CN1034147C - 对可充电蓄电池进行充电的装置 - Google Patents

Abstract

充电器(1)由多个独立的充电电路(3.1至3.n)组成，每个充电电路与蓄电池(2)中的一组电池(2.1至2.n)相连。这种结构能够使蓄电池(2)充满电，而同时大大减小了具有最低最大容量的一个或多个蓄电池部件被损坏的危险。

Description

对可充电蓄电池进行充电的装置

本发明是关于一种对包含第一组多个蓄电池部件的可充电蓄电池进行充电的装置。

为了使以下的描述不至于过分复杂，将使用术语“充电器”和“蓄电池”来分别表示这种充电装置和这种可充电的蓄电池。

另外出于同样的原因，这里仅仅涉及对这种蓄电池的充电过程，甚至也可以指为了恢复通过充电提供的电能而对使用了一段时间的蓄电池进行充电的过程，这种充电过程常常被称作对蓄电池再充电。

在日常用语中，蓄电池的“容量”经常是指事实上的额定容量，即“幅值”，通常用安培·小时表示，它代表蓄电池充满电之后理论上可以恢复的电能量。因此在这种意义上讲，一种给定蓄电池的容量是个固定值。

然而应该指出的是，在下面的描述中术语“容量”用来指代表蓄电池在任何给定的时刻所能恢复的电能量的数值，从而容量在一个不同于蓄电池额定容量的最大值和零之间变化，这两个值也就是蓄电池完全充满电和完全放完电时的值。

可以用不同的方法对蓄电池进行充电，这些方法是入所共知的，这里就不再描述了。

根据这些方法中经常被使用的一种方法，充电过程分为两个连续的截然不同的阶段。

在第一阶段中，充电器向蓄电池输送一个具有恒定幅度I₁的电流I_a，它是根据蓄电池的额定容量以及蓄电池放完电后再将其充满所允许的最长时间选择的。例如，假定蓄电池的额定容量为200安。小时，充电时间持续10小时，那么所选择的电流幅度I₁为20安培。然而I₁在任何情况下都不能超过由蓄电池制造者所设定的最大值，否则将会损坏蓄电池。

在第一阶段蓄电池两端的电压U_a有规则地上升，当所说的电压U_a达到也是由蓄电池制造者设定的值U₁时，第一阶段结束。

蓄电池的充电过程在第一阶段结束时还没有完成，在第二阶段，也就是在充电器将蓄电池两端的电压U_a保持在所说的值U₁的阶段，充电过程才结束。

然后电流I_a下降，当蓄电池的容量达到最大值时，电流I_a不再下降，而变得非常微弱。

采用上述方法进行充电的充电器要包括一个电流源，只要蓄电池两端的电压小于上述值U₁，该电流源就要提供具有上述幅度I₁的恒定电流，因此蓄电池两端的电压不会超过所说的值U₁。

根据另一种也是经常被使用的方法，蓄电池的充电过程只包含一个阶段，在蓄电池容量上升期间，向蓄电池输送的电流I_a幅度逐渐下降，当容量达到最大值时，电充I_a的幅度降到非常小，在此期间蓄电池两端的电压上升到上述值U₁。

采用这种方法进行充电的充电器要包括一个电压源，其开路电压为U₁，内阻的大小应使能够提供的最大电流幅度为I₁。

应该注意的是，蓄电池两端的电压U_a不要超过值U₁，否则会有损坏蓄电池的危险并缩短其使用寿命。然而，这一值U₁很大程度上取决于蓄电池充电期间其自身的温度。

因此已知的充电器常常包括根据蓄电池温度调整值U₁的装置，这种装置可以是很简单的靠手动调节的，也可以是自动的，在这种情况下它们自然要包括放在蓄电池中的一个或几个测温传感器。

在已知的最简单的充电器中，值U₁是固定的，这就意味着，与温度有关蓄电池既不会充满电，也不会有损坏的危险。

大家知道一个蓄电池中的不同的蓄电池部件实际上绝不会都具有相同的最大容量。换句话说，每个蓄电池部件在对蓄电池充电期间可能存储的和其后可能恢复的电能量实际上是不相同的。这是因为实际上不可能在制造这些蓄电池部件时使决定它们最大容量的各种参数在不同的蓄电池部件之间严格保持一致，这些参数比如是活性材料的体积和/或化学成分。另外，这些参数随时间和/温度变化也会发生变化。

大家还知道，当蓄电池部件充满电即其容量达到最大值时，并不希望使很大的电流继续流经一个蓄电池中的该蓄电池部件，因为这个电流那时会产生可能损坏蓄电池部件的化学和/或物理现象。在这种情况下对蓄电池部件造成损害的严重性将随电流幅度的增加而增加，并且这种损害将特别导致最大容量的进一步减小。

当通过已知的充电器对蓄电池进行充电时，不管采用哪种充电方法，显然流经蓄电池中的所有蓄电池部件的电流是相同的。结果，蓄电池中的最大容量最低的蓄电池部件达到其最大容量时，其它蓄电池部件还没有达到它们的最大容量。由于一般不可能确定这一时间，所以在具有最低最大容量的蓄电池部件达到这一最大容量之后，蓄电池的充电电流仍然继续流经该蓄电池部件。这样，该电池极有可能被这一电流所损坏。况且对该蓄电池部件可能造成的损坏会特别导致其最大容量的减小，因此每次对蓄电池充电，都会使该蓄电池部件的性能略微变坏，最终彻底被损坏，这将引起整个蓄电池报废。

当一个蓄电池中的蓄电池部件的数目很大时，这些缺点将更为严重。拿一个铅蓄电池作为例子，用上述第一种方法通过一个充电器对其充电。

对这种蓄电池来说，上面定义的值U₁被设定为诸如每个蓄电池部件2.5V。如果该蓄电池包括60个蓄电池部件，那么值U₁为

U₁＝60×2.5＝150V

让我们还假设这60个蓄电池部件中的一个(为了和其余59个蓄电池部件区分，我们称它为蓄电池部件Ex)所具有的最大容量小于其余蓄电池部件的最大容量，并且其余蓄电池部件的最大容量都相等。

在对这个蓄电池进行充电的第一阶段，在其它蓄电池部件中的每一个的端电压达到2.5V之前，蓄电池部件Ex两端的电压自然先达到2.5V，这一时刻用t₁表示。

让我们进一步假设，在t₁时刻除了蓄电池部件Ex之外，其余59个蓄电池部件中的每一个的端电压仅为2.3V。

这样，在时刻t₁蓄电池两端的电压U_a仅为：

U_a＝59×2.3V＋2.5V＝138.2V

于是充电器并不中断对蓄电池进行充电的第一阶段，继续流经蓄电池中的蓄电池部件自然也包括蓄电池部件Ex的电流的幅度仍然保持恒定。这些蓄电池部件中的每一个的端电压继续升高，当蓄电池部件Ex已经达到其最大容量时，它两端的电压很快稳定在2.7V。

当蓄电池两端的电压U_a在时刻t₂达到上述的150V并且充电器中断对蓄电池进行充电的第一充电阶段时，除蓄电池部件Ex之外的59个蓄电池部件中的每一个的端电压为 $\frac{150V-2.7V}{59}=2.497V$

已经知道用一个恒定电流(如本例所示)对铅蓄电池充电时，每个蓄电池部件的端电压的上升率不是恒定不变的，当所说电压接近2.5V时，随着电压升高上升率下降，并变得很小。因此可以理解，t₁时刻和t₂时刻相距甚远，t₁是除蓄电池部件Ex以外的所有其余蓄电池部件的端电压达到2.3V的时刻，而t₂是上述电压几乎等于2.5V的时刻。

在蓄电池部件Ex达到其最大容量时，很大的电流在一段相当长的时间内继续流经该蓄电池组件，于是它被损坏的危险极大。

在实际情况中，由于蓄电池中的不同蓄电池部件的最大容量不会都彼此相等，所以不仅仅是一个蓄电池部件有被损坏的危险，而是那些最大容量相对较低、在对蓄电池进行充电的第一阶段结束之前其端电压就达到2.5V的蓄电池组件都有被损坏的危险。

本发明的一个目的是提供一种对蓄电池进行充电的装置，在充电期间，如果一个或另一个蓄电池部件的最大容量小于其它蓄电池部件的最大容量，那么该装置能基本上减小蓄电池被损坏的危险，或者甚至可以说完全消除了这种危险。

本发明的用来充电一个可充电蓄电池的装置，包括多个安置成多组的电池，每组电池包括至少一个电池，每组具有组接线端，包括一个电源，用来产生高于10千赫兹的第一交流电压和包括多个独立的充电电路，每个用来充电所述多个组电池的相应组，所述充电电路具有用来连接所述多组电池的相应组的接线端的充电接线端，和每个充电电路包括一个用采变换所述频率高于一个连接到所述交流电压的相应变压器，所述变压器具有连接到所述电源的初级绕组，和一个次级绕组，以及包括一个具有连接到所述次级绕组的输入端和连接到所述充电接线端的输出端的整流器，相应的变压器的初级绕组是互相独立的。

本发明的其它目的和优点通过以下结合附图所作的描述可以看得很清楚。在附图中：

图1是本发明的充电器的总图；

图2和3是本发明的充电器的两个实施例的更为详细的框图。

图1中以非限定性实例的方式画出了本发明的充电器，标号1表示对蓄电池进行充电的部分，图1中也画出了蓄电池，并用参考号2表示。

为了使以下的描述变得清楚明了，蓄电池2中的蓄电池部件分成n组，用参考号2.1至2.n表示，并且在本实施例中每一组都包含相同数目的蓄电池部件。

在图1中只画出了这些蓄电池部件组中的前两组2.1和2.2以及最后一组2.n。

同一组中的所有蓄电池部件自然是相互串联连接。

每一组蓄电池部件2.1至2.n都有一个可以从蓄电池2的外部接触到第一接线端，它与其中的第一蓄电池部件的正端相连；还有一个也可以从蓄电池2的外部接触到的第二接线端，它与其中的最后一个蓄电池部件的负端相连。每个第一接线端和每个第二接线端自然构成了它们所属组的正接线端和负接线端，它们的参考号与所属组的参考号相同，只不过后面再分别加上字母a和b。

蓄电池部件2.1的第一组的正接线端2.1a和蓄电池部件2.n的最后一组的负接线端2.nb自然分别构成了蓄电池2的正端和负端。

自然除了最后一组2.n之外，每一组的蓄电池部件的负端都和随后一组的正端相连，因此蓄电池2的所有的蓄电池部件在蓄电池2的正端2.1a和负端2.nb之间都是相互串联连接的。

充电器1包括多个分立的充电电路，它们用参考号3整体地表示，且每个充电电路对蓄电池2的蓄电池部件组2.1至2.n中的一组进行充电。这些充电电路分别用参考号3.1至3.n表示，每个充电电路的参考号中的第二个数字与它打算充电的蓄电池2的蓄电池部件组的参考号中的第二个数字相同。

每一个充电路3.1至3.n都包括一个变压器和一个与该变压器的次级绕组相连的整流电路。这些变压器和整流电路的参考号分别为4.1至4.n和5.1至5.n，每个变压器和每个整流电路的参考号中的第二个数字与它们所属的充电电路的参考号中的第二个数字相同。

变压器4.1至4.n的初级绕组都和输入端3a和3b并联，对所有的充电电路3.1至3.n来说，这两个输入端是共同的，它们与产生交流电压U₆的电压源6的输出端6a和6b相连。

这里对整流电路5.1至5.n不作详细描述，因为可以是本领域的技术人员所熟悉的任何类型的整流电路。应该注意的是，对某些类型的整流电路来说，变压器的次级绕组应有一个中心抽头与它们相连，这种情况图中没有表示出来。

由符号“+”表示的每个整流器5.1至5.n的正输出端构成该整流器从属的充电电路的正输出端，这一输出端的参考号与该充电电路的参考号相同，但后面跟一个字母a。同样，由符号“-”表示的每个整流器5.1至5.n的负输出端构成该整流器从属的充电电路的负输出端，这一输出端的参考号与该充电电路的参考号相同，但后面跟一个字母b。

由于每个充电电路3.1至3.n都旨在对如上所述的蓄电池2的每一个蓄电池部件组2.1至2.n进行充电，所以这些充电电路3.1至3.n的每个输出端3.1a至3.na和每个输出端3.1b至3.nb都理所当然地与参考号有相同的第二个数字及随后的字母的蓄电池2的接线端相连。

应该注意的是，在某些情况下构成蓄电池2的蓄电池部件组是通过内部连接而实现串联的。于是这些连接点的每一个均与从蓄电池外部可以接触到的单个接线端相连。换句话说，除了最后一组蓄电池部件的负接线端外，每组的负接线端都和随后的一组蓄电池部件的正接线端连成一体，对两组蓄电池部件来说它是共同的接线端，而在图1的实例中，上述负、正接线端是分开的。

在这种图1未表示的情况中，除了最后一个充电电路之外，其余充电电路3.1至3.n-1的负接线端和下一个充电电路的正接线端都与蓄电池的一接线端相连，该接线端是充电电路分别进行充电的两组蓄电池部件的共同接线端。

这种连接可以通过两个分开的连接部件实现，也可以通过单个连接部件实现。于是，充电器内除了最后一个充电电路之外，其余充电电路3.1至3.n-1的负接线端都与下一个充电电路的正接线端相连。

还必须注意的是，当充电器1和蓄电池2在例如一个固定的，非移动的设备中永久地相互靠近时，或者当二者都将在一部汽车内时，可在充电器1和蓄电池2之间的固定各种连接。然而例如当充电器1被固定的并且它被打算用于对构成移动装置如汽车的一部分的蓄电池进行充电时，这些各种各样的连接也是可以拆卸的。

还应注意的是，交流电压源6可以省去，在这种情况下变压器的初级以固定的或可移动的方式都与一个提供电能的部件例如输电线相连。然而，由于从这种电源得到的交流电压的频率通常都很低，例如只有50Hz或60Hz，所以变压器4.1至4.n的体积就相当大。因此，经常采用的较好的办法是提供一个能产生较高频率的交流电压的电源6，其频率为10至20KHz甚至更高。大家知道，对这一数量级的频率来说，传输一给定电功率的变压器的体积是最小的，因而其价格也是最低的。下面将描述这种电源的一个实例。

图1的充电器可被用于以任何已知的方法对蓄电池2的蓄电池部件组2.1至2.n充电。

例如用上述第二种充电方法使充电器1工作，以这样一些要求来选择变压器4.1至4.n和整流器5.1至5.n(如果需要还有电源6)，即每个充电电路3.1至3.n的开路电压基本等于U₁/n，其中U₁是由蓄电池2的制造者确定的上述值，n是蓄电池部件组2.1至2.n的数目，而且每个充电电路3.1至3.n所能提供的最大电流等于在充电开始时需要向蓄电池2提供的最大电流，它是根据蓄电池2的最大容量和所允许的充电时间来选择的。

当以上述要求构成充电器1时，在对蓄电池进行充电的开始阶段，每组蓄电池部件2.1至2.n吸收的电流的幅值和两端的电压由该组蓄电池部件此时的容量决定，容量小时，电流幅值较大而电压较低。容量增大，该组蓄电池的充电电流下降，而两端的电压升至U₁/n，这是与其它组蓄电池部件的容量无关的。

现在回到利用上述第一种方法通过一个充电器进行充电的具有60个蓄电池部件的铅蓄电池的例子，充电器是图1所示的那种充电器1,60个蓄电池部件分成10组，每组6个蓄电池部件。上述值U₁/n为

150V/10＝15V

让我们进一步假设，10组中的一组的最大容量小于其它蓄电池组每组的最大容量，这组可称作G组，为了将G组中的6个蓄电池部件中的1个和其余5个区分开来，这个蓄电池部件称作Ex，并且其它蓄电池组每组的最大容量都相等。

对G组充电的第一阶段与上述实例类似，但是在本例中，当t₁时刻蓄电池部件Ex两端的电压达到2.5V时，G组两端的电压U_g只有

U_g＝5×2.3V＋2.5V＝14V

此外，当t₂时刻U_g达到上述的值15V时，蓄电池部件Ex两端的电压如同前一个例子中一样，已经先达到了2.7V，于是除了蓄电池部件Ex之外其余5个中的每一个的端电压只有 $\frac{15V-2.7V}{5}=2.46V$

如前所述，当这个电压较低时，蓄电池部件两端电压的上升率很快，当该电压接近2.5V时，上升率明显下降。

因此可以看到，本例中t₁和t₂之间的时间间隔比起上述用已知的充电器对蓄电池进行充电的实例中的时间间隔来说小了许多。

结果，当用本发明的充电器对蓄电池进行充电时，对其容量低于其它蓄电池部件的蓄电池部件所造成损坏的危险性以及对它造成任何损坏的严重程度，都比用已知充电器进行充电时小许多，这样就显著地延长了使用寿命。本发明的充电器之所以优于已知的充电器，是由于充电器中包括了这样的充电电路，它们相互独立，每一个旨在对蓄电池中的每组蓄电池部件充电。

在某些场合，重要的是使蓄电池的使用寿命应尽可能地长；在这种场合，本发明的充电器可以用这种方式进行安排，它包括与蓄电池中蓄电池部件一样多的充电电路，上述蓄电池部件组自然每一个只由单个蓄电池部件构成。这种情况图中未画出。在图2所示实施例中，本发明的充电器的参考号是11。

同图1中的充电器1类似，用充电器11进行充电的蓄电池的参考号也是11，它的蓄电池部件也分成n组。虽然这些蓄电池部件组在图2中没有分开画出，但是以后它们也用和图1一样的参考号表示，即2.1至2.n

从以下描述可以看得很清楚，蓄电池2并不必永久地接在充电器11上。

同图1中的充电器1类似，充电器11由独立的充电电路构成，每个充电电路旨在对蓄电池2的一组蓄电池部件充电。这些充电电路用与图1中的充电器1的充电电路相同的参考号3.1至3.n表示，并且它们的结构相同，故不再予以描述。同样的情况也出现于与蓄电池2的各个蓄电池部件组的接线端相连的充电电路的连接部分。

充电器11包括两个旨在和电能输送网络如输电线相连以提供交流电压的输入端11a和11b，以及一个其输入端12a和12b分别与这些接线端11a和11b相连的整流器12。在本例中，通过接线端11a和11b和整流器12相连的电源是一个单相电源，整流器12与之相对应。但是很虽然，这一电源也可以是多相(例如三相)电源，在这种情况下，整流器12做相应安排，充电器11的输入端的数目与电源的连接部分的数目相适应。

这里不对整流器12作详细说明，因为它可以和本领域的一般技术人员所熟悉的多种整流器相类似。应注意的只要它在整流器的正输出端12c和负输出端12d之间提供一个整流电压U₁₂，其纹波系数取决于它的结构和可能存在的低通滤波器。

整流器12的输出端12c和12d与一个稳压器13的输入端13a和13b相连。稳压器13将来自输入端13a和13b的电压变成在其输出端13c和13d之间输出的一个经稳压的直流电压U₁₃，其值取决于在输入端13e接收的一个调整信号。这一调整信号将在下面予以说明。

稳压器13的输出端13c和13d与一个转换器14的输入端14a和14b相连，转换器14在其输出端14c和14d之间输出一个交流电压U₁₄，其值直接与电压U₁₃的大小有关。

充电电路3.1至3.n的所有的输入端部与转换器14的输出端14c和14d并联。

转换器14还包括一个输出端14e，并在输出端14e上产生代表输送至充电电路3.1至3.n的电流I₁₄的幅度的测量信号S₁₄。

充电器11还包括一个积分器15，它的两个输入端15a和15b分别与转换器14的输出端14e和图中未画出的信号源相连，以提供基准信号R₁，基准信号R₁的值和目的将在下面予以描述。

积分器15也有一个输出端15c，并在输出端15c上提供一个信号S₁₅，其值等于信号R₁和S₁₄之差对时间的积分。换句话说，S₁₅的值由下式给出： $S15=\∫(R_1-S_{14})\mathrm{dt}$

充电器11还包括一个比较器16，其输入端16a1至16an分别与充电电路3.1至3.n的正输出端3.1a至3.1n相连，当蓄电池2与充电器11相连时，以上诸端即和蓄电池2的蓄电池部件组2.1至2.n的正接线端2.1a至2.na相连。比较器16还包括一个输入端16ao，它与充电电路3.n的负输出端3.nb相连，并由此和充电器11的最后一组蓄电池部件2.n的负接线端2.nb相连。比较器16还包括一个输入端16b，它从图中未画出的信号源接收一个基准电压U_r，基准电压U_r的值和目的将在下面予以描述。

比较器16还包括一个输出端16c；只要输入端16a1至16ao中相邻两个的电压差都小于电压U_r，通过输出端16c提供的信号S16就具有第一状态；而只要这些电压差中的任意一个大于电压U_r，信号S16，就具有第二状态。换句话说，比较器16是以这种方式设置的，即当蓄电池2与充电器11相连时，只要蓄电池2的每个蓄电池部件组2.1至2.n的端电压小于电压U_r，信号S16就具有第一状态，且如果这些蓄电池部件组2.1至2.n的任一个的端电压大于电压U_r，信号S16就具有第二状态。

充电器11还包括一个开关17，它的第一输入端17a和第二输入端17b分别与积分器15的输出端15c和图中未画出的、提供基准信号R₂的信号源相连，基准信号R₂的值和目的将在下面予以描述。

开关17还包括一个与比较器16的输出端16c相连的控制输入端17c和一个与稳压器13的控制输入端13e相连的输出端17d。开关17在其输出端17c产生一个用于调整上述电压U₁₃大小的信号S₁₇；根据信号S16是处于第一状态还是处于第二状态，信号S₁₇或与信号S₁₅相同，或与信号R₂相同。

刚刚说明的电路12至17结合在一起实现图1中充电器1的电源6的功能，这将在以下详细描述。通过采用与上述第一种方法十分类似的方法，充电器11对蓄电池2进行充电。

在本方法的第一阶段，充电器在11向蓄电池2的各组蓄电池部件2.1至2.n输送以下分别称之为I_a1至I_an的电流，这些电流基本上恒定，其值等于上述电流I₁，并且是以这样一种方式选择的，即好像蓄电池2是被一种已知充电器充电似的。在第一阶段，分别被称作电压U_g1至U_gn的各个蓄电池部件组2.1至2.n的端电压，随着这些蓄电池部件组2.1至2.n的能量的增加，而相互独立地逐渐升高。

当这些电压U_g1至U_gn中的任何一个变得大于预定的值U₁/n，这就是说大于上面定义的值U₁与蓄电池2中的蓄电池部件的数目n之比，所说的第一阶段便结束。

在同一时间开始的对蓄电池2进行充电的第二阶段，充电器11向每组蓄电池部件2.1至2.n施加一个基本上恒定的其值等于U₁/n的电压。

可以看到，充电器11也能使蓄电池2中的所有的蓄电池部件组被充电至它们的最大容量，而没有对最大容量小于其它蓄电池部件的一个或n个蓄电池部件造成损害的危险。

当充电器11工作在向蓄电池2充电的第一阶段期间，必须向每组蓄电池部件2.1至2.n输送基本恒定的、其幅度等于上述I₁的电流，而转换器14必须提供基本恒定的、其幅度等于K₁·n·I₁的电流，其中n是蓄电池部件组2.1至2.n的数目，而K₁是取决于每个充电电路3.1至3.n中的变压器和整流器特性的常数。

出于通过以下的描述会变得明了的理由，施加在积分器15的输入端15b上的信号R₁是这样选择的，即其值等于当电流I₁₄为上述值K₁·n·I₁时信号S₁₄所取的值。

在对蓄电池2进行充电的第二阶段，电压U_g1至U_gn必须都保持在一个基本恒定的值U₁/n。由转换器14提供的电压U₁₄必须等于K₂·U₁/n，其中K₂也是取决于每个充电电路3.1至3.n中的变压器和整流器特征的常数。

为了使电压U₁₄等于这个值，由稳压器13提供的电压U₁₃自然必须等于K₃·U₁₄，其中K₃是另一个取决于转换器14特性的常数，并且对信号S₁₇来说也具有一个恒定的由此确定的值。

出于通过以下的描述会变得明了的理由，施加在开关17的输入端17b的信号R₂是这样选择的，即其值等于电压U₁₃和U₁₄为上述值且施加给每组蓄电池部件2.1至2.n的电压为U₁/n时信号S₁₇所取的值。

还是出于通过以下的描述会变得明了的理由，施加给比较器16的输入端16b的基准电压U_r等于U₁/n。

当所有的电压U_g1至U_gn小于电压U_r时，信号S₁₆处于第一状态，并且开关17因而处在使信号S₁₇与信号S₁₅相同的状态。

这样，整流器12提供的整流电压U₁₂通过稳压器13稳压后得到的电压U₁₃的值取决于信号S₁₅的值。

在这些条件中，电流I₁₄自动调整到上述值K₁·n·I₁。

事实上，如果电流I₁₄的值等于K₁·n·I₁，那么信号S₁₄等于上述的信号R₁。等于信号R₁和S₁₄之差对时间积分的信号S₁₅如同信号S₁₇一样是恒定的。这样电压U₁₃和U₁₄也是恒定的，并且U₁₄实际上具有的值使电流I₁₄等于K₁·n·I₁。

例如由于蓄电池2的蓄电池部件组2.1至2.n中的一组或n组的内阻增加，使电流I₁₄的值下降到低于这个值，那么信号S₁₄也下降，并且信号R₁和S₁₄之差变为正的。这样，信号S₁₅上升，它也导致电压U₁₃上升，结果电压U₁₄也上升，直至电压U₁₄的值使电流I₁₄的幅度再次变为等于K₁·n·I₁。这时信号R₁和S₁₄之差再次变为零，并且信号S₁₅再次恒定，电压U₁₃和U₁₄也恒定，并且U₁₄实际上具有的值使电流I₁₄再次等于K₁·n·I₁。

如果无论出于什么原因，电流I₁₄的幅度变成大于所说的值K₁·n·I₁，那么自然也会对它进行类似的调整。

在对蓄电池2进行充电的第一阶段，由充电器11向不同的蓄电池部件组2.1至2.n输送的电流的幅度不都是严格地等于I₁，特别是在充电开始时，这是因为这些电流很显然与蓄电池部件组2.1至2.n的内阻有关，而这些内阻可能是彼此不同的。只是这些电流的幅度之和恒定并等于n·I₁。

但是这些电流的幅度趋向于接近值I₁，因为具有最小内阻的蓄电池部件组比其它部件组吸取更大的电流并且充电更快。

这样它们的内阻也增加得更快，并且在一段时间以后，所有的蓄电池部件组的内阻实际上都相同，它们吸取的电流基本上等于值I₁。

这种情形保持不变，直至蓄电池部件组2.1至2.n的端电压U_g1至U_gn中的一个大于上面定义的值U_r。

这时也就是第一充电阶段结束而对蓄电池2充电的第二阶段开始的时刻，此时信号S₁₆取其第二状态，并且开关17所处的状态能使其输出信号S₁₇与上面定义的信号R₂相同。电压U₁₃和U₁₄恒定，电压U₁₄的值为K₂·U₁/n，并且全部蓄电池部件组2.1至2.n的端电压U_g1至U_gn基本等于值U₁/n。

仍然由于这些蓄电池部件组2.1至2.n的内阻不同，而使这些电压U_g1至U_gn不能严格等于值U₁/n；其结果，这些蓄电池部件组吸取的电流也是相互不同的，并导致各个充电电路3.1至3.n上的不同的压降。

但是这些差别都很小，且趋向于零，这同样是因为具有最小内阻的蓄电池部件组比其它部件组能吸收更大的电流且充电也更快。它们的内阻也比其它蓄电池部件组增加得更快。一段时间以后，所有这些内阻都变得基本相等，而且由不同蓄电池部件组吸取的电流也基本相等，于是各个电压U_g1至U_gn也同样地基本相等。

在对蓄电池2充电的第二阶段，由充电器11向各个蓄电池部件组2.1至2.n输送的电流相对独立地变小，直至当这些蓄电池部件组充满电时变得非常微弱。

然后由转换器14输送的电流I₁₄也变得非常微弱，当然信号S₁₄也变得非常微弱。

如上所述，所有充电电器3.1至3.n的共同电源包括整流器12、稳压器13和转换器14；这种设置的一个显著优点是由该电源提供的电压即图2所示实例中的电压U₁₄的频率与充电器连接的电网电压的频率无关。

这样电压U₁₄的频率可以自由选择，特别是选择使充电电路3.1至3.n的变压器体积最小、从而价格最低的数值。

电源的上述结构还使转换器14能以这样的方式设计，即电压U₁₄不是正弦的，而是具有基本上矩形的形状，或至少基本上梯形的形状。

大家知道，当这样一个电压被加在类似于充电电路3.1至3.n的电路上时，由该电路吸取的电流的波形基本上与电压波形相同，并且不包含非常高且相当窄的尖峰；而如果所加电压是正弦的，那么电流波形中就将包含这种高且窄的尖峰。这一特性也能使构成充电电路3.1至3.n的一部分的整流器的体积减小，从而降低了成本。

另一方面，电源的上述结构还使稳压器13能以这样的方式设计，即通过电网输送给充电器11的交流电基本上是正弦交流电，它消除了或至少基本上减小了否则由该充电器在网络中将产生的干扰。

对构成充电器11的各种电路将不再作更详细的描述，因为对本领域的一般技术人员来说，这些电路都是已知的，不会有任何具体问题就可以构造出来。

大家知道，也不希望在由蓄电池的类型决定的给定的界限以下对蓄电池进行放电，因为这也有将其损坏或使使用寿命缩短的危险。

如前所述，蓄电池的各个蓄电池部件不会都具有相同的最大容量。结果，蓄电池通过向用户设备输送电能而放电时，各个蓄电池部件上的剩余容量也不会都相同，并且必定有一个蓄电池部件在其它部件之前先达到上述界限，且在该界限之下，否则它将不再放电。为了避免损坏这个蓄电池部件，这时应使蓄电池停止放电。

但在一方面，很难或甚至根本不可能检测一个蓄电池部件的剩余容量达到该界限值的时刻。另一方面，如果这时使蓄电池中断放电，那么其它蓄电池部件的剩余电压还没有达到界限值。这样，存储在蓄电池中的一部分微小的能量便没有被利用，显然这是不合适的。

如以下参照图3所描述的那样，根据本发明的充电器的一种实施例可以避免上述缺点，在使用蓄电池期间，它使蓄电池的所有蓄电池部件的容量都保持基本相等。这样，存储在蓄电池中的全部电能都可以得到应用，而不会对先于其它蓄电池部件而达到容量界限值以下的一个部件造成损坏。

在图3所示的实施例中，本发明的充电器的参考号是11′。

如同图1和2中的充电器1和11一样，充电器11′旨在对参考号也是2的蓄电池充电，该蓄电池中的蓄电池部件分为n组，这些组没有分开画出，但是却标以如同图1中的参考号一样的参考号2.1至2.n。

如同充电器1和11，充电器11′也包括独立的充电电路，参考号也是3.1至3.n，每个充电电路和蓄电池部件2.1至2.n中的一组相连。

充电器11′也包括整流器12、稳压器13、转换器14、积分器15和比较器16，它们与图2中的具有相同参考号的电路相同，这里不再予以说明。

代替充电器11中的开关17，充电器11′有另一开关17′，它也有两个输入端17′a和17′b，它们分别和积分器15的输出端15c和图中未画出的、提供信号R₂的信号源的输出端相连；开关17′还有输出端17′d与稳压器13的控制输入端13e相连，向该稳压器13提供被标为S_17′的控制电压U₁₃的控制信号。

开关17′还包括两个控制输入端17′c和17′e，它们分别与比较器16的输出端16c和充电器11′的附加输入端11c相连；接线端11c旨在以下面将要说明的方式接收可以取第一或第二状态的信号S_c。

开关17′以下面方式产生信号S_17′：

当信号S₁₆和S_c都处于第一状态时，信号S_17′与信号S₁₅相同；

当信号S_c处于第一状态而信号S₁₆处于第二状态时，信号S₁₇′与基准信号R₂相同；

当信号S_c处于第二状态时，与信号S₁₆的状态无关，信号S_17′与信号S₁₅相同。

充电器11′还包括开关18，它的两个输入端18a和18b分别与图中未画出的信号源相连，这些信号源即提供与上述信号R₁相同，且其参考号相同的基准信号的第一信号源，以及提供另一基准信号R₃的第二信号源；R₃的值等于信号R₁的值除以固定的预定系数f，其理由从下面的描述中便可明了。

开关18还包括与充电器11′的输入端11c相连的控制输入端18c，在其输出端18d输出一个与信号R₁相同或与信号R₃相同的信号S₁₈；具体与那个信号相同取决于下面将要说明的施加给所说接线端11c的信号S_c是处于第一状态还是第二状态。

充电器11′还包括一个具有两个触点19a和19b的电磁继电器19。触点19a串接在蓄电池2的正接线端2.1a和整流器12的正输出端12c之间，整流器12的正输出端本身又与稳压器13的输入端13a相连，触点19b串接在蓄电池2的负接线端2.nb和整流器12的负输出端12d之间，整流器12的负输出端本身又与稳压器13的输入端13b相连。

继电器19的线圈与一个放大器20的输出端相连，该放大器的输入端与充电器11的输入端11C相连。根据信号S_c是处于第一状态还是第二状态，继电器19的触点19a和19b断开(如图所示)或接通。

由蓄电池2提供电能的设备也简略地画在图3中，参考号为21。

装置21可以是许多能由蓄电池2那样的蓄电池供电的装置中的任何一种。作为一种非限定性的实例，这种装置可以由一个或几个与适合的控制电路相连的电动机构成，所说电动机驱动一部自动车辆的一个或几个驱动轮。

不管其特征如何，装置21必然包括两个分别与蓄电池2的正接线端2.1a和负接线端2.nb相连的供电接线端21a和21b，以及图中未画出的使其能处于工作或不工作状态的部件。

上述信号S_c由与充电器11′的输入端11C相连的装置21的输出端21C提供；根据装置21的不工作状态或工作状态，信号S_c分别处于第一状态或第二状态。

如同将在下面要详细描述的那样，充电器11′以两种不同的模式运行。

第一种模式用于装置21不工作并且充电器11′的接线端11a和11b与电网连接的时候。

这样，信号S_c处于第一种状态，因此信号S₁₈与基准信号R₁相同，信号S_17′与信号S₁₆相同，并且继电器19的触点19a和19b断开。

于是充电器11′的工作情况与图2的充电器11的相同，这里不再详细说明。

第二种模式用于接线端11a和11b不与电网连接而装置21处于工作状态的时候。蓄电池2向装置21输送一个给定的电流，且它的各个蓄电池部件组的容量下降。

信号S_c此时处于第二种状态，结果继电器19的触点19a和19b都接通，蓄电池2的正接线端2.1a和负接线端2.nb之间的电压U现在施加在稳压器13的输入端13a和13b上。

此外，开关17′处于其输出信号S_17′与信号S₁₅相同的状态。由于开关18现在处于其输出信号S₁₈与基准信号R₃相同的状态，信号S₁₅现在等于信号R₃和S₁₄之差对时间的积分。

在第二种模式下的充电器11′的工作情况与上述图2中蓄电池2的充电器11的工作情况类似。

但是在第二种模式下，稳压器13从蓄电池2的端电压U_a产生电压U₁₃。

决定电压U₁₃的值、电压U₁₄的值以及电流I₁₄的幅度的信号S_17′的值现在也等于信号R₃和S₁₄之差对时间的积分。由于信号R₃的值等于信号R₁的值除以上述系数f，所以电流I₁₄的幅度现在被调整到等于K₁·n·I₁/f，其中K₁·n·I₁是充电器工作在第一种模式时蓄电池2的第一充电阶段的电流I₁₄的幅值。

于是，每个充电电路3.1至3.n向与之相连的蓄电池部件组2.1至2.n输送一个被称为补偿电流的电流，在蓄电池部件组中流动的电流的方向与由蓄电池2向装置21输送的电流的方向相反，从而引起电流流经的蓄电池部件组2.1至2.n的容量下降率减小，这种容量下降的原因自然是由于蓄电池2向外提供了装置21工作所需的电能的缘故。

这些补偿电流的幅度之和自然等于n·I₁/f，但是这些幅度相互之间可以是不同的，这是因为蓄电池部件组2.1至2.n的容量以及进而它们的内阻相互之间也可是不同的。

由于具有最大幅度的补偿电流实际上是那些流经内阻最小以及进而容量最小的蓄电池部件组的电流，所以上述蓄电池部件组之间的不同会逐渐缩小。

于是，这些蓄电池部件组的容量的下降率比其它蓄电池部件组减小得快得多，因此一段时间之后，所有的蓄电池部件组的容量变为基本相等，这些容量的下降率也变为基本相等。各个补偿电流的幅度也变为相互基本相等，都等于I₁/f。

可以非常自由地选择系数f的值。试验表明，当补偿电流的幅度为理论上蓄电池一小时所能提供的电流的幅度的1/50至1/5时，就能得到良好的结果。例如对一个额定容量为200安·小时的蓄电池来说，补偿电流的幅度可以在200安培的1/50至1/5之间，即4安培至40安培之间。

如上所述，在对蓄电池进行充电的第一阶段向蓄电池提供的电流幅度I₁是以这种方式选择的，即它等于以安·小时表示的额定容量与以小时表示的允许充电时间之比。

结果，对具有上述幅度的补偿电流来说，系数5必须为这一允许时间的小时数的1/50至1/5。

于是，在以上额定容量为200安·小时的蓄电池的情况下，如果允许的充电时间为10小时，选择的I₁的幅度为20安培，那么系数f为10的1/50至1/5即0.2至2，其结果补偿电流的幅度在4安培至40安培之间。

可以看到，当充电器11′工作在这种第二种模式时，它取出一部分存储在蓄电池2中的能量，回送给各个蓄电池部件组2.1至2.n，在这些部件组之间分配能量足以这样的方式进行的，即应使它们各自的容量趋于相等，这些容量的下降率也趋于相等。

其结果是极大地减小了蓄电池部件组2.1至2.n中的一组的容量先于其它组达到最小值的危险，在该最小值之下，蓄电池部件组不应放电，否则将被损坏。这样就有可能使用实际上存储在蓄电池2中的全部电能，而不会将其损坏。

在不偏离本发明的范围的前提下，可对本发明的充电器做各种修改。

当然在这里不能对所有的这些修改都加以说明，但可以简单提及的是一种为蓄电池2提供一个或几个测温传感器的方案，在该方案中还包括对测得温度作出响应以根据各种温度修改电压U_r的值和信号R₂的值的装置，蓄电池2可以被充电至最大容量，而不会有被损坏的危险。

还有一种修改方案是使本发明的充电器带有这样一个装置，在对蓄电池充电结束而由电源6(图1)或转换器14(图2和3)提供的电流幅度小于一个预定值时，该装置使充电器中断工作。

一辆车的一个或几个驱动轮可以由一个蓄电池提供电能的一个或几个电动机驱动，这个蓄电池于是被称作驱动蓄电池。这种车通常还有另一个蓄电池，被称作辅助蓄电池；它旨在向这辆车的所有的辅助电路提供电能，例如头灯、刹车灯、控制板仪表等。这辆车还包括对这个辅助蓄电池充电的充电器。

当然，当这样一种车辆装有本发明的对驱动蓄电池进行充电的充电器时，最好在辅助蓄电池充电器的输入端提供一个变压器，并将它的初级绕组和诸如图1所示的电源6那样的电源相连，且与构成诸如图1所示的电路3.1至3.n那样的充电电路一部分的变压器的初级绕组并联。

Claims (8)

1.一个用来充电一个可充电蓄电池(2)的装置，其特征在于：所述蓄电池有安置成多组蓄电池部件(2.1-2.n)的蓄电池部件，每组包括至少一个蓄电池部件，每组具有组接线端，所述装置包括一个电源(6；12-17；12-18)，用来产生频率高于10千赫兹的第一交流电压(U6；U14)和包括多个独立充电电路(3.1-3n)，每个用来充电所述多个组电池部件(2.1-2.n)的相应组，所述充电电路(3.1-3.n)具有用来连接所述多组蓄电池部件的相应组的接线端的充电接线端，和每个所述充电电路包括一个用来变换所述频率高于10千赫兹的所述第一交流电压的相应变压器(4.1-4.n)，所述变压器具有一个连接所述电源的初级绕组，和一个次级绕组，和包括一个整流器(5.1-5.n)，它具有连接到所述次级绕组的输入端和连接到所述充电接线的输出端，相应的变压器的初级绕组是互相独立的。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于：其中所述的蓄电池(2)是安置成用来产生第一直流电压(Ua)和所述多个蓄电池部件的每组安置成用来产生跨于所述组接线端的第二电压(Ug1-Ugn)。

3.根据权利要求2的装置，其特征在于：其中所述组接线端中的一个接线端是一个所述蓄电池的正端，而所述组接线端的另外一个接线端是蓄电池的负端，除了是正和负蓄电池接线端以外的组接线端连接成使所有蓄电池的电池在所述正和负蓄电池接线端之间互相串联。

4.根据权利要求3的装置，其特征在于：其中所述的电源(12-17；12-18)还包括用来当所有所述的充电接线端分别连接到所述相应的组线端时给所述充电电路提供电流(I14)和电压(U14)的装置，当在所述多组蓄电池部件的每组的接线端上的第二直流电压(Ug1-Ugn)小于预定参考电压(Ur)时，上述电流(I14)的幅度基本上为常值，当在所述多组蓄电池部件的任何一组的组接线端上的所述第二电压(Ug1-Ugn)大于参考电压上时，上述所提供的电压(U14)为常值。

5.根据权利要求4的装置，其特征在于：其中所述的电源(12-17；12-18)包括：

整流装置(12)，用来提供来自一个第二交流电压的整流后的电压(U12)；

稳压装置(13)，用来从所述整流的电压(U12)提供一个数值取决于整流信号值的第三直流电压(U13)；

变换装置(14)，用来从所述第三直流电压(U13)提供所述第一交流电压，和用来提供一个其值取决于电流(I14)的幅度的测量信号(S14)；

用于提供一个积分信号(S15)的积分装置(15)，该积分信号(S15)的值等于第一参考信号(R1)的值和所述测量信号(S14)的值之差对时间的积分，当所电流(I14)的幅度基本恒定时，第一参考信号(R1)的值等于所述测量信号(S14)的值，以及

装置(16，17)，用来当所述多组蓄电池部件的每一组的组接线端的两端的所述第二直流电压小于所述参考电压(Ur)时，产生其值等于所述积分信号(S15)值的稳压信号(S17)，而当跨在所述多组蓄电池部件的任何组的组接线端上的电压大于所述参考电压时，产生值等于第二参考信号(R2)的稳压信号。

6.根据权利要求4的装置，其特征在于：其中所述电源(12-18)包括：

整流器装置(12)，它有输出端(12c，12b)和响应于一个第二交流电压，用来在所述整流器的输出端(12c，12d)之间提供一个整流后的电压(U12)；

稳压器装置(13)，它有与所述输出端(12c，12d)相连的输入端(13a，13b)和响应于一个稳压信号，用来提供一个具有其值取决于所述稳压信号，值的第三整流电压(U13)；

变换装置(14)，用来从所述第三直流电压提供所述第一交流电压(U14)和提供一个具有其值取决于所述电流(I14)幅度的测量信号(S14)；

装置(18)，用来产生具有分别响应一个控制信号(Sc)的第一和第二状态的第一值(R1)和第二值(R2)的第一参考信号，当所述电流(I14)幅度基本上等于常值时，所述第一值等于所述测量信号的值，而所述第二值(R2)是等于所述第一参考信号的所述第一值的一个分数值；

装置(15)，用来提供一个其值等于对所述第一参考信号(S18)的第一和第二值之一与所述测量信号(S14)值之差的时间积分的积分信号(S15)；

装置(17)，它响应所述控制信号(Sc)的所述第一状态，当在所述多组蓄电池部件的每一组接线端上的所述第二直流电压小于所述参考电压时产生具有其值等于所述积分信号(S15)的稳压信号，而当跨于所述多组蓄电池部件的任何一组的接线端上的电压(Ug1-Ugn)大于所述参考电压时产生具有其值等于第二参考信号的值的稳压信号，

和响应于所述第二状态，产生其值独立于跨在所述多组电池的每组的组接线端上电压、等于所述积分信号值的所述稳压信号；以及

还包括装置(19，20)，它响应于所述控制信号(Sc)的所述第二状态，用来向所述稳压器装置(13)提供所述第一直流电压(Ua)。

7.根据权利要求1的装置，其特征在于：其中每个所述多组电池的每一组包括一个以上的蓄电池部件。

8.根据权利要求1的装置，其特征在于：其中每个所述第一交流电压其频率至少为20千赫兹。

Images