CN1060371A - 快速自适应充电机 - Google Patents

Abstract

一种快速充电机，特别适合于酸性蓄电池的充 电，由充放电主回路，极化电压检出装置，充放电控制 器及自动关机装置组成，能根据蓄电池情况自动修改 充电参数，使蓄电池始终处于最佳充电状态，快速地 进行充电。

Description

一种快速充电机，特别是涉及到一种用于酸性蓄电池组的快速充电机。

众所周知，蓄电池具有电压稳定，移动方便，供电可靠等优点，在许多部门得到广泛的利用。但是由于充电速度太慢，使用很不方便。为提高充电速度，近年来发展了快速充电技术，但快速充电技术的最大制约是电池出现极化现象（极化：电池大量出气，沸腾，温度升高，电压升高，不能再充电），为解决极化问题提出了各种方案，公知技术中一种较可行的方案是采用脉冲充电，放电去极化，即首先用大电流（一般为常规充电电流的10倍甚至几十倍）充电，蓄电池的电压迅速上升，当蓄电池的电压升到规定值时，极化现象已比较严重，此时应停止充电，经过短时间停止充电，再让蓄电池对负载放电，这样蓄电池的极化电压迅速下降，经过短时间停止放电后，可以再用大电流继续充电，如此反复循环，即可在短时间内将蓄电池充足，其过程如图1所示。

但是，公知技术对极化电压的检测有极大的困难，以及怎样根据蓄电池的充电情况，使系统能自动灵活地执行上述方案，于是一种将上述过程固定为程序化的快速充电装置出现，如1985年由王鸿麟等人出版的“蓄电池快速充电技术”书中，公开了一种程序控制的快速充电机，用控制电路模拟充电，放电和停放的工作程序，一旦电路确定，程序则固定化，系统无法根据充电的实际情况作出反应。

本发明的目的是针对已有技术的不足而推出一种新的快速充电模式，即根据蓄电池在充电过程中极化出现的时机，自动地改变充电参数，并适时地施以放电脉冲，使蓄电池在最短的时间内，达到最佳充电状态。

本发明的再一个目的是提供一种极化电压的检测方法。

为实现发明目的，本发明的方案是：

在所设计的快速充电装置中，设置一个充电主回路，及蓄电池放电去极化的放电回路。在上述的充电回路中，由可控硅组成整流元件，在放电回路中，也由可控硅组成一类似开关的元件，当需要放电时，开关导通，使蓄电池对负载放电。

所说的充电回路主元件的控制极由充电振荡器控制， 放电回路主元件的控制极由放电振荡回路控制。

设置一极化电压检测装置，以判断蓄电池在充电过程中是否处于极化。其输入端由几项检测指标构成，至少包括蓄电池的电动势E，充电速率补偿电压Ec，温度补偿电压Et，通过上述指标的组合判断出极化电压E极，其组合方式为：

E极＝E+Ed-Et，

当E极达到一规定值时，所说的极化电压检出装置输出端出现预定的信号。即表示极化或非极化的两种信号。

设置一充电振荡控制器。其输入端与上述的检出装置输出端相连，其输出端连接充电振荡控制器，所说的控制器分两部分，一部分当系统对极化作出反应时，立即控制充电振荡器停止工作。另一部分是当出现极化时，针对极化出现的时间，所说的时间是指出现第一次极化，第二次极化等等，适时地调整充电振荡器的给定回路，使充电回路改变充电电流的大小，使蓄电池在充电过程中始终保持最佳的充电状态。

设置一放电振荡控制器。所说的控制器的输入端与上述的检出装置输出端相连，同时其输入端还与一个峰值检出电路相连，控制器的输出端控制放电振荡回路，当需要放电去极化时，该控制器控制放电振荡器产生的触发脉冲使放电回路处于最大的开通。

设置一个自动关机回路。所说的回路由一个容量积分电路和一个电压平均值电路控制，容量积分电路正比蓄电池的充电量，电压平均值电路与蓄电池的端电压相关。上述的电路均能单独使关机电路动作。

采用上述的方案，能准确地检测出蓄电池出现极化的情况，并使充电装置能自动地完成停歇，放电去极化的功能，准确地按图1所示的曲线自动工作。能根据充电阶段不同自动调整充电电流的大小自动地适应充电的不同情况，使蓄电池始终处于最佳充电状态，因而能达到快速充电的目的。

下面结合图示说明更详细的实施例。

图1为充放电曲线图;

图2为本方案的原理框图;

图3为充电主回路和放电主回路及其控制回路;

图4为极化电压检出装置;

图5为比较器电路图;

图6为充电振荡控制器;

图7为放电振荡控制器;

图8为带有积分电路和电压平均值电路的关机电路;

图2所示为本方案的原理框图。本方案的充电机有两个主要回路，即充电可控电路1和放电可控电路2。充电回路1由充电振荡器3通过线4进行控制，放电回路2由放电振荡器5通过线6进行控制。

为实现动态自运应控制，在蓄电池主回路设置两组取样装置，一组为电压取样装置7，一组为电流反馈取样装置8，另外还设置一温度补偿取样装置9，所说的温度补偿取样装置还与一标准电压源54相连;上述三种检测指标分别通过线10、线11、线12输入一个检测装置，本实施例的检测装置包括比较器13及一个单稳态触发器15、13的输出极与一个单稳态触发器15相连，对应比较器13输出的两种状态，单稳态触发器15也保持两种相应的状态。所说的状态通过输出线16、17、18、19分别控制不同的装置。

线16控制充电振荡器3，出现极化时，经线16输出的信号电平使振荡器3停振，停止充电。线18控制充电振荡器的电流给定回路20，当线18输出表示已极化的信号电平时，启动电流给定回路20，根据充电情况将充电流大小分为几级，例如在初充电后已发生极化的阶段里，虽经放电去极化，但若再充电时仍按初充电的大电流，则蓄电池无法接受，此时通过给定回路，将充电的电流调整到初充电的三分之二，充电发生极化，放电去极化后再充电时，将充电电流调整到初充电的三分之一，按此电流一直将蓄电池充完为止，使系统自动地适应蓄电池的情况，每个阶段都使用适合该阶段充电的大电流，快速地充电。

线19控制一个放电振荡器回路，所说的振荡器回路同时还受一个峰值检出电路控制，当两个条件都满足时，放电振荡器动作，使放电可控电路工作在最大开通，使蓄电池的端电压在瞬时通过负载放电、达到去极化的目的。

本框图还表示自动关机电路由一个容量积分电路22和一个电压平均值电路21控制。

图3为充电主回路和放电主回路及其控制系统。充电回路有一个主变压器24，变压器付边将电压降低后送到可控硅25、26的正端，两只可控硅组成一个全波整流电路，其负端连在一起并与平波电抗器27相连，电抗器的另一端与蓄电池组28正端相连，负端通过联线与变压器24付边中点相连组成一个充电回路。所述的可控硅25、26的控制脉冲由A、B点输入。

可控硅29，其负端与变压器24的付边相接，正端接电阻96，电阻96的另一端按蓄电池正端，蓄电池28的负端与变压器24付边的中点相连，上述连接方式组成放电回路，可控硅29的控制脉冲由C、D端输入，当需要放电去极化时，控制脉冲使可控硅29处于最大开通，于是蓄电池通过电阻96迅速放电。

充电回路由充电振荡器3控制。所说的振荡器为一个单结晶体管振荡回路，由晶体三极管32的基极引线74送来决定是否充电振荡器启动的信号，当决定启动时，线74送来低电平，使晶体三极管32截止，于是单结晶体管30开始振荡，输出的振荡脉冲经晶体三极管33放大后送入脉冲输出变压器34，经34的付边端线输出触发脉冲，控制可控硅25、26。为了移相的需要，通过调整晶体三极管31的一个主极控制电压，可产生相位不同的振荡脉冲，使充电电流的大小可以调节。

放电回路由放电振荡器5控制。所说的振荡电路仍为一个单结晶体管振荡回路。当需要放电去极化时，由线40送来控制信号，使晶体三极管37处于截止状态，于是单位晶体管35开好振，振脉冲经三极晶体管38放大送如脉冲变压器39，经39的付边输出端C、B输出触发脉冲，控制放电可控29放电，经晶体三极管36的基极送入的控制电压可改变脉冲的相移。

图4为极化电压的检出电路图。如方案所述，本方案极化电压检出指标包括电动势E，充电速率补偿电压E，充电速率补偿电压Ec及温度补偿电压Et。本实施例电动势E的检出是在充电主回路蓄电池的负端结点54处引出，通过一组衰减电阻，经线47送入比较器13。

所说的充电速率补偿电压Ec的检出是在充电主回路串按一个电阻44，信号从电阻一端的结点52经线45引出，经放大电路53放大后，经线46送入比较器13，此处检出信号反映充电回路的电流变化情况是由电池接线或电解液的电阻造成的补偿，设为Ec，Ec＝K· (I)/(Q) ＝KC，式中I为某时刻充电电流，Q为电池的额定容量，K为补偿系数。

本实施例还有一温度补偿电压Et的检出。设置了一个标准电压源55，所说的电压源中有稳压管51，从稳压管51的负端引出的标准电压通过一组电阻，电阻的另一端通过线48与比较器的输入端相连，所说的电阻中有一热敏电阻49，放置在蓄电池中，由蓄电池在充电过程中产生的温度自动地调节阻值，补偿电池的初始电动势。在图示中，放大器53采用运算放大器×Fc-80B。

上述的三个检出信号，以E极＝E+Ec-Et的方式组合后，送到比较器13的输入端，从组合公式可知，当有极化存在时，E极为一负电平。所说的比较器，如图5所示，包括一个三极管电路和一个单放稳态触发器，三极管电路由三极管57、58组成，57、58都工作在放大状态，57的基极回路提供一基本电压，并与组合的检出信号相连，一个主极接三极晶体管58的基极，通过晶体三极管58的一个主极输出比较器的判断信号。

当基极出现标志极化的组合检出信号时，由于该信号为负电平，引起三极管晶体管57的基极电位下降，晶体三极管57导通，使晶体三极管58基极呈高电位，因此晶体三极管58导通，使与58主极连接的输出线14输出一高电平。

输出线14与单稳态触发器相连，本实施例的单稳态器触发器为集成块555，其输出极线16、17、18、19分别与充电振荡控制器的两个部分相连，与电压平均值电路及放电振控制器相连。

图6为充电振荡器的控制电路。控制电路包括两部分，即电流给定20和直接控制振荡器工作的装置97。首先叙述电流给定的控制回路。该回路由电压判断回路59，双稳态触发器60，61组成的开关电路。在电压判断回路中有一电容62，当从线18输来表示系统已产生极化信号电平时，电容62充电，当电容62电压上升到一定值时，使两个双稳态触发器中的一个翻转。本实施例的双稳态触发器对应着给定电流的两种状态，当触发器60翻转时，通过给定回路使充电电流为初始电流的三分之二，当触发器61翻转时，通过给定回路使充电电流为初始电流的三分之一，通过不断减少充电电流，以满足蓄电池不同阶段对充电电流的适应情况。

从电容62的一端引出的线69与双稳态触发器60、61的两个控制端分别相连，所说的两个双稳态触发器有一共同的输出端，该输出端通过一组电阻与振荡器相连。

当电容62充电到第一个设定的电压时，通过电阻63使已处于一个稳态的双稳态触发器60翻转，三极晶体管64导通，经电阻65、66，晶体二极管67，晶体三极管64形成一通路，原来具有较高电位的结点68电位降低，经线69、电阻变换器70，送到三极晶体管31的一个主极，改变的电位使三极晶体管的两个主极之间的电阻发生变化，从而改变了单结晶体管30产生的振荡脉冲，达到移相改变充电电流为初始电流三分之二的目的。

当按上述电流充电，蓄电池又不能接受时，由于此时电容62电压升高，于是通过控制板使已处于一个稳态的双稳态触发器61翻转，根据上述原理，结点68处出现一个更低的电位，也即晶体三极管31的一个主极电位又发生变化，触发脉冲移相使充电电流为初始的三分之一。

本实施例直接控制振荡器工作的装置97由晶体三极管71、72组成，晶体三极管71的一个主极通过线19与单稳态触发器15的输出极相连，另一主极通过电阻在结点73处与晶体三极管72的一个主极相连，由变压器75及两个二极管组成过零检出器，连接到晶体三极管72的基极回路，从结点73处引出的线74与充电振荡器的三极晶体管32的基极相连。

其控制原理如下，由线19输来一个表示蓄电池已产生极化的高电平，使晶体三极管71导通，其结果将使一直处于低电位的结点73处电位升高，通过线74使晶体三极管32导通，从而使单结晶体管30停止振荡，于是充电停止。

从本电路图还可看出，晶体三极管72及其电路是控制充电振荡器的，当晶体管71未导通时，晶体三极管72始终处于导通状态，从结点73处输出低电位电平，使晶体三极管32处于截止状态，从而充电振荡器正常工作，充电进行。

图7为放电振荡器控制装置，从方案可知，本控制器要有两个条件成立，一是蓄电池产生的极化，需要放电去极化;二是为使放电可控硅工作在最大开通，必须使产生放电振荡器的同步电压为电源的峰值，当上述条件成立时，控制器才使放电振荡器工作，放电去极化。

为实现上述控制方案，本实施例的控制器由三个单稳态触发器76、77、78及一个“与”门控制电路109组成。

晶体三极管79、80、81、82组成的互相有联系的单稳态触发器76、77，由单稳态触发器15来的输出线19通过电容与单稳态触发器76的一个控制极相连，单稳态触发器76的输出端通过线83与单稳态触发器触发器77的一个控制极相连，单稳态77的输出极与一个二极晶体管85的负极相连。

109为一个“与”门控制电路组成的峰值检出器，由晶体二极管85、86组成，所说的二极管的正端并接在一起，一端通过电阻与电源相接，另一端与单稳态触发器78的一个控制极相连，所说的晶体二极管85的负极与电容87的负端相连，电容87的正端与变压器75付边的一个引出端相连。

图示的78为一个单稳器触发器，由晶体三极管92、93组成，线94一端与单稳态触发器的输出极相连，另一端与放电器振荡器的一个晶体三极管95的基极相连。

本放电振荡器的控制原理如下：当蓄电池产生极化时，线19出现高电平，该电平使单稳态触发器76中的晶体三极管79饱和导通，线83将低电平信号送至晶体三极管82的基极，使82截止，从而晶体二极管85的负极出现一高电位电平，晶体二极管85截止，另一方面，对于峰值检出器109，当电源变压器75的正弦波电压处于正的峰值时，电流经二极晶体管84，电容87，及电阻89，在晶体二极管86的负端产生一个高电位电平，使晶体二极管86截止，于是经电阻90，两个晶体二极管85、86并联的正端，晶体二极管91，使晶体三极管92的基极呈高电平，晶体三极管92导通，使晶体三极管93截止，从晶体三极管37的一个主极结点96输出一个高电位经线94送到晶体三极管95的基极，使晶体三极管95截止，从而也使晶体三极管37截止，于是放电振荡器开始工作。

图8为自动关机的电路图，如方案所述，自动关机电路由电量积分及电压平均值电路控制，当上述的任一电路起作用时，均可完成自动关机。

本实施例的电路101即为电量积分，由晶体三极管98、100，场效应管99，晶体二极管101及其电路组成。场效应管99的控制极接有由电容器102组成的积分充电回路，该电容是否充电由晶体三极管98及其电路控制，对于电容102，还有一个由晶体三极管100构成的放电回路，所说的放电回路是通过一组衰减电阻108放电的。

所说的电压控制电路由前述的电压平均值电路59组成，从电容62的正端通过线103引出控制电压。

关机电路由单稳态触发器104，及晶体三极管105，106构成。所说的单稳态触发器104的控制极与上述的电量积分输出端相连，同时也与电压平均值的输出端相连，当上述的两个控制信号任一发生作用时，晶体三极管108饱和导通，晶体三极管105截止，106导通，继电器线包J₁通过电流，于是继电器J₁吸合，使主电路断电，系统停止工作。

图9是电路总图，其原理现已在上述的电路中加以叙述，提供总图是便于对本发明实施例有更好的理解。从总图可知，本实施例的控制电压采用的是双电流，即为±25伏。

本实施例的快速充电装置，已在实际中产生了良好的效果。例如本机的初充电只需2-3小时，（常规初充电在60小时以上），复充电20分钟-1.5小时（常规复充电15-24小时），对于一些常规充电不能充的老化，钝化，本充电机均能恢复其额定容量的50%-80%，并能保护蓄电池，例如本装置可延长蓄电池使用寿命充放电的循环次数400以上，（而常规充电280次），操作过程全部自动化，省时省力，不失为本领域中一个先进的产品。

Claims (11)

1、一种快速充电装置，特别适宜于对酸性蓄电池进行快速充电，其特征在于：

设置有充电回路及蓄电池放电去极化的放电回路，

所说的充电回路由充电振荡器控制，放电回路由放电振荡器控制，

有一极化电压检出装置，其输入端至少包括蓄电池的电动势E，充电速率补偿电压Ec，及温度补偿电压Et及其组合，组合方式为：E极=E+Ec-Et，其输出端分别与相应的控制装置相连，

设置一充电振荡控制器，使蓄电池极化时即停止充电，并根据充电情况自动调节充电电流大小，其输入端与所说的极化电压检出装置相连，输出端控制充电振荡器。

设置一放电振荡控制器，其输入端与所说的极化电压检出装置相连，并与一峰值检出装置相连，其输出端控制放电振荡器，当需要放电去极化时，所说的放电振荡器产生的触发脉冲使放电回路处于最大的开通，

设置一自动关机电路，由容量积分电路与电压平均值电路控制，当蓄电池电量充足后，自动关机。

2、根据权利要求1所述的快速充电装置，其特征在于：电流速率变化Ec从电阻44的一端取出，并经放大器53将取得的信号放大，所说的电阻44串接在充电主回路中，电动势E从电池的负端取出，所说的温度补偿电压Et从热敏电阻49一端取出，热敏电阻与一个标准电压源相连，并予置在蓄电池内。

3、根据权利要求2所述的快速充电装置，其特征在于：与充电速率信号相连的放大器53，其输出端还与充电控制器，放电振荡器及容量积分电路相连。

4、根据权利要求1所述的快速充电装置，其特征在于：充电振荡器控制器包括电流给定的控制和充电振荡器振荡的控制。

5、根据权利要求4所述的快速充电装置，其特征在于：所说的电流给定控制器包括一个电压控制装置59，及两个双稳态触发器60、61构成，当电压为一给定值时，使一个双稳态触发器翻转，控制充电振荡器使充电电流减为初充电的三分之二，当电压控制器为另一给定值，另一双稳态触发器翻转，使充电电流减少为初充电的三分之一。

6、根据权利要求5所述的快速充电装置，其特征在于：所说的电压控制器为一电容62及其电路，从电容一端引出的线与两个双稳态触发器的控制端相连，所说的两个双稳态触发器有一共同的输出端，该输出端通过一组电阻与充电振荡器的电流给定端相连。

7、根据权利要求4所述的快速充电装置，其特征在于：充电振荡器振荡的控制装置包括晶体三极管71、72，晶体三极管71的一个主极与极化电压检出装置的输出极相连，另一主极通过电阻与三极晶体管72的一个主极相连，由变压器75与两个晶体二极管组成过零检出器，从结点73引出的线与三极晶体管32的基极相连。

8、根据权利要求1所述的快速充电机，其特征在于：放电振荡控制器包括一个由与门电路109控制的单稳态触发器78、78的输出端控制放电振荡器，所说的与门电路109分别由一个峰值检出装置及一个开关装置控制，所说的开关装置控制端与极化电压检出装置相连。

9、根据权利要求8所述的快速充电机，其特征在于：所说的开关装置由两个有联系的单稳态触发器76、77组成，单稳态触发器76的输出端与77的控制极相连，77的输出极与与门电路109的一个控制极相连。

10、根据权利要求1所述的快速充电装置，其特征在于：所说的关机电路包括一个双稳态触发器104，触发器104的控制极与电压平均值电路59和电量积分电路101相连，其输出极与一复合管电路相连，所说的复合管电路推动一个起闭电路的继电器线包。

11、根据权利要求10所述的快速充电机，其特征在于：电量积分电路包括一个场效应管99，其中一个主极与关机电路相连，其控制极接有由电容102组成的积分充电回路，该电容的充放电由晶体三极管98及其组成电路控制，所说的电容还有一个晶体三极管100组成的放电回路，放电回路是通过一组衰减电阻108放电的。

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