CN1048120C - 对可充电电池进行充电的充电装置 - Google Patents

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Abstract

一种对可充电电池(2)进行充电的充电装置，该装置包括：向电池(2)提供充电电流的第一装置(10，4，16)，当电池(2)达到一个终止温度时停止提供充电电流的第二装置(4，16)，该终止温度高于开始提供充电电流时电池(2)的初始温度，以及第三装置(18，58)，用于确定初始温度处于至少两个给定温度范围的多个温度范围中的哪个范围，并根据这样确定的瞬时温度范围选择终止温度。

Description

对可充电电池进行充电的充电装置
本发明涉及对可充电电池进行充电的充电装置，该装置包括：
向电池提供充电电流的第一装置，
当电池达到终止温度时停止提供充电电流的第二装置，该终止温度高于开始提供充电电流时电池的初始温度。
这种充电装置特别是可以从美国专利US4,816,737中了解到。当对例如NiCd(镍-镉)电池和NiMH(镍-金属-氢化物)电池充电时，在充电过程结束时电池的温度急剧上升。当未到规定时间就结束充电时，可能会损坏电池，使其寿命缩短。因此，当电池温度达到某一限度时停止充电是非常重要的。在已知的充电装置中，通过测量电池温度和环境温度之差来确定电池温度的升高。这种差值测量需要两个温度传感器，一个用于测量环境温度，另一个用于测量电池温度。在充电开始时测量电池的初始温度并将它储存在存储器中的情况下，可以省去测量环境温度的传感器。接下来持续测量电池的温度，并将它与存储的初始温度进行比较。一旦瞬时温度与存储的初始温度之差超过一个给定的阈值，则停止充电。这种测量方式仅需要一个温度传感器，这在机械结构方面有其优点，但是存储初始温度只有借助于数字存储器和模数转换器。然后模数转换器恒定地将瞬时温度值转换成数字瞬时温度信号，将该信号数字化地与存储的初始温度进行比较。然而，模数转换器和数字信号处理是相当复杂的，使得对许多使用场合来说充电装置过于昂贵了。
因此，本发明的一个目的是提供一种对可充电电池进行充电的充电装置，利用该装置，能够以简单的方式预防在过高温度的情况下的过充电。
为了达到这一目的，根据本发明，在开始段落限定的那种充电装置的特征在于该充电装置进一步包括第三装置，用于确定初始温度处于至少两个给定温度范围的多个温度范围中的哪个范围，并根据这样确定的瞬时温度范围选择终止温度。
根据本发明的充电装置仅仅确定当充电开始时，被充电的电池温度处于哪个温度范围。一旦确定了这一点，就选择了充电结束的相应的终止温度。这不需要采用模数转换器，对温度进行持续的测量，而只需要检测是否达到了所选择的终止温度。
最简单的方式是温度范围的数目是二，在这种情况下进行测量，以确定充电时的电池温度是在给定温度例如15℃之上还是给定温度之下。如果发现温度在15℃以下，那么选择较低的终止温度，例如40℃。否则选择较高的终止温度，例如60℃。显示可以选择更多的温度范围，得到相应数目的终止温度。相应的终止温度的值取决于电池的种类，以及相关的可充电电池的技术数据和规格。
根据本发明的一种对可充电电池进行充电的充电装置包括：第一装置，具有与电池相连的端子，用于向电池提供充电电流，该电池在开始提供充电电流时具有初始温度，第二装置，对电池的温度做出响应，用于当电池达到一个高于初始温度的终止温度时，停止提供充电电流，其特征在于该充电装置进一步包括第三装置，对电池的温度做出响应，用于确定电池的初始温度处于至少两个给定温度范围的多个温度范围中的哪个范围，并根据这样确定的瞬时温度范围选择终止温度。
在本发明的一个实施例中，将充电开始时对电池温度进行测量得到的信号与基准信号进行比较。比较的结果产生包含有初始温度的温度范围。接下来，根据该结果，基准信号的值变为一个新的值，该值是对所选择的终止温度的测量。当对电池温度进行测量得到的信号的值等于改变的基准信号时，中断对电池的充电。
能够以各种方式实施产生与温度有关的信号的装置。为此目的，根据本发明的充电装置的一个实施例的特征在于温度传感器包括与电池热耦联的对温度敏感的电阻器。为此目的，另一个实施例的特征在于温度传感器包括与电池的外壳机械耦联的应变计，应变计的温度系数与电池的外壳的温度系数不同。
具有两个温度范围的一种非常简单的实施例的特征在于第三装置包括：
第一分压器，包括第一电阻器和对温度敏感的电阻器，第一电阻器和对温度敏感的电阻器在第一节点相互连接，
第二分压器，包括第二电阻器和基准电阻器，基准电阻器的阻值是根据判断信号分级可变的，第二电阻器和基准电阻器在第二节点相互连接，
一个比较器，其输入端与第一和第二节点相连，其输出端用于输送判断信号。
两个分压器构成一个电阻桥，由于存在对温度敏感的电阻器，所以分压抽头之间的电压平衡点与温度有关，并且借助于可变的基准电阻器而变化。当充电开始时，比较器将温度电阻的阻值与基准电阻的阻值进行比较。充电开始以后，利用比较器的二进制输出信号确定选择两个新的基准电阻值中的哪一个。
该实施例的进一步的特征在于对温度敏感的电阻器具有负温度系数，基准电阻器包括固定电阻器和两个并联电阻器的并联结构，两个并联电阻器通过各自的开关晶体管与该固定电阻器并联，并且充电装置进一步包括开关装置，当开始提供充电电流以后，开关装置使相应的开关晶体管中的一个导通。
具有负温度系数(NTC)的电阻器的阻值随温度的升高而降低。在较高的温度下，桥的平衡点达到基准电阻器的较小的阻值。该较小的阻值是通过安排一个与基准电阻器并联的电阻器得到的。并联电阻器的阻值是根据在选择的终止温度下NTC电阻器阻值的减小来确定的。
该实施例的进一步的特征在于开关装置包括：触发器，其数据输入端与比较器的输出端相连，以便接收判断信号，其时钟输入端用于接收开始信号，其两个互补输出端用于提供互补控制信号，以及门电路，用于在开始信号的命令下，将互补控制信号送至各自的开关晶体管。
当接收到表示充电过程开始的开始信号时，触发器锁存判断信号的状态。根据这一状态，开头晶体管中的一个导通，并使相应的电阻器与固定的基准电阻器并联。只充电还没有开始，门电路就阻止控制信号，从而禁止测量初始温度。这是因为两个开关晶体管都没有被驱动。
下面将参照附图描述本发明的这些方面和其它方面，其中
图1表示根据本发明的充电装置的第一实施例的电路，
图2表示根据本发明的充电装置的另一实施例的电路，以及
图3表示用于根据本发明的充电装置上的带有应变计的电池。
在这些附图中相同的元件具有相同的参考号。
图1表示根据本发明的充电装置的第一实施例的电路。可充电电池2通过开关4与直流电源10的正电源端6相连，并与直流电源10的负电源端8相连，负电源端被认为接地。直流电源10例如包括整流桥12和变压器14，但是也可以采用能够提供适当的直流电压的其它电源。开关4通过一个接口电路16驱动，该电路具有一个用于接收开关信号STRT的输入端，借助于该信号开关4闭合，以及具有一个用于接收信号DS的输入端，借助于该信号开关4断开。接口电路16可以是一个带有相关电子器件的置位-复位触发器，用于控制开关4。
电池2的温度由与电池2热耦联的对温度第三的元件18测量。对温度第三的元件18例如可以是一个具有负温度系数(NTC)的电阻器。也可以例如选择一个图3所示的在电池2的外壳76上的应变计74来代替这一电阻器，精心选择该应变计，使其具有的温度系数不等于电池外壳的温度系数。适当地选择应变计，使其作为一个具有正或负温度系数的对温度敏感的电阻器起作用。显然，带有这种应变计的可充电电池也可以结合这样的电池充电器使用，这种充电器不同于此处描述的充电器，但是也可以对与电池热耦联的对温度敏感的元件作出响应，停止充电过程。
与电阻器20串联的对温度敏感的元件18安排在地和正电源端22之间，正电源端22从直流电源10或其它适合的电压源接收正电压。电阻器20和对温度敏感的元件18在节点24相互连接，并形成与温度有关的分压器。地和正电源端22之间的第二分压器包括阻值分级可变的基准电阻器26和电阻器28，它们在节点30相互连接。在目前这种情况下，基准电阻器26包括一个固定的电阻器32和两个并联的电阻器34和36，并联的电阻器34和36可以通过各自的开关晶体管38和40与固定电阻器32并联。节点24和30与比较器42的输入端相连，比较器42的输出端44输送判断信号DS，如果节点30上的电压大于节点24上的电压，则判断信号DS比较高，反之则比较低。判断信号DS施加到触发器48的数据输入端46，触发器48的时钟输入端50用于接收开始信号STRT，其输出端52在开始信号STRT出现正跳变时取判断信号DS的值。来自输出端52的信号CS1作为控制信号，切换开关晶体管40。触发器48的互补输出端54输送互补控制信号CS2，用于切换开关晶体管38。互补控制信号CS1和CS2施加到各自的与门56和58，它们的输出端与开关晶体管40和38的控制电极相连。开始信号STRT施加到与门56和58的另一输入端，其结果是当开始信号STRT处于低电平时，开关晶体管38和40二者都处于截止状态。
当开始对电池2充电时，开始信号STRT处于低电平，比较器将对温度敏感的元件18的阻值与固定电阻器32的阻值进行比较。在给定温度例如15℃，固定电阻器的阻值对应于对温度敏感的元件18的阻值。于是确定电池2的初始温度是在15℃之上还是15℃之下。如果初始温度低于15℃，则比较器输出的判断信号DS具有较低的值，如果初始温度高于15℃，则比较器输出的判断信号DS具有较高的值。当开始信号STRT处于正跳变时，开关4闭合，开始对电池2充电。同时判断信号DS的瞬时值被触发器48锁存，通过与门56和58使开关晶体管38和40中的一个导通。结果，电阻器34和36中的一个与固定电阻器32并联。这将其准电阻器26的值降低到一个新的值，该值对应于将停止对电池2充电所需的终止温度。如果初始温度低于15℃，则选择一个终止温度例如40℃，并使电阻器36并联。如果初始温度高于15℃，则选择一个终止温度例如60℃，并使电阻器34并联。以这样的方式来选择电阻器34和36的值，使得固定电阻器32与电阻器34或36的并联结构分别对应于具有负温度系数的对温度敏感的元件18在60℃和40℃时的阻值。随着对电池2充电，电池2的温度将升高。当达到所选择的终止温度时，判断信号DS的值将从相对低的值升高到相对高的值。信号电平的升高对接口电路16来说表示开关4应断开，以便中断对电池2的充电。这避免了电池由于过充电或由于太高的温度而被损坏，这对NiMH(镍-金属-氢化物)电池尤为重要。
可以用具有正温度系数(PTC)的元件来代替具有负温度系数(NTC)的元件。在采用正温度系数(PTC)的元件的情况下，已经确定初始温度以后，应提高基准电阻器26的阻值。这可以通过用与非门替换与门56和58来实现。然后，选择开关晶体管38和40中的一个使其截止而不是导通。
为了确定终止温度，至此已经假定确定初始温度时存在两个温度范围。为了得到最佳终止稳定的很高的精度，温度范围的数目可以增加。也是作为一个例子，图2表示范围的数目是如何提高到四的。现在在电阻器28和电阻器32之间安排了一个附加的电阻器60，它提供了两个基准值，当开始对电池充电时可以将节点24上的电压与这两个基准值进行比较。借助于比较器42和附加的比较器62，现在有可能区分四个温度范围。解码器64将比较器42的输出信号DS和比较器62的输出信号DS2转换成四个控制信号CS1、CS2、CS3和CS4，当开始信号STRT出现正跳变时，这些信号中的一个信号是高电平。四个控制信号CS1、CS2、CS3和CS4被施加到开关晶体管38和40和两个另外的开关晶体管66和68的控制电极，借助于开关晶体管66和68，两个另外的电阻器70和72可以并联。
当充电已经开始以后，比较器中的一个的输出信号，例如比较器42输出的判断信号DS，其信号电平的升高将形成选择达到的终止温度的依据。
应懂得，测量电池温度的方式，当充电开始时区分温度范围的数目，以及根据检测的温度范围改变基准值(它是对所选择的终止温度的测量)的方式，不限于此处公开的例子。

Claims (7)

1.一种对可充电电池(2)进行充电的充电装置，该装置包括：
第一装置(10，4，16)，具有与电池(2)相连的端子(6，8)，用于向电池(2)提供充电电流，该电池在开始提供充电电流时具有初始温度，
第二装置(4，16)，对电池(2)的温度做出响应，用于当电池(2)达到一个高于初始温度的终止温度时，停止提供充电电流，
其特征在于该充电装置进一步包括第三装置(18…58)，对电池(2)的温度做出响应，用于确定电池(2)的初始温度处于至少两个给定温度范围的多个温度范围中的哪个范围，并根据这样确定的瞬时温度范围选择终止温度。
2.如权利要求1所述的充电装置，其特征在于第三装置(18…58)包括：
与电池热耦合的温度传感器(18，20)，用于在温度传感器的输出端产生与温度有关的信号，
基准信号发生器(28，32)，具有一个输出端，用于产生至少一个逐级可变的基准信号，以便限定至少两个给定的温度范围，
比较器(42)，其输入端与温度传感器和基准信号发生器的输出相连，用于将和温度有关的信号与基准信号进行比较，以便当开始提供充电电流时在比较器的输出端输送表示瞬时温度范围的判断信号(DS)，以及改变装置(46…58)，当已经开始提供充电电流以后，根据该判断信号改变在基准信号发生器的输出端的可变基准信号。
3.如权利要求2所述的充电装置，其特征在于第三装置(18…58)包括：
第一分压器，包括第一电阻器(20)和对温度敏感的电阻器(18)，第一电阻器(20)和对温度敏感的电阻器(18)在第一节点(24)相互连接，
第二分压器，包括第二电阻器(28)和基准电阻器(26)，基准电阻器(26)的阻值是根据判断信号(DS)分级可变的，第二电阻器(28)和基准电阻器(26)在第二节点(30)相互连接，
一个比较器(42)，其输入端与第一(24)和第二(30)节点相连，其输出端用于输送判断信号(DS)。
4.如权利要求3所述的充电装置，其特征在于对温度敏感的电阻器(18)具有负温度系数，基准电阻器(26)包括固定电阻器(32)和两个并联电阻器(34，36)的并联结构，两个并联电阻器(34，36)通过各自的开关晶体管(38，40)与该固定电阻器并联，并且充电装置进一步包括开关装置(46…58)，其输入端与比较器(42)的输出相连，并且其输出端与相应的开关晶体管(38，40)的控制电极相连，当开始提供充电电流以后，使相应的开关晶体管(38，40)中的一个导通。
5.如权利要求4所述的充电装置，其特征在于开关装置(46…58)包括：触发器(48)，其数据输入端(46)与比较器(42)的输出端(44)相连，以便接收判断信号(DS)，其时钟输入端(50)用于接收开始信号(STRT)，其两个互补输出端(52，54)用于提供互补控制信号(CS1，CS2)，以及门电路(56，58)，用于在开始信号(STRT)的命令下，将互补控制信号(CS1，CS2)送至各自的开关晶体管(40，38)。
6.如权利要求2、3、4或5所述的充电装置，其特征在于温度传感器(18，20)包括与电池(2)热耦联的对温度敏感的电阻器(18)。
7.如权利要求2、3、4或5所述的充电装置，其特征在于温度传感器(18，20)包括与电池(2)的外壳(76)机械耦联的应变计(74)，应变计(74)的温度系数与电池(2)的外壳的温度系数不同。
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