CN1114085A

CN1114085A - 高性能充电稳压两用器

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Publication number: CN1114085A
Application number: CN 94106095
Authority: CN
Inventors: 朱新贤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-05-27
Filing date: 1994-05-27
Publication date: 1995-12-27
Anticipated expiration: 2014-05-27
Also published as: CN1046060C

Abstract

一种能自动适应不同节数电池充电的高性能充电、稳压两用器。充电时，检测电路仅对被充电池组中一节较高电压的电池进行电压检测，为此且设置了充电前电池电压检测电路，以方便预先对此节电池的挑选。采用低频脉冲恒流充电和放电的快充方式，根据电池电量，自动分阶段调整充电电流。能自行识别 5^#与7^#电池的不同并自动变换充、放电电流。转换触点少，快慢充可选择，能自动限制工作功耗，工作状态有直观的显示，充电与稳压部分均具有周全的保护。

Description

本发明属于电能存储与直流电源技术领域，是能被复合使用的关于镉镍电池充电和直流电源稳压的一种民用电器。

目前，有关充电、稳压两用器的专利成果还不多，较为代表的有CN90205454.6、CN91213817.3、ZL93236994.4。它们仍然还存在的问题是：在使用大电流快速方式充电时，往往还只能充固定节数的电池;如所充电池节数可变，要通过转换开关对检测电压进行切换，一旦开关接触不良，电池就会被过充而损坏;或者采用负电压斜率法（-△∨法），此检测法电路复杂，成本高，只适用快充型镉镍电池的充电，且被充电池组个体电压差异较大时，检测误差较大;当电池电量接近充饱时，仍继续进行大电流的快速充电，至使电池温升严重，停充后，电池电压更下跌厉害;转换触点较多，影响了充电、稳压两用器长期使用的可靠性;当被充电池节数较少时，功耗较大;稳压部份在有完备的保护时，保护电路复杂。

本发明的目的在于克服现有充电、稳压器具的以上不足，提供一种全自动、全显示、全保护的高性能充电、稳压两用器。

本发明的技术方案以如下的方式给出：设计一种有多节电池仓，在同一仓位能按置不同型号电池进行充电的电池盒，能自动切变电压变换器次级电压的功耗限制电路，能在充电前检测电池电压的检测电路，在充电电路上设计有自动检测与控制电路，频率产生电路，可控、可变恒流充、放电电路，5^＊与7^＊电池自动适应电路，快慢充选择电路及保护电路，在稳压电路上设计有稳压电路和保护电路。

下面结合附图对本发明及实施例作进一步的说明：

图1为电池盒结构示意图

图2为电原理图

图3为充放电波形图

见图1，电池盒由电池仓、电极片、弹簧、开关等组成。其特征在于：在（E₂、E₃、E₄、E₅）电池仓，分别有电池联动开关（K₂、K₃、K₄、K₅）;在（E₁）电池仓，有稳压电路工作开关（K₇），电池自适应开关（K₆）;在（E₁、E₂）电池仓，各有联动板（4）一块。在E₂电池仓位置，由电池夹弹簧（3），电池夹（2）前端的电池联动开关动接点（9），与处于电极片（5）上的电池联动开关定接点（6），组成电池联动开关K₂，在E₃、E₄、E₅仓，对应的K₃、K₄、K₅结构与E₂仓K₂结构相同。在E₁仓位置，由电池夹弹簧（3），稳压开关定接点（11），稳压开关动接点（12），组成稳压电路工作开关K₇;由自适应开关弹簧（16），自适应开关定接点（14），自适应开关动接点（15），组成电池自适应开关K₆。在E₁与E₂仓位置，各有联动板（4）一块，联动板（4）下端套于固定横杆（7）上，在电池盒盖（1）打开时，电池盒盖（1）一侧下沿，相对电池盒盖转动支点（10）转动向里移动，推动联动板（4）上端也向里移动，联动板中部凸面（17）透过电极片（5）后接触K₂、K₇开关动接点的上沿，克服电池夹弹簧（3）的拉力后，将使K₂、K₇开关断开。充电时，以E₁、E₄仓位置充二节电为例：首先，将第一节电池放入E₁电池仓，K₇断开;当将5^＊电池放入E₁仓时，K₆接通，如处于E₁仓位置的是7^＊电池，K₆断开;接着将第二节电池（8）放入电池仓E₄，开关K₄断开，K₂、K₃、K₅因E₂、E₃、E₅仓没有电池闭合，充电电流经K₂→K₃→电池（8）→K₅→E₁仓电池→接地片（13）→地形成通路。K₂至K₅的作用，使充电器对不同节数电池的充电，得以实施。稳压时：取出E₁仓电池，K₇接通，BG₇射极接地，R₂₂、负载RL接地，稳压部份开始工作。此时如将电池放入E₂至E₅仓，电流通过LED₁、D₃、恒流源BG₁、R₁₁、电池、D₃₀、R₄₀、LED₄接地，因此，稳压时本充电、稳压器仍能对电池进行涓流充电。打开电池仓盖，如E₁、E₂位置没有电池，K₂、K₇将受电池盒盖的控制断开（以便能够对电池进行电压检测）。断开K₇，是为了防止稳压输出时，电池仓盖打开后K₂断开，E₂仓如无电池，LED₄无电流流过，IC₁、IC₂正端输入为低电平，BG₃、BG₄的输出将为脉动恒流，电源电压会全部加在负载RL上。

见图2，由电源变压器、桥式整流电路和滤波电容C₂组成了电源电路。电源电压一路供充电、稳压输出用，另一路通过BG₉稳压，供电路工作之用。

充电检测电路由比较器集成电路IC₁、IC₂、电阻R₄₀、二极管D₃₀组成。其特征在于比较器集成电路的正端（检测端）经限流电阻（R₄₀）接温度补偿二极管（D₃₀）的负极，温度补偿二极管（D₃₀）的正极接处于（E₁）仓的接地一节电池的正极。本充电器采用工作时仅对一节较高电压的电池进行电压检测的方法，这使充电器能自动适应不同节数电池的充电，也使充电的进行，能真正的十分安全与可靠。电池的充电电压，由D₃₀予以温度补偿（随着气温升高，电池的阈值电压下降）。在气温较高时，D₃₀上的压降降低（约-2.5mv/℃），从而使充电器快充至慢充、慢充至停充的转折电压，均有所降低。

充电的频率产生电路由比较器集成电路IC₃、电阻R₇、R₂₀、R₃₈、R₄₂、R₄₃组成。其特征在于比较器集成电路（IC₃）的正端接电阻（R₄₂、R₄₃）的一端，比较器集成电路（IC₃）的负端经电阻（R₄₁）接电阻（R₂₀、R₇）的一端，电阻（R₂₀、R₄₃）的另一端接地，电阻（R₇）的另一端接电压变换器次级的一端。比较器集成电路（IC₃）的输出端接电阻（R₃₈）的一端与二极管（D₂₉）的正极，二极管（D₂₉）的负极接比较器集成电路（IC₁、IC₂）的正输入端。电阻R₇一端的电压变换器次级的交流电压从负半周进入正半周时，升高的电压经R₇、R₄₁，使IC₃的负端电压高于正端，IC₃输出端导通接地，IC₁、IC₂的正端便开始对电池电压进行检测。当交流电压从正半周又将进入负半周时，IC₃负端的电压便又低于正端，IC₃输出端截止，BG₉的输出电压经R₃₈、D₂₉、R₃₉分压，使IC₁、IC₂的正端为高压平，IC₁、IC₂的输出端截止。

可控、可变恒流充电电路由三极管BG₁、BG₃、BG₄、电阻R₁、R₃-R₆、R₁₀、R₁₁、二极管D₂-D₄、D₈、D₉、D₁₂、发光管LED₁-LED₃、比较器集成电路IC₁、IC₂组成。其特征在于电阻（R₃）的一端，接于二极管（D₂）与发光管（LED₂）的正极，电阻（R₅）的一端，接于二极管（D₄）与发光管（LED₃）的正极，二极管（D₂、D₄）的负极均接于复合管（BG₄）的基极，发光管（LED₂、LED₃）的负极分别接比较器集成电路（IC₂、IC₁）的输出端。由LED₁、D₃为BG₃、BG₄提供稳定的偏置电压，BG₃、BG₄的输出为恒流，R₁、R₆对此偏置电压分压后，可调整BG₃恒流的值。BG₁也同样工作于恒流状态，这使LED₁、D₃上的压降十分恒定，从而BG₃恒流的值基本上不受电源电压、电池节数变化的影响。设电池的初始电压较低，此时IC₁、IC₂各自正端的电位均低于各自的负端，受IC₃的控制，IC₁、IC₂的输出端即不断同步截止与导通，LED₂、LED₃亮，指示充电器处于快充状态。在IC₁、IC₂的输出端均截止时，R₃、R₅对地的通路被切断，电流通过R₃、D₂与R₅、D₄流至BG₄基极，相当于R₃、D₂与R₅、D₄并联后又进一步参与对R₁的并联再与R₆分压，这使BG₃、BG₄被充份截止，充电停止。在IC₁、IC₂输出端均导通时，R₃、R₅分别经LED₂、LED₃接地，因D₂、D₄的隔离，BG₃、BG₄导通，充电开始。随着电池电压的上升，IC₂正端的电压将首先高于其负端，IC₂的输出端截止，LED₂灭，指示充电器进入慢充状态，R₃、D₂恒参与对R₁的并联，BG₃、BG₄的基极偏压减小，充电电流降低。随着充电的继续进行，IC₁输出端也截止，LED₃灭，指示电池已被充饱，BG₃、BG₄截止，此时，电流仅通过BG₁对电池进行涓流充电。电容C₄上的电压，因不再通过D₂₇放电而上升，上升的电压经D₂₈、R₃₂，使得IC₁正端的电压增高了一很小的值，当停充后电池电压又逐渐回落，电压降低的量超过此值时，IC₁翻转，充电器会又进入慢充状态。因此在电池充毕阶段，本充电器将有慢充指示灯下断闪烁的现象呈现。

恒流放电电路由电阻R₂₆、R₃₀、电容C₃、二极管D₂₁-D₂₄三极管BG₁₁组成。在IC₁输出端截止时，D₂₄截止，电流经R₂₆对C₃充电，经一段时间延迟后，恒流管BG₁₁导通，电池放电，在IC₁输出端导通时，充电开始，BG₁₁基极经D₂₄接地，BG₁₁截止，放电停止。充放电的波形见图3。在电池充饱后，IC₁输出端保持截止，D₂₇截止，电流经R₂₉对C₄充电，BG₁₀导通，BG₁₁恒截止，放电同样停止。

5^＊与7^＊电池自动适应电路由电阻R₂、R₉、R₃₁、R₂₇、R₂₈、二极管D₆、D₇、D₂₆、开关K₆组成。在对7^＊电池充电时，K₆断开，电流经R₂、R₃₁、R₂₈至BG₁₀基极，因D₂₆、D₂₃的限幅与R₂₇的反馈，BG₁₀的工作电流为恒流，R₂₆对C₃的充电电流被BG₁₀分流，BG₁₁导通时间延迟，电池的放电电流降低。R₂、R₃₁、D₂₆、D₂₃对电源电压分压，因分压的值较高，D₆截止，R₉、D₇参与对R₁的并联，BG₃、BG₄的充电电流即也相应减小。在对5^＊电池充电时，K₆接通，R₂、R₃₁、D₆经K₆接地，BG₁₀截止，BG₁₁导通时间提前，放电电流加强。D₆导通，R₉经D₆接低电位，因D₇的隔离，BG₃、BG₄充电电流加大。

快慢充选择电路由开关K₁，二极管D₅、电阻R₈、R₃₃组成。当K₁置慢充位置时，R₃₃经K₁接地，IC₂负端的基准电压降低，充电器此时便只对0.8V以下电压的电池才进行快速充电（对0.3V以下的电池因电路处于短路保护状态只由BG₁进行涓流充电），对0.8V以上的电池，电路将直接进入慢充状态。因R₈、D₅又参与R₃、D₂、R₁对R₆的分压，充电器本来的慢充电流即被进一步适当减小。当K₁置快充位置时，R₃₃被断开，R₈经K₁接地而不再对恒流部份产生影响。

充电部份的短路和电池反接保护电路由比较器集成电路IC₃、电阻R₄₁、二极管D₁₁、D₃₁组成。其特征在于比较器集成电路（IC₃）的负端接电阻（R₄₁）的一端与二极管（D₃₁）的负极，二极管（D₃₁）正极接地，电阻（R₄₁）的另一端接二极管（D₁₁）的正极，二极管（D₁₁）的负极接被充电池（组）的正极。充电的输出部份对地短路时，IC₃的负端经D₁₁接地，IC₃负端电位低于正端，IC₃输出端截止，IC₁、IC₂正输入端为高电平，IC₁、IC₂输出端恒截止，BG₃、BG₄截止，充电器被可靠保护。当输出部份的电池被反接时，经R₄₁、D₃₁对此负电压限流、限幅，IC₃负端同样为低电平，BG₃、BG₄截止。

充电前电池电压检测电路由比较器集成电路IC₄、三极管BG₁₂、二极管D₃₂、D₃₃、发光管LED₅、开关K₈、电容C₆、C₇、电阻R₄₄～R₄₉组成。其特征在于比较器集成电路（IC₄）的负端与正端分别接二极管（D₃₃、D₃₂）的负极，比较器集成电路（IC₄）的正端另经电容（C₆）、电阻（R₄₅）、开关（K₈）接地，开关三极管（BG₁₂）的集电极接电阻（R₄₇）的一端与二极管（D₃₂）的正极，电阻（R₄₇）的另一端与二极管（D₃₃）的正极，均接于（E₁）仓电池的正端，开关三极管（BG₁₂）的基极接电阻（R₄₈、R₄₉）的一端与电容（C₇）的正极，电容（C₇）的负极接地，电阻（R₄₈）的另一端接比较器集成电路（IC₄）的输出端。打开电池盒盖，K₂被断开（取出E₂仓电池），将待检测的第一节电池放入E₁位置，电池电压经D₃₃，使IC₄负端为一个固定的电位，IC₄正端因电流须由R₄₇、D₃₂对C₆充电首先为低电平，IC₄输出端导通，LED₅亮。随着C₆上电压的升高，IC₄输出端截止，LED₅灭，BG₁₂对地导通，电池电流被BG₁₂短路。因D₃₂的隔离，第一节电池的相对电位即被IC₄的正端所固定。取出此节电池，将第二节电池放入E₁位置，此时，一种情况是这节电池比上一节电池电压低，IC₄输出端仍截止，LED₅不亮。另一种情况是这节电池比上一节电池电压高，IC₄负端的电位首先即高于上一节电池固定在IC₄正端的电位，IC₄输出端导通，BG₁₂截止，电池电流又经R₄₇、D₃₂对C₆充电，LED₅亮，指示这节电池电压比上一节电池高。接着LED₅又灭，第二节电池的相对电位即再一次被IC₄的正端所固定。如此将所有的待充电池检测完后，即可挑选出最高电压的一节电池来。

功耗限制电路由继电器J、三极管BG₆、BG₈、二极管D₁₀、D₁、D₁₃、电阻R₁₆、R₁₇、R₂₃、R₂₄组成。其特征在于三极管（BG₆）的射极接二极管（D₁₀）的负极，二极管（D₁₀）的正极接电源的整流输出正端，三极管（BG₆）的基极接电阻（R₁₇）的一端与二极管（D₁₃）的负极，电阻（R₁₇）的另一端接二极管（D₁₂）与负载（R_L）的正端，二极管（D₁₃）的正极经电阻（R₁₆）接继电器（J）线圈的一端与三极管（BG₈）的集电极，三极管（BG₈）的基极经电阻（R₂₃）接三极管（BG₆）的集电极与电阻（R₂₄）的一端，电阻（R₂₄）的另一端与三极管（BG₈）的射极接地。当由于某种原因使BG₃两端的电压低于由D₁₀所设定的值时，D₁₀、BG₆、BG₈截止，继电器接电压变换器次级的高电压端，整流输出电压升高，BG₃两端的压降加大。此时，电源电压经R₁₆、D₁₃至BG₆基极，BG₆的基极电压升高，防止了因电源电压上升使得D₁₀、BG₆、BG₈截止，继电器接电压变换器次级的高电压端，整流输出电压升高，BG₃两端的压降加大。此时，电源电压经R₁₆、D₁₃至BG₆基极，BG₆的基极电压升高，防止了因电源电压上升使得D₁₀、BG₆再次导通而造成继电器工作的不稳定。如BG₃两端的压降此时因某种原因继续加大，升高的电压超过R₁₆使BG₆基极电压升高的值与使D₁₀、BG₆导通的电压值之和时，BG₈导通，继电器接电压变换器次级的低电压端，BG₃两端的压降降低，R₁₆经BG₈接地脱开了对BG₆基极电位的影响。

稳压电路由三极管BG₅、BG₇、二极管D₁₅、电位器W、电阻R₁₅、R₁₈、R₁₉、R₂₁、R₂₂组成。稳压输出时，将E₁仓电池取出，K₇接通。电流经LED₁、D₃、BG₁、R₁₁、电池仓、D₃₀、R₄₀流至LED₄，LED₄亮，指示充电稳压两用器处于稳压状态，这里，LED₄还兼对IC₁、IC₂正端输入限幅。此时因IC₁、IC₂的正端呈高电平，IC₁、IC₂的输出端截止，充电部份的器件在电路处于稳压状态时，便不对稳压部份产生影响。R₁₉接于BG₉的稳压输出端，这使基准电压源D₁₅上的电压十分稳定，纹波极小，稳压器输出电压的质量从而较高。

稳压部份的可变限流保护电路由三极管BG₂、电阻R₁₂～R₁₄组成。R₁₂、R₁₃对BG₃输入、输出电压分压，在输出电压较低时，R₁₂、R₁₃分压的值较大，使得检测电阻R₁₀上流过的电流较少时，BG₂即可导通，导通电压经R₁₄，使BG₅趋向截止，BG₃、BG₄的输出电流即被充分限制。同理，当稳压输出电压的值较高时，BG₃、BG₄允许输出电流的值较大。

稳压部份的短路保护电路由二极管D₁₄组成。其特征在于短路保护二极管（D₁₄）的负极接复合管（BG₃、BG₄）的集电极与负载（R_L）的正输入端，短路保护二极管（D₁₄）的正极接电阻（R₁₉）的一端与基准电压二极管（D₁₅）的正极。当稳压部份输出短路时，基准电压经D₁₄接地，BG₇、BG₅因失去工作电压而截止，BG₃、BG₄输出电流为零。

本发明的积极效果是：

1、能全自动地对镉镍电池进行分阶段的快速恒流充电，整个充电时间，小于一个小时。采用低频脉冲充电和放电的快充方式，有效地消除了电池的极化现象。

2、采用对待充电池中一节较高电压的电池进行电压检测的方法，避免了采纳检测电压转换开关的种种弊端。

3、能自动适应不同节数电池的充电，转换触点少，快慢充能自由选择，能自动限制工作功耗。

4、能自行区分5^＊与7^＊电池的不同，继而能自动调整充、放电电流。

5、充电与稳压部份均具有周全的保护，且气温升高，充毕电压能自动相应下降。

6、充毕后能自动维持电池电压在充饱状态，可靠地防止了一般充电器所往往造成的过充或停充后电池电压下降的现象的发生。

7、激活修复性能好。对由于使用或保管不当（服务寿命后期的电池除外），而至使常规充电无效的镉镍电池，均能被有效激活修复。

8、性价比较高。

Claims

一种高性能充电、稳压两用器，它除电源电路，充电部份的恒流放电电路、5^#与7^#电池自动适应电路、快慢充选择电路，稳压部份的稳压电路、可变限流保护电路外，其特征在于：

1、电池盒，在(E₂、E₃、E₄、E₅)电池仓，分别有电池联动开关(K₂、K₃、K₄、K₅、)；在(E₁)电池仓，有稳压电路工作开关(K₇)，电池自适应开关(K₆)；在(E₁、E₂)电池仓，各有联动板(4)一块。
2、充电前电池电压检测电路，比较器集成电路（IC₄）的负端与正端分别接二极管（D₃₃、D₃₂）的负极，比较器集成电路（IC₄）的正端另经电容（C₆）、电阻（R₄₅）、开关（K₈）接地，开关三极管（BG₁₂）的集电极接电阻（R₄₇）的一端与二极管（D₃₂）的正极，电阻（R₄₇）的另一端与二极管（D₃₃）的正极，均接于（E₁）仓电池的正端，开关三极管（BG₁₂）的基极接电阻（R₄₈、R₄₉）的一端与电容（C₇）的正极，电容（C₇）的负极接地，电阻（R₄₈）的另一端接比较器集成电路（IC₄）的输出端。
3、功耗限制电路，三极管（BG₆）的射极接二极管（D₁₀）的负极，二极管（D₁₀）的正极接电源的整流输出正端，三极管（BG₆）的基极接电阻（R₁₇）的一端与二极管（D₁₃）的负极，电阻（R₁₇）的另一端接二极管（D₁₂）与负载（RL）的正端，二极管（D₁₃）的正极经电阻（R₁₆）接继电器（J）线圈的一端与三极管（BG₈）的集电极，三极管（BG₈）的基极经电阻（R₂₃）接三极管（BG₆）的集电极与电阻（R₂₄）的一端，电阻（R₂₄）的另一端与三极管（BG₈）的射极接地。
4、充电检测电路，比较器集成电路（IC₁、IC₂）的正端（检测端）经限流电阻（R₄₀）接温度补偿二极管（D₃₀）的负极，温度补偿二极管（D₃₀）的正极接处于（E₁）仓的接地一节电池的正极。
5、充电的频率产生电路，比较器集成电路（IC₃）的正端接电阻（R₄₂、R₄₃）的一端，比较器集成电路（IC₃）的负端经电阻（R₄₁）接电阻（R₂₀、R₇）的一端，电阻（R₂₀）的另一端接地，电阻（R₇）的另一端接电压变换器次级的一端，比较器集成电路（IC₃）的输出端接电阻（R₃₈）的一端与二极管（D₂₉）的正极，二极管（D₂₉）的负极接比较器集成电路（IC₁、IC₂）的正输入端。
6、可控、可变恒流充电电路，电阻（R₃）的一端，接于二极管（D₂）与发光管（LED₂）的正极，电阻（R₅）的一端，接于二极管（D₄）与发光管（LED₃）的正极，二极管（D₂、D₄）的负极均接于复合管（BG₄）的基极，发光管（LED₂、LED₃）的负极分别接比较器集成电路（IC₂、IC₁）的输出端。
7、充电部份的短路和电池反接保护电路，比较器集成电路（IC₃）的负端接电阻（R₄₁）的一端与二极管（D₃₁）的负极，二极管（D₃₁）正极接地，电阻（R₄₁）的另一端接二极管（D₁₁）的正极，二极管（D₁₁）的负极被接充电池（组）的正极。
8、稳压部份的短路保护电路，短路保护二极管（D₁₄）的负极接复合管（BG₄、BG₃）的集电极与负载（RL）的正输入端，短路保护二极管（D₁₄）的正极接电阻（R₁₉）的一端与基准电压二极管（D₁₅）的正极。