充電器和充電器自動調節操作過程的製作方法
2023-12-02 01:15:01 9
專利名稱：充電器和充電器自動調節操作過程的製作方法
技術領域：
本發明涉及充電器的自動調節過程和相應的一種充電器。
已知有一些充電器可調地對具有不同標稱電壓的蓄電池和/或可充電電池，尤其是NiCd(鎳鎘)或NiMH電池進行充電。在此情況下，為了獲得上述提及的可調性但不用根據待充電電池的標稱電壓對充電進行手工改變，則只能接受以下事實，即如果蓄電池的特定標稱電壓大於或小於充電器特定的平均標稱電壓範圍，那麼這樣的蓄電池是不會得到最佳充電的。
眾所周知，這樣的充電器可以有監視單元，包括例如Telefunken所出售的U2402B型集成電路之類的充電控制器。該充電控制器通過監視充電電壓來監視充電過程的時間特性並且以適時方式中斷充電過程。為了控制充電過程，一般對二階時間導數進行監視，這通常稱作「梯度監視」(gradient monitoring)，使得通過監視充電電壓在時間上的變化可能清楚地檢測到結束充電和維持充電範圍。
如果這樣的監視用於具有不同標稱電壓的可充電蓄電池上，則必須對瞬時充電電壓進行監視，該瞬時充電電壓根據待充電電池的標稱電壓而在一個大的範圍內變化。
此外，已知電子監視單元通常設計用來監視受監視信號的特定範圍，在此範圍中監視可靠性是最佳的。如果待監視信號位於該最佳範圍邊緣區域或落於其外，那麼監視功能將在一定程度上得到實現，但精度降低。
本發明的一個目的在於一致地以最佳速率對具有不同標稱電壓的蓄電池充電。
根據本發明的過程，通過在充電過程中持續地或以特定時間間隔測量充電電壓，可以決定待充電電池的理論的標稱電壓。通過對經放大或衰減進行監視的信號的加權，該被監視信號變化到一個適於監視的信號範圍。由充電過程開始時所做測量而得出的假設應最好地由後續的測量進行檢查，並且如果必要的話進行修正。
通過對充電電壓重複或持續的測量並且根據相應測量結果決定加權因子，可以對充電過程開始時不正確估計的標稱電壓進行修正。例如，如果具有相對高標稱電壓的電池被深度放電，那麼就可以判定在最初其具有低的標稱電壓，但這個判斷將在其後測量的基礎上得到糾正。因此，建議充電過程使用靈活的裝置來判斷待充電電池的標稱電壓，由此確保每一情況下充電過程最佳進行。
在本發明過程的進一步改進中，建議採用可控電流源實施充電過程並且在充電過程開始之時測量充電電壓，由此在開始時預定充電電流。根據這類測量結果，對待充電蓄電池的容量(Ah)進行識別並相應地設置可控電流源以供進一步充電過程用。優選地，它如此實現，即根據識別出的容量，激勵預定的充電電流對時間過程，藉助於在充電電流電路負反饋迴路中相應的命令或標稱可變過程以可控電流源作為調節件。
上述目的可通過充電器進一步得到解決。
本發明的這些和進一步特徵在參考下文說明和附圖之後將一目了然，其中
圖1是根據本發明的充電器的功能單元/信號流圖；圖2是根據本發明的充電器的受控加權單元圖；圖3是根據本發明的充電器的功能方框圖；圖4是根據本發明的充電器的詳細電路圖；圖5是根據本發明的充電器電路板的頂視圖，其上有分立元件；圖6是包括充電電流控制的充電器的功能單元/信號流圖；以及圖7是包括充電電流控制的充電器的功能方框圖。
參照圖1，端入端交變電流V1e經AC/DC變換器1變換成DC電壓U1a。經轉移單元3，充電輸出5被饋以充電電流I，轉移單元3將在下文解釋。一個可充電蓄電池7被連接至充電輸出5。一個操作開關9接通/斷開充電過程。
信號U11e被提供在監視單元11的一個輸入E11L處，信號U11e是在蓄電池7充電期間出現在充電輸出5之間的充電電壓UL的函數。監視單元11最好通過跟蹤充電電壓UL的時間特性來監視充電過程。當達到或滿足某個給定標準時，監視單元11通過向操作開關9發送一個輸出信號，使開關9從使能或閉合位置變為禁止或開位置而結束充電過程。
優選地，由監視單元11決定U11e的二階導數d2U11e/dt2。當該導數值，按照梯度監視方法，達到終止充電狀態時，就檢測到相應的維持充電狀態。因此充電過程中斷，如前所述。
如同圖1示意表示的那樣，在監視單元11方框中，上述提及的導數值僅在一個預定帶或信號範圍M內可以被最佳確定。求導結果信號由比較器調節至範圍M，這些比較器檢測被監視信號何時達到預定值。如果待充電蓄電池7相對於範圍M顯示出低的標稱電壓UL，那麼電壓UL將導致產生一個位於測量範圍M外的受監視信號；對於具有高的標稱電壓的蓄電池也如此，如圖所示。
在檢測單元12檢測到充電電流I的開始之時啟動時間控制單元13。充電電壓UL由積分單元15在一個時間段上進行平均，該時間段可由時間控制單元預置。
該平均充電電壓控制信號經保持單元17饋至加權單元19的控制輸入S19。將平均充電電壓控制信號提供給加權單元，例如，第一次在充電過程開始時。控制單元13通過圖中示意的經保持單元連接至控制輸入的開關單元21允許/禁止控制信號往加權單元的傳遞。提供給加權單元19的控制輸入S19的控制信號使加權單元19對電壓信號UL放大或衰減以將信號U11e變換進監視單元11的測量帶或信號範圍M中。通過將信號U11e變換到到監視單元11的測量帶或信號範圍M中，總可以對充電電壓特性進行最佳監視，而不必考慮待充電的蓄電池的標稱電壓。
由於電池的放電狀況至今還屬未知，充電電壓UL，它作用於控制單元13上並且在充電過程開始時確定，該電壓不必準確地標識蓄電池的真實標稱電壓。例如，如果蓄電池7被深度放電，首先由加權單元19進行加權，這將受監視信號變換到測量帶或信號範圍M中，就好象蓄電池幾乎沒有放電但標稱電壓較低。因此優選由積分單元15以固定重複的間隔對提供給加權單元輸入S19的平均充電電壓進行重新計算。將重新計算的控制信號以固定間隔提供給加權單元19將改變加權或比例因子K以與隨著充電過程進行充電電壓UL發生的變化相一致。因此加權因子K被周期性地調節和修改。其結果是受監視信號U11e保持在測量範圍M中間，該信號隨後與電池7的正確標稱電壓一致。這在受監視時間階段直至下文將說明的充電過程結束的過程中尤為重要。保持單元17將電流平均電壓控制信號提供給加權單元輸入S19。保持單元17所提供的控制信號與加權因子K一樣保持不變，直至由積分單元15確定或計算一個新的控制信號並將它經開關單元21提供給保持單元17。
可以理解的是，加權因子K的調節可以在充電過程的預定時刻、以預定時間間隔或者在充電過程中持續地進行。這由下列事實可以看出，由於時間控制單元13控制著開關單元21，從積分單元15到加權單元輸入S19的信號連接之間的間隔可以儘可能地短。同樣也可能由加權單元輸入S19經一個低通濾波器直接與控制信號輸出連接，如圖1虛線所示，以便向加權單元19持續提供UL信號。
圖2給出加權單元19的一個優選實施例，其特徵是極簡單。如前所述，充電電壓UL施加於平均單元15，後者繼而經開關單元21向加權單元19提供一個平均電壓控制信號。充電電壓UL經開關單元21被提供給比較單元23。開關單元21由時間控制單元13控制，並且，如果需要，在單元15進行平均。正如所示意的，比較單元23確定輸入信號屬於三個電壓範圍Ba、Bb、Bc中的哪一個。這些範圍通過對比較器切換限制(未示出)進行定義而被確定。相應於輸入電壓的比較器級分別產生一個輸出信號A23a、A23b、A23c。每個輸出A23a、A23b、A23c分別與開關單元25a、25b、25c相連。根據輸出A23a、A23b、A23c中哪個被激勵，對相應的開關單元25a、25b、25c激勵。這樣充電電壓UL被切換至分壓單元27，它將相應的電壓分壓器值和每個開關單元25a、25b、25c聯繫起來。分壓器的輸出經輸入E11L的解耦開關單元26a、26b、26c連接至監視單元11。相應的開關單元25a、26a；25b，26b；25c，26c幾乎是同時動作的直至在計時器單元13控制的時刻，由比較單元23的輸入信號激勵輸出A23a、A23b、A23c中的另一個。
參照圖2，很明顯時間控制單元13可以以高的重複頻率重複地對開關單元21、25和26以及積分單元15進行控制。這樣，如果本地振蕩器用作時間控制單元13並且，可選地，如果不使用積分單元15，如權因子可由適當的分壓值持續調節。
在一個較佳實施例中，分壓器單元23是在商標E2POT工作手冊下由XiCor(Elektronische Bauelemente Bohnirainstrasse 11，CH-8801Thalail)製造和銷售的那類數字分壓器，即AVNET E2000AG，其中第1至16頁在這裡作為本說明書的參考並且作為本說明書的附錄A收入。
在圖2所示較佳實施例中，開關單元25和26可由模擬開關實現。分壓器單元27實現為一個集成電路。提供給輸入E11L的電壓，在每個情況下，相對於充電電壓UL減小，以便根據圖1的測量範圍M在被設計時考慮待監視的最小充電電壓。
圖3給出迄今解釋的本發明的詳細信號流和功能方框圖。AC電壓U1e被提供給一個由LC濾波器組成的帶通濾波器41，然後在整流器單元42上整流。濾波器41和整流單元43在圖3用虛線框出，形成如圖1所示的AC/CD變換器1。然後DC電壓信號U1a從整流器單元43的輸出端被提供給發射單元45處的變換高頻發射器的初級端。變換發射單元45的初級端信號被MOS-FET斬波器單元47以80KHz的脈衝重複頻率f27經由一個歐姆性負載斬波至參考電位，該斬波單元47具有受控的佔空周期。斬波單元47的佔空周期由控制單元51控制，它來自AC/DC轉換器1的輸出電壓U1a。
變換發射器45的輸出信號在整流單元53處被整流，然後由濾波單元55加以平滑。發射單元45、斬波器單元47、負載單元49、斬波器控制單元51、整流單元53、濾波單元55形成一個可控直接電壓源60，在圖3中以虛線畫出，它是圖1所示轉移單元3的一部分。至控制單元51的控制輸入S51控制斬波器單元47的進而是輸出電流I的斬波佔空周期。
電流源60的輸出A60被提供給用於和待再充電的蓄電池7相連的一個充電輸出端5(見圖1)。充電單元的第二個輸出端5經電流測量單元67連接至參考電位。在電流源60輸出端A60處的充電電壓UL被提供給加權單元19b。加權單元19b如圖2構造。
由於清晰緣故未表示在圖3中的有時間控制單元13、開關單元21、平均值形成單元15、比較單元23、開關單元25和26以及分壓單元27。
在加權單元19b的輸出端信號U11c被提供給監視單元11a的輸入端E11L，監視單元11a優選為集成充電控制器IC，特別是Telefunken製造的IC U240 2B。輸入端E113相應於上述IC的「sense UBATT」輸入端。
電流測量單元67的輸出A67被提供給比較單元73，並且，在使用上述IC並且在該IC中包含比較單元73的情況下，被提供給其「SenseI-charge」輸入。
預設單元的輸出信號也被提供給比較單元73。在預設單元74中，對充電電流標定或標稱值進行調節，單元74的輸出信號被饋給比較單元73作為標稱信號W。在電流測量單元67的輸出端A67處的信號被提供給比較器73作為所測的實際值信號X。在比較單元73的輸出端處產生一個負反饋控制差值信號Δ。差值信號Δ經光耦合單元71電流解耦並且被提供給控制單元51的控制輸入端S51。
來自預設單元74的標稱信號W由一個參考電壓發生器79的輸出信號產生，該發生器79由一個穩定參考電壓源形成。將AC電壓U1e經變換發射器83並且經單獨的供電電路81向發生器79饋送。
溫度測量單元86，優選以NTC電阻器形式，被熱耦合於待充電蓄電池7，並且附著於用於待充電蓄電池7的支承器85上。來自溫度測量單元56的與溫度有關的輸出信號A86被提供給監視單元11a作監視用。
為了檢測蓄電池7實際上是可充電電池還是不可充電電池，優選地在支承器85內提供一個檢測器87。檢測器87根據電池外殼的特殊標誌，例如條形代碼或者外殼的特定機械外形，例如凹槽來識別充電過程是否允許。檢測器87激勵/抑制充電操作開關9，該操作開關9表示在圖1但未表示在圖3中。
同樣可能讓檢測器87直接發送必要的監視數據、和/或控制信息到監視單元11a，或到用於直流電壓源(direct voltage source)60的控制單元，如果相應的信息被提供在待充電電池上的話。
圖4給出根據本發明原理構造的、示於圖3的充電器的電路圖。
下面是分立電子元件值清單
電阻R01 10KΩ R14 10KΩ R2710KΩR02 10KΩ R15 8Ω R28 16KΩR03 2.7KΩ R1622Ω R29 3.3KΩR04 12KΩ R17 47Ω R30 0.01ΩR05 82Ω R18 47Ω R31 10KΩR06 22Ω R19 10Ω R32 100KΩR07 10KΩ R202.2KΩ R33 820ΩR08 1KΩ R21 56KΩR34 1.5KΩR09 4.7Ω R2210KΩR35 510ΩR10 470KΩ R23470KΩ R362.4KΩR11 56KΩ R24 2.2KΩ R37微調電阻2KΩR12 0.39Ω R2515KΩR43電阻56KΩR13 10KΩ R26 6.8KΩ電容C010.47μFC10 4.7nFC19 220μFC021nFC11 100nFC20 1μFC031nFC12 470pFC21 470nFC04150μF C13 1nF C22 10μFC054.7F C14 1nF C23 1nFC064.7F C15 1nF C24 22μFC07100μF C16 1nF C25 22nFC08100nF C17 1nF C26 220μFC0910nF C18 1nF C27 100μFC28 22μF
二極體D01二極體DF-01M D08 Z-二極體ZPD22D02二極體1N4007 D09 二極體1N4148D03二極體1N4148 D010 LED二極體綠D04Z-二極體ZPD22 D011 LED二極體紅D05二極體RGP 15MD012 二極體KBU 4KD06二極體RGP 15MD013 二極體1N4007D07二極體BYW 99PI-200/FEP 30DP集成電路IC1SGS-THOMSON UC3842N IC5SIEMENS CNY17F3IC2ITC 9504-A TO1SGS-THOMSONIC6ITC-AR 9509-AR 功率 MOS-FET SDS-DE1E-MIC3SGS/NATIONAL LM358AN REL1 SDSIC4SGS/NATIONAL LM78LO5電感L01 TIMONTA 線圈2X27 HY-DFKY，2-31-1.4-27AL02 HARTU扼流圈 200025-14-10.0A/250V，0,30MH/GKK變壓器TR1 變壓器 鐵氧體 PG3-2/30-H7C4TR2 變壓器 220V/12 V-1.5，VA-50-60HZ保險絲F1 保險絲 1.60 AT
圖5給出實現根據圖1-4充電器的印刷電路的頂視圖。
採用根據所述本發明的充電器，可以對標稱電壓範圍在1.2V和14.4V之間，並且優選地在2.4V和14.4V之間的電池，用大約7.6A並且以一個最佳速率充電約10分鐘。
在構造實現的一個優選形式中，所有處理低電平測量、監視等等信號的連線和電子元件在一個電路板上組成一個低電平模塊。所有處理較高值電流和電壓的元件和連線實現在第二塊板上作為第二模塊，並且兩個模塊以可移動方式聯繫。它的好處在於對電路的進一步改進和修正，主要是針對低電平信號處理的，可以在易於互換的模塊之一上實現，而使得高電平電流模塊不需。因此低電平模塊優選地以厚膜技術實現。
到現在為止對本發明的過程的解釋集中在將充電器最佳調節到待充電蓄電池的不同標稱電壓。現在考慮蓄電池的不同容量(Ah)對根據本發明的充電器、和/或過程作進一步改進。這將藉助於圖6進一步解釋，該圖基於圖1的展示，給出該進一步改進的主要原理。
如圖6所示，充電電壓UL被提供給微分單元90。在微分單元90的輸出端A90處，產生信號的電平依賴於UL對時間t的變化。與平均值形成或積分單元15類似，提供一個平均值形成單元92，該單元在時間控制單元13控制的時間段內形成微分結果的平均值。
由時間控制單元13控制，開關單元94將微分後的信號的平均值結果切換到存貯單元96。將饋給單元96的信號表示為U。根據信號U的值，(例如相應於在預定時間段上確定的充電電壓UL的初始上升)，單元96激勵一個預定充電電流特性函數Ix(t)，該函數在傳輸單元3經其控制輸入端S60a控制一個可控制電流源60a。因此，根據正充電電池7的容量，它由UL一時間導數定義，特別是從初始充電特性可以得出一個結論，並且相應地在電流源60a處一個最佳充電電流時間特性被控制，該電流可能是一個恆定的充電電流。
如果考慮圖3所示實施例並使用上述提及類型的充電控制器IC作為監視單元11a，那麼可以清楚看到根據圖6的改進可能通過將用於控制電流源60處充電電流的調節單元74(圖3)更換為根據圖6的帶有單元96的控制而直接實現。
圖7示意了基於圖3實施例根據圖6的一個改進。
在圖7中，充電電壓UL被饋給電池識別單元98，該單元包括圖2所示單元15、21、23，圖6所示單元90、92和94，以及圖1所示控制單元13。在識別單元98的輸出一側，根據圖2有被提供給加權單元S19b的信號19b，以及根據圖6提供給充電電流過程選擇單元96的信號U。
權利要求
1.根據待充電蓄電池特性自動調節電池充電器的過程，包括步驟—提供充電電流以對所說電池充電；—在所說充電步驟中檢測所說電池的電壓；—根據所說檢測電壓對一個第一控制信號用一個可控加權因子進行加權；—根據所說檢測電壓在所說充電步驟中的至少一個時間間隔內使用所說檢測電壓來形成一第二控制信號；—用所說第二控制信號控制所說加權因子；—對所說直接控制信號監視並且產生一個監視結果信號；—使用所說監視結果信號來調節充電電流並且由此調節所說電池的充電。
2.根據權利要求1的過程，其中所說第二控制信號持續形成。
3.根據權利要求1的過程，其中所說第二控制信號在離散的時間間隔處形成。
4.根據權利要求1的過程，進一步包括步驟—提供一個可控電流源，所說可控電流源提供充電電流給所說電池；—在充電操作的開始預先確定所說電流源的輸出電流；以及—將所說充電電流調節為所說第二控制信號的函數。
5.根據權利要求4的過程，包括使用負反饋來控制充電電流使之遵循一個標稱信號、並且調節所說標稱信號成為所說第二控制信號的函數。
6.對蓄電池充電的裝置，包括—一個AC到DC變換器，所說變換器的一個輸入端可操作地連接於所說裝置的AC輸入端，所說變換器的輸出端可操作地連接於待充電電池的充電輸出端；—一個監視單元，所說監視單元的輸入端經包括一控制輸入的可控加權單元可操作地連接於所說充電輸出，所說控制輸入可操作地連接於所說充電輸出。
7.根據權利要求6的裝置，進一步包括一個控制時間段的計時單元，在所說時間段內所說控制輸入端可操作地連接於所說充電輸出。
8.根據權利要求6的裝置，其中向所說控制輸入端持續提供與在所說充電輸出端處電壓有關的控制信號。
9.根據權利要求6的裝置，其中所說監視單元包括充電控制器集成電路。
10.根據權利要求6的裝置，其中所說加權單元包括一個可控的可調節的分壓網絡。
11.根據權利要求6的裝置，其中所說加權單元包括一個數字可控的分壓器。
12.根據權利要求6的裝置，其中所說控制輸入經一個比較單元可操作地連接於所說充電輸出，所說比較單元包括至少兩個級，其中如果在所說充電輸出處的電壓值位於特定級信號範圍內，那麼所說級的每個產生一個輸出信號。
13.根據權利要求6的裝置，其中在所說AC到DC變換器的輸出和所說充電輸出端之一之間連接一個可控DC電流源，並且其中所說電流源的一個控制輸入可操作地連接於所說充電輸出端。
14.根據權利要求13的裝置，其中所說充電輸出端可操作地連接於微分單元，所說微分單元的一個輸出信號可操作地連接於所說電流源的控制輸入端。
15.根據權利要求14的裝置，其中所說微分單元的輸出端可操作地與一個選擇單元的輸入端相連，所說選擇單元根據所說微分單元的輸出信號可操作地選擇至少一個存貯信號值或信號時間過程，所說選擇單元的輸出可操作地連接於所說電流源的控制輸入端。
16.根據權利要求15的裝置，其中所說選擇單元產生一個輸出信號，所說輸出信號作為一個標稱信號饋給負反饋控制迴路用作充電電流，所說負反饋控制迴路包括所說電流源作調節件用。
17.根據權利要求6的裝置，進一步包括在所說AC到DC變換器的輸出端和所說充電輸出端之一之間連接的可控DC電流源，所說可控DC電流源包括佔空周期可調節的斬波單元用於對所說電流源的輸出電流進行調節。
18.根據權利要求6的裝置，進一步包括電流測量裝置和電流選擇單元，所說電流測量裝置經待充電電池可操作地連接於充電電流迴路，所說電流測量裝置的一個輸出端可操作地與微分形成單元的第一輸入端相連，所說電流選擇單元的一個輸出端被連接於所說微分形成單元的一個第二輸入端，所說微分形成單元的一個輸出端可操作地連接於充電電流產生源的一個控制輸入端。
19.根據權利要求6的裝置，其中對於蓄電池，其標稱電壓大於或等於1.2V並且小於或等於14.4V，充電時間段基本上相同。
20.根據權利要求19的裝置，其中對於標稱電壓大於或等於2.4V並且小於或等於14.4V的蓄電池，所說時間段基本上相同。
21.根據權利要求19的裝置，其中所說充電時間段大約為10分鐘。
22.根據權利要求6的裝置，進一步包括溫度測量裝置用於測量待充電蓄電池的溫度，所說溫度測量裝置的一個輸出端可操作地連接於所說監視單元和充電電流源的控制輸入端之一。
23.一種蓄電池的充電裝置，包括—用於固定待充電蓄電池的支承器；—鄰近所說支承器的檢測器裝置用於檢測待充電的所說蓄電池的特性，所說檢測器單元的一個輸出端操作性地連接於至少一個充電過程初始化開關以及用於監視充電操作的監視單元。
24.根據權利要求23的裝置，其中所說檢測器裝置檢測所說蓄電池的光學特性。
25.根據權利要求23的裝置，其中所說檢測器裝置檢測所說蓄電池的機械特性。
26.根據權利要求5的裝置，其中一個第一模塊處理相對高電平充電信號並且一個第二模塊處理相對低電平控制和測量信號，第一和第二模塊為可移動式互連。
全文摘要
本發明公開了一種充電器及其操作調節過程。該充電器包括一個AC到DC的變換器，以及一個監視單元。該變換器的輸入端可連接於所述充電器的AC輸入端，而輸出端則可連接到待充電電池的充電輸出端；而監視單元的輸入端經包括一個控制輸入的可控加權單元可連接於充電輸出，而控制輸入端可連接於所說充電輸出。
文檔編號H02J7/10GK1154589SQ9612282
公開日1997年7月16日 申請日期1996年9月28日 優先權日1995年10月2日
發明者P·懷斯, A·菲斯勒, C·邁耶 申請人:英比克斯·派屈克·懷斯