CN2133982Y - 电池高速充电器 - Google Patents

Abstract

一种专门为一次性电池而设计但又适用于各种 类型电池使用的高速充电器，这是一种由第一基波振 荡器[A]及第二基波振荡器[B]和电子开关[C]组成的 “掀浪式多波群脉动电压源”，在充电原理上本充电器 与传统的充电方法有很大的不同，使用本充电器可使 充电反应高速激烈而又安全地进行(不会发热，不怕 超压、不怕过充)，因此能大大缩短二次性电池的充电 时间，还能使一次性干电池的充电成为可能，可以将 一次性碱性锰干电池(LR型)变成准二次性电池。

Description

一种专门为普通一次性锌锰电池及碱性锰干电池而设计的高速充电器。但本实用新型介绍的充电方法及装置同样适用于各种类型的化学电池，如各种扣式电池、片状电池、迭层电池以及二次性电池和蓄电池等等。

依据教科书的定义（见《蓄电池》一书第143页，人民邮电出版社1990年6月版，邮电中等专业学校教材，徐曼珍编）：“充电在5小时内完成的称为快速充电，在1小时左右完成的称为高速充电。”本实用新型可使电池的充电在0.5－1小时内完成，因此本实用新型命名为“电池高速充电器”。

一次性普通锌锰电池的不可逆性似乎已经是一种定论了，几十年来不少有志者为了扭转这个结论付出过种种努力，结果都以失败告终，因此大多数人都已放弃了这种研究。如果真的能够将这种造价低廉的普通一次性电池的不可逆性扭转，那确是电源技术的一次革命。然而大量事实已经证明这种不可逆性是不可能根本扭转的。

但是，从另一角度看，普通一次性锌锰电池的潜能并未被充分利用，往往还未有效地释放出自己全部有用的能量就被弃置了，尤其是对付现代化的家用小电器更是力不从心，例如用在各种电动玩具、照相机闪光灯、耳筒收放机、电须刨等等，负载电流在100mA以上到几百毫安之间的设备上，电池有效的工作寿命很快便遭夭折。其原因就是电池在较长时间连续大负荷深放电后，其正、负极活性物质Z_n及M_nO₂被耗掉，而形成了不能再释放和吸收电子的非活性物质Z_n（NH₃）₂CL₂及M_nOOH，典型锌锰电池：Z_n／NH₄（Z_nCL₂·H₂O）／M_nO₂的电池反应式为：

Z_n＋2NH₄CL＋2M_nO₂→Z_n（NH₃）₂CL₂＋2M_nOOH

理论上这个反应是不可逆的。

随着放电的不断进行，Z_n和M_nO₂不断消耗，非活性物质Z_n（NH₃）₂CL₂及M_nOOH不断生成沉积。结果电池端电压逐渐下降，内阻不断增大，以至失效。

然而通过大量实验，发现了这个电池反应的不可逆性不是固定死的，而是有阶段性的变通余地，也就是说在电池反应的初级阶段存在着可逆的“可能”。这里使用了“可能”这个词，是因为这个可逆不是无条件的，而是必须使用一些特殊的条件和方法，才能促使这个“可逆”发生。以往的研究之所以失败，就是没有找到促使发生这个可逆变化的规律和条件。据美国国家标准局的一份报告记载（见［日本］吉泽四郎主编，城上保著《新电池读本》，国内统一书号：15063·394，第36页，及吉泽四郎著《电池手册》第155页）：

“干电池虽属一次电池，但具备下列条件时，可以充电使用多次：

（1）在电压降到1.0伏／单元电池之前进行充电。

（2）放电后迅速充电。

（3）以12～16小时率的电流通入放电量的120～180％的电量。

（4）保持容量的能力差，故需在充电后立即放电使用。经充电的电池保存寿命极为恶劣。”

申请人认为以上记载的第（2）点很有价值，而且非常必要。但其余三点却反映出报告者并未找出可使一次性电池能够真正充进电的规律及有效的方法，尤其是表现在第（1）点上。实验表明，对于一次性锌锰电池，如果电压降至1.3伏以下，则无论用何种方法对其充电都是没有实用性效果的（但对于某些一次性碱锰电池例外）。

本实用新型的目的就是避免上述现有技术中的不足之处而提供一种能使电池有效地再生用的高速充电装置，它比以往及现有的充电器明显地节能及大大地缩短了充电的时间，并可有效地抑制和延缓一次性电池内阻的增长，有效地延长一次性电池的使用寿命。

申请人通过大量试验找到了可以使一次性电池能有效地充电的规律及方法，所需的充电量无需是以上报告第（3）点所述的“放电量的120～180％”，而只是这个数量的1／10左右，因此，整个充电时间可缩短到一个小时以下。充完电以后不象以上报告第（4）点那样：必须立即放电使用，而保存寿命却相当可观，请看以下实验记录：

［注］1、放电方法：1＃、2＃电池用珠江F35ES135照相机（无自动卷片）36张胶卷连续闪光拍摄。3＃、4＃电池用AW－60型135照相机（有电机带动的自动卷片）36张胶卷连续闪光拍摄后，再自动倒卷。

2、充电方法：用本实用新型实施例一，以50mA电流充电一个小时。

3、电压测量用DT－830数字万用表。

4、电流测量用5A指针式直流电流表直接测量。

从实验结果可看出，其保持寿命相当可观，三个月后端电压基本不变，与充电后对比只下降了0.02～0.06V，而短路电流仍在5A以上，说明其内阻并未固定性增长。

一般情况下，无论是R6还是LR6型（5号）一次性电池，经过36张胶卷连续闪光并自动卷片拍摄后，这两个电池就不可能再这样使用了，如不马上及时充电，搁置两天后电池内阻明显增长，短路电流已降至3A以下，此时已无法在大电流深放电的场合下使用。若用传统的充电方法（即市面上出售的充电器，用50Hz220V交流降压整流后再加限流装置）很难将其放电能力恢复。而用本实用新型的装置和方法却可使LR6型电池如此试验反复达100多次。

以上提到的规律、方法及装置，就是这里要阐述的“干电池疲劳线理论”及“掀浪式多波群脉动电压源”即电池高速充电器。

申请人在实验中发现，干电池在工作中存在着一条疲劳线，把它归纳命名为“干电池疲劳线理论”，其要点是：作为动力源的干电池如同生物动力源（例如人、马、牛等）存在着一条疲劳线，当其在工作中接近而未超过疲劳线时，立即及时地停止工作，并马上给予有效的能量补充和再生，则基本上可恢复其原来状态，但如果超过了疲劳线或刚好达到疲劳线，但没有马上进行补充和再生，反而拖延了较长的时间以后才进行补救，则对于一次性干电池来说，此时不管采取什么措施，收效都甚微，甚至无效。对于不同容量，不同结构，不同成份的干电池，有着不同的疲劳线值。这条疲劳线值的高低是由电池内部内阻的增长情况来决定的。疲劳线理论的实质就是及时采取措施阻止或减缓干电池内阻的固定性增长。

电池内阻的增长，大大减弱了可放电的电流，并使端电压过早降落，以至再无法胜任电源的任务。电池反应的生成物不断沉积是造成电池内阻增大的主要原因。

实验表明，使用这里介绍的多波群脉动电压源对电池进行充电，可以使电池反应在初始阶段（以疲劳线为界）能够逆向进行。尽管这个逆向反应不能100％完成，但有70％以上的逆向转化，就已经很可观地将电能再次转化为化学能，重新贮藏于一次性干电池中。

这个能逆向反应的初始阶段有一个界限，超过这个界限，逆向反应就很微弱以至不能发生。这个界限就称之为“疲劳线”。这条疲劳线对于不同结构、不同组份的各式电池来说是各不相同的，在实验中显示出：同样是R6（UM－3）型5号锌锰电池，广州电池厂1989年及1990年上半年出厂的“555”牌及江门电池厂生产“777”牌电池，其疲劳线值要比其他牌号的低一些，也就是说它们的可充电性要比其他的要好一些。就是同一厂家同一牌子的电池，出厂时间不同时，其疲劳线值都有差异。这说明电池内部的组份及工艺稍有不同，都会影响到这个逆向反应的程度。

对于碱性锰干电池（LR型）这种差异就更加明显。碱锰电池的疲劳线比锌锰电池的要低，而且对于某些牌子的碱锰电池还有例外的情况。例如美国制造的“金霸王（DURACELL）”牌LR6型碱锰电池及美国“RAYOVAC”牌LR6型碱锰电池，在其内阻还未固定增长时，它们在刚放完电时的开路端电压降至0V，甚至出现反极现象的电池，都可以用这里介绍的方法和装置再生复活。

准确地说，“疲劳线”值应以电池内阻的增长值来表示。但对于一般的使用者来说很难进行电池内阻的测量，这里可以使用两种比较简单易行的方法来表示“疲劳线值”。第一种方法：称为“电流疲劳线值”，用低内阻的5A以上指针式直流电流表，跨接在电池两端测量其短路电流。实验表明，对于容量C≥500mAh的电池，其短路电流为5A以上者；容量C＜500mAh的电池，其短路电流为2A以上者，不管其端电压降到何值，均可用本法进行再生。因此本法就将短路电流5A定为C≥500mAh电池的电流疲劳线值，短路电流为2A定为C＜500mAh电池的电流疲劳线值（但要注意，这些只是模糊参考值，而不是精确值）。短路电流低于这些值的电池，在充电电池反应的逆过程就进行得不完全，甚至难于发生。这个方法虽然能比较直观地反映出电池内阻的状态，但能够使用5A以上直流电表的人还是不很普遍的。而能够使用万用表却非常普遍。

因此引出第二种方法：称为“电压疲劳线值”，就是将刚放完电，然后自动回升稳定后（约30分钟）的电池开路端电压来表示（注意：深放电后被搁置10小时以上的电池，其开路端电压不能再代表疲劳线值，因为此时电池的内阻已经固定增长了一定的数值，其开路端电压已不能反映其内阻的真实情况，也就是说表面上还很高的端电压，实际上内阻已经很大了）。

在实验中可得到一般锌锰电池（R型）的电压疲劳线范围值是：单元电池额定电压值的92％±2％，而碱锰一次性电池（LR型）的电压疲劳线范围值是：单元电池额定电压值的90％±2％（个别也有例外）。也就是说一般的锌锰电池当其开路端电压降至1.35V以下后，再充电已没有什么实用性的效果了，而碱锰电池则降至1.3V左右还可以充电再使用。

有了以上的理论还必须使用以下的特殊装置也就是本实用新型所介绍的电池高速充电器才能使一次性电池的再生得以真正实现，否则充其量也只能作到前述美国国家标准局那份报告中所述的那四点，而这几点根本无法解决电池内阻固定性增长的问题，因此结果是没有实用性意义的。这种特殊的装置申请人命名为：“掀浪式多波群脉动电压源”，即电池高速充电器。这个电压源的输出波形很象一根软绳的一头固定在墙上，手执另一头，然后用力进行周期性而又不规则的抖动所形成的波形，“掀浪式”就是这样一种形象性的形容。

要使这种波形的电压对电池的充电具有有效的效果，它就不应是单一频率的。在实验中发现，要想取得较好的充电效果，应该使用两种不同频率的基波相迭加，再加上它们的和频和差频，就形成了一个“多波群”。而这两种基波的频率不是任意的，只有在以下的范围内才能取得最好的效果。第一基波的范围是1－50Hz，最佳范围为1－15Hz。第二基波的范围是55－1000Hz，最佳范围为100－200Hz。波形可以是正弦波、方波、三角波、窄脉冲及其他任何一种脉动波。其合成波形为一种在长周期的大脉动波（第一基波）中含有若干个短周期的小脉动波（第二基波）的复杂的脉动波群。这种脉动电压源施加于被充电电池的两端，就象使用一个间歇泵，将电流脉动地压注入电池中，促使其内部的电池反应能发生逆向变化。这种逆向变化的存在可以在电池被充电后的保持寿命上得到证明。这里强调一下，单独使用第一基波（1－50Hz）也能取得表面上的充电效果（这就是传统的充电方法），但其保持寿命非常差，实用价值不大。

整个设计的结构见附图1，这是总原理的方框图，整个电路由第一基波振荡器［A］，第二基波振荡器［B］，电子开关［C］及附属的整流器［D］，限流器［E］，定时器［F］等组成。基波振荡器是由电子元件组成的电振荡器，第一基波振荡器［A］产生1－50Hz中任一频率的脉动波，第二基波振荡器［B］产生55－1000Hz中任一频率的脉动波，两种波在开关晶体管［C］的基极（或控制极）中混合，使开关管［C］工作于一种复杂的开关状态。本例的电子开关设计成分流式的，并联在直流电源的正负两端，当开关管［C］导通时相当于将电源短路，此时无电流流入被充电池中，当［C］截止时，电源电压全部加于被充电池的两端，开关管［C］就起到一个掀浪的作用，令到直流电源输出的电压大幅度地波动，其波形是一条在长周期的大脉动波（第一基波）中含有若干个短周期的小脉动波（第二基波）的复杂的多波群脉动波。这个多波群脉动电压源能促使电池内的充电反应激烈地进行，因此所充入的电量无需是放电量的120－180％，而是其额定容量的10％－40％即可，比如用10小时率的充电电流进行历时一个小时的充电，或用5小时率的电流充电半个小时即可完成。例如对于容量C＝500mAh的电池，只需用0.1C₁₀＝50mA的电流充电一个小时即可。而传统的充电方法，以同样的电流却要充电10－14个小时。也就是说本实用新型所需的充电量减少到常规方法的1／10左右，而充电速度却提高了10倍以上，这是现实生活中实用性所希求的。

这个充电反应虽然激烈，但因通入的电流不大（额定容量的1／10左右）；因此在这一小时内绝不会造成电池内部发热，大量气体生成而导致超压爆破或漏液。所以这种高速而又激烈的充电方法又是最安全的。当然，若通往的电量太多、时间太长，同样会引起电池发热，大量气体生成，以致超压爆破或漏液。但这个问题可以应用现有的定时技术或自动检测自控关机的技术方便地解决。

本实用新型可令碱性锰干电池（LR型）变成准二次干电池，而真正的二次性镍镉电池因为环境污染问题，将会被淘汰。因此将一次性碱锰电池变成准二次性电池，其意义是无可衡量的。就目前来看，有些场合的应用也非碱锰电池莫属，例如前面的实验例子，用135自动卷片照相机连续36张胶卷都闪光拍摄，如此连续大电流的深放电，就目前市场上价格能为顾客所接受的可现货供应的5号电池中，除了LR6型碱锰电池外，还没有哪一种电池（包括镍镉电池）可以胜任这个任务（全部闪光拍完再自动例卷回来），因此本装置在目前应用上已具有非常广泛和重要的意义。

就目前的情况来看，对于普通的锌锰电池，应用本装置也显示出非常明显的效果，除前面第3页的试验外，以下例子也很能说明问题：一节“555”牌R14型（2号）锌锰电池用于“SEIKO（精工牌）”ES－403型电须刨中，平均每三天用一次，一般只能使用三个月，后来使用本装置，每用完一次电须刨后都马上对电池充电，此电池却可以使用一年半之久。

对于二次性电池（如镍镉电池）的充电，应用本装置可大大缩减充电的电量（只需常量的1／10～1／2），及大大缩短充电的时间（只为常规的1／10左右）。

有了以上的理论和原则，利用现有的基础技术就可以创造出千变万化的各式各样的实用电路。以下的三个实施例就是按以上的理论和原则，本着结构最简单、成本最低廉和最为实用的精神去设计的。

附图图面说明如下：

图1是总原理方框图

图2是实施例一的电原理图，是本实用新型的主要附图

图3是图2中第二基波振荡器的（G）点在耦合电容14断开时的波形图

图4是图2中第一基波振荡器的（H）点在耦合电容14断开时的波形图

图5是图2中，耦合电容14连接好后还未接入电池25时总输出（I）点的波形图

图6是图2中，耦合电容14连接好后并接入电池25充电时（J）点的波形图

图7是实施例二的电原理图

图8是图7中在耦合电容40断开时第一基波振荡器（K）点的波形图

图9是图7中在耦合电容40断开时第二基波振荡器（L）点的波形图

图10是图7中在耦合电容40连接后未接入电池51时总输出（M）点的波形图

图11是图7中在耦合电容40连接后接入电池51充电时（O）点的波形图

图12是实施例三的电原理图

图13是图12中在耦合电容68断开时第二基波振荡器（P）点的波形图

图14是图12中在耦合电容68断开时第一基波振荡器（Q）点的波形图

图15是图12中在耦合电容68连接后未接入电池74时总输出（R）点的波形图

图16是图12中在耦合电容68连接后接入电池74充电时（S）点的波形图

实施例一：具体电路见主要附图图2

（1）为电源变压器将220V交流降为10V交流，经硅桥（2）整流后输出为12V直流，（3）是滤波电容，取220μF／25V。三极管（10）使用8550，它与电阻（12）10K，（9）8.2Ω，二极管（11）2CP10×2组成恒流源［E］，改变（9）的大小可改变恒流值，现用8.2Ω恒流值为50mA。

（16）是振荡开关管，本例用3DK4，集第一基波振荡器［A］及开关电路［C］于一身，它与变压器（17）组成间歇振荡器，其振荡频率由电解电容（18）10μF／16V，电阻（19）30K及电位器（20）500K决定。本线路频率范围实测为1－33H_Z，具体值由（20）调定，（H）点波形见图4，应用测量值为8H_Z。变压器（17）的初级电感还能产生一个幅值较高的反峰尖脉冲，但其直流电阻很小，对于直流通路近乎短路，（17）用E19铁心及Φ0.15QZ线制成，初级150圈、次级50圈。（4）是单结管BT33，组成第二基波振荡器［B］，它与电阻（5）560Ω，（6）100Ω，（7）56K，电容（8）0.1μF，组成驰张振荡器，振荡频率为172H_Z，（G）点波形见图3，两种基波在（16）的基极中混合，电阻（15）100Ω作缓冲用，在（16）的C极输出了在长周期脉动波（第一基波）中含有短周期脉动波（第二基波）的复合波形，见图5（I）点波形。（24）为隔离二极管IN4148，使被充电电池（25）的电压不能反向加到开关电路中。（13）是红色发光二极管，使（16）的第一基波不能加到（4）的e极上。（21）是绿色发光二极管，用作开关电路的工作指示灯。（10）和（26）都是附属电路，（26）是VMOS管，这里选用VK30B，由它组成最简单的定时开关［F］，（29）为起动定时开关，合上时电解电容（28）充电，（26）G极电位上升而导通，整个电路开始工作，（29）断开后定时开始，（28）对泄放二极管（27）2CP28放电，致（26）G极电位降低后，（26）截止，充电工作终止，改变电解电容（28）的容量，可调整定时的时间，这里定时时间为1小时，（28）用2.2μF钽电容。（23）是滤波电容，容量为220μF／16V。（25）为4节5号待充电电池。充电时（J）点的波形见图6。二极管（22）用1N4001，作用是保护开关管（16）不被反峰高压所损坏。

实施例二：见图7

本例整流器采用安全型无变压器双电容（29）3.3μF／250V及（30）2.2μF／250V降压整流回路，这样无论电源插头如何插，都能将火线隔离。（31）及（32）为泄放电阻，均为510K。（33）为整流硅桥。（35）为滤波电容，用220μF／25V。（36）为9V稳压管，为防止电源电压突然升高时作保护其他元件用。（34）为限流电阻，取10Ω。（39）为第一基波振荡器，使用一块闪光ICKD－01X，振荡频率实测为4.54H_Z，（K）点波形见图8。第二基波振荡器与开关电路合为一体，由三极管（42）8550及（46）8050组成互补自激多谐振荡电路，振荡频率由电阻（43）330K，（44）1K及电容（45）0.033μF来决定，这里振荡频率设计为100H_Z，（L）点波形见图9。电阻（41）10Ω，可控制开关管（46）的导通电流。因为是用电容降压，本身就有限流的作用，因此限流器［E］可以取消。这样整机成本可降低，但其输出电压及电流都固定，只能专供一种类型的电池充电使用，如要用于其他型号的电池，可改变（29）及（30）之值，即可改变充电电流的大小。本例附图7的数据为提供R6或LR6型电池二节（51）充电用，充电电流为50mA。电感（48）取1mH，作用是产生一个幅度较高的反峰尖脉冲，（M）点波形见图10，（47）10Ω是阻尼电阻。（38）为发光二极管，除与IC（39）配合振荡外，还起着一个指示灯的作用。耦合电容（40）取1μF／16V。充电时（O）点的波形见图11。（50）为定时开关［F］，因不属本实用新型保护范围，故在本例及下一例三中均作省略，实施者可在现有技术中任选一种使用。

其他元件及作用同例一。

实施例三：见图12

本例是专门为使用5号（R6、LR6型）电池的可充电电筒而设计的电路，整个线路就密封在塑料电筒壳内，电筒尾端有个两脚电源插头（52），充电时直接插在电源插座上。第一基波振荡器由BTS型闪烁二极管（67）及其限流电阻（66）180Ω组成，其振荡频率为2.5Hz，（Q）点波形见图14。第二基波振荡器由单结管（62）2N4870（塑封）及外围元件电阻（60）22K、电容（61）0.22μF、电阻（63）10Ω、（64）100Ω构成，振荡频率为156Hz，（P）点波形见图13。三极管（69）8050单独构成开关电路，电容（68）2.2μF为耦合电容，隔离电阻（65）取1K，电感（70）取1mH。未充电时总输出（R）点波形见图15，充电时（S）点波形见图16。因为是用电容降压，本身就有限流作用，因此限流器［E］可取消。改变电容（53）之值可改变充电电流的大小。本例充电电流为50mA，（53）用1μF／400V涤纶电容。（54）为（53）的泄放电阻，用500K。

整个电路密封在电筒塑料壳中，为了减少体积，降压电容只使用一个，即（53），整个电筒的外壳无外露金属件，因此在充电时仍是安全的。（56）及（72）为普通整流二极管，可用2CP型或1N4001型。定时开关［F］有很多现成的线路可供采用，这里不再作介绍。

其他元件作用同例二。

以上三例，可说得上是最简单最实用的设计，此外还可采用全集成化的线路，但成本会高一些。总之，掌握了前述介绍的原则和方法就可设计出千变万化的实用电路来。

Claims (3)

1、一种电池高速充电器，其特征是：这是一种由第一基波振荡器[A]及第二基波振荡器[B]和电子开关[C]组成的“掀浪式多波群脉动电压源”，电子开关[C]并联(或串联)在直流电源正、负极的两端，第一基波振荡器[A]及第二基波振荡器[B]各自产生振荡频率不同的两种脉动电压，然后同时加入电子开关[C]的输入端，以它们所合成的多波群脉动电压去控制电子开关[C]的启闭，以[C]的分流(或阻流)作用，使直流电流源输出端(Ⅰ)流向被充电电池的电压，按开关[C]输入端的综合波形相应地大幅度波动，令其电流按指定的规律脉动地注入到被充电的电池中。

2、如权利要求1中所述的电池高速充电器，其特征是：第一基波振荡器［A］及第二基波振荡器［B］是由电子元器件组成的振荡频率各不相同的电振荡器，第一基波为1至50Hz，第二基波为55至1000Hz，这两个振荡器的输出端都同时加入到电子开关［C］的输入端中。

3、如权利要求1中所述的电池高速充电器，其特征是：电子开关［C］是由电子开关元件构成的受控电子开关，其输入端同时连接在振荡器［A］及振荡器［B］的输出端上，其输出端可以与直流电源并联（分流式），也可以与直流电源串联（阻流式）。

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