CN1592997A - 蓄电池充电系统 - Google Patents

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CN1592997A
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迈克尔·谢凯
特－希恩·F·扬
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ZINE MATRIX POWER Inc
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Abstract

一种蓄电池充电系统，包括：电流源(20)；蓄电池(32)；电压和电流调节器(34)，用于调节施加给蓄电池(32)的电压和供给蓄电池(32)的电流。该蓄电池充电系统(10)对供给蓄电池的电流进行整形，使供给蓄电池的电流逐渐减少。电压和电流调节器(34)包括：可调节带隙参考电压二极管(28)；电位计(R2)；电阻(22)；晶体管(26)或可调节分路调节器；与可调节分路调节器一起工作的晶体管，或其它适合的电压和电流调节器装置。蓄电池充电系统(10)调节由恒定充电电流源供给蓄电池的电流。当蓄电池电压超过预定端电压时，蓄电池充电系统使通过晶体管的充电电流转向，从而把蓄电池箝位在端电压并对供给蓄电池的电流进行整形。

Description

蓄电池充电系统
技术领域
本发明一般涉及蓄电池充电系统，尤其涉及防止蓄电池过度充电的充电系统。
交叉引用
本发明涉及两个于2001年12月14日提交的、申请号待定的共同未决的申请，名称均为“蓄电池充电方法及系统(BatteryCharging Method and System)”，发明人为Michael Cheiky和Te-Chien Felix Yang，尽管不认为这两个申请是相对于本发明的现有技术，在此也将其作为参考。
背景技术
用于储存电能的可再充电蓄电池，以及用于在蓄电池耗尽后对其进行充电并使其恢复到带电状态的蓄电池充电器，已经是已知和常见的。通常，在蓄电池完全或部分耗尽后，通过将能量传送给蓄电池，改变蓄电池内的化学过程，通过将电压作用于蓄电池，使电流通过蓄电池，从而存储电荷，对蓄电池充电。常见的充电技术是将电压电源(其电压大于蓄电池的蓄电池电压)作用于待充电的蓄电池，并在蓄电池停止接受额外的电流时停止充电。这几乎总是对蓄电池造成有害影响，降低了性能和缩短蓄电池寿命。
蓄电池通常包括两个或多个原电池。由不同材料制成的两个电极彼此电绝缘，但放置在同一离子导电的电解液中。蓄电池的过度充电导致复杂的和不希望的副作用，尤其是当它们进行电解液的分解时。后者可导致气体产生，气体产生又导致蓄电池内阻抗增加。蓄电池内阻抗增加的蓄电池可迅速偏离最佳工作条件。此外，过度充电促进了枝状晶体的生长，枝状晶体的生长又造成了蓄电池短路。另一方面，目前对蓄电池的需求日益要求更大的能量密度，从而在任何充电方案中还应避免充电不足。
银基(silver-based)蓄电池通常具有高能量密度和高可靠性，高能量密度即高能量与重量和体积之比，这是一种以较高电耗输送能量的能力，这些特性使其成为用于下一代技术的卓越候选对象，并且满足电流日能量存储和传送要求。这样，就需要一种能将过度充电的有害影响降到最小的充电系统。
银基蓄电池充电的特征在于有两个平稳段，反映了银的两种活性氧化状态。当银转化为单价银氧化物(Ag2O)时第一平稳段出现，而第二平稳段反映了二价银(AgO)的形成。接近充电的末尾，通常在最大容量的约90％处，平稳段转变为陡升的曲线，且蓄电池开始过度充电。因此，需要一种能限制最大充电电压和充电电流的蓄电池充电系统。该电池充电系统应对该电池递减充电，以免过快地将太多的能量充入电池，从而防止对电池造成损坏。
随着更高级和更昂贵的蓄电池系统的出现，例如银基蓄电池和其它高阻抗蓄电池的出现，需要能防止对蓄电池过度充电和造成损坏的更先进的充电系统和方法。尤其对具有高能量密度并要求长期可靠性的银基蓄电池和其它高阻抗蓄电池来说，这种需要变得更为重要。这种蓄电池可用在航天器以及其它应用中，在很长时间内不需要替换或只需要最小限度的替换。这样，需要这样的设备和方法，其便于将这种蓄电池充电到最大容量，同时将有害影响降至最小或基本上没有害影响，并且使这种蓄电池的寿命达到最长。该充电系统应该是廉价的，易于制造和使用，小而轻的，耐用的，寿命长的，可靠的，并且能用在航天和防御应用中。
迄今为止，已有多种不同的蓄电池充电系统为公众所知。然而，这些蓄电池充电系统没有一种能满足上述需要。
已经披露了多种使用分路调节器的充电系统。
美国专利NO.5,821,733(Turnbull)和5,747,964(Turnbull)披露了可再充电蓄电池，以及用于多个串联式原电池的蓄电池充电系统，这种充电系统包括多个适于与每个原电池并联的分路调节器。在充电期间每个原电池的电压被监控。当某一原电池充足电时，多余的充电电流就被分流绕过该充足电的原电池，以使剩余原电池能继续充电。
Turnbull示出其分路调节器的不同实施例。在Turnbull的一个实施例中，Turnbull仅示出分别与原电池并联的分路调节器。在另一实施例中，Turnbull使用分路调节器和场效应晶体管，场效应晶体管的漏极端子和源极端子并联跨接每个原电池。每个分路调节器都受电压传感电路的控制，该电压自动检测电路包括微分放大器，该微分放大器检测原电池的实际电池电压并将其与在充电电路中的其它地方的参考电压进行比较。在又一实施例中，Turnbull使用多个绝缘开关将原电池与充电电路断开，以防止蓄电池充电器未被使用时蓄电池电路使原电池放电。
美国专利No.5,982,144(Johnson等人)披露了一种可再充电电源过度充电保护电路，该电路带有并联电路，当一系列原电池中的一个电池或原电池充电到最大充电容量时，使电流分流绕过该电池或原电池。该并联电路包括跨接每个原电池的分路调节器。
美国专利No.6,025,696(Lenhart等人)披露了一种原电池旁路模块，该模块带有一个用于检测原电池的工作条件(例如电压或温度等)的传感器和一个跨接锂离子电池的原电池的控制器，该控制器可以被操作以转换到导通模式，从而使电流分流绕过原电池。该控制器包括限压运算放大器和晶体管。当限压运算放大器的输入超过预定值时，该限压运算放大器发送电压过量输出信号，该晶体管具有一允许旁路电流通过的预定门电压，能响应限压运算放大器的电压过量输出信号，以使电流分流绕过原电池。
美国专利No.4,719,401(Altmejd)披露了齐纳二极管，其中每个齐纳二极管都并联跨接一系列串联原电池的每个原电池。
已经披露了不同的使用平稳段和拐点的充电系统和方法。
美国专利No.5,642,031(Brotto)披露了一种带有充电状态检测的蓄电池再充电系统，该蓄电池再充电系统最初检测待充电的蓄电池是否已经达到完全充电或接近完全充电，以防止过度充电。首先，通过施加电流脉冲，然后观察该电流脉冲造成的电压衰减特征，对蓄电池进行充电状态测试，结果是最初接近完全充电的蓄电池呈现比未完全充电的蓄电池更大的电压衰减。这种最初的充电状态测试的结果用于确定如何最佳地结束对蓄电池充电。
美国专利No.4,392,101(Saar等人)和美国专利No.4,388,582(Saar等人)披露了一种通过分析蓄电池的特性随时间改变的曲线从而将蓄电池快速充电的方法和装置，该曲线表明对蓄电池充电时所储存的化学能的改变。该方法包括分析特定系列事件发生的曲线，该曲线优选包括一个或多个拐点，这些拐点用于识别快速充电率的应用应该停止的时间点。附加的分析方法提供了基于诸如时间、电压、或电压斜率的限制值等其它事件的发生或存储的能量等级的负变化的发生来终止或控制充电电流。优选通过测量连续的特征值、计算斜率并比较连续的斜率值以便鉴别特征变化中的转折点和其它重要事件来分析随时间变化的特征。用于执行这些方法的装置包括电源和用于分析曲线并控制电源的微型计算机。
Saar和Brotto示出一条电压-时间曲线，该电压-时间曲线可分成至少四个不同区域。区域I表示在蓄电池最初连接到充电器和充电开始之后的充电序列(charging sequence)的开始。在充电序列通过区域I后，充电曲线将进入更稳定的区域II。区域II通常是充电序列的最长区域，其特征是在蓄电池自身内的大部分的内部化学转换。由于这一原因，在区域II中蓄电池电压基本上不会增加，从而此区域表示充电曲线中的平稳段区域。区域II的末端是曲线中的拐点，表示从区域II到区域III的转变，其特征是在该拐点处曲线的斜率从渐减的速率转变为渐增的速率。区域III是蓄电池电压开始随时间迅速增加的区域，因此表示电压迅速增加的区域。当蓄电池电压通过区域III增加到其完全充电状态时，蓄电池的内部压力和温度也增加。当蓄电池内的温度和压力的影响开始占优势(take over)时，蓄电池电压的增加开始逐渐停止。这种逐渐停止的效果表示为另一拐点，其特征是电压导数曲线dV/dt的急剧下降。区域IV表示在该后面的拐点之后且包括充电结束标志的完全充电区域。充电电压在充电终止标志处只稳定很短时间。因此，如果继续充电，则蓄电池内的另外加热将造成蓄电池电压减少，此外可造成对蓄电池的损坏。
美国专利No.6,215,312(Hoenig等人)披露了一种用于分析银锌(AgZn)蓄电池的方法和装置，这样的方法和装置用于诊断具有对应于蓄电池充电状态的高和低电压稳定状态的蓄电池的状态。
已经披露了其它的快速充电装置和方法，其中的一些是麻烦和复杂的。
美国专利No.5,307,000(Podrazhansky等人)披露了一种使用一系列充电和放电脉冲的方法和装置。优选地，该放电脉冲的幅度与充电脉冲的幅度近似相等，但是放电脉冲的持续时间比充电脉冲的持续时间短得多。放电脉冲造成一个负向尖峰信号，该负向尖峰信号被测量出来并促使充电停止。
美国专利No.6,097,172(Podrazhansky等人)披露了一种以这样的技术对电池充电的装置和方法，在该技术中充电脉冲后面接着是放电脉冲，然后是第一休眠期和其它放电脉冲，以及后面接着是第二休眠期的其它放电脉冲。所选择的第二休眠期及时延长，以便建立蓄电池平衡，并且使蓄电池的开路电压稳定下来并反映蓄电池的过度充电状态。通过将在不同的被延长的第二休眠期期间测得的开路电压进行比较，检测到电压小幅减少，并将其用于确定过度充电状态，例如当气体产生并影响开路电压时。一旦检测到过度充电，就停止对蓄电池充电。美国专利No.6,232,750(Podrazhansky等人)还披露了另一种蓄电池充电器，其能使用双极波形对蓄电池快速充电。
美国专利No.5,204,611(Nor等人)和美国专利No.5,396,163(Nor等人)披露了一些电路，其中受控电流以基本上不超过蓄电池或原电池接收电流的能力的速度对可再充电蓄电池和原电池快速充电。在中断充电电流的间隔期间检测蓄电池或原电池的无阻抗端子电压，并将其与独立的参考电压比较，以便当参考电压和所检测的无阻抗端子电压之间存在差异时控制充电电流。
已经披露了将时间用作充电中的因素的不同充电系统和方法。
美国专利No.6,137,268(Mitchell等人)披露了一种蓄电池充电系统，在该系统中求出电流在长时间段(秒)内的平均数，以确定最大平均充电速率。当充电电流在此长时间段上的积分达到一个周期设定的最大充电值时，在该固定的长时间段的剩余部分仅将电流切断。
美国专利No.6,215,291(Mercer)披露了一种具有带隙参考电路的控制电路，这种控制电路通过最大限度地延长高恒定充电电流作用于已放电的蓄电池的持续时间，使蓄电池充电系统的充电周期时间缩小到最短。
已经披露了仍不能满足上述需要的其它充电装置、蓄电池、及方法。
美国专利No.5,166,596(Goedken)披露了一种带有幅度可变的充电电流源的蓄电池充电器。美国专利No.6,222,343(Crisp等人)披露了一种能对不同类型的蓄电池充电的蓄电池充电器、一种用于对蓄电池充电的方法、以及一种用于操作蓄电池充电器的软件程序。
以下专利中的每一件都公开了不满足上述要求的其它设备、蓄电池和方法，包括：美国专利No.5,387,857(Honda等人)；美国专利No.5,438,250(Retzlaff)；美国专利No.6,215,291(Ostergaard等人)；美国专利No.6,037,751(Klang)；美国专利No.5,089,765(Yamaguchi)；美国专利No.4,113,921(Goldstein等人)；美国专利No.5,049,803(Palanisamy)；美国专利No.5,160,880 No.6,124,700(Nagai等人)；美国专利No.4,745,349(Palanisamy)；美国专利No.5,721,688(Bramwell)；美国专利No.6,252,373(Stefansson)；美国专利No.5,270,635(Hoffman等人)；美国专利No.6,104,167(Bertness等人)；美国专利No.3,708,738(Crawford等人)；英国专利No.GB2178608A(Yu Zhiwei)和892,954(Wolff)；国际专利WO 00/14848(Simmonds)和WO 01/47086(Gabehart等人)；法国专利No.FR2683093-A1(Michelle等人)；和欧洲专利申请No.EP1076397A1(Klang)。
由于上述原因，需要一种将过度充电的有害影响减到最小的充电系统。该充电系统应该能够限制施加给蓄电池的最大充电电压和充电电流，并应对蓄电池递减充电，以免过快地将过多能量充入蓄电池，从而防止对蓄电池造成损坏。随着诸如银基蓄电池和其它高阻抗蓄电池这样的更高级和更昂贵的蓄电池系统的出现，出现对能防止对蓄电池过度充电和造成损坏的更先进的充电系统和方法的需求。这种需要对具有高能量密度和要求长期可靠性的银基蓄电池和其它高阻抗蓄电池尤为重要。这种蓄电池可以用在航天器和其它应用中，在很长时间内不需要替换或只需要最小限度的替换。这样，需要这样的设备和方法，其易于将这种蓄电池充电到其最大容量，同时具有最小有害影响或基本上不具有有害影响，且使这样的蓄电池的寿命最大化。该充电系统应该是廉价的，易于制造和使用的，小而轻的，耐用的，持久的，可靠的，并且能用在航天和防御应用中。
发明内容
本发明目的在于提供一种能够将过度充电的有害影响降到最小的蓄电池充电系统。该充电系统限制了施加给蓄电池的最大充电电压和充电电流，并对蓄电池递减充电，以免过快地将过多能量充入蓄电池，从而防止对蓄电池造成损坏。随着诸如银基蓄电池和其它高阻抗蓄电池这样的更高级和更昂贵的蓄电池系统的出现，出现对能防止对蓄电池过度充电和造成损坏的更先进的充电系统和方法的需要。这种需要对具有高能量密度和要求长期可靠性的银基蓄电池和其它高阻抗蓄电池尤为重要。这种蓄电池可以用在航天器和其它应用中，在很长时间内不需要替换或只需要最小限度的替换。这样，需要这样的设备和方法，其易于将这样的蓄电池充电到其最大容量，同时具有最小有害影响或基本上不具有有害影响，且使这样的蓄电池的寿命最大化。本发明的该充电系统限制了施加给蓄电池的最大充电电压和充电电流，并对蓄电池递减充电，而且是廉价的，易于制造和使用的，小而轻的，耐用的，持久的，可靠的，并且能用在航天和防御应用中，且满足上述需要。
具有本发明特征的蓄电池充电系统包括：电流源；蓄电池；电压和电流调节器，用于调节施加给蓄电池的电压和供给蓄电池的电流。该蓄电池充电系统用于对供给蓄电池的电流进行整形(shape)，可逐渐减少供给蓄电池的电流。该电压和电流调节器可包括：可调节带隙参考电压二极管、电位计、电阻器、以及结合可调节分路调节器工作的晶体管、或其它适合的电压和电流调节器装置。蓄电池充电系统调节由恒定充电电流源供给蓄电池的电流。当蓄电池电压超过预定端电压时，蓄电池充电系统使通过晶体管的充电电流转向，从而把蓄电池箝位在端电压并对供给蓄电池的电流进行整形。
附图说明
参看以下描述、所附权利要求、以及附图，本发明的这些和其它特点、方面、和优点将变得更易理解，其中在附图中：
图1是根据本发明构造的蓄电池充电系统的示意图；
图2是图1所示蓄电池充电系统的框图；
图3是图1所示蓄电池充电系统的更详细的框图；
图4是根据本发明构造的蓄电池充电系统的可选实施例的示意图；
图5是可选择地与图1和图4的蓄电池充电系统一起使用的定时电路的示意图；
图6是根据本发明构造的蓄电池充电系统的可选实施例的示意图；
图7是根据本发明构造的蓄电池充电系统的可选实施例的框图；
图8是根据本发明构造的蓄电池充电系统的可选实施例的示意图；以及
图9是根据本发明构造的蓄电池充电系统的可选实施例的示意图。
具体实施方式
以下将参看附图的图1至图9描述本发明的优选实施例。在各个附图中，相同的元件标以相同的参考标号。
图1示出本发明的实施例的电路图，蓄电池充电系统10具有电流源Ic(20)、电阻器R1(22)、电位计R2(24)、晶体管Q1(26)、可调节带隙参考电压二极管U1(28)、开关S1(30)、以及蓄电池B1(32)。该蓄电池充电系统10尤其针对银基充电蓄电池和其它高阻抗蓄电池，但是也可与其它适合的蓄电池一起使用。
电流源Ic(20)将电流供给具有电压调节器装置(35)和电流调节器装置(36)的电压和电流调节器(34)，电压和电流调节器(34)包括电阻器R1(22)、电位计R2(24)、晶体管Q1(26)、和可调节带隙参考电压二极管U1(28)。当开关S1(30)闭合构成回路时，电压和电流调节器(34)就调节供给蓄电池B1(32)的蓄电池电压VB1(37)和蓄电池电流IB1(38)。电压和电流调节器(34)也在图2和图3中示出。
电压调节器装置(35)用于调节施加给蓄电池B1(32)的蓄电池电压VB1(37)，包括电阻器R1(22)、电位计R2(24)、和可调节带隙参考电压二极管U1(28)，且也可是分路调节器，优选为可调节分路调节器或任何适合的电压调节器。电流调节器装置(36)用于调节供给蓄电池B1(32)的蓄电池电流IB1(38)，包括电阻器R1(22)、晶体管Q1(26)、和可调节带隙参考电压二极管U1(28)，但也可是任何适合的电流调节器。电流调节器装置(36)允许对蓄电池B1(32)进行递减充电，即逐渐减少供给蓄电池B1(32)的蓄电池电流IB1(38)，电流调节器装置(36)可用于影响供给蓄电池B1(32)的蓄电池电流IB1(38)。在蓄电池充电系统10的本实施例中执行不止一个功能且彼此联合操作的组件有助于降低成本和简化电路，但是也可使用其它适合的电压和电流调节器电路。在蓄电池充电系统10的本实施例中电压调节器装置(35)和电流调节器装置(36)彼此联合操作；然而，也可使用其它适合的实施例。
在充电开始时，当蓄电池B1(32)基本上放电完毕时，蓄电池B1(32)的阻抗在蓄电池充电系统10中基本上是最低的，且源电流Ic1(40)几乎完全流过蓄电池B1(32)。在此情形下，满足以下条件：IR2，IR1，IU1，IQ1＜＜IB1≈Ic1，这里，IR2(42)是通过电位计R2(24)的电流；IR1(44)是通过电阻器R1(22)的电流；IU1(46)是通过可调节带隙参考电压二极管U1(28)的电流；IQ1(48)是通过晶体管Q1(26)的电流。
充电开始时，通过晶体管Q1(26)的电流IQ1(48)的典型值在10微安到100微安的范围内，而对于典型的银基蓄电池，源电流Ic1(40)和蓄电池电流IB1(38)的典型值在150毫安到2安的范围内，在充电期间，根据正在充电的蓄电池类型，其它值也是可能的。
当蓄电池B1(32)正在充电时，蓄电池电压VB1(37)增加，且蓄电池B1(32)的阻抗增加。更多的电流IR1(44)开始流过电阻器R1(22)和可调节带隙参考电压二极管U1(28)，促使晶体管Q1(26)接通并增加通过晶体管Q1(26)的电流IQ1(48)，使蓄电池B 1(32)的蓄电池电流IB1(38)分流，并当电池B1(32)基本上接近最大完全充电条件时，减少蓄电池电流IB1(38)。本发明的充电系统10限制了施加给蓄电池B1(32)的最大充电电压和充电电流，并对蓄电池B1(32)进行递减充电。
在蓄电池B1(32)最后充电期间轻微调节蓄电池电压VB1(37)，从而逐渐减少对蓄电池B1(32)的充电。通过用电位计R2(24)调节可调节带隙参考电压二极管U1(28)的参考电压VU1(54)，在晶体管Q1(26)的基极52的接通电压VQ1(50)是可调节的，这提供了对调节和充电的控制。
因此，蓄电池充电系统10调节由电流源Ic(20)(其是恒定充电电流源)供给蓄电池B1(32)的蓄电池电流IB1(38)。当蓄电池电压VB1(37)超过预定端电压时，蓄电池充电系统10使来自蓄电池B1(32)的蓄电池电流IB1(38)通过晶体管Q1(26)转向，从而把蓄电池电压VB1(37)箝位在端电压，并对供给蓄电池B1(32)的电流进行整形(shape)。
如图1所示的蓄电池充电系统10包括：电流源Ic(20)；蓄电池B1(32)；与电阻器R1(22)串联的可调节带隙参考电压二极管U1(28)，串联电阻器R1(22)和可调节带隙参考电压二极管U1(28)跨接电流源Ic(20)和蓄电池B1(32)，可调节带隙参考电压二极管U1(28)具有参考输入端55；电位计R2(24)，其可以是分压器，跨接电流源Ic(20)和蓄电池B1(32)，电位计R2(24)的输出端56连接到可调节带隙参考电压二极管U1(28)的参考输入端55，并在可调节带隙参考电压二极管U1(28)的参考输入端55提供参考电压VU1(54)；以及晶体管Q1(26)，其发射极58和集电极62跨接电流源Ic(20)；蓄电池B1(32)，晶体管Q1(26)的基极52连接到串联电阻器R1(22)和可调节带隙参考电压二极管U1(28)之间的连接点64，可调节带隙参考电压二极管U1(28)、电阻器R1(22)、和晶体管Q1(26)彼此联合操作以调节施加给蓄电池B1(32)的电压和供给蓄电池B1(32)的电流。开关S1(30)与电流源Ic(20)串联，且可通过接通和切断电流源Ic(20)用来控制供给蓄电池B1(32)的电流。虽然已经对图1所示的本发明的蓄电池充电系统10的电路进行了相当详细的描述，如果有其它的变化，则也可使用这些变化。
电阻器R1(22)两端的电压降VR1(57)应当足够大，以防止通过可调节带隙参考电压二极管U1(28)的电流IU1(46)过大，但是通过电阻器R1(22)的电流IR1(44)应当大得足以驱动晶体管Q1(26)。通常，电阻器R1(22)的阻值在0.7K(Ω)到1.2K(Ω)的范围内，优选为1K(Ω)，但也可是另一适合的值，这取决于正在充电的蓄电池类型。晶体管Q1(26)可以是能承受源电流Ic1(40)的任何适合的p-n-p晶体管，例如Zetex ZTX751，或其它适合的晶体管。可调节带隙参考电压二极管U1(28)应当具有足够宽的电压范围，以涵盖通过蓄电池B1(32)获得的电压VB1(37)。通常，对于银锌蓄电池而言，例如，蓄电池B1(32)的相关电压在1.6V到2.1V的范围内，但是不同类型的蓄电池可具有其它值。诸如松下半导体(National Semiconductor)LM3856Z或ZetexZR431LC01这样的元件或其它适合的可调节带隙参考电压二极管也可用作可调节带隙参考电压二极管U1(28)。电位计R2(24)用于调节可调节带进参考电压二极管U1(28)的工作值，应当在100K(Ω)到300K(Ω)的范围内，但是也可取其它值，这取决于正在充电的蓄电池B1(32)的类型。分压器或串联电阻器可交替用作电位计R2(24)。开关S1(30)可以是任何适合的开关，可以是机械的开关、晶体管或微控制器控制的开关、或其它适合的开关。
本发明的蓄电池充电系统10的非显而易见之处在于银基蓄电池的终端电压。可调节带隙参考电压二极管U1(28)的最小参考电压VU1(54)通常在1.24伏的范围内。发生在电阻器R1(22)两端的电压降VR1(57)和可调节带隙参考电压二极管U1(28)的最小参考电压VU1(54)将蓄电池充电系统10的最小切断电压设置在1.2伏到1.4伏的范围内。幸运地，这个切断电压低于充电的银锌蓄电池或银镉蓄电池的第一平稳段，其对于银锌蓄电池为1.6伏，对于银镉蓄电池为1.25伏。这种条件可能不适用于某些其它蓄电池，例如镍金属氢化物，其中开路完全充电电压为1.2伏。
当蓄电池B1(32)接近完全充电时，蓄电池充电系统10调节，对供给蓄电池B1(32)的电流进行整形，使蓄电池B1(32)的电流分流。该蓄电池充电系统10尤其用于具有大的内阻抗(大于100毫欧)和多个平稳段的蓄电池，但是也可用于其它类型的蓄电池。银基蓄电池，例如银锌、银镉、和银镍金属氢化物蓄电池具有量级在100到200毫欧的较大内阻抗。本实施例的蓄电池充电系统10通过使用可调节带隙参考电压二极管U1(28)和与蓄电池B1(32)并联的晶体管以适当的预定电压来调节、整形、并分流电流。
图4示出蓄电池充电系统100的可选实施例，其中除了蓄电池充电系统100具有运算放大器120之外，该可选实施例与蓄电池充电系统100基本相同，运算放大器120用于放大电压VR11(122)，并提供用于辅助装置的放大缓冲输出124。该放大缓冲输出124可用于供给辅助装置，例如微控制器或指示装置，例如发光二极管(LED)、或其它适合的装置。这样的辅助装置可结合其它控制功能和/或方法进行设计，并指示切断电压。运算放大器120可以是松下半导体LM2902或其它适合的运算放大器。
放大的缓冲输出124，以下用Vsense表示，简单表示为：
Vsense＝R3/R4*VR11
电阻器应满足以下关系
R3/R4＝R5/R6，这里R3、R4、R5、R6分别是电阻器R3、R4、R5、R6的值。
为了使电流正确流入运算放大器120，R4和R6应优选具有高于10K(Ω)的值，尽管其它值也是可能的。所有电阻器应优选具有好于1％的公差，尽管也可使用更好的公差，这取决于蓄电池充电系统100的要求、正在充电的蓄电池类型、微控制器、和程序要求。
图5示出定时电路200，通过接通和切断电流源的电流，作为开关分别控制供给蓄电池充电系统10的蓄电池B1(32)的电流或蓄电池充电系统100的蓄电池B11(126)的电流，该定时电路200可选择地与蓄电池充电系统10或蓄电池充电系统100一起使用。该定时电路200可用于分别代替蓄电池充电系统10的开关S1(30)或蓄电池充电系统100的开关S11(128)，或在另一适合的位置分别控制供给蓄电池充电系统10的蓄电池B1(32)的电流或蓄电池充电系统100的蓄电池B11(126)的电流。该定时电路200可选地为定时继电器、微控制器定时器、或其它适合的定时器。具有高于1MHz的时钟速度的微控制器是优选的，但也可使用具有其它时钟速度的微控制器。可使用的典型的定时元件微控制器为以4MHz工作的微芯片(Microchip)PIC16C505或其它适合的微控制器。
图6示出蓄电池充电系统300的可选实施例，其中可通过连接多个蓄电池电压和电流调节器(312)(其基本上与蓄电池充电系统100的电压和电流调节器(34)相同)，用通过开关S10(316)的单个电流源IC10(314)驱动蓄电池电压和电流调节器(312)，对多个蓄电池B20(310)充电。每个蓄电池电压和电流调节器(312)都调节施加给所述各个蓄电池B20(310)的电压和供给所述各个蓄电池B20(310)的电流。每个蓄电池电压和电流调节器(312)都跨接相应的与电流源IC10(314)和开关S10(316)串联的同时也相互串联的各个蓄电池B20(310)，每个蓄电池电压和电流调节器(312)也都是串联的。
因此，蓄电池B20(310)的每个都分别串联独立地进行充电，而不必使用多个电流源。蓄电池组通常为串联蓄电池。因此，蓄电池组中的所有蓄电池可分别独立地串联被充电到其各自的切断电压，从而确保了蓄电池组的平衡。
图7示出蓄电池充电系统400的可选实施例，除了蓄电池充电系统400具有多个程序控制的电压和电流调节器412以及受微控制器416控制的定时器控制开关414之外，该可选实施例与蓄电池充电系统300大致相同。定时器控制开关414与电流源IC30(418)和多个蓄电池B30(420)串联，多个蓄电池B30(420)也与定时器控制开关414和电流源IC30(418)串联。多个程序控制的电压和电流调节器412的每一个都串联跨接相应的各个蓄电池B30(420)，且每个电压和电流调节器412调节施加给相应的蓄电池B30(420)的每一个的电压和供给相应的蓄电池B30(420)的每一个的电流。程序控制的电压和电流调节器412的每一个都分别独立地受程序控制以接受多个充电方法和流程。
因此，蓄电池B30(414)的每个都分别串联独立进行充电，而不必使用多个电流源。因此，蓄电池组中的所有蓄电池可分别独立地串联充电到其各自的切断电压，从而确保了蓄电池组的平衡。
通过在串联时分别使用电压和电流调节器312和程序控制的电压和电流调节器412，而不将蓄电池B20(310)和蓄电池420分别从蓄电池充电系统300和蓄电池充电系统400断开，图6的蓄电池充电系统300的可选实施例的蓄电池充电系统300和图7的蓄电池充电系统400的可选实施例的蓄电池充电系统400能够以适当的电压调节、整形和分流电流。
图8示出蓄电池充电系统500的可选实施例，除了通过使用提供二级切断系统的光隔离器(optoisolator)U50(510)，蓄电池充电系统500可选地具有两个终端电压之外，该可选实施例与蓄电池充电系统100大致相同。微控制器控制的控制1电压(512)可被设定为例如0或电压Vcc(514)。由控制1电压(512)和电压Vcc(514)之间的电压差产生的电流流过限制电阻器R4(516)，启动光隔离器U50(510)，使电位计电阻器R3(520)与电位计电阻器R2(523)的上部522并联。电位计电阻器R3(520)的阻抗大于电位计电阻器R2(523)的上部522的阻抗。连接到可调节带隙参考电压二极管U1(524)的有效阻抗减少，从而提供一偏差给可调节带隙参考电压二极管U1(524)的齐纳参考电压VREF(526)。因此，根据控制1电压(512)的值，两个切断电压可用在蓄电池充电系统500中。该切断电压可由程序控制作为时间的函数而改变或可被改变，作为其它指令的结果，可具有固定值，或可人工改变，这取决于蓄电池充电系统500的需要。
举例来说，设定两个切断电压的过程可如下实现：接通开关S1(528)，使得电流在蓄电池充电系统500中无蓄电池B1(530)时流动；然后将控制1电压(512)设置为例如电压Vcc(514)；然后调整电位计R2(523)，以获得高的切断电压，其中该电位计R2(523)跨接蓄电池B1(530)；然后将控制1电压(512)设置为例如接地，然后调整电位计电阻R3(520)，以获得低的切断电压，其中该电位计电阻R3(520)跨接蓄电池B1(530)。
限制电阻器R4(516)的值应满足使得足够的电流启动光隔离器U50(510)，但不损坏光隔离器U50(510)。限制电阻器R4(516)的典型阻抗值在约500欧姆到1500欧姆的范围内，尽管也可使用其它的适合值，这取决于所使用的组件以及对蓄电池充电系统500的要求。电位计电阻R3(520)的值由理想的电压偏移控制，但是对于所考虑的蓄电池系统，电位计电阻R3(520)的值通常为电位计电阻R2(523)的值的10倍到30倍，但是也可根据蓄电池充电系统500中待充电的蓄电池的类型使用其它比率。电位计电阻R2(523)和电位计电阻R3(520)的典型值分别为100K(Ω)和2M(Ω)，尽管也可根据蓄电池充电系统500中待充电的蓄电池类型使用其它值。
图9示出蓄电池充电系统600的可选实施例，除了通过另外增加光隔离器U60(610)，蓄电池充电系统600可选地具有多个终端电压外，该可选实施例与蓄电池充电系统10大致相同。切断电压的数目比蓄电池充电系统600中使用的光隔离器U60(610)的数目多一个。图9示出作为三级切断系统的蓄电池充电系统600。设定蓄电池充电系统600的切断电压的步骤与设定蓄电池充电系统500的切断电压的步骤大致相似。
虽然参看本发明的某些优选实施例对本发明进行了详细的描述，但是其它实施方式也是可以的。因此，所附的权利要求书的精神和范围不应限于对本文中所包含的优选实施例的文字描述。

Claims (42)

1.一种蓄电池充电系统，包括：
电流源；
蓄电池；以及
电压和电流调节器，用于调节施加给所述蓄电池的电压和供给所述蓄电池的电流。
2.根据权利要求1所述的蓄电池充电系统，其中所述电压和电流调节器对供给所述蓄电池的所述电流进行整形。
3.根据权利要求1所述的蓄电池充电系统，其中所述电压和电流调节器使供给所述蓄电池的所述电流逐渐减少。
4.根据权利要求1所述的蓄电池充电系统，其中所述电压和电流调节器包括：可调节带隙参考电压二极管、分压器电位计、电阻器、和晶体管；
所述可调节带隙参考电压二极管与所述电阻器串联，所述串联的电阻器和所述可调节带隙参考电压二极管跨接所述电流源和所述蓄电池，所述可调节带隙参考电压二极管具有参考输入端；
所述分压器电位计跨接所述电流源和所述蓄电池，所述分压器电位计的输出端连接到所述可调节带隙参考电压二极管的所述参考输入端，并在所述参考输入端向所述带隙参考电压二极管提供参考输入电压；
所述晶体管的发射极和集电极跨接所述电流源和所述蓄电池，所述晶体管的基极连接到所述串联的电阻器和所述带隙参考电压二极管之间的连接点，所述带隙参考电压二极管、所述串联电阻器、和所述晶体管彼此联合工作，以调节施加给所述蓄电池的电压和供给所述蓄电池的电流。
5.根据权利要求1所述的蓄电池充电系统，其中所述电压和电流调节器包括：可调节分路调节器以及与所述可调节分路调节器联合工作的晶体管。
6.根据权利要求1所述的蓄电池充电系统，其中所述电压和电流调节器包括：分路调节器以及与所述分路调节器联合工作的晶体管。
7.一种蓄电池充电系统，包括：
电流源；
蓄电池；
电压调节器装置，用于调节施加给所述蓄电池的电压；
以及
电流调节器装置，用于调节供给所述蓄电池的电流。
8.根据权利要求7所述的蓄电池充电系统，其中所述电流调节器装置用于对供给所述蓄电池的所述电流进行整形。
9.根据权利要求7所述的蓄电池充电系统，其中所述电流调节器装置使供给所述蓄电池的所述电流逐渐减少。
10.根据权利要求7所述的蓄电池充电系统，其中所述电压调节器装置包括：可调节带隙参考电压二极管、电位计、和电阻器；
所述可调节带隙参考电压二极管与所述电阻器串联，所述串联的电阻器和所述可调节带隙参考电压二极管跨接所述电流源和所述蓄电池，所述可调节带隙参考电压二极管具有参考输入端；
所述分压器电位计跨接所述电流源和所述蓄电池，所述分压器电位计的输出端连接到所述可调节带隙参考电压二极管的所述参考输入端，并在所述参考输入端向所述带隙参考电压二极管提供参考输入电压。
11.根据权利要求10所述的蓄电池充电系统，其中所述电流调节器装置包括：与所述可调节带隙参考电压二极管以及所述电阻器联合工作的晶体管；
所述晶体管的发射极和集电极跨接所述电流源和所述蓄电池，所述晶体管的基极连接到所述串联的电阻器和所述带隙参考电压二极管之间的连接点，所述带隙参考电压二极管、所述串联电阻器、和所述晶体管彼此联合工作，以调节施加给所述蓄电池的电压和供给所述蓄电池的电流。
12.根据权利要求7所述的蓄电池充电系统，其中所述电压调节器装置包括可调节分路调节器。
13.根据权利要求12所述的蓄电池充电系统，其中所述电流调节器装置包括与所述可调节分路调节器联合工作的晶体管。
14.根据权利要求7所述的蓄电池充电系统，其中所述电压调节器装置包括分路调节器。
15.根据权利要求14所述的蓄电池充电系统，其中所述电流调节器装置包括与所述分路调节器联合工作的晶体管。
16.一种蓄电池充电系统，包括：
电流源；
蓄电池；
可调节分路调节器，用于调节施加给所述蓄电池的电压；
以及
晶体管，其与所述可调节分路调节器联合工作，用于调节供给所述蓄电池的电流。
17.根据权利要求16所述的蓄电池充电系统，其中与所述可调节分路调节器联合工作的所述晶体管用于对供给所述蓄电池的所述电流进行整形。
18.根据权利要求16所述的蓄电池充电系统，其中与所述可调节分路调节器联合工作的所述晶体管使供给所述蓄电池的所述电流逐渐减少。
19一种蓄电池充电系统，包括：
电流源；
蓄电池；
可调节带隙参考电压二极管、分压计、及电阻器；以及晶体管，其与所述可调节带隙参考电压二极管和所述电阻器联合工作，用于调节施加给所述蓄电池的电压和供给所述蓄电池的电流。
20根据权利要求19所述的蓄电池充电系统，其中与所述可调节带隙参考电压二极管和所述电阻器联合工作的所述晶体管用于对供给所述蓄电池的所述电流进行整形。
21根据权利要求19所述的蓄电池充电系统，其中与所述可调节带隙参考电压二极管和所述电阻器联合工作的所述晶体管使供给所述蓄电池的所述电流逐渐减少。
22.一种蓄电池充电系统，包括：
电流源；
蓄电池；
电压和电流调节器，用于调节施加给所述蓄电池的电压和供给所述蓄电池的电流，以及
运算放大器，用于放大切断电压并提供用于辅助装置的输出。
23根据权利要求22所述的蓄电池充电系统，其中所述蓄电池充电系统还具有通过接通或切断所述电流源来控制供给所述蓄电池的电流的开关。
24.根据权利要求23所述的蓄电池充电系统，其中所述开关由定时器控制。
25.根据权利要求24所述的蓄电池充电系统，其中所述定时器控制开关是微控制器。
26.一种蓄电池充电系统，包括：
电流源；
蓄电池；
可调节带隙参考电压二极管，其与电阻器串联，所述串联的电阻器和所述可调节带隙参考电压二极管跨接所述电流源和所述蓄电池，所述可调节带隙参考电压二极管具有参考输入端；
分压器电位计，跨接所述电流源和所述蓄电池，所述分压器电位计的输出端连接到所述可调节带隙参考电压二极管的所述参考输入端，在所述参考输入端向所述带隙参考电压二极管提供参考输入电压；以及
晶体管，所述晶体管的发射极和集电极跨接所述电流源和所述蓄电池，所述晶体管的基极连接到所述串联的电阻器和所述带隙参考电压二极管之间的连接点，所述带隙参考电压二极管、所述串联电阻器、和所述晶体管彼此联合操作，以调节施加给所述蓄电池的电压和供给所述蓄电池的电流。
27.根据权利要求26所述的蓄电池充电系统，其中所述蓄电池充电系统还具有与所述电流源串联的开关，以通过接通或切断所述电流源来控制供给所述蓄电池的电流。
28.根据权利要求27所述的蓄电池充电系统，其中所述开关由定时器控制。
29.根据权利要求28所述的蓄电池充电系统，其中所述定时器控制开关是微控制器。
30.根据权利要求26所述的蓄电池充电系统，其中所述蓄电池充电系统还具有用于将在所述参考输入端向所述带隙参考电压二极管提供至少一个附加参考输入电压的装置。
31.根据权利要求26所述的蓄电池充电系统，其中所述蓄电池充电系统还具有至少一个光隔离器，每个所述光隔离器都具有至少一个输入电压，所述输入电压用于启动所述光隔离器，并使另外的电阻器与跨接所述电流源和所述蓄电池的所述分压器电位计的一部分并联，在所述参考输入端降低所述带隙参考电压二极管的所述参考输入电压，并在所述参考输入端向所述带隙参考电压二极管提供另外的参考输入电压。
32.根据权利要求26所述的蓄电池充电系统，其中所述蓄电池是银基蓄电池。
33.根据权利要求26所述的蓄电池充电系统，其中所述银基蓄电池选自包含银锌、银镉、以及银镍金属氢化物的组。
34.根据权利要求26所述的蓄电池充电系统，其中所述蓄电池是高阻抗蓄电池。
35.一种蓄电池充电系统，包括：
电流源；
多个串联蓄电池；
与所述蓄电池串联的所述电流源；以及
多个电压和电流调节器，所述的每个电压和电流调节器都跨接所述相应的各个蓄电池，所述的每个电压和电流调节器用于调节施加给所述相应的蓄电池的电压和供给所述相应的蓄电池的电流，所述的每个电压和电流调节器也都串联连接。
36.根据权利要求35所述的蓄电池充电系统，其中每个所述的电流和电压调节器都包括：
可调节带隙参考电压二极管，其与电阻器串联，所述串联的电阻器和所述可调节带隙参考电压二极管跨接所述相应的蓄电池，所述可调节带隙参考电压二极管具有参考输入端；
分压器电位计，其跨接所述相应的蓄电池，所述分压器电位计的输出端连接到所述可调节带隙参考电压二极管的所述参考输入端，且在所述参考输入端向所述带隙参考电压二极管提供参考输入电压；以及
晶体管，其发射极和集电极跨接所述相应的蓄电池，所述晶体管的基极连接到所述串联电阻器和所述带隙参考电压二极管之间的连接点，所述带隙参考电压二极管、所述串联电阻器、和所述晶体管彼此联合操作，以调节施加给所述相应的蓄电池的电压和供给所述相应的蓄电池的电流。
37.根据权利要求35所述的蓄电池充电系统，其中所述蓄电池充电系统还具有与所述电流源串联的开关，以通过接通或切断所述电流源来控制供给所述蓄电池的电流。
38.根据权利要求37所述的蓄电池充电系统，其中所述开关由定时器控制。
39.根据权利要求38所述的蓄电池充电系统，其中所述定时器控制开关是微控制器。
40.根据权利要求35所述的蓄电池充电系统，其中所述蓄电池充电系统还具有用于将在所述参考输入端向所述带隙参考电压二极管提供至少一个附加的参考输入电压的装置。
41.根据权利要求35所述的蓄电池充电系统，其中所述的每个电压和电流调节器都是可用程序控制的。
42.一种蓄电池充电系统，包括：
电流源；
多个串联蓄电池；
与所述蓄电池串联的所述电流源；
多个可程序控制的电压和电流调节器，所述每个电压和电流调节器都跨接所述相应的各个蓄电池，所述每个电压和电流调节器都用于调节施加给所述相应的蓄电池的电压和供给所述相应的蓄电池的电流，所述的每个电压和电流调节器也都串联连接；以及
定时器控制开关，其与所述电流源和所述蓄电池串联，所述定时器控制开关由微控制器控制。
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