CN1088278C - 充电器和充电器自动调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种充电器及其操作调节方法。该充电器包括一个AC到DC的变换器,以及一个监视单元。该变换器的输入端可连接于所述充电器的AC输入端,而输出端则可连接到待充电电池的充电输出端;而监视单元的输入端经包括一个控制输入的可控加权单元可连接于充电输出,而控制输入端可连接于所说充电输出。

Description

充电器和充电器自动调节方法
本发明涉及充电器的自动调节方法和相应的一种充电器。
已知有一些充电器可调地对具有不同标称电压的蓄电池和/或可充电电池,尤其是NiCd(镍镉)或NiMH电池进行充电。在此情况下,为了获得上述提及的可调性但不用根据待充电电池的标称电压对充电进行手工改变,则只能接受以下事实,即如果蓄电池的特定标称电压大于或小于充电器特定的平均标称电压范围,那么这样的蓄电池是不会得到最佳充电的。
众所周知,这样的充电器可以有监视单元,包括例如Telefunken所出售的U2402B型集成电路之类的充电控制器。该充电控制器通过监视充电电压来监视充电过程的时间特性并且以适时方式中断充电过程。为了控制充电过程,一般对二阶时间导数进行监视,这通常称作“梯度监视”(gradient monitoring),使得通过监视充电电压在时间上的变化可能清楚地检测到结束充电和维持充电范围。
如果这样的监视用于具有不同标称电压的可充电蓄电池上,则必须对瞬时充电电压进行监视,该瞬时充电电压根据待充电电池的标称电压而在一个大的范围内变化。
此外,已知电子监视单元通常设计用来监视受监视信号的特定范围,在此范围中监视可靠性是最佳的。如果待监视信号位于该最佳范围边缘区域或落于其外,那么监视功能将在一定程度上得到实现,但精度降低。
本发明的一个目的在于一致地以最佳速率对具有不同标称电压的蓄电池充电。
根据本发明的一个方面,提供了一种根据待充电蓄电池特性自动调节电池充电器的方法,其中,向所说的电池提供充电电流,检测所说电池的端子电压以产生一个检测信号;所说的检测信号被一个因子加权放大以产生一个第一控制信号,对所说的第一控制信号监视并且产生一个监视结果信号,并且作为所说监视结果信号的一个函数,调节所说电池的充电电流,而且,还从所说的检测信号中产生出一个第二控制信号,根据所说的第二控制信号调节所说的放大因子,其特征在于,所说的监视过程的执行是通过以时间对所说的第一控制信号微分,以及在所说的充电过程中多于一次产生所述第二控制信号来实现的。
根据本发明的另一个方面,提供了一种对蓄电池充电的装置,该装置包括:一个AC到DC变换器,所说变换器的一个输入端可操作地连接于所说装置的AC输入端,所说变换器的一个输出端可操作地连接于所说的待充电蓄电池的充电输出端;一个监视单元,所说监视单元的一个输入端经包括一控制输入的可控放大单元可操作地连接于所说充电输出端,所说控制输入可操作地连接于所说充电输出端,所说监视单元的输出端可操作地连接于对于施加到所说的充电输出端的电流的充电电流控制单元的一个控制输入端;其特征在于,所说的监视单元包括一个时间导数形成单元,该单元的输入端可操作地连接于所说的监视单元的输入端,而该单元的输出端可操作地连接于所说的监视单元的输出端。
根据本发明的方法,通过在充电过程中持续地或以特定时间间隔测量充电电压,可以决定待充电电池的理论的标称电压。通过对经放大或衰减进行监视的信号的加权,该被监视信号变化到一个适于监视的信号范围。由充电过程开始时所做测量而得出的假设应最好地由后续的测量进行检查,并且如果必要的话进行修正。
通过对充电电压重复或持续的测量并且根据相应测量结果决定加权因子,可以对充电过程开始时不正确估计的标称电压进行修正。例如,如果具有相对高标称电压的电池被深度放电,那么就可以判定在最初其具有低的标称电压,但这个判断将在其后测量的基础上得到纠正。因此,建议充电过程使用灵活的装置来判断待充电电池的标称电压,由此确保每一情况下充电过程最佳进行。
在本发明方法的进一步改进中,建议采用可控电流源实施充电过程并且在充电过程开始之时测量充电电压,由此在开始时预定充电电流。根据这类测量结果,对待充电蓄电池的容量(Ah)进行识别并相应地设置可控电流源以供进一步充电过程用。优选地,它如此实现,即根据识别出的容量,激励预定的充电电流对时间过程,借助于在充电电流电路负反馈回路中相应的命令或标称可变过程以可控电流源作为调节件。
上述目的可通过充电器进一步得到解决。
本发明的这些和进一步特征在参考下文说明和附图之后将一目了然,其中:
图1是根据本发明的充电器的功能单元/信号流图;
图2是根据本发明的充电器的受控加权单元图;
图3是根据本发明的充电器的功能方框图;
图4是根据本发明的充电器的详细电路图;
图5是根据本发明的充电器电路板的顶视图,其上有分立元件;
图6是包括充电电流控制的充电器的功能单元/信号流图;以及
图7是包括充电电流控制的充电器的功能方框图。
参照图1,端入端交变电流V1e经AC/DC变换器1变换成DC电压U1a。经转移单元3,充电输出5被馈以充电电流I,转移单元3将在下文解释。一个可充电蓄电池7被连接至充电输出5。一个操作开关9接通/断开充电过程。
信号U11e被提供在监视单元11的一个输入E11L处,信号U11e是在蓄电池7充电期间出现在充电输出5之间的充电电压UL的函数。监视单元11最好通过跟踪充电电压UL的时间特性来监视充电过程。当达到或满足某个给定标准时,监视单元11通过向操作开关9发送一个输出信号,使开关9从使能或闭合位置变为禁止或开位置而结束充电过程。
优选地,由监视单元11决定U11e的二阶导数d2U11e/dt2。当该导数值,按照梯度监视方法,达到终止充电状态时,就检测到相应的维持充电状态。因此充电过程中断,如前所述。
如同图1示意表示的那样,在监视单元11方框中,上述提及的导数值仅在一个预定带或信号范围M内可以被最佳确定。求导结果信号由比较器调节至范围M,这些比较器检测被监视信号何时达到预定值。如果待充电蓄电池7相对于范围M显示出低的标称电压UL,那么电压UL将导致产生一个位于测量范围M外的受监视信号;对于具有高的标称电压的蓄电池也如此,如图所示。
在检测单元12检测到充电电流I的开始之时启动时间控制单元13。充电电压UL由积分单元15在一个时间段上进行平均,该时间段可由时间控制单元预置。
该平均充电电压控制信号经保持单元17馈至加权单元19的控制输入S19。将平均充电电压控制信号提供给加权单元,例如,第一次在充电过程开始时。控制单元13通过图中示意的经保持单元连接至控制输入的开关单元21允许/禁止控制信号往加权单元的传递。提供给加权单元19的控制输入S19的控制信号使加权单元19对电压信号UL放大或衰减以将信号U11e变换进监视单元11的测量带或信号范围M中。通过将信号U11e变换到到监视单元11的测量带或信号范围M中,总可以对充电电压特性进行最佳监视,而不必考虑待充电的蓄电池的标称电压。
由于电池的放电状况至今还属未知,充电电压UL,它作用于控制单元13上并且在充电过程开始时确定,该电压不必准确地标识蓄电池的真实标称电压。例如,如果蓄电池7被深度放电,首先由加权单元19进行加权,这将受监视信号变换到测量带或信号范围M中,就好象蓄电池几乎没有放电但标称电压较低。因此优选由积分单元15以固定重复的间隔对提供给加权单元输入S19的平均充电电压进行重新计算。将重新计算的控制信号以固定间隔提供给加权单元19将改变加权或比例因子K以与随着充电过程进行充电电压UL发生的变化相一致。因此加权因子K被周期性地调节和修改。其结果是受监视信号U11e保持在测量范围M中间,该信号随后与电池7的正确标称电压一致。这在受监视时间阶段直至下文将说明的充电过程结束的过程中尤为重要。保持单元17将电流平均电压控制信号提供给加权单元输入S19。保持单元17所提供的控制信号与加权因子K一样保持不变,直至由积分单元15确定或计算一个新的控制信号并将它经开关单元21提供给保持单元17。
可以理解的是,加权因子K的调节可以在充电过程的预定时刻、以预定时间间隔或者在充电过程中持续地进行。这由下列事实可以看出,由于时间控制单元13控制着开关单元21,从积分单元15到加权单元输入S19的信号连接之间的间隔可以尽可能地短。同样也可能由加权单元输入S19经一个低通滤波器直接与控制信号输出连接,如图1虚线所示,以便向加权单元19持续提供UL信号。
图2给出加权单元19的一个优选实施例,其特征是极简单。如前所述,充电电压UL施加于平均单元15,后者继而经开关单元21向加权单元19提供一个平均电压控制信号。充电电压UL经开关单元21被提供给比较单元23。开关单元21由时间控制单元13控制,并且,如果需要,在单元15进行平均。正如所示意的,比较单元23确定输入信号属于三个电压范围Ba、Bb、Bc中的哪一个。这些范围通过对比较器切换限制(未示出)进行定义而被确定。相应于输入电压的比较器级分别产生一个输出信号A23a、A23b、A23c。每个输出A23a、A23b、A23c分别与开关单元25a、25b、25c相连。根据输出A23a、A23b、A23c中哪个被激励,对相应的开关单元25a、25b、25c激励。这样充电电压UL被切换至分压单元27,它将相应的电压分压器值和每个开关单元25a、25b、25c联系起来。分压器的输出经输入E11L的解耦开关单元26a、26b、26c连接至监视单元11。相应的开关单元25a、26a;25b,26b;25c,26c几乎是同时动作的直至在计时器单元13控制的时刻,由比较单元23的输入信号激励输出A23a、A23b、A23c中的另一个。
参照图2,很明显时间控制单元13可以以高的重复频率重复地对开关单元21、25和26以及积分单元15进行控制。这样,如果本地振荡器用作时间控制单元13并且,可选地,如果不使用积分单元15,如权因子可由适当的分压值持续调节。
在一个较佳实施例中,分压器单元23是在商标E2POT工作手册下由XiCor(Elektronische Bauelemente Bohnirainstrasse 11,CH-8801 Thalail)制造和销售的那类数字分压器,即AVNET E2000AG,其中第1至16页在这里作为本说明书的参考并且作为本说明书的附录A收入。
在图2所示较佳实施例中,开关单元25和26可由模拟开关实现。分压器单元27实现为一个集成电路。提供给输入E11L的电压,在每个情况下,相对于充电电压UL减小,以便根据图1的测量范围M在被设计时考虑待监视的最小充电电压。
图3给出迄今解释的本发明的详细信号流和功能方框图。AC电压U1e被提供给一个由LC滤波器组成的带通滤波器41,然后在整流器单元42上整流。滤波器41和整流单元43在图3用虚线框出,形成如图1所示的AC/CD变换器1。然后DC电压信号U1a从整流器单元43的输出端被提供给发射单元45处的变换高频发射器的初级端。变换发射单元45的初级端信号被MOS-FET斩波器单元47以80KHz的脉冲重复频率f27经由一个欧姆性负载斩波至参考电位,该斩波单元47具有受控的占空周期。斩波单元47的占空周期由控制单元51控制,它来自AC/DC转换器1的输出电压U1a
变换发射器45的输出信号在整流单元53处被整流,然后由滤波单元55加以平滑。发射单元45、斩波器单元47、负载单元49、斩波器控制单元51、整流单元53、滤波单元55形成一个可控直接电压源60,在图3中以虚线画出,它是图1所示转移单元3的一部分。至控制单元51的控制输入S51控制斩波器单元47的进而是输出电流I的斩波占空周期。
电流源60的输出A60被提供给用于和待再充电的蓄电池7相连的一个充电输出端5(见图1)。充电单元的第二个输出端5经电流测量单元67连接至参考电位。在电流源60输出端A60处的充电电压UL被提供给加权单元19b。加权单元19b如图2构造。
由于清晰缘故未表示在图3中的有时间控制单元13、开关单元21、平均值形成单元15、比较单元23、开关单元25和26以及分压单元27。
在加权单元19b的输出端信号U11c被提供给监视单元11a的输入端E11L,监视单元11a优选为集成充电控制器IC,特别是Telefunken制造的ICU2402B。输入端E113相应于上述IC的“sense UBATT”输入端。
电流测量单元67的输出A67被提供给比较单元73,并且,在使用上述IC并且在该IC中包含比较单元73的情况下,被提供给其“SenseI-charge”输入。
预设单元的输出信号也被提供给比较单元73。在预设单元74中,对充电电流标定或标称值进行调节,单元74的输出信号被馈给比较单元73作为标称信号W。在电流测量单元67的输出端A67处的信号被提供给比较器73作为所测的实际值信号X。在比较单元73的输出端处产生一个负反馈控制差值信号λ。差值信号λ经光耦合单元71电流解耦并且被提供给控制单元51的控制输入端S51
来自预设单元74的标称信号W由一个参考电压发生器79的输出信号产生,该发生器79由一个稳定参考电压源形成。将AC电压U1e经变换发射器83并且经单独的供电电路81向发生器79馈送。
温度测量单元86,优选以NTC电阻器形式,被热耦合于待充电蓄电池7,并且附着于用于待充电蓄电池7的支承器85上。来自温度测量单元56的与温度有关的输出信号A86被提供给监视单元11a作监视用。
为了检测蓄电池7实际上是可充电电池还是不可充电电池,优选地在支承器85内提供一个检测器87。检测器87根据电池外壳的特殊标志,例如条形代码或者外壳的特定机械外形,例如凹槽来识别充电过程是否允许。检测器87激励/抑制充电操作开关9,该操作开关9表示在图1但未表示在图3中。
同样可能让检测器87直接发送必要的监视数据、和/或控制信息到监视单元11a,或到用于直流电压源(direct voltage source)60的控制单元,如果相应的信息被提供在待充电电池上的话。
图4给出根据本发明原理构造的、示于图3的充电器的电路图。
下面是分立电子元件值清单:
                          电阻R01  10KΩ          R14   10KΩ        R27   10KΩR02  10KΩ          R15   8Ω            R28   16KΩR03  2.7KΩ        R16   22Ω          R29   3.3KΩR04  12KΩ          R17   47Ω          R30   0.01ΩR05  82Ω            R18   47Ω          R31   10KΩR06  22Ω            R19   10Ω          R32   100KΩR07  10KΩ          R20   2.2KΩ      R33   820ΩR08  1KΩ            R21   56KΩ        R34   1.5KΩR09  4.7Ω          R22   10KΩ        R35   510ΩR10  470KΩ        R23   470KΩ      R36   2.4KΩR11  56KΩ          R24   2.2KΩ      R37   微调电阻2KΩR12  0.39Ω        R25   15KΩ        R43   电阻56KΩR13  10KΩ          R26   6.8KΩ
                          电容C01      0.47μF      C10      4.7nF        C19        220μFC02      1nF          C11      100nF        C20        1μFC03      1nF          C12      470pF        C21        470nFC04      150μF       C13      1nF          C22        10μFC05      4.7F         C14      1nF          C23        1nFC06      4.7F         C15      1nF          C24        22μFC07      100μF       C16      1nF          C25        22nFC08      100 nF       C17      1nF          C26        220μFC09      10nF         C18      1nF          C27        100μF
                                        C28        22μF
                             二极管D01  二极管DF-01M                D08     Z-二极管ZPD22D02  二极管1N4007                D09     二极管1N4148D03  二极管1N4148                D010    LED二极管绿D04  Z-二极管ZPD22               D011    LED二极管红D05  二极管RGP 15M               D012    二极管KBU 4KD06  二极管RGP 15M               D013    二极管1N4007D07  二极管BYW 99
 PI-200/FEP 30DP
                            集成电路IC1 SGS-THOMSON UC3842N                IC5  SIEMENS CNY17F3IC2 ITC 9504-A                         T01  SGS-THOMSONIC6 ITC-AR 9509-AR                     功率  MOS-FET SDS-DE1E-MIC3 SGS/NATIONAL LM358AN               REM  SDSIC4 SGS/NATIONAL LM78L05
                            电感L01  TIMONTA 线圈  2X27   HY-DFKY,2-31-1.4-27AL02  HARTU    扼流圈   200025-14-10.0  A/250V,0,30MH/GKK
                            变压器TR1  变压器   铁氧体   PG3-2/30-H7C4TR2  变压器         220V/12    V-1.5,      VA-50-60HZ
                            保险丝F1   保险丝   1.60AT
图5给出实现根据图1-4充电器的印刷电路的顶视图。
采用根据所述本发明的充电器,可以对标称电压范围在1.2V和14.4V之间,并且优选地在2.4V和14.4V之间的电池,用大约7.6A并且以一个最佳速率充电约10分钟。
在构造实现的一个优选形式中,所有处理低电平测量、监视等等信号的连线和电子元件在一个电路板上组成一个低电平模块。所有处理较高值电流和电压的元件和连线实现在第二块板上作为第二模块,并且两个模块以可移动方式联系。它的好处在于对电路的进一步改进和修正,主要是针对低电平信号处理的,可以在易于互换的模块之一上实现,而使得高电平电流模块不需。因此低电平模块优选地以厚膜技术实现。
到现在为止对本发明的过程的解释集中在将充电器最佳调节到待充电蓄电池的不同标称电压。现在考虑蓄电池的不同容量(Ah)对根据本发明的充电器、和/或过程作进一步改进。这将借助于图6进一步解释,该图基于图1的展示,给出该进一步改进的主要原理。
如图6所示,充电电压UL被提供给微分单元90。在微分单元90的输出端A90处,产生信号的电平依赖于UL对时间t的变化。与平均值形成或积分单元15类似,提供一个平均值形成单元92,该单元在时间控制单元13控制的时间段内形成微分结果的平均值。
由时间控制单元13控制,开关单元94将微分后的信号的平均值结果切换到存贮单元96。将馈给单元96的信号表示为U。根据信号U的值,(例如相应于在预定时间段上确定的充电电压UL的初始上升),单元96激励一个预定充电电流特性函数IX(t),该函数在传输单元3经其控制输入端S60a控制一个可控制电流源60a。因此,根据正充电电池7的容量,它由UL一时间导数定义,特别是从初始充电特性可以得出一个结论,并且相应地在电流源60a处一个最佳充电电流时间特性被控制,该电流可能是一个恒定的充电电流。
如果考虑图3所示实施例并使用上述提及类型的充电控制器IC作为监视单元11a,那么可以清楚看到根据图6的改进可能通过将用于控制电流源60处充电电流的调节单元74(图3)更换为根据图6的带有单元96的控制而直接实现。
图7示意了基于图3实施例根据图6的一个改进。
在图7中,充电电压UL被馈给电池识别单元98,该单元包括图2所示单元15、21、23,图6所示单元90、92和94,以及图1所示控制单元13。在识别单元98的输出一侧,根据图2有被提供给加权单元S19b的信号19b,以及根据图6提供给充电电流过程选择单元96的信号U。

Claims (22)

1.根据待充电蓄电池特性自动调节电池充电器的方法,其中,向所说的电池提供充电电流,检测所说电池的端子电压以产生一个检测信号;所说的检测信号被一个因子加权放大以产生一个第一控制信号,对所说的第一控制信号监视并且产生一个监视结果信号,并且作为所说监视结果信号的一个函数,调节所说电池的充电电流,而且,还从所说的检测信号中产生出一个第二控制信号,根据所说的第二控制信号调节所说的放大因子,其特征在于,所说的监视过程的执行是通过以时间对所说的第一控制信号微分,以及在所说的充电过程中多于一次产生所述第二控制信号来实现的。
2.根据权利要求1的方法,其特征在于,所说第二控制信号是连续产生的。
3.根据权利要求1的方法,其特征在于,所说第二控制信号是以离散的时间间隔产生的。
4.根据权利要求1的方法,其特征在于,进一步包括如下步骤:
—为所说的充电电流提供一个可控电流源;
—在充电操作的开始预先确定所说电流源的一个输出电流;
—作为所说第二控制信号的函数附加调节所说充电电流。
5.根据权利要求4的方法,其特征在于,还包括使用负反馈来控制充电电流使之遵循一个标称信号,并且作为所说第二控制信号的函数调节所说标称信号的步骤。
6.对蓄电池充电的装置,包括:
—一个AC到DC变换器,所说变换器的一个输入端可操作地连接于所说装置的AC输入端,所说变换器的一个输出端可操作地连接于所说的待充电蓄电池的充电输出端;
—一个监视单元,所说监视单元的一个输入端经包括一控制输入的可控放大单元可操作地连接于所说充电输出端,所说控制输入可操作地连接于所说充电输出端,所说监视单元的输出端可操作地连接于对于施加到所说的充电输出端的电流的充电电流控制单元的一个控制输入端;
其特征在于,所说的监视单元包括一个时间导数形成单元,该单元的输入端可操作地连接于所说的监视单元的输入端,而该单元的输出端可操作地连接于所说的监视单元的输出端。
7.根据权利要求6的装置,其特征在于,进一步包括一个控制时间段的计时单元,在所说时间段内所说可控放大单元的控制输入端可操作地连接于所说充电输出端。
8.根据权利要求6的装置,其特征在于,向所说可控的放大单元的控制输入端连续地提供与在所说充电输出端处电压有关的控制信号。
9.根据权利要求6的装置,其特征在于,所说监视单元包括充电控制器集成电路。
10.根据权利要求6的装置,其特征在于,所说放大单元包括一个可控的可调节的分压网络。
11.根据权利要求6的装置,其特征在于,所说放大单元包括一个数字可控的分压计。
12.根据权利要求6的装置,其特征在于,到所说可控的放大单元的所说控制输入端经一个比较单元可操作地连接于所说充电输出端,所说比较单元包括至少两个级,其中如果在所说充电输出处的电压值位于特定级信号范围内,那么所说的每一个级产生一个输出信号。
13.根据权利要求6的装置,其特征在于,在所说AC到DC变换器的输出端和所说充电输出端之一之间连接一个可控DC电流源,并且其中所说电流源的一个控制输入端可操作地连接于所说充电输出端。
14.根据权利要求13的装置,其特征在于,所说充电输出端可操作地连接于另一个时间导数形成单元,所说另一个时间导数形成单元的一个输出信号可操作地连接于所说电流源的控制输入端。
15.根据权利要求14的装置,其特征在于,所说的另一个时间导数形成单元的输出端可操作地与一个选择单元的输入端相连,所说选择单元根据所说的另一个时间导数形成单元的输出信号可操作地选择至少一个所存贮的信号值或信号时间过程,所说选择单元的输出端可操作地连接于所说可控的DC电流源的控制输入端。
16.根据权利要求15的装置,其特征在于,所说选择单元产生一个输出信号,所说输出信号作为一个标称信号馈给负反馈控制回路用作所说充电电流,所说负反馈控制回路包括作为调节件用的所说电流源。
17.根据权利要求6的装置,其特征在于,该装置进一步包括在所说AC到DC变换器的输出端和所说充电输出端之一之间连接的可控DC电流源,所说可控DC电流源包括占空周期可调节的斩波单元,该斩波单元用于对所说输出电流进行调节。
18.根据权利要求6的装置,其特征在于,该装置进一步包括电流测量装置和电流选择单元,所说电流测量装置的一个输出端可操作地与充电电流回路相连,所说充电电流回路被所说的待充电的蓄电池所封闭,所说电流测量装置的一个输出端可操作地与一个时间导数形成单元的第一输入端相连,所说电流选择单元的一个输出端被连接于所说时间导数形成单元的一个第二输入端,所说时间导数形成单元的一个输出端可操作地连接于充电电流产生源的一个控制输入端。
19.根据权利要求6的装置,其特征在于,对于其标称电压大于或等于1.2V并且小于或等于14.4V的蓄电池,给这样的蓄电池充电的充电时间段基本上相同。
20.根据权利要求19的装置,其特征在于,对于其标称电压大于或等于2.4V并且小于或等于14.4V的蓄电池的蓄电池,所说时间段基本上相同。
21.根据权利要求19的装置,其特征在于,所说相等的充电时间段大约为10分钟。
22.根据权利要求6的装置,其特征在于,该装置进一步包括温度测量装置,用于测量待充电蓄电池的温度,所说温度测量装置的一个输出端可操作地连接于所说监视单元以及充电电流源的控制输入端中至少一个。
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