度上加以改進(jìn)，如圖1、2與7中所附帶提供的。
如圖8中所示，對于潛在的備用應(yīng)用，在連續(xù)充電的條件下，可以用再充電時(shí)間來交換延長的壽命。
下面的實(shí)例是為展示所申請的發(fā)明而提出的，但不能認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。除非另有指示，所有部件都是以重量計(jì)而所有溫度都是以攝氏度計(jì)的。
例1圖1的充電器電路是用于再充電一對AADuracell堿性1.5伏電池的。使用一個(gè)10歐姆負(fù)載使這些電池放電，直到從它們中每一個(gè)上抽出1.4安培小時(shí)。此后，使用圖1的電路，用200毫安的最大電流、40毫安的放電電流、每8.33毫秒時(shí)間間隔中取出2毫秒的放電延續(xù)時(shí)間、以及每30秒2秒長的長脈沖放電獨(dú)立地對它們進(jìn)行充電。
將電池再充電18小時(shí)然后擱置48小時(shí)。此后，第二次將它們與一個(gè)10歐姆負(fù)載串聯(lián)放電，一直到每一電池的總的抽取容量為1.0安培小時(shí)以及0.9伏的最終電壓。然后，將電池再充電16小時(shí)(使用1.582伏的電壓參照)，再令它們在上述條件下放電。
在第三周期中，抽出1.3安培小時(shí)到達(dá)最終組合電壓1.9伏。使用第二周期中所使用的條件再充電這些電池，然后再令它們放電，提供1.1安培小時(shí)，到達(dá)最終電壓1.8伏。重復(fù)地進(jìn)行再充電，但將參照電壓移動到1.585伏。
在第五次放電中，使用上述條件，只是到1.8伏的截止電壓只提供950毫安小時(shí)。使用1.585伏的參照電壓再次進(jìn)行再充電。如上述那樣發(fā)生放電，但到達(dá)1.80伏的截止電壓時(shí)只提供925毫安小時(shí)。
在這一點(diǎn)上，很明顯參照電壓太低。因此，將參照電壓升高到1.60伏，并且將電池在充電中停放90小時(shí)使之達(dá)到平衡。下一次放電(第七周期)產(chǎn)出1.18安培小時(shí)，并在1.615參照電壓上重復(fù)再充電20小時(shí)。
下一次放電只產(chǎn)出925毫安小時(shí)，到達(dá)1.80伏的截止電壓;并且將參照電壓提升到1.63伏進(jìn)行20小時(shí)再充電。
在周期9中，只產(chǎn)生900毫安小時(shí)。將電池返回到在1.630伏上再充電72小時(shí)。
應(yīng)當(dāng)提出，盡管這些電池的容量明顯地下降這一事實(shí)，這是一次特殊的野蠻試驗(yàn)，因?yàn)樵诿恳恢芷谥袔缀醭槿×怂锌衫玫娜萘?，并且一個(gè)原電池的可再充電容量只有大約其原始容量的67%。早期的明顯的過度容量可能是由額外的不可逆原放電提供的。如果一個(gè)1.5安培小時(shí)電池作為一個(gè)可再充電電池的期望容量額定為1.0安培小時(shí)，而在第九次再充電-放電周期上仍能抽出這一容量的90%，則明顯地發(fā)生了某種有效的事件。
例2將一個(gè)Mallory公司以“Duracell”的品名中出售的單個(gè)AA1.5安培小時(shí)堿性電池提交給一個(gè)復(fù)雜而多變的測試序列。
初始放電是用一個(gè)10歐姆電阻器進(jìn)行的。以一個(gè)1.25伏的終端電壓只抽取675毫安小時(shí)(大約為額定容量的一半)。在1.582伏直流電壓上以150毫安的電流極限將該電池再充電20小時(shí)。
在第二放電周期中，使用上述條件抽取600毫安小時(shí)到達(dá)1.212伏的最終電壓，并重復(fù)再充電如上所述。
在第三周期中，使用上述條件再次抽取600毫安小時(shí)到達(dá)1.223伏的最終電壓，并重復(fù)再充電如上所述。
第四周期與第三周期相同，但最終電壓為1.189伏。第五周期基本上與第四周期相同，但最終電壓為1.219伏;并且在這一周期中，再充電延續(xù)72小時(shí)。
現(xiàn)已清楚，淺放電與小心的再充電不會導(dǎo)致顯著的老化率。從而，對條件作劇烈的變動。
在周期6中，放電產(chǎn)生600毫安小時(shí)到達(dá)1.294伏的最終電壓，并且使負(fù)載保持連接額外的20小時(shí)到達(dá)深度放電最終電壓0.078伏直流電壓。然后使用上述條件將電池再充電24小時(shí)。
第七放電周期只產(chǎn)生650毫安小時(shí)便到達(dá)0.90伏的最終電壓。觀察到的電池容量已經(jīng)下降到其額定值的一半以下。
然后再充電該電池，如上所述。然后將其連接到圖1中所示并在例1中所使用的充電裝置上;并使其充電額外的24小時(shí)。
第八放電周期是以一個(gè)5.0歐姆負(fù)載進(jìn)行的(一次更嚴(yán)重的放電，但與例1中所使用的放電條件嚴(yán)重性相同)。第八放電周期產(chǎn)出1.0安培小時(shí)到達(dá)0.9伏的終點(diǎn)。基本上大多數(shù)電池容量已用一個(gè)單一的脈沖放電周期回收。
在第八放電周期之后，電池返回到直接直流電充電，基本上如上所述，只是所使用的電壓為1.60伏。將電池充電72小時(shí)。
在第九放電周期中，基本上重復(fù)第八放電周期的過程;并放出1.1安培小時(shí)到達(dá)最終電壓0.918伏。將再充電電壓提高到1.615伏，并且再充電36小時(shí)。
在第十放電周期中，只提供900毫安小時(shí)，到達(dá)0.9伏截止電壓。再充電是在1.630伏上進(jìn)行20小時(shí)。
在第十一放電周期中，使用周期8.9與10的條件放電。只得到650毫安小時(shí)便到達(dá)0.9伏的截止電壓。
從這些數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，在面臨周期性深度放電中，直流再充電并不儲備電池容量。
例3在這一例中，測試了兩個(gè)舊的RAM(可再充電堿性)電池。這些電池最初是從加拿大安大略省的電池技術(shù)公司Mississauga公司得到的。這些電池是使用不同的方法老化的。其中之一是嚴(yán)重放電后存儲過30天的。另一個(gè)電池則在充電狀態(tài)中儲存了30天。
起初，這些電池中的每一個(gè)用1.65伏直流電脈沖充電48小時(shí);脈沖導(dǎo)通約6毫秒，截?cái)嗉s2毫秒。
對于放電儲存的電池(“睡眠電池)在10歐姆負(fù)載下的電池初始容量為650毫安小時(shí)，而對于正常的RAM電池則為870毫安小時(shí)。
使用例1中所述的條件只是所使用的參照電壓為1.65伏，在圖1的裝置中，將這些電池同時(shí)再充電20小時(shí)。
在第二周期中，令電池放電，如上所述;分別將睡眠電池與正常電池的容量降至840與870毫安小時(shí)以及1.10與1.15伏的最終電壓。然后按照上述脈沖過程再充電這些電池20小時(shí)。
令電池放電，如上所述，這時(shí)它們只分別提供600與650毫安小時(shí)便到達(dá)0.929與1.005伏的截止電壓。可以認(rèn)為在這一再充電周期中出現(xiàn)了延長的電源中斷。
按照上述脈沖過程重復(fù)再充電72小時(shí)，然后用10歐姆電阻器令電池完全地放電24小時(shí)使每一個(gè)電池充分低于0.1伏。
然后使用圖1的充電器將電池再充電48小時(shí)。下一次放電是用5歐姆電阻器進(jìn)行的，這提供了一次嚴(yán)峻的測試。睡眠電池提供1.1安培小時(shí)到達(dá)0.94伏截止電壓;正常電池只提供0.9安培小時(shí)到達(dá)0.83伏截止電壓。
這揭示具有長的周期歷程的正常電池最終遭受不可逆的容量降低。而在其歷程中具有較少周期的睡眼電池在雙脈沖環(huán)境中恢復(fù)得相當(dāng)好。
應(yīng)當(dāng)理解，以上的描述只是示例性的，而在該裝置中、在組成部分與它們的比例中，在組合序列與過程步驟中，以及這里所討論的發(fā)明的其它方面可以作出各種改變，而仍不脫離在下面的權(quán)利要求書中所定義的發(fā)明范圍。
從而，對于諸如熟悉本技術(shù)的人員應(yīng)能理解，申請人的電池充電器的參數(shù)是以當(dāng)今正在使用的堿性電池的材料、構(gòu)造與化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)的。如果這些材料和/或構(gòu)造和/或化學(xué)性質(zhì)有所改變，則這些參數(shù)將明顯地受到影響。這些新的參數(shù)是包含在本發(fā)明的精神與范圍內(nèi)的
權(quán)利要求
1.一種用于充電原堿性鋅/二氧化錳電池的電池充電器，其中所述電池充電器包括(a)用于在25攝氏度上產(chǎn)生一個(gè)從大約1.6至大約1.7伏的直流電壓的裝置；(b)用于逐個(gè)地與獨(dú)立地將所述電池充電器發(fā)送給各所述電池的電壓在25攝氏度上限制在從大約1.6至大約1.7伏的所述電壓上的裝置；(c)用于逐個(gè)地與獨(dú)立地限制所述電池充電器作用在各所述電池上的電流的裝置；(d)用于逐個(gè)地與連續(xù)地改變所述電池充電器作用在各所述電池上的電流的裝置，其中在各所述電池的充電周期的一部分中，供給所述電池中任何一個(gè)的電流與供給所述電池中另一個(gè)的電流不同；以及(e)用于在所述電池中任何一個(gè)已經(jīng)到達(dá)基本上等于所述直流電壓的一個(gè)電池電壓時(shí)，減小作用在所述電池上的電流的裝置。
2.權(quán)利要求1所述的電池充電器，其中在25攝氏度上的所述直流電壓為從大約1.625至大約1.630伏。
3.權(quán)利要求1所述的電池充電器，其中所述原堿性鋅/二氧化錳電池為AA堿性電池。
4.權(quán)利要求1所述的電池充電器，其中所述原堿性鋅/二氧化錳電池為AAA堿性電池。
5.權(quán)利要求1所述的電池充電器，其中所述原堿性鋅/二氧化錳電池為C堿性電池。
6.權(quán)利要求1所述的電池充電器，其中所述原堿性鋅/二氧化錳電池為D堿性電池。
7.權(quán)利要求1所述的電池充電器，其中所述原堿性鋅/二氧化錳電池為N堿性電池。
8.權(quán)利要求1所述的電池充電器，其中所述電池充電器只包括一個(gè)電源。
9.權(quán)利要求1所述的電池充電器，其中從大約1.6至大約1.7伏的所述的直流電壓對于25攝氏度以上的每一度以每攝氏度大約1至大約4毫伏的速率遞降。
10.權(quán)利要求9所述的電池充電器，其中從大約1.6至大約1.7伏的所述直流電壓對于25攝氏度以下的每一度以每攝氏度大約1至大約4毫伏的速率遞增。
11.權(quán)利要求1所述的電池充電器，其中從大約1.6至大約1.7伏的所述直流電壓對于25攝氏度以上的每一度以每攝氏度大約1.6毫伏的速率遞降。
12.權(quán)利要求11所述的電池充電器，其中從大約1.6至大約1.7伏的所述直流電壓對于25攝氏度以下的每一度以每攝氏度大約1.6毫伏的速率遞增。
13.權(quán)利要求1所述的電池充電器，其中用于在25攝氏度上產(chǎn)生從大約1.6至大約1.7伏的一個(gè)直流電壓的所述裝置包括一個(gè)溫度穩(wěn)定的電壓源。
14.權(quán)利要求13所述的電池充電器，其中所述溫度穩(wěn)定的電壓源是功能地連接到一個(gè)溫度靈敏的電壓源上的。
15.權(quán)利要求14所述的電池充電器，其中在25攝氏度上的從大約1.6至大約1.7伏的所述直流電壓是從連接在所述溫度穩(wěn)定的電壓源與所述溫度靈敏的電壓源之間的一個(gè)第一分壓器獲得的。
16.權(quán)利要求15所述的電池充電器，其中所述分壓器包括兩個(gè)串聯(lián)的電阻器，它們的結(jié)點(diǎn)連接到一個(gè)第二分壓器，該分壓器的輸出在25攝氏度上為大約1.6到大約1.7伏。
17.權(quán)利要求1所述的電池充電器，其中所述電池充電器包括一個(gè)由一個(gè)NPN/PNP反向晶體管對構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，其中所述對中的較低電流晶體管受到兩個(gè)正向偏置硅二極管的偏壓。
18.權(quán)利要求17所述的電池充電器，其中所述正向偏置的硅二極管對是由一個(gè)電阻器分路的。
19.權(quán)利要求18所述的電池充電器，其中所述NPN晶體管的基極發(fā)射極結(jié)是被一個(gè)電阻器分路的。
20.權(quán)利要求19所述的電池充電器，其中所述的PNP晶體管的基極發(fā)射極結(jié)是由一個(gè)電阻器分路的，并且所述PNP晶體管的集電極是通過一個(gè)電阻器連接到其負(fù)電源上的。
全文摘要
用于充電原堿性鋅/二氧化錳電池的一種電池充電器。本電池充電器包括用于在25攝氏度上產(chǎn)生從大約1.6至大約1.7伏的一個(gè)直流電壓的裝置以及用于逐個(gè)地與獨(dú)立地限制該電池充電器發(fā)送給各電池的電壓的裝置。本充電器還包括用于逐個(gè)地與獨(dú)立地限制所述電池充電器作用在各所述電池上的電流的裝置以及用于逐個(gè)地與連續(xù)地改變作用在各所述電池上的電流的裝置。一旦充電中的任何一個(gè)電池達(dá)到了其所要求的電壓，本充電器將作用在所述電池上的電流減小到基本上零電流。
文檔編號H02J7/10GK1085357SQ9311775
公開日1994年4月13日 申請日期1993年9月23日 優(yōu)先權(quán)日1992年9月23日
發(fā)明者羅伯特·S·費(fèi)爾德斯坦 申請人:巴托尼克斯公司