CN1041670A - 电池充电的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种电池充电设备和方法，包括：充电电路，它具有充电电源和连接电池的连接装置；与电池相连的可控开关；微处理器，用于控制所述开关，对每一电池建立可重复的充电期间的序列；显示装置，显示每一电池的充电状态。将被充电电池的各种参数输给微处理器，微处理器根据检测的参数值可单独地控制或终止电池的充电操作。

Description

现在有许多充电和再充电装置，可用于各种类型各种大小的蓄电池，包括较大的温型电池及较小的如镍-镉（Ni-Cd）电池等干型电池。本发明主要针对那些用于干电池的充电器，比如Ni-Cd电池和有关类型的电池，这些电池有时也用如下标号来标明，包括标号AA，AAA，C，D和9V电池等。

已知的用于这些类电池组或电池的充电器大体归为两类，即涓流充电器及所谓一小时充电器。涓流充电器一般提供一个部分调控的充电率，一般充电电流在15-150毫安（ma）的范围。这种充电器一般不包括抵抗反充电压或抵抗过量充电的保护装置，这种装置是慢充电，对于C电池等通常需要大约14小时甚至更长的充电时间，对于其它电池和其它充电速率，这个时间将有些变化。

另一方面，一小时充电器的设计主要是用于充电池包，比如便携式工具电池包，它们通常被包括在动力钻等工具之中。用在这种装置里的动力包是多电池包，把各个电池串联以产生比单个电池大的电压输出。可在这种电池包中加入热敏装置，如果电池的温度超过某个预定量，它可终止充电操作。

然而没有任何已有的设备具有一装置能个别地有选择地对一个或多个电池进行快速充电或涓流充电，而与其它的电池无关。监视每一电池的状态，用于控制该装置以确定要用的充电速率和/或判定一个特定的电池是否真正需要充电了。此外，在已知的电池充电器设备中没有一个包括有一装置，用于计算和确定一组被充电池中每一个的一定状态，以便控制进行快速或涓流充电，或在一定条件下终止充电操作。或确定是否一个特定的电池可接受快充或只是涓流充电。而且，在已知的电池充电器中没有一个包含有微处理机，用来个别地响应一定的参数，以使被连接的电池组可独立地充电，并用这种信息做计算和判定，以此控制是否和如何对一电池充电;也没有一个已知的电池充电器具有一个装置在微处理机的控制之下，用于单独地表示出被充的每一电池所经受的充电类型。也没有任何一个电池充电器检测充电操作中电池的电压（闭路电压-ccv）与未充电操作的电池电压（开路电压-ocv）之间的不同，并处理这些差值，当这个处理结果的实际值比充电操作中这个差的最小值超过了某个预定值（通常表示为一个比率）时终止充电操作。也没有一个已知电池充电器具有一个装置去终止充电操作，比如当开路电压（ocv）超过某个预定值时，或者开路电压的状态以某个预定的方式变化，或当闭路电压超过某个预定门限值时，或者充电期间过了，即超过了某个预定的充电时间（比如60分钟），或者当环流温度超过或小于某一预定温度。

在现有的已知的电池充电器中，没有任何一个计算被充电电池的开路和闭路电压之间的偏离，并包括一个装置，用于在充电操作中保持它的最小值，与这个电压差的瞬时值比较以确定何时根据它们之间的比率应终止充电操作。

本发明的主要目的是提供一个电池充电装置，它可确定是否一个充电电池可进行快速充电以减少充电所需时间，或必须进行更慢速的涓流充电，或根本不充电。

本发明的第二个目的是提供一个装置，用于检测环境温度和/或电池电压，以确定是否一个电池可经受快速充电的状态。

本发明的第三个目的是提供一个电池充电器，其中包括一个装置能够单独地测定相同或不同种类的具有相同或不同的充电电平的一组多个电池，以确定对哪一个可进行快速充电，对哪一个可不进行，据此对它们进行充电。

本发明的第四个目的是提供一个电池充电器，其中包括一个装置，能够在它的充电操作中个别地监视一个或多个电池的选择状态。

本发明的第五个目的是在充电（闭路）和未充电（开路）时检测电池电压，运用在充电周期中每一个别电池的该两个电压之间的差值来确定何时终止充电。

本发明的第六个目的是提供一个电池充电装置，可安全地使用，不易损坏被充电的电池。

本发明的第七个目的是提供一个改进的、由微处理机控制的电池充电器。

本发明的第八个目的是提供一个用于控制电池充电器的改进软件。

本发明的第九个目的是把需要对电池充电的时间减至最小。

本发明的第十个目的是提供一种电池充电器，其中包含一个装置，当环境温度小于或超过某一预定温度时终止充电操作。

本发明的第十一个目的是提供一个由微处理机控制的可见显示，显示被连接充电的多个电池的单独充电状态。

本发明的第十二个目的是运用充电操作中的开路或闭路电池电压，来确定可用于终止充电操作的某些状态。

本发明的第十三个目的是：当某个预定的充电时间间隔过后终止电池充电操作。

本发明的第十四个目的是：如果电池电压的变化率超过某个最小量时终止电池充电操作。

本发明的第十五个目的是：提供可用于终止电池充电操作的多种可检测状态。

本发明的第十六个目的是：给出了电池充电装置的结构和操作，从被充电池的观点来看，与用于相同或类似目的的任何已知充电装置相比，更为通用和安全。

本发明的第十七个目的是：根据在开路电压状态中的一个预定的变化值终止电池充电操作。

当结合附图研究了对本装置的最佳实施例所做的如下详细描述之后，这些和其它目的和优点将会更加清楚。

本发明设备的设计和制造考虑了每个被充电电池的需要和情况，通过监视环境温度和每个电池的电压〔包括开路电压（ovc）和闭路电压（ccv）〕，并用这些信息做计算，以此计算控制充电操作，必要时终止充电。本设备还包括一个根据环境温度、充电电流和电池电压来确定这些参数是否在规定范围内的装置，以便确定是否应终止一个充电操作，在某些情况都要终止。此外，本设备还包括一装置，以电和/或机械手段确定是否一个特定的电池适合于快速充电或必须进行涓流充电。这可以用探头或传感器通过机械的方法来完成，或通过观测作为结果而产生的电压轮廓。在机械探头或传感器的情况下，此种设备可包括些装置，用它们检测电池的某个物理特性，比如检测在一个特殊部位的凹槽或缺口，正极头端的直径或其它一些特性或者检测或读出在电池上或附加其上的电或机械的装置。

图1是根据本发明构成的电池充电的方框图;

图2是本题目电池充电器的简要电路图;

图3是在电池充电操作中的不同时间取得的开路和闭路电池电压以及它们之间的差值的理想化曲线;

图4A、4B和4C一起构成了本发明电池充电器的流程图;

图5A，5B，5C，5D和5E表示各种功能和操作发生的时间和顺序表。

现在参看附图的具体编号，号数10表示按照本发明构成的电池充电器电路的一方框图。电路10含有一个电源12，它包括输入变压器14，整流器16，滤波器18和稳压器20。电源12在线端22产生稳压输出，在线端24产生非稳压输出。从线22和24连接到电路的各种部位，在图2中有更详细地表示，该电路的总体用号数26表示。

再参看图1的方框图，电路26包括一个多路转换器28，它的输入端通过电阻器30连接到稳压电源输出端22。多路转换器28的其它输入端32、34、36和38连接到被充电的电池A、B、C和D的各自正极端。而电池A、B、C和D的负极端由导线40接地。这些电池的每一正极端，比如电池A还连接到电池控制装置或电路42（或44，或46，或48）的一边，每个控制电路依次各自具有一个可选择的跨接电阻50（或52，或54，或56）。每个电池控制装置都有各自的连接端58、60、62和64连接到微处理器66的输出端。微处理器66在导线68上产生第一组输出，它是多路转换器28的控制输入，多路转换器28还通过一个模-数转换器（A/D）电路69连接到微处理器66，如图所示，微处理器66的其它输出端70，72，74和76连接到所示的各个状态装置如发光二极管（LED_S）78，80，82和84。发光二极管（LED_S）对电池A、B、C和D各自的充电状态给予可见指示。例如当LED_S78-84的任何一个或多个发光或连续激发时，这意味着所对应的电池正进行快速充电。当LED_S78-84的任何一个或多个处于快闪烁状态时，这表示各自的电池正经受快速涓流充电。而当LED_S的任一个或多个处于较慢的闪烁或眨眼时，表示对应的电池在经受慢速涓流充电或保持充电。当LED_S去激励时，表示电池未进行充电。也可应用LED_S以外的其它装置，运用装置的不同状态能表示所需要的任何充电状态，该电路的操作包括电池控制装置42-48和微处理器66的操作将结合图2详细描述，在可用时图2中的相同部件都用图1中所用的相同号数来表示。

在图2中，图1中的微处理器66表示为包括两个集成电路芯片66A和66B，二者都具有其合适的输入，输出和控制连接，比如按要求的时钟、选通控制和电源连接。一般来说，芯片66B是一个CMOS模拟多路转换器，它与运算放大器170和192连接（后将描述）提供了A/D转换器的模拟部分。该模-数转换器的数字部分是用微处理器软件来实现。A/D转换器为微处理器提供了采集模拟量（比如电池电压、充电电流和环境温度）的装置。微处理器66A和66B还通过多条线比如90，92和94彼此连接，这些导线通过各自的电阻96，98和100与电源的稳压输出22连接，从而被加一个正偏压。

将电池AmB、C和D通过各自相同的电池控制电路（比如对电池A用电路42连接到微处理器部件66A，如图所示该电池控制电路包括一个复合晶体管对或对102，在该对中一个晶体管的基极104通过电阻106连接到微处理器66A。复合晶体管电路的特征在于包括串联结构的晶体管，这种结构与一般的晶体管电路连接相比能给出更高的输入阻抗和更大的增益稳定性。在分别与电池B、C和D连接的每个控制电路44、46和48中包含一个同样的复合晶体管对。电路42，44，46和48的每个都有其各自的输出线108，110，112和114，分别连接到芯片66B的输入端116，118，120和122。复合晶体管42-48的接地一侧通过连接件124共同连接到芯片66B上的输入端126。尽管在所示电路中应用的是复合晶体管对，但应知道其它电路类型的开关装置比如硅控整流器（SCRS），金属氧化物半导体场效应晶体管、继电器或其它机械开关装置、双极功率晶体管等都可应用。

上述的电源12还有一对具有较高电流承载能力的二极管128和130，它们的输入一侧连接到全波整流器16的输出，它们的输出一侧连接到充电输出端132（该端连接到134端）。端134连接到控制电路42、44、46和48中各个复合晶体管对里的对应晶体管的发射极端136、138、140和142。正如图示，这些电路具有适当连接的二极管，电阻和其它工作连接件，包括对电源的连接。

主控电路26还包括其它电路部分，在端160上有一个参考电压源，端160连接在齐纳二极管162、电阻164和166之间的公共连接点。该电路的相反一侧连接到运算放大器（OP-amp）电路170的正相输入端168，运算放大器的输出171通过另一电阻172连接到晶体管176的基极174。晶体管176的集电极通过导线178连回到运算放大器170的负相输入端180，并通过电阻182连接到电源的5V稳压输出。电容184连接在运算放大器170的输出与它的负相输入端180之间，晶体管176的发射极186作为其输入连接到微处理器芯片66B。多路转换器芯片66B还有定时和其它操作输入端，它们都是常规的结构，多路转换器的输出188连接到另一运算放大器192的负相输入端190，运算放大器具有一个通过电容194到其负相输入端并通过电容196接地的反馈连接。同样也连接到电源的5V稳压输出。

运算放大器192的输出198作为输入通过线200连接到微处理器芯片66A，并通过电阻202连接到运算放大器192的正相输入端204。如图所示，该正相输入端通过一个包括电阻206    208和210的分压电路连接到参考电压。对微处理器芯片66B的其它连接是标准类型的控制电路，将不做详细描述。应注意运算放大器192的输出通过线200连回到芯片66A，当由检测的和/（或）计算的信息已经确定满足了终止充电的必要条件时，便由该输出来控制充电操作的终止。

运算放大器212电路可代替运算放大器170的电路，作为一个供选择的替换。运算放大器212具有一个到5V稳压源的连接端，它的负相输入端214通过电阻216连接到5V稳压源。该5V稳压源的连接端通过齐纳二极管218和电阻220连接到运算放大器212的正相输入端222。同时设有一个合适的接地偏置电阻224。运算放大器（op-amp）212的输出通过反馈电阻226连接到op-amp212的正相输入端，通过另一个电阻228连接到它的最后输出230。该输出端230通过电阻232连回到op-amp212的负相输入端。op-amp212电路对op-amp170电路提供一种替换，并提供反馈控制，使充电率的设置与电池阻抗、电池电压的变化和线电压波动等无关。还期望微处理器将利用所测量的每一电池的充电电流以调整充电工作循环，提供一个精确的平均充电电流。

应了解，微处理器66（66A和66B）将由程序控制来执行必须的功能，软件以一种独特的方式控制微处理器，通过参考流程图将会更充分了解这一点。还应了解微处理器必须接受所要求的必要数据，包括关于每个被充电电池的开路和闭路电压情况的数据，产生输出信号，这些输出信号的作用之一是确定何时终止一个充电操作。根据微处理器收到的某种信息，它可确定是否任一个或多个电池能够进行快速充电，或者只能被涓流充电，或者任一个电池不应再充电。还可运用从电子或机械的传感器或探测装置得到的信息，确定是否一个特定的电池能够接受快速充电，如果不能，对它进行涓流充电或者全然不充电。从上所述应该清楚，本装置能够充一个或多个电池，甚至这些电池具有不同的种类和不同的充电状态（比如全充满或部分充满的电池），能够单独连续或间断地监视每一电池的若干不同的参数比如开、关充电（闭路或开路）电压，确定是否一个或一些电池能进行快速充电，或应进行涓流充电，或已经充满，或完全不应充电。这是通过监视环境温度、充电电流和每一电池的开、关充电电压来实现的该微处理器还将控制操作顺序，正如下面将描述的包括起始顺序，充电顺序以及为作出判断而读取各种参数的时间。

图5A表示本发明充电器的电路操作的电压鉴定阶段的一个典型的时间顺序表。在操作的这个阶段所有的充电开关都断开，于是将无电池充电。这个表给出了一个有32个周期的起始时间，以此建立标准状态。以后，每一个时间间隔组依次与与被充电的4个不同电池中的一个有关。此如，对于电池1，把25个周期的期间用于预充一个样本电容到零伏，把下一个32周期的期间用于将该样本电容充到该电池的电压，提供最后一个周期，用于读出电池电压，并用此判定是否所考虑的电池能够接受充电。对于每个其它的电池2、3和4用同样的过程。

当鉴定阶段完成之后，是充电电流校准阶段（图5B）。对于每个电池完成这一阶段需要36个周期，头31个周期用于对电池1的电流检测电阻进行采样，随后的一个周期用于读出充电电流，并以此计算出充电工作周期，对于电池1的最后4个周期用于使电源恢复。对于电池2、3和4依次应用同样的过程。

图5C中表示了充电阶段时序表，它的每一个时序需要用115个周期。每个时序中可用于对4个电池中的一个进行充电的最多周期数是256个周期。把每个所述时序再分为4个相等的期间，每个电池为一个，于是每个电池能接受的最多充电时间达4×256个周期。

图5D表示进一步细分，表示在图5C所示的时序的4个期间的每一个进行了什么。图5D中的整个表代表了图5C中所示的一个期间。比如在图5D中所示的一个充电期间的总时间是1152个周期。把这个期间进一步细分为16个子期间，每一个子期间充4个电池中的一个，最长为16个周期。

图5E表示在图5D所示的16个子期间之一的时间里充电子期间的序列。在这个表中可以看出电池1接受充电16个周期，电池2、3和4也是如此，每个子期间的8个周期未用于充电，以使电源在子期间之间得到恢复。熟悉在图5A-5E中所示的表有助于了解在本发明电池充电器控制下，充电操作的时序和子时序。该时序由微处理器控制，根据被充电的个别电池或一些电池的需要，各个时间周期的长度可以变化。

图4A，4B和4C一起构成了本发明电池充电器的流程图。当通过驱动一个开关（比如复位开关250）把电源接通时，在初始化框252的控制之下微处理器电路将被起动，建立进行电池充电操作所必须的各种初始状态。在需要初始化的事情中包括建立充电操作的零或起始时间。初始化还将清掉可能存在的任何“不充电”标志，它将清除任何“涓流”充电标志，并将为闭路电压（ccv）与开路电压（ocv）之间的最小差值设立一个起始或初始状态。（ccv-ocv）或（ocv-ccv）最小值的初始设置将比在充电操作期间预期出现的这些电压之差的最小值大。换句话说，可以预期，在充电操作期间，闭路电压与开路电压之间的差值的绝对值将从它的初始设置值减小到比初始值低的某个值，每个新检测的最小差值将代替前面存贮的最小值，并将把它与新的差值进行比较，当现在值与存贮的极小值之差值等于或超过某个预定量时，快速充电操作将被终止，可把此表示为（ccv-ocv）/（ccv-ocv）最小。

如上所述，一旦建立了初始化变量，就将把初始信号送到标记为“初始化输入/输出”的框254，它在标记为（A）的门256产生一个输出，这将使通过合适的传感器装置检测的环境温度状态读入该电路，如果检测的环境温度状态很高或者很低可以优先操作该电路，以避免发生充电操作。把检测的环境温度加到框258，框258又将输出送到环境温度框260，如果检测到的环境温度，处于范围之外，太高或太低，它将操作太高框262的控制标志或太低框264的控制标志。如果框262或264被启动，将产生一个“不充电标志”，一个相应的信号将使所有的可能接入系统的电池或电池组避免充电操作。然而，如果假设环境温度是处于进行电池充电操作所必要的范围内，则框260的输出将加到标记为“读入满标A/D阵列”的框266，该框将通过终端268把一个信号加到标有“对电池1设立指针N”的框270。框270的输出连接到门272的两个输入端之一，该门的输出接到标有“读电池N的OCV的框274，这使得在能量加到电池1进行充电之前读出开路电池电压。

把框274的输出供给标为“ocv”的框276的输入，该框具有一个标志“小于零伏（＜0）”的输出，和另一个标志“大于1.5伏（＞1.5）”的第三输出端。如果该电池的OCV比零伏小，或者说为负，则与它连接的标志为“设置电池不充电标志”框278将执行，以阻止给电池1充电的操作。类似地，如果该电池的OCV大于1.5伏，则标志为“设置电池不充电标志”的另一框280将进行操作，避免对该电池充电，但原因是不同的。换句话说对于一个被充电的电池，它的开路电压（ocv）必须在为该电池设立的预定值之间，如本流程图中所示的0与1.5V之间。如果ocv是在这二者之间，则“不充电”标志都将不会被设置，方框276将产生一个输出加到标志“开路电压小于0.7V（＜0.7）”的另一框282中去，如果开路电池电压小于0.7V，则框282将产生一个输出，去驱动标有“设置电池进行涓流充电标志”的框284，这将对上述电池进行涓流充电而不是快速充电。在另一方面，如果开路电池电压是在0.7V和1.5V之间，则框282将产生一个输出，加到门286的输入，门286还有来自框278、280和284的其他输入端。如果门286接受一个来自框278或280的输入，则将不可能对电池N充电，如果门286接受一个来自框284的输入则该门将产生一个涓流充电操作，如果门286接收一个来自框282的输入，则电池N将开始接受一个快速充电操作。一旦对于电池N建立了具体状态，门286的输出将被加到标有“将N指向下一个电池（N＝N+1）”的框288的输入。刚才经过的这一过程确定完了哪些电池要进行快速充电，哪些电池要进行涓流充电，哪些电池根本不要充电。实际的充电是处在该流程图的另一部分和图5A-5E中时序图的控制之下。在设备中的每一电池依次采用同样的ocv读出和鉴定过程，以便确定要对哪个电池进行充电。因此，可以知道，每个电池的ocv是在进行每个充电操作之前可以被读出的一个重要信息，设备可根据这一信息确定是否可应用充电操作，如果是可以，那么是否该电池可接受快速充电，涓流充电或完全不充电。

框288产生的输出加到标有“M电池做了”的框290，它所控制的装置跟踪监视哪些电池已被读出了ocv。如果N不等于M，即如果每个电池的ocv还未被读出和特征化，那么对于未读出的电池要执行上述的过程，并设置适当的控制标志。另一方面，如果每个电池的ocv都已读出，也就是说如果M＝N，则框290将产生一个输出，加到标有“设置电池指针N到电池1”的框292。将框292的输出加到门294，门294还接收来自也标有“M电池做完”的另一个框的输入（以后将讨论此点），它控制哪些电池将接收充电电流，而且这将不依据其状态。

将门294的输出加到标有“没有任何充电或涓流充电标志设置？”的框296。框296有两个输出，一个加到标有“接通对电池N充电”的框298，它将使所涉及的电池在随后的充电周期中接受充电。框298产生一个输出，加到标有“读出N电池电流”的框300，使之读出电池N的电流，并把一个信号加到标有“读出电池N的ccv”的框302，使之读出同一电池N的闭路电压（ccv）

用框302的输出使框304做一个计算，从前面读出的ocv减去该ccv，因此产生一个电压差（ocv-ccv）的绝对值。正如以后将要说明的，由于若干原因这是一个很重要的计算。

将ocv-ccv计算框304的输出加到标有“电流”的框306的输入。框306具有一个标有“大于4安培（＞4A）”的第一输出接到标有“设置C电池标志”的框308。这个连接提供快速充电操作。框306具有一个标有“大于10安培（＞10A）”的第二输出，该第二输出连接到标有“设置不充电标志”的方框310。当电流大于10A时，框310避免进行充电操作，实际上这是短路状态。框306还具有一个第三输出，连接到标有“电流小于2安培”的框312。如果在框306测得的电流小于2安培，这意味着该电池几乎要充满了，框312连接到标有“设置涓流充电”的框314，则在下一个充电周期对该电流进行涓流充电操作而不是进行快速充电操作。

框312具有另一个输出端，连接到门316，该门还接收从框310输入的禁止信号，以禁止充电操作。如果不存在“涓流充电”或“无任何充电”的条件，则316将把一个输出加到标有“计算要求的充电周期”318，该框将工作建立一个对电池充电的时间长度。该充电时间可依电池的种类而变化，并能够预先设立并编程到微处理器中。

框318的输出连接到标有“（ocv-ccv）＜MIN”的框320。在每个充电周期对每个电池都进行这个比较计算，以确定ocv和ccv之间的差值，使得每次一个新的最小值或更小值计算出来时，能够用一个新的最小值代替和更新先前存贮的最小差值。这是很重要的，因为这个差的最小值要与每次新计算出的差值比较或相除，以确定何时该终止充电操作。当新计算出的值与存贮的最小值之比超过一个预定量时充电将终止。当此时，这标志该电池充满了。对于每个放充电的电池单独地进行这些计算和这个过程，所以充电终止对于每个电池是不同的，它将依赖于何时ocv与ccv之间的差值等于或超过对于一个电池存贮的该差值的最小值，一般为某个量或比，比如1.09或1.04或其它预定值。

框320具有一个第一输出连接到标有“MIN＝（ocv-ccv）”的框322，框322只接受小于以前存贮的差的最小值的ocv与ccv之间的差值。如果计算出的差值不小于存贮的最小值则将不进行更新，把框320的第二输出加到门324，否则门324将接受在框322的控制之下输入的新的最小差值。

门324具有一个输出，连接到标有“C电池标志设置”的框326，框326具有“是”和“否”两个输出端，“否”输出端连接到标有“R＞1.09”的框328，而“是”输出端连接到标有“R＞1.04”的框330。如果框328或框330接收一个响应，其意是新计算出的ocv-ccv与存贮的最小值之比大于1.09或1.04，这意味着所考虑的电池已充满，该电池的充电周期已完成，充电应被终止。与此同时，该响应通过将一个信号加到标有“设置涓流充电标志”的框322，在这种情况下的涓流充电是一种维持性充电。

框328、330和332各自连接到门334、336和338，这些门具有一个来自门334的共同输出连接到标有“推进电池指针（N＝N+1）”的框340。这个操作作用是按顺序进入下一个被充电电池的充电周期，从而重复上述的步骤。对于连接到充电器的每个电池这样重复发生，于是每个电池的充电是独立的。

将框340的输出加到标有“M电池做完”的框342，该框342具有一个第一输出回头连接到上述的框294，指出哪些电池已经被充满，哪些还没有充满。框342还有一个“是”输出，连接到标有“期间计数器P＝1”的框344，它按照充电周期起动一个序列或程序，周期1是在序列中用于对第一电池充电的周期，以此类推。

将框344的输出加到门346，门346还接收来自上述门334的其它输入。这些输入依据一个电池是否已被确定充满来控制是否它要经受进一步充电。应记住该序列将不因这些信号而变化，但如果一个电池已充满，在预定的充电周期将不被快速充电。门346的输出一侧连接到标有“电池指针N＝1”的框348的输入，它将起动下一个操作循环的一个充电周期，这可能是也可能不是针对序列中的第一电池。框348的输出一侧连接到另一个门350，它接收来自周期计数器的其它信号（下面将要描述）。

门350连接到标有“设置电池不充电标志”的框352，它具有一个“是”输出（当加入不充电信号）连接到标有“电池充电计数器＝0”的框354。框352具有一个“否”输出（当加入一个充电信号时）连接到标有“设置电池涓流充电标志”的框356，框356的“是”输出连接到标有“电池充电计数器＝涓流计数”的框358。如果框354或框358都不处于“是”的情况，则将框356的“否”输出端的信号加到标有“电池充电计数器＝电池工作周期”的框360，使将一个信号加到门362，再到标有“推进电池指针N，N＝N+1”的框364，开始下一个充电操作。如果框352或356处于“是”的情况，则框354或358将接收来自它们的输出，框354和358分别将它们的输出加到门366，阻止门362，使框360的输出不能通到框364。

框364的输出连接到标有“N≥M”的框368，该框的“否”输出回头连接到上述的门350，它的“是”输出连接到标有“子期间计数器＝1”的框370。框370的输出连接到门372门372还接收来自一个子期间计数器的其它输入（以后描述）。门372的输出连接到标有“电池指针＝1”的框374，它将建立对电池1的充电，除非电池1已被充满。框374的输出加到门376的两个输入之一，门376的另一输入连到标有“N≥N”的框400（以后将描述）。门376连接到标有“线周期计数器＝1”的框378，它起始一个充电周期，它的输出连接到另一门380的两输入端之一。门380的另一输入端连接到标有“线周期计数器≥16”的框394，这个框在流程的下面，将以后描述。

下一个是标有“电池充电计数器＝0”的框382，该框的“是”输出连接到标有“切断对电池充电”的框384，如果框382指示实际未进行充电，则框384将切断快速充电操作。框382的“否”输出端连接到标有“电池充电计数器＝电池充电计数器-1”的框386，框386把充电操作推进到下一个被充电电池。

框386的输出加到标有“开启对电池充电”的框388，当框388接收一个输入信号时，它将依序对下一个电池充电。如果在进行充电时，框382从“否”进入“是”的状况，起动框384，框384的输出对门390输入一个禁止信号，使得框388的输出不能通过门390到达框392的输入，于是终止了一个正在进行的充电操作。

门390连接到标有“线性周期计数器＝线性周期计数器+1”的框392。由框392控制的装置把充电操作推进到充电序列中的下一个未充满的电池。框392的输出连接到标有“线周期计数器≥16”的框394，框394的作用是计时，以确定是否超过了预定的充电期间，这里，为了便于说明，把持续充电期间取为16个周期。框394具有一个“否”输出端，回头连到门380的第二输入端，去终止被充电电池的充电操作过程，它还有一个“是”输出端，连到标有“切断对电池充电”的框396。当发生此种情况时，框396脉冲激励标有“推进电池指针N（N＝N+1）”的框398，使该电路处于对序列中的下一个电池的充电状态。这种状态一直续继到398的输出加到标有“N≥N”的框400的输入，框400具有“否”和“是”输出端，其“否”输出端返回连到上述门376的第二输入，“是”输出端连到标有“子期间计数器＝子期间计数器+1”的框402，准备按序对下一个电池执行下一个充电周期序列。框402的输出连接标有“子期间计数器≥16”的框404，框404也具有“否”和“是”输出。其“否”输出返回连接到门372的第二输入，以重复充电周期，其“是”输出连到标有“期间计数器＝期间计数器+1”的框406，框406的输出连到标有“期间计数器≥4”的框408，它同样有“否”和“是”输出。其“是”输出连到标有“总时间＝总时间+1”的框410，它使充电序列进入随后的充电序列。框408的“否”输出返回连到门346的第二输入，该346门位于电池指针控制部分，用于控制将对哪个电池充电。例如，运用这种控制跳过对一个不能充电或者已经充满的电池充电。框410具有一个输出连接到标有“总时间≥60”的框412，该时间是可用于对连到系统中的所有电池充电的一个任选的总的可能时间。当充电时间达到或超过60分时，该系统将返回到它的初始状态，且不再进行充电。该充电序列的总时间能够根据要求而改变，虽然对于最适用本发明的多种电池（包括Ni-CD电池）而言，快速充电总时间取为60分钟是适当的和令人满意的。

框412的“是”输出加到标有“电池指针N＝1”的框414的输入，框414的输出连到门416的第一输入。框412的“否”输出连到另一门418的一个输入，门418的输出返回连到门256，门256紧跟着流程图中在充电操作开始时，对充电操作状态进行初始化的那一部分。这为一组同类电池的另一充电操作建立必要的工作状态。

门416的输出连到标有“设置电池不充电标志？”的框420这是在每一充电操作完成之后的一个充电终止状态。框420具有一个“是”输出，表示充电操作完成，它连到另一门422，其“否”输出连到标有设置电池涓流充电标志的框424的输入。框424的输出连到门422的另一输入，门422再控制标有“N＝N+1”的框426。框426的输出连接到标有“N≥M”的框428，这里M代表已经充满的电池数。框428具有一个“是”输出，连到上述门418的第二输入，它的“否”输出连到上述门416的第二输入。门428禁止框420通过门416从框414接收信号，直到所有电池均被充电。

上述的流程图为了解本发明电池充电器的编程提供了一个方便的手段。然而，各种参量的特定值可以根据被充电电池的大小和种类、电池电压和充电电流，适于充电的环境温度范围、每一充电期间的长度、总充电时间和在一个充电操作中被充电电池的数目等而大范围的改变。一般地说，当把一组被充电电池（比如4个）装入该设备时，每个电池都将接受预定的时间区间充电。一般每一电池在这一时间区间比如16个周期期间是单独充电的，随后对该电池的充电将停止，后面的电池在某个后来的时间将接受一个同样期间的同样充电。在整个60分钟的预定充电期间，在它被判定已充满之前，每一电池依着次序接受周期性的充电。正如所述，本设备包括一个装置，用于检测每个电池每次接受充电的开路电压和闭路电压。在每一充电周期，把这些电压相减得出一个差值电压，并且在每一充电周期把这些差值电压与存贮在微处理器中的该差值电压的最小值进行比较，当最后计算出的差值与存贮的差值的最小值之比超过某一预定值时，该电池的充电将终止。只是在后面的充电子期间中为了充电保持可能进行涓流充电。这对每一被充电电池而言是单独进行的。这意味着，当对4个电池进行充电时，当因一个电池已充满后对它进行涓流充电（或完全不充电），而对其它3个电池的充电工序仍将继续重复，经过而不是跳过为已充满电池指定的时间间隔，直到把所有电池都充满或者经过了60分钟。一般在60分钟的充电期间，在充电期间终了之前，一个或多个电池可能被充满，但总充电期间的总长度将不变化。这意味着在充电期间终了之前，不是连入的所有电池都仍接受快速充电。

很重要的一点是，不仅重复地取得开路和闭路电压的读数，而且重复地取得环境温度和电池电流的读数，如果它们超出范围，将尽早终止充电操作。

本发明充电器还可包括其它后备装置，以终止对于一个或多个被充电电池的充电操作。一个可用的可以安排到利用上述相同基本硬件和编程的同样系统中的后备终止装置也可利用在每一电池的每一充电周期取得的某些电压读数。例如，在完成每个充电周期以后，可读出每一电池的开路（未充电）电压并与在前一个周期读出和存贮的开路电压比较。该比较结果控制内部软件计数器的计数和复原。一般当充电操作进行时，可以预计ocv的每一新值将等于或大于前面读出和存贮的ocv值。在这种情况下将软件计数器复原为零。然而，如果现在的ocv电压值小于上一个ocv的读数值，则将把计数器增值（对它加1）。在后来的充电周期中重复这一过程。如果该计数器的值达到2或3，表明充电过程不正常，充电将被终止。预计出现这个后备终止特性并终止充电的可能性小于前述的终止装置，但它清楚地指示了足以使充电终止的极端条件。可对上述同样的电路和流程图加以修改，再包括一个电压存贮和比较装置来实施本后备部件。

这样，我们已经显示和描述了实现所寻求的所有目的和优点的新的电池充电设备。然而，对于本领域的技术人员来说，本设备的许多变化、修改、变型和其它应用都是可能的。但所有这些变化、修改、变型和其它应用都不会离开下面本发明的权利要求所限定的该发明的精神实质和范围。

Claims (53)

1、一种用于对一个或多个电池充电的设备，包括一个具有终端装置的电路，该终端装置用于连接一个或多个被充电电池的终端装置，所述电路包括：一个电源；分别连接在所述电源和每一被充电池之间的可控开关装置；连接控制每一所述可控开关装置的微处理器，用于控制所述电源与各个被充电池之间的耦合，所述的微处理器包括：用于顺序地控制开关装置在重复的充电期间每次对一个电池供给充电电流的装置；连接到所述微处理器用于检测每一电池在充电之前和充电期间的终端电压的装置，被编程的所述微处理器计算每一电池的充电之前和充电之中的电压之差；用于存贮每一电池在每一充电期间的所述电压差的最小值的装置；以及当计算出的电池终端电压差值比存贮的该电池终端电压差的最小值超过一个预定量值时，终止对该电池充电操作的装置。

2、根据权利要求1的设备，包括：在连续的充电区间比较每一电池的终端电压值的装置;在预定数目的持续充电周期里，当电池的终端电压减小时，终止电池充电操作的装置。

3、根据权利要求1的设备，其中所述微处理器包括一个定时装置，用于控制所述开关装置，在充电和非充电期的工作序列中把来自能源的充电能量单独地、分别加到每一被充电电池。

4、根据权利要求1的设备，包括第一和第二充电电流源，其中之一显著大于另一个，所述微处理器包括一个用在第一和第二充电电流源之间进行选择的装置，根据每个电池的至少一个参量把充电电流源加到被充电的各个电池。

5、根据权利要求1的设备，其中所述的电能源包括用于产生快速充电率、快速涓流充电率和慢速保持涓流充电率的装置，所述的微处理器包括一个在这些充电率之间进行选择，把充电电流加到各个电池的装置。

6、根据权利要求1的设备，其中所述的微处理器包括一个响应电池终端电压，在充电操作中当该电池的终端电压超过某一预定电压时，终止对该电池加充电电流的装置。

7、根据权利要求1的设备，其中所述微处理器包括一个当所选择电池的终端电压等于或小于一个预定电压时停止对所选择电加充电电流的装置。

8、根据权利要求1的设备，其中所述微处理器包括一个当所述电池的电压超过一个预定电压时停止对该电池加充电电流的装置。

9、根据权利要求4的设备，其中所述微处理器包括一个根据电池终端电压的幅度在第一和第二电池充电电流之间进行选择，把充电电流加到每一被充电电池的装置。

10、根据权利要求1的设备，其中所述的微处理器包括一个当所选择的电池的终端电压落在一个预定电压范围之中时减小加给所选择电池充电电流的装置。

11、根据权利要求1的设备，包括与每一被充电电池相联系的指示它们状态的指示装置，每一指示装置都连接到所述微处理器，可经激励以显示与之相联系电池的充电状态。

12、根据权利要求11的设备，其中所述的指示装置包括一个与每一被充电电池相联系的可发光部件。

13、根据权利要求11所述的设备，其中所述的微处理器包括激励每一指示装置，指出与之相联系的电池在进行快速充电、涓流充电、已充满、或未充电的装置。

14、根据权利要求1的设备，其中与每一电池相连的所述开关装置包括一个复合晶体管电路。

15、根据权利要求1的设备，其中与每一电池相连的所述开关装置包括一个硅控整流器。

16、根据权利要求1的设备，其中与每一电池相连的所述开关装置包括一个金属氧化物半导体场效应晶体管。

17、根据权利要求1的设备，其中与每一电池相连的所述开关装置包括一个门截断可控硅整流器（GTO）。

18、根据权利要求1的设备，其中与每一电池相连的所述开关装置包括一个继电器。

19、根据权利要求1的设备，其中与每一电池相连的所述开关装置包括一个双极性功率晶体管。

20、一种电池充电设备，包括：

具有用于连接到被充电电池终端的终端装置的一个电路，所述电路包括一个充电能源和用于将所述能源连到每一个被充电电池的分离开关装置;

一个装置，它包括连接到所述开关装置，控制所述能源与各个电池之间的电耦合;

在微处理器中有一装置，用于对电池产生不同的充电间隔，此时有关的开关装置闭合而相应的电池被充电，这些充电间隔被开关装置断开时的非充电间隔所隔开;

用于读出每一电池在充电之前和它的每一充电区间之中的电池终端电压的装置;

用于计算每一被充电池充电之前的终端电压与每个相继充电期间的终端电压之间的差值的装置;

用于存贮在充电之前与充电期间的终端电压之差的最小值的装置，包括用于将每一电池在充电操作之中所计算出的差值与存贮的该电压差值的最小值进行比较的装置，当每一后来计算出的值小于存贮的最小值时，以此代替存贮的最小值;

当所计算出的电压差值对存贮的该差值的最小值之比超过某一预定量时，终止该电池充电操作的装置。

21、根据权利要求20的电池充电设备，其中所述的电路终端装置包括：用于连接一组被充电电池的装置;与每一被充电电池相连接的开关装置;所述微处理器包括建立充电和不充电期间的时间顺序的装置，使所述电池组中每一电池的充电期间发生在完全不同的时间，从而每次只有一个电池接受充电。

22、根据权利要求20的电池充电设备，包括用于检测每一被充电电池的环境温度的装置，和当该环境温度等于或小于一个预定温度时终止充电操作的装置。

23、根据权利要求20的电池充电设备，包括用于检测每一被充电电池的环境温度的装置，以及当环境温度等于或大于一个预定温度时终止充电操作的装置。

24、根据权利要求20的电池充电设备，包括当电池终端电压等于或超过一预定电压时终止对该电池充电操作的装置。

25、根据权利要求20的电池充电设备，包括当电池终端电压等于或小于一个预定电压时终止对该电池充电操作的装置。

26、根据权利要求20的电池充电设备，包括在电池充电期间检测每一电池的电池充电电流的装置，以及当该电池充电电流等于或超过一个预定充电电流时终止对该电池的充电操作的装置。

27、根据权利要求20的电池充电设备，包括：建立电池涓流充电率的装置，检测在电池充电期间的电池充电电流的装置，以及当该电池充电电流等于或小于一个预定充电电流时将该涓流充电率加给该电池的装置。

28、根据权利要求20的电池充电设备，其中的电池是一种镍镉电池。

29、根据权利要求20的电池充电设备，其中所述的微处理器包括用于建立预定长度的充电期间的装置，预期在该预定长度的充电期间内将把所有连入的电池充满。

30、根据权利要求20的电池充电设备，包括：建立至少二个不同的第二电池充电率的装置，所述充电率之一显著地大于另一所述充电率;以及根据被充电电池的一预定参数在该二充电率之间进行选择的装置。

31、一种电池充电设备，具有为一组电池充电一个预定期间的装置，该电池充电设备包括：

一种电路，具有用于连接到被充电池终端的一组连接装置;

一个充电能源;

连接在该能源与每一电池之间的分离开关装置，可操作在打开的非充电状态和闭合的充电状态之间，使来自所述能源的充电电流通过所连接的电池;

微处理器装置，它包括：用于控制所述开关装置状态的装置;建立一预定充电期间的装置;以及建立充电序列的装置，使所述一组电池的每一个依次具有不同的隔开的充电子期间，跟着是非充电期间;

与每一电池连接的并连接到微处理器的分离装置，检测电池终端电压、电池电流和电池环境温度;

位于微处理器中，当下述一个或多个情况出现时，用于终止该组电池中任何一个或多个电池的充电操作的装置，所述情况是：充电将被终止的电池的电压等于或超过第一预定电压;或者该电池的电压等于或小于第二预定电压;电池充电电流等于或超过一预定电流;电池的环境温度等于或超过第一预定温度，或者等于或小于第二预定温度。

32、根据权利要求31的电池充电设备，其中所述的微处理器包括用于建立第一和第二电池充电率的装置，该第一充电率显著地超过第二充电率。

33、根据权利要求31的电池充电设备，其中所述的微处理器包括：用于计算每一电池在充电之前与每一充电子期间里的电池端电压之间的差值的装置;用于存贮计算出的每一电池的该电压差值的装置，它包括：对每一电池用比所存贮差值小的后面的差值代替该存贮差值的装置;当计算出的电压差值与存贮的最小差值之比超过某个预定量时终止有关电池充电操作的装置。

34、根据权利要求31的电池充电设备，包括：在每一电池的相继充电子期间比较电池终端电压的装置;在预定的相继充电子期间数目里，当电池电压减小时，终止有关电池充电操作的装置。

35、根据权利要求31的电池充电设备，包括一个与每一被充电池相连的显示装置，所述的微处理器包括一个激励每一所述显示装置，以指示相连电池的充电状态的装置。

36、一种用于电池快速充电的设备，包括：一个具有电源的电路，该电源包括一个把充电电流供给被充电池的部分，所述的能源供给部分包括一个对电池供给快速充电电流或涓流充电电流二者之间的选择装置;连接在能源供给部分与电池之间的可控开关装置;控制电路装置连接到所述开关装置，控制该开关的闭合或断开，以建立充电和非充电状态;程序装置，用于建立时间隔开的充电和非充电状态系列;当供给快速充电电流时，用于建立对电池充电总时间的一个预定值的装置;用于读出每一电池在充电之前和每一快速充电状态中的电池终端电压的装置;用于计算每一充电状态的这些电池终端电压之间差值绝对值的装置;在每个总时间区间，用于存贮所计算出的差的最小值的装置，它包括：当每个新读出和计算出的值小于前面存贮的最小值时，以此代替前面存贮值的装置;用于计算每一新计算出的电压差值与存贮的该差值的最小值之比的装置，其中包括当所述之比大于某个预定值时终止快速充电状态的装置。

37、根据权利要求36的设备，包括一个当快速充电状态终止时，从进行快速充电转变到进行慢速涓流充电的装置。

38、根据权利要求36的设备，其中所建立的整个期间为大约60分钟。

39、根据权利要求36的设备，其中所述的电池是一种镍镉电池。

40、根据权利要求36的设备，其中能够进行快速充电的电池具有一个可识别的标志，有一个读出所述标志的装置，和一个根据读出的所述标志在快速充电、涓流充电和不充电之间进行选择的装置。

41、根据权利要求36的设备，其中能够进行快速充电的电池具有一个可识别的尺度特征，有一个检测所述特征的装置，和一个根据检测的该特征在快速充电和不充电之间进行选择的装置。

42、根据权利要求36的设备，包括一个辅助的快速充电状态终止装置，该装置包括：在相继的充电状态之中比较电池终端电压的装置;在预定数目的接连的充电期间里，当一个电池的电池终端电压降低时，终止快速充电状态的装置。

43、根据权利要求36的设备，包括一个当被充电的某类电池的非充电状态的电池终端电压超过某个预定电压时阻止充电操作的装置。

44、根据权利要求36的设备，包括一个当整个时间期间结束时终止充电操作的装置。

45、根据权利要求36的设备，包括一个读出环境温度的装置，所述装置包括一个当该环境温度超过某个预定温度时终止充电操作的装置。

46、根据权利要求36的设备，包括一个对不同种类和充电状态的一组电池进行快速充电的装置，所述电路装置包括一个为该组的每一电池建立不同期间的充电状态的装置。

47、根据权利要求46的设备，其中的建立不同期间充电状态的装置包括用于建立每一电池的充电和非充电期间的装置。

48、具有在一预定期间为一电池充电的装置的电池充电设备，包括：

一种电路，它具有：连接到被充电电池终端的连接装置;一个充电能源;连接在该能源和电池之间的开关装置，它可在打开状态和闭合状态之间转换，打开时为非充电状态，闭合时是使来自能源的电流通过所述电池的充电状态;

微处理器装置，它包括：控制所述开关状态的装置;建立预定充电期间的装置;建立充电序列的装置，电池在不同的隔开的期间被充电，接着是非充电期间;

与电池相连的识别装置，在非充电期间检测电池的终端电压。

在预定数目的持续的非充电期间里，当电池电压减小时，在微处理器中的用于终止电池充电操作的装置。

49、根据权利要求48的电池充电设备，包括对一组电池进行充电的装置，所述微处理器包括建立充电序列的装置，使所述一组电池的每一个依序具有各自的间隔开的期间进行充电，紧接着的是非充电期间。

50、具有在一预定期间为一电池充电的装置的电池充电设备，包括：

一种电路，它具有：连接到被充电电池终端的连接装置;一个充电能源;连接在该能源和电池之间的开关装置，它可在打开状态和闭合状态之间转换，打开时为非充电状态，闭合时是使来自能源的电流通过所述电池的充电状态;

微处理器装置，它包括：控制所述开关状态的装置;建立预定充电期间的装置;建立充电序列的装置，电池在不同的间隔开的期间被充电，接着是非充电期间;

与电池相连的识别装置，在非充电期间检测电池的终端电压;

在微处理器中的根据开路电池电压的状态终止电池充电操作的装置。

51、对一类电池的一个或多个进行快速和高效充电的方法，其中的电压特性随着电池的充电状态而变化，该方法包括步骤：

将一个或多个被充电电池连接到电池充电器，该电池充电器包括，为电池充电供给电能的装置;

建立对电池组的每一电池供给电能的时间序列，在每个间隔开的期间对一个电池供给电能，使每一电池得到了周期性的充电和非充电期间;

在每一充电期间之前和每一充电期间之中读出每一个电池的电压;

计算每一电池在每一相继充电期间之前和充电期间之中读出的电池电压之间的差值;

存贮上述计算出的在每一相继充电期间之前和充电期间之中的电池电压之间的差值，包括当计算出的差值电压小于前面存贮的差值时更新存贮的差值电压;

当一个电池的现在计算出的电压差与存贮的所述电池的电压差的最小值之比大于一个预定比时，终止该电池充电操作。

52、根据权利要求51的方法，还包括步骤：在每一相继充电期间，比较每一电池的终端电压，在一预定数目的相继充电期间里，当电池的终端电压减小时，终止电池的充电操作。

53、根据权利要求52的方法，其中被比较的终端电压是开路电池电压。

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