電池高速充電器的製作方法

2023-05-24 00:24:26 1

專利名稱：電池高速充電器的製作方法
技術領域：
一種專門為普通一次性鋅錳電池及鹼性錳乾電池而設計的高速充電器。但本實用新型介紹的充電方法及裝置同樣適用於各種類型的化學電池，如各種扣式電池、片狀電池、迭層電池以及二次性電池和蓄電池等等。
依據教科書的定義(見《蓄電池》一書第143頁，人民郵電出版社1990年6月版，郵電中等專業學校教材，徐曼珍編)「充電在5小時內完成的稱為快速充電，在1小時左右完成的稱為高速充電。」本實用新型可使電池的充電在0.5－1小時內完成，因此本實用新型命名為「電池高速充電器」。
一次性普通鋅錳電池的不可逆性似乎已經是一種定論了，幾十年來不少有志者為了扭轉這個結論付出過種種努力，結果都以失敗告終，因此大多數人都已放棄了這種研究。如果真的能夠將這種造價低廉的普通一次性電池的不可逆性扭轉，那確是電源技術的一次革命。然而大量事實已經證明這種不可逆性是不可能根本扭轉的。
但是，從另一角度看，普通一次性鋅錳電池的潛能並未被充分利用，往往還未有效地釋放出自己全部有用的能量就被棄置了，尤其是對付現代化的家用小電器更是力不從心，例如用在各種電動玩具、照相機閃光燈、耳筒收放機、電須刨等等，負載電流在100mA以上到幾百毫安之間的設備上，電池有效的工作壽命很快便遭夭折。其原因就是電池在較長時間連續大負荷深放電後，其正、負極活性物質Zn及MnO2被耗掉，而形成了不能再釋放和吸收電子的非活性物質Zn(NH3)2CL2及MnOOH，典型鋅錳電池Zn／NH4(ZnCL2·H2O)／MnO2的電池反應式為Zn＋2NH4CL＋2MnO2→Zn(NH3)2CL2＋2MnOOH理論上這個反應是不可逆的。
隨著放電的不斷進行，Zn和MnO2不斷消耗，非活性物質Zn(NH3)2CL2及MnOOH不斷生成沉積。結果電池端電壓逐漸下降，內阻不斷增大，以至失效。
然而通過大量實驗，發現了這個電池反應的不可逆性不是固定死的，而是有階段性的變通餘地，也就是說在電池反應的初級階段存在著可逆的「可能」。這裡使用了「可能」這個詞，是因為這個可逆不是無條件的，而是必須使用一些特殊的條件和方法，才能促使這個「可逆」發生。以往的研究之所以失敗，就是沒有找到促使發生這個可逆變化的規律和條件。據美國國家標準局的一份報告記載(見［日本］吉澤四郎主編，城上保著《新電池讀本》，國內統一書號15063·394，第36頁，及吉澤四郎著《電池手冊》第155頁)「乾電池雖屬一次電池，但具備下列條件時，可以充電使用多次(1)在電壓降到1.0伏／單元電池之前進行充電。
(2)放電後迅速充電。
(3)以12～16小時率的電流通入放電量的120～180％的電量。
(4)保持容量的能力差，故需在充電後立即放電使用。經充電的電池保存壽命極為惡劣。」申請人認為以上記載的第(2)點很有價值，而且非常必要。但其餘三點卻反映出報告者並未找出可使一次性電池能夠真正充進電的規律及有效的方法，尤其是表現在第(1)點上。實驗表明，對於一次性鋅錳電池，如果電壓降至1.3伏以下，則無論用何種方法對其充電都是沒有實用性效果的(但對於某些一次性鹼錳電池例外)。
本實用新型的目的就是避免上述現有技術中的不足之處而提供一種能使電池有效地再生用的高速充電裝置，它比以往及現有的充電器明顯地節能及大大地縮短了充電的時間，並可有效地抑制和延緩一次性電池內阻的增長，有效地延長一次性電池的使用壽命。
申請人通過大量試驗找到了可以使一次性電池能有效地充電的規律及方法，所需的充電量無需是以上報告第(3)點所述的「放電量的120～180％」，而只是這個數量的1／10左右，因此，整個充電時間可縮短到一個小時以下。充完電以後不象以上報告第(4)點那樣必須立即放電使用，而保存壽命卻相當可觀，請看以下實驗記錄
［注］1、放電方法1＃、2＃電池用珠江F35ES135照相機(無自動卷片)36張膠捲連續閃光拍攝。3＃、4＃電池用AW－60型135照相機(有電機帶動的自動卷片)36張膠捲連續閃光拍攝後，再自動倒卷。
2、充電方法用本實用新型實施例一，以50mA電流充電一個小時。
3、電壓測量用DT－830數字萬用表。
4、電流測量用5A指針式直流電流表直接測量。
從實驗結果可看出，其保持壽命相當可觀，三個月後端電壓基本不變，與充電後對比只下降了0.02～0.06V，而短路電流仍在5A以上，說明其內阻並未固定性增長。
一般情況下，無論是R6還是LR6型(5號)一次性電池，經過36張膠捲連續閃光並自動卷片拍攝後，這兩個電池就不可能再這樣使用了，如不馬上及時充電，擱置兩天後電池內阻明顯增長，短路電流已降至3A以下，此時已無法在大電流深放電的場合下使用。若用傳統的充電方法(即市面上出售的充電器，用50Hz220V交流降壓整流後再加限流裝置)很難將其放電能力恢復。而用本實用新型的裝置和方法卻可使LR6型電池如此試驗反覆達100多次。
以上提到的規律、方法及裝置，就是這裡要闡述的「乾電池疲勞線理論」及「掀浪式多波群脈動電壓源」即電池高速充電器。
申請人在實驗中發現，乾電池在工作中存在著一條疲勞線，把它歸納命名為「乾電池疲勞線理論」，其要點是作為動力源的乾電池如同生物動力源(例如人、馬、牛等)存在著一條疲勞線，當其在工作中接近而未超過疲勞線時，立即及時地停止工作，並馬上給予有效的能量補充和再生，則基本上可恢復其原來狀態，但如果超過了疲勞線或剛好達到疲勞線，但沒有馬上進行補充和再生，反而拖延了較長的時間以後才進行補救，則對於一次性乾電池來說，此時不管採取什麼措施，收效都甚微，甚至無效。對於不同容量，不同結構，不同成份的乾電池，有著不同的疲勞線值。這條疲勞線值的高低是由電池內部內阻的增長情況來決定的。疲勞線理論的實質就是及時採取措施阻止或減緩乾電池內阻的固定性增長。
電池內阻的增長，大大減弱了可放電的電流，並使端電壓過早降落，以至再無法勝任電源的任務。電池反應的生成物不斷沉積是造成電池內阻增大的主要原因。
實驗表明，使用這裡介紹的多波群脈動電壓源對電池進行充電，可以使電池反應在初始階段(以疲勞線為界)能夠逆向進行。儘管這個逆向反應不能100％完成，但有70％以上的逆向轉化，就已經很可觀地將電能再次轉化為化學能，重新貯藏於一次性乾電池中。
這個能逆向反應的初始階段有一個界限，超過這個界限，逆向反應就很微弱以至不能發生。這個界限就稱之為「疲勞線」。這條疲勞線對於不同結構、不同組份的各式電池來說是各不相同的，在實驗中顯示出同樣是R6(UM－3)型5號鋅錳電池，廣州電池廠1989年及1990年上半年出廠的「555」牌及江門電池廠生產「777」牌電池，其疲勞線值要比其他牌號的低一些，也就是說它們的可充電性要比其他的要好一些。就是同一廠家同一牌子的電池，出廠時間不同時，其疲勞線值都有差異。這說明電池內部的組份及工藝稍有不同，都會影響到這個逆向反應的程度。
對於鹼性錳乾電池(LR型)這種差異就更加明顯。鹼錳電池的疲勞線比鋅錳電池的要低，而且對於某些牌子的鹼錳電池還有例外的情況。例如美國製造的「金霸王(DURACELL)」牌LR6型鹼錳電池及美國「RAYOVAC」牌LR6型鹼錳電池，在其內阻還未固定增長時，它們在剛放完電時的開路端電壓降至0V，甚至出現反極現象的電池，都可以用這裡介紹的方法和裝置再生復活。
準確地說，「疲勞線」值應以電池內阻的增長值來表示。但對於一般的使用者來說很難進行電池內阻的測量，這裡可以使用兩種比較簡單易行的方法來表示「疲勞線值」。第一種方法稱為「電流疲勞線值」，用低內阻的5A以上指針式直流電流表，跨接在電池兩端測量其短路電流。實驗表明，對於容量C≥500mAh的電池，其短路電流為5A以上者；容量C＜500mAh的電池，其短路電流為2A以上者，不管其端電壓降到何值，均可用本法進行再生。因此本法就將短路電流5A定為C≥500mAh電池的電流疲勞線值，短路電流為2A定為C＜500mAh電池的電流疲勞線值(但要注意，這些只是模糊參考值，而不是精確值)。短路電流低於這些值的電池，在充電電池反應的逆過程就進行得不完全，甚至難於發生。這個方法雖然能比較直觀地反映出電池內阻的狀態，但能夠使用5A以上直流電錶的人還是不很普遍的。而能夠使用萬用表卻非常普遍。
因此引出第二種方法稱為「電壓疲勞線值」，就是將剛放完電，然後自動回升穩定後(約30分鐘)的電池開路端電壓來表示(注意深放電後被擱置10小時以上的電池，其開路端電壓不能再代表疲勞線值，因為此時電池的內阻已經固定增長了一定的數值，其開路端電壓已不能反映其內阻的真實情況，也就是說表面上還很高的端電壓，實際上內阻已經很大了)。
在實驗中可得到一般鋅錳電池(R型)的電壓疲勞線範圍值是單元電池額定電壓值的92％±2％，而鹼錳一次性電池(LR型)的電壓疲勞線範圍值是單元電池額定電壓值的90％±2％(個別也有例外)。也就是說一般的鋅錳電池當其開路端電壓降至1.35V以下後，再充電已沒有什麼實用性的效果了，而鹼錳電池則降至1.3V左右還可以充電再使用。
有了以上的理論還必須使用以下的特殊裝置也就是本實用新型所介紹的電池高速充電器才能使一次性電池的再生得以真正實現，否則充其量也只能作到前述美國國家標準局那份報告中所述的那四點，而這幾點根本無法解決電池內阻固定性增長的問題，因此結果是沒有實用性意義的。這種特殊的裝置申請人命名為「掀浪式多波群脈動電壓源」，即電池高速充電器。這個電壓源的輸出波形很象一根軟繩的一頭固定在牆上，手執另一頭，然後用力進行周期性而又不規則的抖動所形成的波形，「掀浪式」就是這樣一種形象性的形容。
要使這種波形的電壓對電池的充電具有有效的效果，它就不應是單一頻率的。在實驗中發現，要想取得較好的充電效果，應該使用兩種不同頻率的基波相迭加，再加上它們的和頻和差頻，就形成了一個「多波群」。而這兩種基波的頻率不是任意的，只有在以下的範圍內才能取得最好的效果。第一基波的範圍是1－50Hz，最佳範圍為1－15Hz。第二基波的範圍是55－1000Hz，最佳範圍為100－200Hz。波形可以是正弦波、方波、三角波、窄脈衝及其他任何一種脈動波。其合成波形為一種在長周期的大脈動波(第一基波)中含有若干個短周期的小脈動波(第二基波)的複雜的脈動波群。這種脈動電壓源施加於被充電電池的兩端，就象使用一個間歇泵，將電流脈動地壓注入電池中，促使其內部的電池反應能發生逆向變化。這種逆向變化的存在可以在電池被充電後的保持壽命上得到證明。這裡強調一下，單獨使用第一基波(1－50Hz)也能取得表面上的充電效果(這就是傳統的充電方法)，但其保持壽命非常差，實用價值不大。
整個設計的結構見附

圖1，這是總原理的方框圖，整個電路由第一基波振蕩器［A］，第二基波振蕩器［B］，電子開關［C］及附屬的整流器［D］，限流器［E］，定時器［F］等組成。基波振蕩器是由電子元件組成的電振蕩器，第一基波振蕩器［A］產生1－50Hz中任一頻率的脈動波，第二基波振蕩器［B］產生55－1000Hz中任一頻率的脈動波，兩種波在開關電晶體［C］的基極(或控制極)中混合，使開關管［C］工作於一種複雜的開關狀態。本例的電子開關設計成分流式的，並聯在直流電源的正負兩端，當開關管［C］導通時相當於將電源短路，此時無電流流入被充電池中，當［C］截止時，電源電壓全部加於被充電池的兩端，開關管［C］就起到一個掀浪的作用，令到直流電源輸出的電壓大幅度地波動，其波形是一條在長周期的大脈動波(第一基波)中含有若干個短周期的小脈動波(第二基波)的複雜的多波群脈動波。這個多波群脈動電壓源能促使電池內的充電反應激烈地進行，因此所充入的電量無需是放電量的120－180％，而是其額定容量的10％－40％即可，比如用10小時率的充電電流進行歷時一個小時的充電，或用5小時率的電流充電半個小時即可完成。例如對於容量C＝500mAh的電池，只需用0.1C10＝50mA的電流充電一個小時即可。而傳統的充電方法，以同樣的電流卻要充電10－14個小時。也就是說本實用新型所需的充電量減少到常規方法的1／10左右，而充電速度卻提高了10倍以上，這是現實生活中實用性所希求的。
這個充電反應雖然激烈，但因通入的電流不大(額定容量的1／10左右)；因此在這一小時內絕不會造成電池內部發熱，大量氣體生成而導致超壓爆破或漏液。所以這種高速而又激烈的充電方法又是最安全的。當然，若通往的電量太多、時間太長，同樣會引起電池發熱，大量氣體生成，以致超壓爆破或漏液。但這個問題可以應用現有的定時技術或自動檢測自控關機的技術方便地解決。
本實用新型可令鹼性錳乾電池(LR型)變成準二次乾電池，而真正的二次性鎳鎘電池因為環境汙染問題，將會被淘汰。因此將一次性鹼錳電池變成準二次性電池，其意義是無可衡量的。就目前來看，有些場合的應用也非鹼錳電池莫屬，例如前面的實驗例子，用135自動卷片照相機連續36張膠捲都閃光拍攝，如此連續大電流的深放電，就目前市場上價格能為顧客所接受的可現貨供應的5號電池中，除了LR6型鹼錳電池外，還沒有哪一種電池(包括鎳鎘電池)可以勝任這個任務(全部閃光拍完再自動例卷回來)，因此本裝置在目前應用上已具有非常廣泛和重要的意義。
就目前的情況來看，對於普通的鋅錳電池，應用本裝置也顯示出非常明顯的效果，除前面第3頁的試驗外，以下例子也很能說明問題一節「555」牌R14型(2號)鋅錳電池用於「SEIKO(精工牌)」ES－403型電須刨中，平均每三天用一次，一般只能使用三個月，後來使用本裝置，每用完一次電須刨後都馬上對電池充電，此電池卻可以使用一年半之久。
對於二次性電池(如鎳鎘電池)的充電，應用本裝置可大大縮減充電的電量(只需常量的1／10～1／2)，及大大縮短充電的時間(只為常規的1／10左右)。
有了以上的理論和原則，利用現有的基礎技術就可以創造出千變萬化的各式各樣的實用電路。以下的三個實施例就是按以上的理論和原則，本著結構最簡單、成本最低廉和最為實用的精神去設計的。
附圖圖面說明如下圖1是總原理方框圖圖2是實施例一的電原理圖，是本實用新型的主要附圖圖3是圖2中第二基波振蕩器的(G)點在耦合電容14斷開時的波形圖圖4是圖2中第一基波振蕩器的(H)點在耦合電容14斷開時的波形圖圖5是圖2中，耦合電容14連接好後還未接入電池25時總輸出(I)點的波形圖圖6是圖2中，耦合電容14連接好後並接入電池25充電時(J)點的波形圖圖7是實施例二的電原理圖圖8是圖7中在耦合電容40斷開時第一基波振蕩器(K)點的波形圖圖9是圖7中在耦合電容40斷開時第二基波振蕩器(L)點的波形圖圖10是圖7中在耦合電容40連接後未接入電池51時總輸出(M)點的波形圖圖11是圖7中在耦合電容40連接後接入電池51充電時(O)點的波形圖圖12是實施例三的電原理圖圖13是圖12中在耦合電容68斷開時第二基波振蕩器(P)點的波形圖圖14是圖12中在耦合電容68斷開時第一基波振蕩器(Q)點的波形圖圖15是圖12中在耦合電容68連接後未接入電池74時總輸出(R)點的波形圖圖16是圖12中在耦合電容68連接後接入電池74充電時(S)點的波形圖實施例一具體電路見主要附圖圖2(1)為電源變壓器將220V交流降為10V交流，經矽橋(2)整流後輸出為12V直流，(3)是濾波電容，取220μF／25V。三極體(10)使用8550，它與電阻(12)10K，(9)8.2Ω，二極體(11)2CP10×2組成恆流源［E］，改變(9)的大小可改變恆流值，現用8.2Ω恆流值為50mA。
(16)是振蕩開關管，本例用3DK4，集第一基波振蕩器［A］及開關電路［C］於一身，它與變壓器(17)組成間歇振蕩器，其振蕩頻率由電解電容(18)10μF／16V，電阻(19)30K及電位器(20)500K決定。本線路頻率範圍實測為1－33HZ，具體值由(20)調定，(H)點波形見圖4，應用測量值為8HZ。變壓器(17)的初級電感還能產生一個幅值較高的反峰尖脈衝，但其直流電阻很小，對於直流通路近乎短路，(17)用E19鐵心及Φ0.15QZ線製成，初級150圈、次級50圈。(4)是單結管BT33，組成第二基波振蕩器［B］，它與電阻(5)560Ω，(6)100Ω，(7)56K，電容(8)0.1μF，組成馳張振蕩器，振蕩頻率為172HZ，(G)點波形見圖3，兩種基波在(16)的基極中混合，電阻(15)100Ω作緩衝用，在(16)的C極輸出了在長周期脈動波(第一基波)中含有短周期脈動波(第二基波)的複合波形，見圖5(I)點波形。(24)為隔離二極體IN4148，使被充電電池(25)的電壓不能反向加到開關電路中。(13)是紅色發光二極體，使(16)的第一基波不能加到(4)的e極上。(21)是綠色發光二極體，用作開關電路的工作指示燈。(10)和(26)都是附屬電路，(26)是VMOS管，這裡選用VK30B，由它組成最簡單的定時開關［F］，(29)為起動定時開關，合上時電解電容(28)充電，(26)G極電位上升而導通，整個電路開始工作，(29)斷開後定時開始，(28)對洩放二極體(27)2CP28放電，致(26)G極電位降低後，(26)截止，充電工作終止，改變電解電容(28)的容量，可調整定時的時間，這裡定時時間為1小時，(28)用2.2μF鉭電容。(23)是濾波電容，容量為220μF／16V。(25)為4節5號待充電電池。充電時(J)點的波形見圖6。二極體(22)用1N4001，作用是保護開關管(16)不被反峰高壓所損壞。
實施例二見圖7本例整流器採用安全型無變壓器雙電容(29)3.3μF／250V及(30)2.2μF／250V降壓整流迴路，這樣無論電源插頭如何插，都能將火線隔離。(31)及(32)為洩放電阻，均為510K。(33)為整流矽橋。(35)為濾波電容，用220μF／25V。(36)為9V穩壓管，為防止電源電壓突然升高時作保護其他元件用。(34)為限流電阻，取10Ω。(39)為第一基波振蕩器，使用一塊閃光ICKD－01X，振蕩頻率實測為4.54HZ，(K)點波形見圖8。第二基波振蕩器與開關電路合為一體，由三極體(42)8550及(46)8050組成互補自激多諧振蕩電路，振蕩頻率由電阻(43)330K，(44)1K及電容(45)0.033μF來決定，這裡振蕩頻率設計為100HZ，(L)點波形見圖9。電阻(41)10Ω，可控制開關管(46)的導通電流。因為是用電容降壓，本身就有限流的作用，因此限流器［E］可以取消。這樣整機成本可降低，但其輸出電壓及電流都固定，只能專供一種類型的電池充電使用，如要用於其他型號的電池，可改變(29)及(30)之值，即可改變充電電流的大小。本例附圖7的數據為提供R6或LR6型電池二節(51)充電用，充電電流為50mA。電感(48)取1mH，作用是產生一個幅度較高的反峰尖脈衝，(M)點波形見圖10，(47)10Ω是阻尼電阻。(38)為發光二極體，除與IC(39)配合振蕩外，還起著一個指示燈的作用。耦合電容(40)取1μF／16V。充電時(O)點的波形見圖11。(50)為定時開關［F］，因不屬本實用新型保護範圍，故在本例及下一例三中均作省略，實施者可在現有技術中任選一種使用。
其他元件及作用同例一。
實施例三見圖12本例是專門為使用5號(R6、LR6型)電池的可充電電筒而設計的電路，整個線路就密封在塑料電筒殼內，電筒尾端有個兩腳電源插頭(52)，充電時直接插在電源插座上。第一基波振蕩器由BTS型閃爍二極體(67)及其限流電阻(66)180Ω組成，其振蕩頻率為2.5Hz，(Q)點波形見圖14。第二基波振蕩器由單結管(62)2N4870(塑封)及外圍元件電阻(60)22K、電容(61)0.22μF、電阻(63)10Ω、(64)100Ω構成，振蕩頻率為156Hz，(P)點波形見圖13。三極體(69)8050單獨構成開關電路，電容(68)2.2μF為耦合電容，隔離電阻(65)取1K，電感(70)取1mH。未充電時總輸出(R)點波形見圖15，充電時(S)點波形見圖16。因為是用電容降壓，本身就有限流作用，因此限流器［E］可取消。改變電容(53)之值可改變充電電流的大小。本例充電電流為50mA，(53)用1μF／400V滌綸電容。(54)為(53)的洩放電阻，用500K。
整個電路密封在電筒塑料殼中，為了減少體積，降壓電容只使用一個，即(53)，整個電筒的外殼無外露金屬件，因此在充電時仍是安全的。(56)及(72)為普通整流二極體，可用2CP型或1N4001型。定時開關［F］有很多現成的線路可供採用，這裡不再作介紹。
其他元件作用同例二。
以上三例，可說得上是最簡單最實用的設計，此外還可採用全集成化的線路，但成本會高一些。總之，掌握了前述介紹的原則和方法就可設計出千變萬化的實用電路來。
權利要求1.一種電池高速充電器，其特徵是這是一種由第一基波振蕩器[A]及第二基波振蕩器[B]和電子開關[C]組成的「掀浪式多波群脈動電壓源」，電子開關[C]並聯(或串聯)在直流電源正、負極的兩端，第一基波振蕩器[A]及第二基波振蕩器[B]各自產生振蕩頻率不同的兩種脈動電壓，然後同時加入電子開關[C]的輸入端，以它們所合成的多波群脈動電壓去控制電子開關[C]的啟閉，以[C]的分流(或阻流)作用，使直流電流源輸出端(Ⅰ)流向被充電電池的電壓，按開關[C]輸入端的綜合波形相應地大幅度波動，令其電流按指定的規律脈動地注入到被充電的電池中。
2.如權利要求1中所述的電池高速充電器，其特徵是第一基波振蕩器［A］及第二基波振蕩器［B］是由電子元器件組成的振蕩頻率各不相同的電振蕩器，第一基波為1至50Hz，第二基波為55至1000Hz，這兩個振蕩器的輸出端都同時加入到電子開關［C］的輸入端中。
3.如權利要求1中所述的電池高速充電器，其特徵是電子開關［C］是由電子開關元件構成的受控電子開關，其輸入端同時連接在振蕩器［A］及振蕩器［B］的輸出端上，其輸出端可以與直流電源並聯(分流式)，也可以與直流電源串聯(阻流式)。
專利摘要一種專門為一次性電池而設計但又適用於各種類型電池使用的高速充電器，這是一種由第一基波振蕩器[A]及第二基波振蕩器[B]和電子開關[C]組成的「掀浪式多波群脈動電壓源」，在充電原理上本充電器與傳統的充電方法有很大的不同，使用本充電器可使充電反應高速激烈而又安全地進行(不會發熱，不怕超壓、不怕過充)，因此能大大縮短二次性電池的充電時間，還能使一次性乾電池的充電成為可能，可以將一次性鹼性錳乾電池(LR型)變成準二次性電池。
文檔編號H02J7/10GK2133982SQ9120803
公開日1993年5月19日 申請日期1991年5月7日 優先權日1991年5月7日
發明者陳樞 申請人:陳樞