CN1108822A - 电池再充电系统的电池温度补偿装置 - Google Patents

Abstract

改进的温度补偿装置(T.S.，JP3，JP2，JP1，S)对 于与串连电池架(BAT)相连的整流器(R)或“充电 器”的输出电压进行调节。检测电池(BAT)的温度 而且温度补偿装置(TS)根据预先选定的斜率来对由 整流器或充电器(R)施加到电池两端(JP2，JP1)上的 有效电压进行调节。

Description

过去的几年中，电池生产厂家已为电信工业中的电话交换系统及类似的系统以及计算机工业中的不间断电源开发了作为电源或原动力的不用维护的密封酸铅电池;它们已经被用作汽车电池并将作为电动汽车未来的电源。不用维护的酸铅电池生产厂家建议：电池最长寿命的最佳工作温度应保持在25℃。如果在电池的充电周期或点滴式充电周期过程中设有保持合适的电池温度，那么电池的寿命就会大大地缩短（并且在某些情况下会小于期望寿命的一半）。

大家知道，由于额外电流通过电池或者周围（室内）温度升高，导致电池温度升高，从而引起这种电池内部阻抗降低。阻抗降低会允许更大的电流通过电池，从而产生更多的热量。如果不去制止，这种情况会导致热量逸出。大家知道，热量逸出也是用于电源后备系统的电池的主要问题，如前所述。

相反地，过度充电或温度过度升高会引起这种密封电池“漏气”，并且在极端情况下，会使电池的密封层爆炸、凸起或破裂，因此结束电池的寿命。电池完整性的丢失事实上通常会对设备及人员造成损害。

茵格（ENG）在1989年7月11日发布的第4，663，580号美国专利中，发明了一种具有V_b温度补偿电路的电池充电器，该温度补偿电路与电池充电系统本身是一体的。它补偿周围温度的变化而不是电池温度变化。

相似地，沃特曼（WORTMAN）在1987年5月5日发布的第4，663，580号美国专利中，发明了一种密封酸铅电池的浮式充电及提供了预先设定的非线性温度系数的电源，该电源通过混合使用线性温度系数部件（前偏硅二极管）和非线性温度系数部件（热敏电阻）来提供预先设定的非线性温度系数。

库柏（COOPER）等于1987年5月17日发布的第4，667，143号美国专利中，发明了一处具有温度补偿充电比值的电池充电器。发明的电路是一个电池充电器，它装有一个根据电流、电压及温度信号来切换调整类型的控制电路，但是温度信号是周围温度的信号而不是电池温度的信号。仅在电池温度在再充电周期过程中影响电池内部阻抗。

因此本发明的目的就是根据电池温度来调整电池的再充电电压。

本发明的另一个目的是在整个再充电温度范围内将再充电电压的变化控制在1%内。

本发明的另一个目的是提供一个电池温度补偿装置，该装置可改装在现有充电器中，从而无需对电池充电装置进行昂贵的替换。

本发明使用温度检测部件来取得前述目的，该温度检测部件最好是一块装在电池上的集成电路，用来检测电池的温度。同样通过相应的电线将电池与监测电路相连，根据电池的温度，该监测电路按比例地调整由电池充电器（其与电池电连接）施加的电压，因此电压调整，其作为电压为2.5到-4.5毫伏/摄氏度/电池（60-108毫伏/摄氏度/电池串）时相应温度变化为0℃到50℃之间的最佳线性电压补偿，按照线性图在最佳工作温度范围：-40℃到+60℃之间进行调整;但是线性补偿的斜率可根据要充电的电池类型及电池组串的整个电压来改变。

从上述可知，实际上夏季白天到晚上的温度变化大约在15℃左右，这将导致相当于参数电压（这里有时称为“浮动电压”）900-1620mv的变化，该变化在电池再充电过程中，随着电池温度的升高，会对电池产生（不好）的影响;并且如这里所述，这种影响甚至可通过连接在电池再充电系统上的现有电池充电单位（次标称sub.nom.）整流器（R）施加。

本发明根据电池实际周围温度或当前温度，在电池再充电周期过程中通过改变充电参考电压或“浮动电压”来动态地改变施加在电池两端的充电电压，充电参考电压或“浮动电压”作为最佳或推荐充电电压的偏差电压，其变化范围为-1.5伏到+1.5伏。为了再充电，对于任意给定的温度（在充电参考电压变化的零伏点），充电参考电压通常就是每个电池或电池串在电池的参考温度即25℃时的实际再充电电压。

现在将通过例子和附图来说明本发明，附图中：

图1A和图1B是最佳实施例的框图和电路图。

图2是一个典型的额定24伏电池串的“补偿”或“浮动电压”的电压与温度对比关系图，额定24伏电池串包含24个工作的酸铅电池。

图3表示外置补偿系统电路图，该补偿系统连在用于多个串联电池（BAT）充电的电池架（BB）及用于相同电池充电的充电器（R）之间。

图4是传感器外壳及其部分剖视图的俯视平面图，表示粘接在电池（其位于图3的电池架串内）一侧的传感器侧视图中的传感器（S）及连接电缆。

参考图2可知，有一条根据电池温度（摄氏度）与最大电压有偏差的电压和对比而绘制的最佳所述电压（V）参考线，这里最大电压对于24个电池的酸铅电池组来讲，为额定48伏。若使用了其他电压串或不同厂家的不同酸铅电池时，或者当使用不同类的电池如镍镉电池时，通过零点（NP）的直线斜率就需要改变，这种改变是通过图1B中的开关（S1）将电阻（RN3）和（RN4）接入或不接入图1B所示的电路来完成。

参考图1可知，它是组合方框可变图和详细电路图。

当前设计的电路用于稳压整流器和24个电池组串。24伏电池组需要的补偿系数大约为-72mv/℃并且在各种温度下是恒值。原型的测量系数为71.49mv/℃。补偿器与参考线相连并从电池中获取电力，它的输出驱动整流器的参考输入。补偿器将在输入及输出端之间形成一个与温度成递增比例的电压。

参考图1可知，JP2是一个连接器，一端与电池架（BB）（见图3）相连，并且通过保险丝部件与方框A（振荡器及输出缓冲器）相连用以在JP2上产生电压方波。方框A与电压放大器和稳压器（方框B）相连，它们的混合输出送入加法放大器方框D中，该加法放大器可部分地由具有参考装置ref1的参考电压生成器（C）控制。通过加法放大器和参考电压生成器，某个电压可送入斜率选择电路（方框F）中。方框F通过选择不同的开关（方框F中的S1到S4）来适应需要不同的充电斜率的各类电池。可为反馈获得-60，-72，-84，-96或-108mv/℃的斜率，同如下面将要细详描述的，可参看图1B。加法放大器（方框D）的输出可通过电压放大器和输出缓冲器（E）传送，用来与参考线（JP3）相连，JP3最终与充电器（R，100）相连。当电池充电器100根据图3与电池架（BB）相连并与图1A和图1B的电路相连用来保持电池架（BB）两端电压以便遵守图2所示线性图的斜率时，遵循图2所示线性图的JP2和JP3的电压差就维持了充电电压。连接部分（JP3）与充电器（R，100）直接相连，如图3所示，并且提供电压反馈以便充电器（B/O+-）的输出施加到电池架（BB）的正负两端时，可以变化。

参考振荡器及输出缓冲器方框A可知，插头（JP2）与电池串的负端相连并且保险丝（F1）通过电阻R4将电流送入该电池串的负端，然后流入晶体三极管Q3的集电极，该晶体三极管Q3与晶体三极管Q1一起作为不稳多谐振荡器的切换部件，这些切换部件还包括互连在这些晶体三极管基极与集电极之间的电路C1和C2。当两个晶体三极管的发射极按正常方式相连时，电阻R1，R2，R4和R5相应地与基极或集电极相连以便建立多谐振荡器电路。振荡器的频率主要由（C1，R5），（C2，R1）的RC系数决定，这种配置下的振荡器频率最好是8KHZ左右。因为晶体三极管Q2和Q4的基极互连并且它们的发射极也互连，所以晶体三极管Q2和Q4形成互补推挽缓冲器，该缓冲器由前述的多谐振荡器的Q1驱动。Q4的集电极与多谐振荡器Q3的发射极相连并与集电极电阻R4相连。因此来自连接器JP2的-50伏电压输入通过8KHZ左右的频率就被斩成0伏到-50伏之间的方波。

参考电压放大器及稳压器方框B可知，有两个电压放大器，这两个放大器由方框A中的振荡器及Q2到Q4的缓冲器驱动。第一个倍压器是包含电容C4和C6的反向倍压器，并且它与二极管D5和D6串行连接。如前所述，电容C4有与振荡器及缓冲器方框A输出相连的其他引线。这个反向倍压器的输出包括+50伏，并且该输出通过电阻R3传送以便向反偏齐纳二极管D2提供电流，这里该输出为15伏时也用于固定参考电压输出，因为过滤电容C7与齐纳二极管是并行的。因此反向倍压器的输出可作为图1运算放大器的电源正极部分。

方框B中的第二个电压放大器事实上是倍压器，它的输出参考电压是电池电压的两倍或大约等于直流-100伏的电压。它包括电容元件C3和C5以及串连二极管D4和D1，这里电容C3连接在二极管与振荡器及输出缓冲器方框A的会合处以及两个二极管与电容C4的共线会合处之间。二极管D4的阴极通过串联电阻R16与齐纳二极管D3的阴极相连，齐纳二极管D3的阴极串连地与齐纳二极管D2相连并且与过滤电容C8并行，因此沿着齐纳二极管D3的阳极侧形成一个共同的-15伏的参考电压，该参考电压成为图1电路其余部分的电源负极部分。电压的翻倍是在二极管D1的阴极侧形成，从而输出电压变为-100伏。100伏电压用来向输出放大器方框E提供电源。

方框C是参考电压生成器。它包括一个稳定参考电压元件ref1，该元件向运算放大器U3提供2.5伏的电压输出。运算放大器U3的另一输入通过串联的电位器R23一端与电阻R21和地相连;该电位器的另一端通过电阻R22与运算放大器U3的输出相连。电位器R23用来调整运算放大器6脚处的输出电压并“铲出”由使用元件公差引起的任何错误。运算放大器U3的最佳输出电压为额定+2.98伏。在25℃时，通过连在点J1上的温度检测头，运算放大器U3的输出可通过R23来调整，使图1中的输入和输出端JP2和JP3之间没有电位差。

参考图3可知，温度检测元件S，例如LM335是一块装在电池BAT的物理表面上的集成电路，这样的话检测元件S不易受到循环在电池BAT附近的气流影响。检测元件S的输出对酸铅电池的温度成线性，其斜率为每摄氏度10毫伏。在温度25℃时，输出大约为2.98伏。检测元件是由电压放大器稳压器方框B的负电源：-15伏，来驱动，这样输出相对图1中的补偿器的电路地来说总是负的。参考电压生成器方框C的输出送入加法放大器方框D中，该加法放大器有一个运算放大器U2。对于不同电池生产厂家公布的斜率规格说明，提供了可装入多个（7个）电阻的电阻架RN1以便提供不同的斜率。加法输入器有三个加权输入，其中一个是来自U3的2.98伏参考电压，该输入与输入电阻R6相连用来向U2提供一个1.2的向前放大系数。具有1.2放大系数的温度检测元件或温度传感器TSE的输出通过电阻R7与外部输入相连，该输出在25℃时为-2.98伏。电池的负端与来自JP2的第三个输入相连，该JP2与放大系数为1/6的电阻网RN1的8脚相连。参考REF1的放大系数1.2及温度传感器TSE将引起电池电压以-72mv/℃的斜率变化并且该斜率一般将不会变化。然而某些电池由于生产厂家的不同，可能需要不同的斜率。考虑到斜率的变化，温度的参考偏移（图2）以及包括部件RN3和RN4的任一个或全部的电阻网络，斜率选择电路，方框F，就可通过位于开关S1上的不同开关并行地与电阻R6相连，并且也可相应地与电阻R7相连，这样就可获得下面范围内的斜率：-60，-72，-84，-96和-108mv/℃。运算放大器U2的反馈电阻事实上与RN1的电阻1到电阻6并行，该RN1与运算放大器U2的输出端6相连。由于电阻值和电阻元件的温度系数相近，通过将RN1的电阻从电路中选入或选出，对于选定电压等级即36伏，24伏或12伏的电池就可以选择这个相当精确且稳定的运算放大器U2的放大系数。

参考电压放大器及输出缓冲器（方框E）可知，运算放大器U1具有相同的电路，并且作为“A”类放大器的晶体三极管Q5的基极通过电阻R13与运算放大器U1的输出相连，用以向连接在JP3的电池充电器的参考端提供温度补偿电压。这个电路的放大系数为6，该系数是通过使用单个电阻网RN2加以设置。U2属于低偏类型运算放大器，因此正常情况下不需要连在运算放大器U1的端1、端8及端7之间的电位器R17的调节。

样品元件表（图1A，1B，3，4）

C1    3  nF    Q1    MPSA92    R14    750  Ω,5W

C2    3  nF    Q2    MJE350    R15    20K  Ω

C3    22  μF    Q3    MPSA92    R16    2.4K  Ω,3W

C4    10  μF    Q4    MJE340    R17    20K  Ω

C5    22  μF    Q5    MJE340    R20    1.87K  Ω

C6    10  μF    R1    390K  Ω    R21    10K  Ω

C7    10  μF    R2    2.2K  Ω    R22    1.87K  Ω

C8    10  μF    R3    2.4K  Ω    R23    1K  Ω

C9 100 μF^*R4 10K Ω RN1 120K Ω

C10 10 μF^*R5 390K Ω RN2 120K Ω

C11    1  nF    R6    20K  Ω    RN3    100K  Ω

D1    1N4004    R7    20K  Ω    RN4    100K  Ω

D2    1N4744A    R8    12K  Ω    U1    0P07

D3    1N4744A    R11    120  Ω    U2    0P07

D4    1N4004    R12    3.3K  Ω    U3    0P07

D5    1N4004    R13    2K  Ω    REF1    MC1403

D6    1N4004    S1    Grayhill    开关    F1    1A  VAC

7804

（注：单位nF-毫微法拉，KΩ-千欧姆，A-安培μF-微法拉，W-瓦，VAc-交流电压）

＊未使用

Claims (8)

1、在电池(BATBB)两端(JP2-，JP2+)用充电电压(V)来控制对电池(BAT，BB)的充电而且在再充电过程中监测电池(BAT)温度(T)的电池温度补偿装置(TS)，其特征在于可检测(S)正在充电电池(BAT)的温度(T)并可控制电池两端(JP2-，JP2+)的电压，因此根据本明可改变电池(B)的充电电流。

2、当电池（BAT）正在充电时，以任一浮动充电方式的完全再充电来调整施加在电池（BAT）上的电压（V）并禁止再充电过程中电池（BAT）过热的方法，其特征在于包括如下步骤：

a）在所述再充电过程中，测量了电池（B）的温度（T）;并且，

b）根据电池（BAT）的温度（T），反向调整（TS，JP3，JP2，JP1）施加到电池充电器（R，100）参考端（B/O-，B/O+）上的电压，从而引起施加到电池（BAT）上的电压的预定变化，并且因此使得流过电池（BAT）的电流发生变化，而不用考虑电池的瞬间温度（T）。

3、权利要求2中说明的方法，其所检测的温度（T）是电池（BAT）的表皮温度（T）。

4、权利要求1中说明的电池补偿装置（TS），其中温度补偿装置还包括：

a）以提供输出的电池连接器（JP2）作为输入的振荡器和缓冲器部件（A）;

b）提供工作电压的电压放大器和稳压器组件（B）;

c）装有参考分组件（REF1）的参考电压生成器组件（C）和生成工作电压的运算放大器（U3）;

d）装有电阻组（RN1）的加法放大器（D）和相连的运算放大器（U2）;

e）电压放大器和输出缓冲器组件（E），该组件（E）从加法放大器组件（D）输入信号，然后将信号传给运算放大器（U1），该放大器（U1）根据并连在其输入（U1-3，2）上的电阻提供一个给定放大系数，该放大器（U1）的输出通过一个晶体三极管（Q5）向与电池充电装置（R，100）的正负端分别相连的连接器（JP3）提供电压。

5、权利要求4中说明的电池温度补偿装置（TS）包括改变并联在加法放大器组件（D）上的电阻的装置（RN3，RN4），并且因此根据所使用的、从酸铅电池和镍镉电池中挑选出来的电池类型以及再充电电池架（BB）中的电池（BAT）个数，按预定量选择地改变补偿电压的斜率。

6、权利要求5中说明的电池温度补充装置（TS），其中斜率系数  大约为-3毫伏/摄氏度/电池。

7、权利要求1及权利要求4到6中说明的电池充电装置（TS），其特征在于装置（TS）一方面是与电压源（R）分开的并具有用于连接电池两端（JP2-和JP2+）的引线，另一方面对直流电压源（R）来说，电池两端（JP2-和JP2+）分别与电压源的输出电压（B/O-，B/O+）平行。

8、权利要求1及权利要求4至7中说明的电池补偿装置（TS），其温度检测装置（S）是固定在电池（BAT）外表上。

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