CN1361936A - 用于电池脉冲式充电的电路布局和方法 - Google Patents
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Abstract
用于电池脉冲式充电的电路布局,它包含:一个有预先确定的电感值的交流电源;一对桥路分支,每个包含并联的一个电容和一个半导体开关元件(最好是二极管或硅可控整流器),这些分支连到电源的各自端子,使得两个分支中的半导体元件以及其相似电极连到相应的一个端子;以及整流器,以其交流端子连到桥路分支的自由端,并以其直流端子连到被充电的电池。还提供了一种使用交流电源对电池进行脉冲式冲电的方法,其特征在于如下步骤:通过增加电抗元件中存储的能量来修整充电脉冲的增大部分,从而以相对于所述电源增大率更大的程度增大这些部分,并修整其减小部分,使其相对于电源减小率更迅速地减小。
Description
技术领域
本发明涉及实际可以用于各类电池的脉冲式充电的电路布局和方法。
背景技术
为对电池充电，特别是在使用较便宜的充电器电路的情况中，使用从交流外线电压整流而来的直流电流，而该直流电压未被平滑，这样，充电电流跟随整流后电压的波动。已知在充电过程中，当表征实际所用电池的某些限定值没有被超过时，以波动电流充电并没有坏处。以涨落和波动的电流进行充电的性质与使用平滑的直流进行充电的性质并没有显明的差别。这种性质例如电池的循环寿命，它对应于充电和放电循环的次数，在此期间电池容量不会降到初始容量的预定份额之下，例如降到60％。另一个重要特征是以安培-小时单位表示的容量，它开始时高，随着循环次数增加而降低。累积容量不是别的，而是在整个循环寿命期间由电池释放的总能量大小。除了上述电池特性外，还能由以下各量来表征电池：达到完全被充电状态所需时间，在充电和放电过程期间温度的升高，能从电池取出的电流的峰值，再有，记忆效应的出现，最后是偶然短路的概率。
通常为人们接受的经验是，如果不使其中一个或多个其他参数变坏的话，上面列举的单个性质便不能得到改善。当充电时间缩短时，通常循环寿命会增大，可靠性降低，而且电池的容量也不能被利用了。
在传统的电池充电器电路中，产生充电电流的电路部分很相似，它们包含一个连到外线变压器的次级绕组的全波整流器，而整流器的直流部分连到电池端子。在这种充电器中使用的电子线路的主要任务是在充电过程中监视电池的参数，以此为基础确定充电结束时刻。在以波动直流充电的情况中，如果供电电源的内部电阻很低，就可能发生问题，因为在这种情况中几乎是常数的电池电压与充电电压峰值之差可能造成很高的充电电流峰值，电池可能耐受不了，或者很难调节充电电流的最佳值。在充电过程中电池电压增大而充电参数不能被相应地调整，这一事实使问题变得更加困难。这一问题几乎是看不出来的，因为在每日的实践中所用的电源具有的内电阻值比所需要的高得多，而高的内电阻防止形成高充电电流峰值。从压制上述问题的角度看这一性质是有利的，但与此同时它又是不好的，因为电池将不能以得到理想充电所需要的电流和电压值进行充电。这一问题将表现为较长的充电时间、出现记忆效应和降低寿命时间，从而表现为电池参数值与电池设计时理论上确定的值相比不那么好。
在美国专利4878007中已提议一种用于镍—镉电池的脉冲充电，其中在相继的充电脉冲之间插入了各自短放电部分。这一充电方法造成电池内部化学过程的活动增强，结果降低了记忆效应，再有，先前已降低容量的电池能被再生。在实践中，该建议的充电方式尚未被证明比已有的充电方法好得多，因为使用陡的充电脉冲降低了电池的寿命时间，再有，它难于实现所需要的充电—放电循环。
如果希望得到与传统方法相比在电池充电方面实质性的改进，如果这个目的确实能达到的话，则应该更仔细地研究电池中发生的过程，因为在这种研究的基础上才能得出结论以显示出得到更好参数的途径。
在Imre Hevesi博士的题为“Elektromossagta”(“电学理论”)的书中描述了电解质中的离子运动(该书由Nemzeti Tankonvkiado出版，布达佩斯，1998，第428-429页)。书中说离子有有限的位移速度，在已加上电压之后该速度达到稳定，而且该速度与所建立的场强成正比。该速度还依赖于离子的电荷和起阻止离子运动作用的磨擦系数α。
发明内容
本发明的首要目的是提供一种充电方法和实现该方法的电路布局，它能提供更有利的充电条件，其结果是与传统充电方法相比将显著改善电池参数。
为达到这一目的，根据上文引述的文献，假定在来自其他电极的离子尚未到达该电极而且这些离子的存在不能干扰这一电极区域内所发生的过程的这一时间段内，在紧邻电极处的化学反应将发生得最好。这一条件在建立电场的初始阶段占优势，以及短时间内禁止在电极区域形成离子平衡状态的时候。
为这一目的并基于这一假定，提供了一种电路布局，它包含：—有预先确定的电感值的交流电源；—一对桥路分支，每个包含并联的一个电容和一个半导体开关元件，该开关元件最好是二极管或硅可控整流器，这两个分支连到电源的各自端子，使得两个分支中的半导体元件以其相似电极连到相应的一个端子；以及—整流器，以其交流端子连到桥路分支的自由端，并以其直流端子连到被充电的电池。
这样的电路布局设计很简单，然而它能提供所需要的充电条件。
在一个最佳实施例中，该整流器是由一个全波整流器构成的。
在该电路布局中，交流电源是通过变压器耦合到桥路分支的，而电感是由变压器的次级绕组构成的。
为了修整输出脉冲，该电路布局可以进一步包含安排成滤波器电路的LC元件。
另一个优选实施例为了调整充电功率而包含了一个受控功率控制器，它与交流电源串联而且只允许交变电流每个全周期的部分范围通过，这一部分范围的大小当以角单位表示时是流出角(flowing angle)，该电源控制器用于改变这个流出角，从而使电池的充电功率处在预先确定的限度内。
根据控制充电功率的另一种方式，该电路布局包含至少又一个电容器和开关，从而使这又一个电容器能与所述桥路分支之一中的电容器并联。
如果在两个桥路分支中电容器的电容值彼此相差不大于200％则最好。
在使用变压器的情况中，如果该变压器有一个绕组带有多个抽头点，其中可由开关至少选择一个，这时功率也能被调整。
根据调节充电功率的又一种方式，该电路布局包含多对桥路分支，其大小基本上形成相同的电压，这些分支对可以并联。
根据本发明的又一方面，已提供了一种方法使用交流电源对电池进行脉冲充电，该方法的特征在于如下步骤：通过增加电抗元件中存储的能量来修整充电脉冲的增大部分，从而以相对于电源增大率更大的程度增大这些部分，并修整其减小部分，使脉冲的减小部分相对于电源减小率更迅速地减小。
在这种情况中变化的陡度将修改成至少达到这样的程度，即所产生的周期性重复的充电电流的导数(differential quotient)在每个所述周期中有两次取值为零或接近于零，在此之后它改变其符号并有一个显著的和陡峭的跳跃。
为了确定最佳充电参数，最好是在实际充电之前检验给定的电池类型，并确定那些仍不会对电池造成损害的充电电压和电流极限值，在实际充电过程中使实际电流和电压保持在这些极限范围内。
根据本发明的解决方案通过简单的电路，只要根据具体电池类型的性质调节充电参数便能显著改善当前使用的各类电池的参数。
附图说明
现在将结合其最佳实施例描述本发明，其中将参考附图。在附图中：
图1显示本发明的基本电路的示意电路图；
图1a和1b是解释性简图；
图2a至2e显示图1的重要点处的时间图；
图3显示在增大电池电压的情况中电流脉冲的变化；
图4显示改变充电功率的举例方式；
图5显示为同样目的的又一种方式；
图6显示改变充电功率的另一种可能性；
图7显示相位分离功率控制的原理；
图8显示改变充电脉冲形状的一种方式；以及
图9显示改变充电脉冲形状的又一种方式。
具体实施方式
图1的电路显示一对二极管D1和D2与外线变压器Tr的次级绕组耦合，并且电容器C1和C2与二极管并联，该电容由高质量和高电容的电解质电容器(100至200μF)实现。该电路的输出端子1和2正常地与全波整流器Gr相连，该整流器被安排成如图1b中所示的Graetz(格里茨)电路，该电路有直流端子与要充电的电池B相连。对这一电路操作知识在理解本发明电路布局中具有必不可少的作用。图1a显示输出端1和2被短路的情况。在这种情况中一眼便能看出没有直流能流过变压器Tr的次级绕组，因为二极管D1和D2彼此相反连接，它们中的一个总是处于切断状态。从直流(DC)观点看，电容器代表一个开电路。由此而来的是，在这一基本电路中即使通过整流器Gr与输出端子1和2耦合的电池B发生偶然的短路，也不会对变压器Tr造成伤害，然后该变压器将被加载完全反作用的负载。
在实际使用时，图1的基本电路由图1b中所示整流器实现并带有电压为UB的电池B。在变压器Tr的次级绕组处，正弦交变电压的有效电压US可能会等于电压UB或者能稍高一些(大约高20％-30％)，所以交变电压峰值将至少高40％。如果检验初始状态，此时电路不储有能量，那么电容器C1和C2不储有电荷。如果在电压穿过零值时接通，则在开始时将没有电流流过，这一状态将保持到电压UO的瞬时值达到阈值UO＝UB+3UD为此，这里UD代表通常二极管的前向电压，在硅型二极管的情况中为6V。电流将流过整流器Gr的两个二极管，并穿过二极管D1和D2中的一个，这个二极管的向前方向等于电流的瞬时方向。让我们假定初始时这个二极管是二极管D2。
在满足上述条件后，交变电流将对电容器C1进行充电，并且它的充电电流对电池B充电。考虑到电容器C1的高电容以及电池B的电压为常数而且它有很低的内电阻这一事实，加之电容器C1两臂之间的电压差增大，电流将开始流动并陡速增大，而电容器C1将被充电。当交变电压达到其峰值时，在电容器C1上的电压将等于峰值和上述阈值之差。现在，电流开始减小，但不会停止流动，因为由于高电流效应使次级绕组的电感被加能到I2L值，这一能量进一步增大了电容器C1的电压。在交变电压降低过程中，将达到UO+UC1之和，在此时电流将停止，而电容器C1保持其电压。随后交变电压改变其符号，但由于全波整流的作用，流经电池B的电流将保持其充电方向，尽管在电路的交流(AC)一侧已发生了逆转。现在各种关系将更为复杂，因为电容器C2也将被充电，而且在计算阈值电压时还得考虑电压UC2。在少量周期之后，将达到平衡状态，两个电容器的电压将周其性地和陡速地改变，电流IB将在两个“半周期”中却突然增大，其后它的增速放缓并渐近地达到一个最大值，在此最大值之后它将突然下降，随后减速放缓并达到零值。当从下向上看时，增大部分是凸状的，而下降部分是凹状的，如在图2的时间图上看到的那样，这里图a、b、c、d和e分别显示U1-2、UC1、UC2、ICH和dI/dt之值。图2上显示的其电流导数形况很好地说明了电流的变化，电流导数是电荷运动的二阶导数。这一个导数在电流曲线的每个渐近部分的末端改变其符号，然后有一个突然跳跃。这种电流曲线形状在对电池充电中有突出的重要性，因为由增加部分代表的突然充电前锋后作更陡的下降部分。先前曾参考过这样的假设，即在电池电极处，只在离子运动的初始部分才能在最佳环境中发生化学反应，而这需要使用陡速变化和消失的充电电流。所示的简单电路保证电流变化会是那样陡峭，这时该变化的二阶导数(电流的一阶导数)周期性地取零值然后突然跳跃和改变符号。这一性质或许是带有本发明的最显著的优点，因为它为电池中发生的电化学过程创造了理想的环境。
在这里描述的过程中，电池充电电流的显著变化是次级绕组电感的存在以及电容器C1和C2的电容的效应之和。这一过程对电池的电压很敏感。开始时，电池电压仍很低，这时交变电压和电池电压的峰值之差很高，这一差值驱动大电流，它按平方函数把能量储存在次级绕组中，在此时刻之后这一能量推动该过程继续向前，而根据静态观点此时这一过程应该已经终止了。在充电过程中，电池电压增大，于是这一差值将变小，其结果是电流尽管仍保持其形状但将发生变化，其振幅逐渐减小。这由图3中的各图说明，它们显示了在总是较高电池电压的情况下彼此之下(below eachother)的电流形状。电流的流出角和电荷的传送量(它由曲线下方的面积确定)将随着电池电压的增高而陡速下降。这种现象很有利，因为部分或几乎全部充满的电池需要与充电过程开始时小得多的充电电流。然而，电流的时间曲线将在整个过程中保持其形状。
本发明对交变电压的频率不敏感，这是一个基本的实际优点，在得不到50或60Hz频率的外线电压，但其频率高得多(如汽车发电机的情况)的应用中，它仍能运转，而且变化的陡度仍将更高。在这种情况中，电容器和与其串联的绕阻的电感应根据较高的频率调整其大小。
又一个基本优点在于电路的简单性，因为在充电主电路中由于电流很高，任何对电流形状的其他传统调节方法都难于实现而且会要求使用大而昂贵的部件。
在根据本发明的基本电路情况中，有许多方式调节充电电流的形状和改变充电参数(诸如充电电压、充电电流)。下文中将显示几个例子。
图4中的电路与图1中的电路不同之处在于：在一个分支中使用了一个开关S，用于插入电容器C3和串联电感L1。通过闭合开关S，将达到更大的电流，其变化更陡峭。当闭合开关S时，充电电流和充电电压二者都将改变。
在图5的电路中，变压器Tr的次级绕组有多个引出点，其调节在于选择最合适的绕组尺寸。主要是在充电电流必须保持基本相同而且需要调节电压时，这一电路将是最佳的。
在图6的电路中，使用了多个独立的变压器或单个较大的变压器，该变压器有具有相同的电压和相位的多个次级绕组。所示三个次级绕组中每个各与一个桥路分支相连，该桥路分支有如图1描述的二极管和电容器。它们当中只有一个与整流器永久相连。当在适当的时刻硅可控整流器Th1至Th1点火时，其他两个类似的电路能连到负载上。整流器的一个桥路分支是普通的，其他桥路分支由受控的硅可控整流器本身构成。利用这种电路布局，能通过保持恒定充电电压来改变电流值。
又一种可能性示于图7，其中变压器Tr的初级绕组通过功率控制单元SK连接。这一单元最好是根据我(申请人)的匈牙利专利210725制做，该专利涉及开关和功率控制单元，该单元只从交变外线电压传送一部分，这一部分对应于一个流出角范围。在给定范围内，流出角连续地增大或减小，或者根据其设置，该流出角也能取常数值。流出角的变化改变充电能量的有效值。通过这一控制单元能得到很精细的调节。
通过上述插在整流器前面的调节，已创建了调节主要充电参数的多种方式。通过调节充电电流脉冲的形状，能对任何给定类型的电池调节其最适当的充电条件。现在将显示几个改变电流脉冲形状的例子。
图8显示一个安排成低通滤波器的LC滤波器，它连在整流器Gr的输出端和要充电的电池B之间，其能使陡峭部分变平和降低电流脉冲的下降部分的陡度。
图9显示的电路将有类似的但更明显的效应，它包含一个变压器和一个有高电容的电容器。
由本发明进行的长系列实验结果，已经证实，它将能应用于所有各类通常接受的可充电电池类型，即在镍—镉电池、用于汽车中的铅酸电池或锂和镍—金属混合物电池的情况中得到了有利的结果。其优点表现为更短的充电时间、增加了的循环寿命、在寿命时间内容量的稳定值(即随着循环次数的增加其容量有较轻微的降低)、记忆效应的消失、受热程度较轻微、以及对大量其他电池参数的有利改变。这些结果是显著的，因为在已知的较早的充电方法中对电池任何性质的改善只能以一个或多个其他性质为代价。在同时改善所有这些参数方面表现出的优点似乎证明了所概述的假设理论。
Claims (14)
1.用于电池脉冲式充电的电路布局，包含：
有一预定电感值和一对输出端子的交流电源；
一对桥路分支，每个包含并联的一个电容和一个半导体开关元件，所述分支连到各自的所述端子，使得两个分支中的所述半导体元件以相似电极连到相关的一个端子；以及
整流器，以其交流端子连到桥路分支的自由端，并以其直流端子连到被充电的电池。
2.如权利要求1中所述的电路布局，其中所述整流器是全波整流器。
3.如权利要求1中所述的电路布局，其中所述交流电源包含一个变压器并通过该变压器与桥路分支相连，其中所述电感主要由变压器的次级绕组构成。
4.如权利要求1中所述的电路布局，进一步包含LC元件构成滤波器电路。
5.如权利要求1中所述的电路布局，包含一个受控的功率控制器与交变电源串联并只允许交变电流每个全周期的部分范围通过，这一部分范围的大小当以角单位表示时是流出角，该电源控制器用于改变该流出角，从而使电池的充电功率处在预先确定的限度内。
6.如权利要求1中所述的电路布局，包含至少是又一个电容器，以及一个开关，从而使所述又一个电容器能与所述桥路分支之一中的电容器并联。
7.如权利要求6中所述的电路布局，其中在所述桥路分支中的电容器的电容值彼此之差最大为200％。
8.如权利要求3中所述的电路布局，其中所述变压器有一绕组带有多个引出点，可由一开关至少选择一个，以调节所述充电功率的性质。
9.如权利要求1中所述的电路布局，包含多对桥路分支，其大小基本上形成相同的电压，所述分支对可以并联以调节充电功率。
10.如权利要求1中所述的电路布局，其中所述半导体开关是二极管。
11.如权利要求1中所述的电路布局，其中所述交流电源有可调节的频率。
12.一种使用交流电源对电池进行脉冲式充电的方法，其特征在于如下步骤：通过增加电抗元件中存储的能量来修整充电脉冲的增大部分，从而以相对于所述电源增大率更大的程度增大这些部分，并修整其减小部分，使脉冲的减小部分相对于电源减小率更迅速地减小。
13.如权利要求12中所述的方法，其中所产生的周期性重复充电电流的导数在每个所述周期中有两次取值为零或接近于零值，在此之后它改变其符号并有一个显著的跳跃。
14.如权利要求12中所述的方法，包含如下步骤：在实际充电之前检验电池类型，并建立那些仍不会对电池造成损害的充电电压和电流极限值，在实际充电过程中使实际电流和电压保持在这些极限范围内。
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