CN1104075C - 用于电池快速充电的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用一个输入端连接到电源的电池充电器为电池快速充电的方法和装置，用电池充电器向电池提供交变的充电和放电脉冲。紧接在充电脉冲之前使电池部分放电，在为电池提供充电脉冲之前降低电池的阻抗和电压。紧接在电池放电之后向电池提供充电脉冲，在充电脉冲期间提供给电池的电荷量大于在放电脉冲期间从电池中排泄的电荷量。在充电脉冲之后和向电池施加后续的放电脉冲之前有一个间歇周期，让电池能部分地稳定下来。

Description

用于电池快速充电的方法和装置

相关申请的交叉参考

本申请依照Title 35，U.S.C.ξ119(e)要求享有1997年1月7日提交的名称为“IMPROVED METHOD AND APPARATUS FOR RAPIDLY CHARGINGAND RECONDITIONING A BATTERY”的美国临时专利申请第60/034,921号的优先权。

技术领域

本发明一般涉及到用于电池充电，生成和整修的装置。更具体地说，本发明涉及到用于电池快速充电和/或整修的方法和装置，它可以提供特别的分段顺序，这其中主要包括充电脉冲，放电脉冲，例如在电池上施加一个负载，以及等待或是间歇周期。

背景技术

电池普遍被用来为各种各样的用途提供直流(dc)电源的电能。电池一般都是由组装在一个共同的容器中并且在电路上连接的许多电池构成的，用来提供特定的dc电源。例如，四个额定值为1安培(amp)的1.5伏电池串联连接后可以提供一个额定值为1amp的6伏dc电源。电池也可以并联连接，例如，四个额定值为1amp的1.5伏电池并联连接后可以提供一个额定值为4amp的1.5伏dc电源，或者是采用组合的串联-并联方式。电池包括两个电极，其中之一连接到正端子，而另一电极连接到负端子，将它们作为电流进、出电池的导体。电极或是板的周围是一种电解液，它对电极的作用方式取决于用来构成电池的材料的性质。

电池可以是原电池或是二次电池。本发明基本上仅仅涉及到二次电池类型的电池，可以通过在与放电方向相反的方向上强迫电流通过电池而进行充电。用电池存储电流，电池的存储容量大体上是按照安培-小时容量来定标的，也就是说，电池可以在两小时内不间断地提供10amp的平均电流，电池在此时间结束时因达到一个低电压限制而完全放电，这一电池额定容量就是20(10×2)安培-小时。如果放电的速度较快，例如是一个小时而不是两个小时，电池的额定容量就比较小。

从最简单的意义上来说，电池充电是通过向电池提供电流，从而使极板电离成相反的电位(电压)而完成的。对于线性充电器来说，这是通过使用比电池的最高剩余电压稍高一点的充电电压来完成的。最基本的充电器类型通常很少考虑到调整电流或是电压。电池仅仅是被充到其最高的电位。这样做虽然很慢，并且没有考虑到电池随着时间的均衡，但却是可行的。当电池最低时，流过的电流最大。如果将电池的充电时间划分成五段，第一时间段将完成电池充电的70％，下一时间段达到90％，而剩下的三个时间段逐渐达到100％。

在对电池充电时，使用的充电电压应该仅仅是稍微高于满电池电位。这是因为更高的电压将经使电池的电解液排泄而不能存储。无处存储的能量被转变成热量。粗略地估计，这部分能量是(Ec-ER)xIc＝Pw，其中的Ec是充电电压，ER是电池剩余电压，Ic是充电电流(安培)，而Pw是浪费的功率(瓦特)。这一Pw由于不能被电池吸收而转变成了热量。更先进的充电器采用了脉冲技术，用较高的电压向电池传送能量脉冲。但是，这样做不但不能提高速度，还会因为使内部的电解液发热并逐渐气化而使电池逐渐损坏。

另一种途径是使用恒定的电流源，假设电池能够在任何时候承受设定的电流量。此类充电器是通过自动调整电压来调整电流的，从而获得预定量的电流。电流的量是设计的因素，而不是电池的电压。然而，其效果却并不理想。如果对电池能够承受的量估计过高，电池就可能无法承受这一电流。通过提高充电电压而随时对充电器进行补偿。电池发热，热量会进一步加重这种情况，使电池变得更难以进一步充电。如果这种循环无限制地持续下去，就可能造成电池的损坏。

在充电过程中，极板发生电离，负离子流向正极板，正离子流向负极板，这样就会妨碍离子向极板的进一步迁移，因而妨碍了电池的进一步充电。随着电池中充电电荷的增加，阻抗形式的电阻在电池中逐渐增大。先进的电池充电技术是在充电脉冲之间间歇地施加放电脉冲，使电池的极板去极化，以期更快地为电池充电。放电脉冲从极板上间歇地带走离子，以便使额外的离子流动，在后续的充电脉冲期间向极板传送额外的电荷。

在给定的充电脉冲期间，电池的电压在充电脉冲结束时是最高的。现有技术的电池充电器是在充电脉冲之后施加放电脉冲，在电池处在其最高电压电平时使电池去极化，使电池为后面的充电脉冲做准备。在美国专利US4,829,225(Podrazhznsky)中公开了一种此类的现有技术电池充电器，其中的放电脉冲紧接在充电脉冲后面。在充电和放电脉冲之间采用等待或是间歇周期，用来在充电期间稳定电池，这一点对于镍基的电池是极为重要的。充电，放电以及等待的周期大致是数十秒到几秒的范围。施加在电池上的负载通常是采用去极化脉冲的形式，其电流等级和充电脉冲的电流等级幅值相同或是稍大一点。一般来说，充电脉冲要比负载或是去极化脉冲的持续时间长得多。间歇周期或是稳定周期的持续时间通常要大于负载或是去极化脉冲的持续时间。

充电或是负载的幅值，充电的持续时间，负载，间歇阶段，以及这三个阶段的具体顺序是根据需要充电或是整修的电池的具体类型来确定的。另外，在对电池进行充电或是整修的过程中可以改变这些阶段的顺序，幅值，以及持续时间。总地来说，在负载条件下对电池进行测量，确定电荷的电平，以便对电池进行更精确的测量，以免由于电池的阻抗和输送的电荷而出现误差。

普通的电池充电器仅仅是提供稳定的电压，使电池的极板缓慢地电离。这样做的问题是电池不能吸收所有输送的能量，并且充电过程需要很长时间才能完成。一部分原因是由于强迫充电器提供比正常容量略高的一定的电压电平，而电池的静态电阻会产生一定量的电流。电流的大小对于工作的充电器来说总是过高的。另外，在充电过程中的各个时间点上，电池的电阻是变化的，进而会影响到电池的充电。如果向电池提供的功率超过了它能够吸收的功率，超过的量就会转化成热量而浪费。

有些先进的脉冲充电器在充电过程中采用了负载，充电和等待/间歇周期。尽管这种脉冲充电器将电荷“射入”电池，在电池两端测得的干线间的电压量并不是很明显。如果刚好在充电脉冲之前用负载使电池放电，干线间的电压就会增大，这样对电池造成的“冲击”更强。由于脉冲充电器采用了非线性的供电方式，不能将静态电池电阻作为一个因素。然而，电池阻抗是一个因素，并且会受到与脉冲充电器有关的频率和占空比的影响。

被称为wall-wart型充电器的现有技术的电池充电器存在的一个问题涉及到要充满一个电池所需要的时间量。这种公知的充电器通常需要持续充电12-24小时的时间才能完全充满一个普通的电池。这种结果很不理想，由于电池需要充电而延长了用电池供电的设备停机的时间，或者是需要购买和保存几个电池。

现有技术中存在的另一个问题是用现有技术的充电器充电的电池往往存在充电容量或是记忆量不断下降的不利影响，也就是所谓的“记忆效应”。在电池被多次充电之后，其充电容量逐渐下降。记忆效应是由于电池阻抗的不断增大会造成对充电的电阻增大。甚至使电池不能维持适当的充电状态，只能是丢弃或是整修。

发明概述

本发明提供了一种改进的电池充电器，它采用了一种改进的充电顺序，可以在充电过程中有效地改变电池的阻抗，促进电池对电流的接收能力。本发明的充电器提供的功率和电流刚好是电池能够吸收的量，这样就避免了无效的发热，更快地为电池充电，并且提高被充电电池的充电电平，同时逆转或者至少是避免由于阻抗不断增大所造成的记忆效应的负作用。本发明的电池充电器充分利用了一个恒定的电流源来提供稳定的电流，并且避免标准的住宅AC电源产生的冲击。

按照E＝IR的欧姆定律，它说明了电压E(伏特)等于电流I(安培)乘以R电阻(欧姆)。如果使用一个恒流源，电流就是已知的。通过提供所需的电流而产生电压。通过简单的代数运算就可以计算出电池的电阻。实际上，由于我们所考虑的情况是采用脉冲技术的波动电压，用另外的项目代替了电阻。用字母Z表示的阻抗来代替电阻R，其作用是等效的，上述公式也是等效的(E＝IZ)。

本发明的一个重要方面是降低电池的阻抗，允许用比较低的电压为电池提供同等的电流。在充电过程中，短而快的放电脉冲刚好在充电脉冲之前使电池的阻抗降低，用比较低的充电脉冲电压来提供同等量的电流。在电池被充电时，电池会保持在两个电压电平。一个是指定的电位。另一个属于具有较高电压的电容式副作用，但是在这一电压下几乎没有电流。通过计算但是最好是试验就可以确定放电脉冲的强度(或是所连接的负载的大小)，并且确定最好用多长的时间来消耗这一人为抬高电池阻抗的虚假电位。负载越重，阻抗就变得越低，但是有一定的限制；主要是在不损坏的条件下电池所能达到的能力。施加负载的时间越长，阻抗就变得越低，但是在这种情况下有一个递减的折返点。紧接在放电脉冲后面是一个恒流脉冲，并且充电实际上可以比理论限制超过一个小的百分数。最初的电流大小是由最大充电速度或是C来确定的。对于镍基的电池来说，最大充电速度大约是4C，这表示在4倍的电池额定电流条件下充电时间大约是15分。最佳的充电脉冲长度取决于放电脉冲对降低电池阻抗所起的作用。充电脉冲的持续时间基本上取决于电池的阻抗在何时倾斜上升到某一个点，过量的能量在该点以上就被浪费了。在实践中，这些最佳数据是通过精心的计算或者最好是试验而获得的。

可以利用测量的电压在最佳的时刻自动地停止放电脉冲和充电脉冲。遗憾的是，这样会妨碍充电器检测电池容量，从而确定应该在何时结束充电(这也是最重要的)的检测能力。然而，在这种结构中还可以利用关于充电脉冲的定时来确定应该在何时结束充电。例如，当充电脉冲变得异常短时，以及放电脉冲变得异常长的时候，就可以认为充电已经完成了。然而，这样做的另一个缺点是在某种程度上限制了充电器在没有这种功能时所具有的安培-小时的灵活性。没有这种方法，充电器仅仅需要考虑到电池的额定电压。有了这种方法，也能够对具有相同电压但安培一小时特性不同的大多数电池充电。

充电技术中的一个重要突破就是“脉冲”充电的理论。这其中包含按照特定的时间间隔切换充电电流的通、断，将较高的能量快速传送给电池。如上文所述，现有技术提出了应该在每个放电脉冲之后设置一个稳定等待周期，并且在充电脉冲之后施加放电脉冲。与此相反，本发明的电池充电器是大体上刚好在提供充电脉冲之前施加放电脉冲，最好是没有中间的等待周期，从而降低电池的阻抗和电压，使充电器能够在尽可能低的电压下按照恒流源的形式提供所需的电流量。为了提供定量的电流，电池的阻抗越大，所需的电压就越高。这种理论的基础在于电池仅仅能保持特定量的电压。为了提供最合适的电流，充电的电压应该很低。当电池电压很高时，额外的电流会使电池的电压进一步升高，造成电池“击穿”。其结果是大部分能量没有被储存，反而被转化成热量。在发出脉冲之前降低电池电压可以使电池储存所提供的能量，基本上消除了击穿的可能性。

本发明的一种形式是具有至少两个数字输出端的微处理器来控制电流源和负载源以及至少一个用来读出电池电压的A/D端口。在完美的充电器设计中，定时是另一个重要的因素。本发明采用两种不同的定时算法。其中之一是一个“等待”定时，通过循环一个计算的次数来消耗时间。因为是用晶体来控制微处理器的振荡器，等待程序中的定时是非常精确的。可以将等待时间定为按照20微秒递增。另一种等待程序是一种基本作业到时程序。用一个中断驱动的“瞬间”使到时变量递减。这种方式能够提供的到时增量是16,384微秒。这一时间可以用来调整整个的充电到时变量。用A/D端口“监视”电池的电压。端口的标度比例是11∶1。A/D端口所能达到的最高电压是5V，增量是1.95mV。按照这一标度，21mV的增量相当于55V。这种监视方式是非常精确的，并且提供了充足的范围，可以为大多数类型的电池充电。A/D端口可以在间歇，负载和脉冲期间对电压进行监视。电池拆除检测是根据恒流源将会试图向无限大的阻抗提供定量的电流，而电压则会达到其极限的事实完成的。当微处理器检测到过高的电压时，就知道电池已经被断开了。

最佳的充电特性取决于待充电的电池类型。对于不同类型的电池来说，要达到满充电状态，显示充电电平，以及接受充电的能力，所需要的条件是不同的。铅基的电池比较容易充电，并且可以充电到稍微超过1C定额的程度。铅基的电池在击穿状态下是稳定的，可以在间歇时测量电平，并且能够预测最高电压。针对铅-酸电池的算法采用了一种“充电分布图”，在100ms的充电脉冲前有一个2ms的放电脉冲。在脉冲之间几乎没有等待时间地重复执行这种分布图，直至达到“中间”电压或是达到一个零-增量-V，或者是到时。中间充电采用了4组充电/放电脉冲，具有25ms的等待时间周期，直至在负载和间歇电压上达到零-增量-V时为止。“结尾”充电仅仅工作两分钟，在每个充电/放电脉冲之间具有100ms的等待时间。然后还应该增加一个微电流充电，在充电/放电脉冲之间采用的时间量是500ms等待时间。

镍基电池的充电需要某些技巧，但是可以充电到4C定额。这些电池的电压在击穿时会变得不稳定，不能作为有意义的间歇电压值，并且其最高电压电位会随时间逐渐降低。基本的“充电分布图”包括6ms负载，300ms充电(max)，以及50ms间歇。充电器能够检测到击穿，并且能改进充电电平的检测方式。为此类电池充电的第一步是预测最长的充电时间量。这是通过为电池施加负载并且读出其电压来完成的。通过对电池施加200ms的负载并且读出电池电压而完成预测。这样就能粗略地估计需要多长时间。然后对电池充电，直至达到目标电压，或者是到时。充电分布图中有一些编码，用来避免击穿状态，并且在发生击穿时从击穿状态恢复。在提供放电脉冲的同时读出电池的电压。在提供充电脉冲的同时，如果电压达到了被认为是接近击穿的电平，就停止充电脉冲。为了加快恢复，采用了与达到接近击穿状态所需要的时间成反比的放电脉冲。如果发生击穿，放电脉冲不但无助于恢复，反而会起到相反的作用。用一个3秒的暂停渡过击穿。击穿会给电池拆除检测造成麻烦，因为处在击穿状态的电池看起来好象是已经断开了。

铅基电池生成的明显区别在于可以准确地知道电池的初始状态并且可以预测生成所需的的时间量。本发明的充电器采用标准的分布图(2/100)，在11/2小时中有1ms的间歇。在总共14个小时期间，间歇时间延长到50ms，而在另外121/2小时中连续生成。除非是为了进行状态监视/数据采集以及拆除检测工作，不需要读出电池电压。

同样适用于铅基电池和镍基电池的充电与放电时间的50∶1的比例部分取决于使用的负载类型，因此，它随着负载的变化可能会较大。负载的大小应该是电池能够承受的。通过延长负载时间就能延长脉冲时间，但是有一个递减的折返点，在此后不能通过延长放电时间来增加足够的额外充电时间。其目的是在充电和放电时间之间获得最大的比例。本发明的充电器所提供的比例是50∶1。该比例被认为是能量浪费最少的一种最佳关系。

按照一种形式，本发明的电池充电器采用的标准充电分布图包括一个2毫秒持续时间的负载或是放电脉冲，100毫秒持续时间的充电脉冲，以及一个可变持续时间的间歇或是等待阶段。放电脉冲的特征在于其放电速率的幅值大于充电脉冲，大约处在充电脉冲速率的2到5倍之间。然而，这些参数都是可以按照被充电电池的类型而改变的。放电，充电和间歇这三个基本元素可以共同编制成各种顺序的结构，用来实现一个完整的充电程序。具体的充电分布图也就是这三个充电元素的特定顺序可以根据电池在任意的给定时间点上的充电状态而改变。在各种条件的范围内可以将多种充电分布图组合在一起为电池充电，但是以上所述的是基本的充电顺序。在整个充电程序中随着充电电平的变化监视电池电荷的电平，可以相应地改变充电顺序。

给电池增大电流的过程类似于用水管向池塘中注水的过程，水注入速率越大，在池塘中形成的波浪就越高。池塘中的波浪类似于电池在充电过程中的不稳定作用，当池塘基本上被灌满时，波浪就会使水从池塘边上溢出。如果间歇地停止向池塘中注水，就能够使水平面稳定，减少溢出。在电池接近满充电状态时，电池对充电的阻力会加大，功率以发热的形式被浪费了，这样就会造成效率低下并且可能损坏电池。间歇或是等待周期至少能使电池部分地稳定下来。

例如分别是2毫秒和100毫秒的充电和放电脉冲的持续时间和幅值之间的关系对于改变降低的电池阻抗以便用最有效的方式为电池充电是极为重要的。在图3A中针对铅基电池充电器的基本或是标准的充电分布图是2毫秒(ms)的负载时间，100毫秒的充电时间，然后是1ms的间歇时间。在整个电池充电过程中基本上都是重复这种分布图。图3B的分布图表示一种典型的“微电流”充电顺序，如果电池的稳定是主要问题，就提供较长的间歇时间，以便在充电程序的下一阶段更充分地稳定被充电的电池。为了更加有效和快速地从完全放电状态直到完全充电状态为电池充电，可以改变标准的充电分布图。

在图5中所示的与镍基电池充电器相应的标准充电分布图具有6ms的放电脉冲，紧接着是200ms的充电脉冲，然后是50ms的间歇周期。在电池接近满充电状态时，为了能更加稳定，可以缩短充电脉冲并且延长间歇周期。

在电池的充电过程中，电池通过两种途径储存电荷。一种途径是在设计中让极板的一侧保持正或是负的离子。第二种途径是在两个金属极板相互靠近时具有的自然作用，这种自然作用会产生微量的电容。这种电容非常小，但是，在对电池充电的过程中，电容会形成负载，这当然会在一定程度上增大电池的阻抗。这种现象在使用线性充电装置时并不重要。然而，在使用诸如脉冲等非线性充电系统对电池充电时，电容就变成了一个很重要的因素。用放电脉冲消除天然电容就可以进一步降低电池的阻抗并且允许降低采用的充电电压。充电脉冲前面的放电脉冲靠得越近越好，因为放电脉冲和充电脉冲之间的等待周期都会使电池自然充电。这种中间的充电会使电压，电容和电池的阻抗上升，需要使用更高的充电电压才能产生所需的固定量的电流。

本发明的电池充电器最好是采用微处理器驱动的电路，利用固件和相关的接口部件来检测诸如电压等等电池的充电状态，并且按顺序执行充电分布图。本发明的一个优点是有益地采用了恒流开关电源来消除普通AC电源的尖峰所产生的副作用。本发明的电池充电器的另一个优点在于利用充电，负载和间歇阶段的幅值和持续时间之间的关系更加有效和快速地为电池充电。

在一个实施例中，本发明提供了一种用一个输入端连接到电源的电池充电器为电池快速充电的方法，用电池充电器向电池提供交变的充电和放电脉冲，该充电方法包括以下步骤：a)紧接在充电脉冲之前使电池部分放电，在为电池充电之前降低电池的阻抗和电压；b)紧接在电池部分放电之后向电池一充电脉冲，在充电脉冲期间提供给电池的电荷量大于在放电脉冲期间从电池中排泄的电荷量；c)在步骤b)的充电脉冲之后和向电池施加后续的放电脉冲之前等待一个间歇周期，让电池至少能部分地稳定；以及d)重复上述步骤。

在另一个实施例中，本发明提供了一种为电池快速充电的装置，这种充电装置包括一个适合用电路连接到电池上的输出。该充电装置进一步包括一个用来通过上述输出提供充电脉冲的充电脉冲发生器；一个放电装置，用来在上述输出上提供使电池排泄电流的放电脉冲，从而降低电池的阻抗；以及一个控制装置，用来交替地将放电装置和充电脉冲发生器连接到输出上，分别向电池交替地提供放电脉冲，充电脉冲，以及中性电位的间歇周期。按照预定的标准充电顺序对电池施加放电脉冲，充电脉冲和间歇周期，其中的放电脉冲是紧接在充电脉冲之前提供的。

本发明的一个优点是提供了一种快速的电池充电器，与现有技术的电池充电器相比，它可以在很短的时间内使电池达到满充电状态。特别是本发明的电池充电器能够刚好在充电脉冲之前降低被充电电池的阻抗，从而提高电池对电流的接受能力，使电池能够在降低电压电平的条件下接收较大的电流，减少或是消除发热现象，并且能更快地为电池充电，而不会对电池的状态造成不利的影响。现有技术的电池充电器需要12-24小时才能完成电池的充电，而本发明的充电器仅仅需要45分钟到一小时。由于采用了快速开关的半导体元件来代替达林顿晶体管来执行充电顺序，效率得到了改进，特别是减少了工作中发热的现象。

本发明的电池充电器的另一个优点是被充电的电池不会形成记忆效应，即使是在反复充电之后仍然能够保持其满充电容量。本发明的电池充电器可以在充电过程中有效地整修电池，并且大大延长电池的寿命。本发明的电池充电器可以适用于各种各样尺寸和型号的电池，诸如铅电池，镍电池等等，这其中包括镍-镉(Ni-Cad)电池，镍金属混合电池(Ni-MH)，以及镍-锌电池和镉电池，这其中包括银-镉电池和镉-气体电池，以及锌电池和锂电池等等。

附图简述

参照以下接合附图对本发明实施例的具体描述就能够深入地了解本发明的上述和其它特征和目的以及用来实现本发明的方法在附图中：

图1是一个电路图，表示与本发明的电池充电器有关的硬件的一个实施例。

图2A是一个与图1的电池充电电路有关的软件流程图，表示铅基电池充电器的充电初始化程序。

图2B是一个与图1的电池充电电路有关的软件流程图，表示铅基电池充电器的一种充电程序。

图3A是在图1的电路中采用的充电分布定时图表，表示铅基电池充电器的标准充电顺序。

图3B是在图1的电路中采用的充电分布定时图表，表示铅基电池充电器的微电流充电顺序。

图4A是一个与图1的电池充电电路有关的软件流程图，表示镍基电池充电器的充电初始化程序。

图4B是一个与图1的电池充电电路有关的软件流程图，表示镍基电池充电器的一种充电程序。

图5是在图1的充电电路中采用的一种充电循环定时图，表示镍基电池充电器的充电分布图。

图6是本发明的电池充电器的一个功能框图。

图7A是一个定时图表，表示本发明的电池充电器的生成充电分布图的第一阶段。

图7B是一个定时图表，表示本发明的电池充电器的生成充电分布图的第二阶段。

图8表示图1的电池充电器的生成充电分布图的流程。

图9表示与图1的电池充电器电路有关的主充电器控制顺序的流程图。

图10是一个流程图，表示与图9的主充电器控制顺序有关的连续中断计数器子程序。

图11是一个流程图，表示与图9的主充电器控制顺序有关的充电器微电流顺序。

图12是一个流程图，表示与图9的主充电器控制顺序有关的铅基电池充电顺序。

图13A是一个流程图，表示与图9的主充电器控制顺序有关的镍基电池充电顺序中的第一部分。

图13B是一个流程图，表示与图9的主充电器控制顺序有关的镍基电池充电顺序中的其余部分。

图14是可用于图1的电池充电电路的另一种可选择的负载放电装置的示意图。

优选实施例描述

在所有附图中用对应的符号表示对应的部分。本文所给出的例子用一种形式表示了本发明的最佳实施例，这种例子并不对本发明的范围构成任何形式的限制。

以下主要参见附图中的1到6，统一用10来表示与本发明的电池充电器有关的硬件，它是用普通的民用AC电源12供电的，其电压值处在90到132伏RMS之间。AC电源12被连接到功率输入电路13的前面，由它为一个统一用14表示的恒流调整电源供电。恒流电源14将AC电源12转换成直流电源，通过晶体管18和相应的电路20向电池16提供恒流的电源。电源12还被连接到恒压源24，它具有6.2伏的调节部分和5伏的调节部分，分别为充电器10的逻辑电路提供6.2伏和5伏的供电电压。与充电器10有关的逻辑部件被装在充电控制器15和脉宽调制(PWM)电流控制器17的内部。用充电控制器15来控制恒流源14，PWM电流控制器17和可切换负载19的开/关。

PWM电流控制器17用数字开关方式来控制恒流源14向充电器16提供预定的固定电流。PWM电流控制器17包括桥式整流器BD1，用来将AC电源转换成连接到变压器18原边的DC电源。电池16从变压器18的副边接收恒定的电流。变压器18的原边被连接到PWM电流控制器17的脉冲开关MOSFET Q1和电阻R12，用控制器17控制通过变压器18提供给电池16的电流量。开关晶体管Q1的栅极被连接到电流模式控制器U1的一个输出端，用U1在输出端上产生的控制信号按照适当的速度和占空比来控制开关晶体管Q1向电池16提供所需的恒定电流。PWM电流调节器17是由微处理器U3来控制的，其型号例如是Microchip PIC16C71，它的输出端可以驱动光电隔离器U4，脉冲控制器，以及电源控制器U5。两个独立的电源也就是恒流源14和电压源24被装在独立的接地面上以便减少噪声。光电隔离器U4和U5被用来在独立的逻辑部件之间传递指令信号和信息。尽管可以将两个独立的接地面连到一起，但是最好是采用隔离的方式。光电隔离器U4和U5被连接到电流模式控制器U1的输入端。在充电脉冲期间，微处理器U3通过电流模式控制器U3快速地切换晶体管Q1，让电流从桥式整流器BD1的直流输出端经过变压器18的原边，晶体管Q1的漏极和源极以及电阻R12接地。

恒流源14包括具有负载开关MOSFET晶体管Q3和负载电阻R21的可切换负载源19。晶体管Q3的栅极通过微处理器U3的输出从充电控制器15接收一个激励信号。可切换负载源19被设置在电池16的正端或是非接地端和接地端之间。在放电脉冲期间，电流通过晶体管Q3的漏极和源极以及电阻R21排泄到接地端。采用MOSFET晶体管的好处是它具有很快的开关速度，并且从源极到漏极的电阻很小，因此，电阻R21基本上消耗了所有的功率。按照这种方式就能在充电过程中降低电池16的阻抗和电压，提高电池对电流的接收能力。恒流源这样就能用降低的电压电平向电池提供所需的电流量。尽管此处是用MOSFET和负载电阻采充当为电池放电的手段，根据本发明完全可以设想到采用其它的器件，例如继电器和达林顿晶体管等等。

比较大的功率被传送到负载上。电阻21作为MOSFET Q3的一个散热器能够非常有效地散发热量。负载电路应该在电池的上限之内用最短的时间带走尽可能多的热量，但是不能损伤电池。电阻21的数值确定了放电的速度。例如，24伏电池在1欧姆的电阻上放电会产生24安培的电流。假设是一种额定容量为10安培-小时的铅基电池，排泄的24安培就是电池定额的2.4倍。一般来说，铅基电池可以接受其额定容量的5-6倍的排泄电流而不会损伤电池。对于铅基电池来说，充电器的充电定额大约是1C，C是电池的额定容量。因此，放电电路的放电定额大约是充电定额的5-6倍。对于镍基电池来说，充电器的充电定额可高达4C，而放电电路的放电定额大约是充电定额的二倍。例如，定额为24伏1200毫安-小时的镍基电池可以用5安培的充电器按照电池额定容量的大约4倍充电。如果R21是一欧姆，电池的放电电流就是24安培，也就是电池额定容量的20倍。以如此高速率放电会损害电池。如果R21是4欧姆，电池的放电电流就是(24÷4)＝6安培，也就是电池额定容量的五倍，这是可以接受的。

PWM反馈是由分流电阻R22提供的，它提供的反馈信号代表着流经电池的电流量。这一反馈信号被送到运算放大器U2的一个输入端，由它来决定PWM电流调节器是否需要通过恒流源14向电池16提供更多或是更少的电流。运算放大器U2-2构成了一个放大器，而U2-3是一个比较器。U2-3的输出被连接到光电隔离器U4的部件LED1。电流模式控制器U1根据LED1产生并经TPD1输入电流模式控制器的信号来改变Q1的占空比。通过将稳压电容器C20旁路就能够有效地消除由恒流电源的PWM切换而产生的AC过渡。该电容器可以使AC过渡绕过电阻22接地，从而使得从分流电阻上读出的dc电流更加精确。作为一个非限制性的例子，在下面提供了关于图1所示电路的数值表。

                            数值表

                             电阻

R1	1M1/2W	R19	3K	R35	2K
						R2	330K1/2W	R20	310K	R36	2.2K
R3	6.2K 5W	R21	10Ω 7W	R37	10K
						R4	200Ω 5W	R22	0.1/7W	R38	220Ω
R5	2.2K	R23	470Ω	R39	10K
						R6	10K	R24	1K	R40	1K
R7	9.1K	R25	1K	R41	39K
						R8	9.1K	R26	24K	R42	470Ω
R9	47Ω	R27	220Ω	R43	1K
						R10	1K	R28	470Ω	R48	470Ω
R11	1K	R29	100K	R49	470Ω
						R12	0.33Ω 2W	R30	4.7K	R50	470Ω
R13	1K	R31	1K	R51	2.4K
						R14	1K	R32	10K	R52	2.4K
R17	470Ω	R33	10K
						R18	10K	R34	2K

电容

C1	220μF 200V	C13	100μF 25V	C26	0.22μF
						C2	103pF/1KV	C15	100μF 25V	C27	47μF
C3	1000μF 25V	C17	1000μF 50V	C28	820pF
						C4	100μF 16V	C18	1000μF 50V	C29	330μF16V
C5	4.7μF 50V	C20	0.22μF 50V	CX1	0.22μF250V
						C6	103μF 50V	C21	0.22μF	CX2	0.22μF250V
C7	103μF 50V	C22	0.1μF	CY1	4700pF400V
						C8	102μF 50V	C23	0.1μF	CY2	4700pF400V
C9	561μF 100V	C24	18pF
						C10	330μF 16V	C25	18pF

                        二极管

D1	1N4001	D5	1N4001	D103	黄
						D2	1N4001	D6	R1603C	D104	绿
D3	BYV26D	D7	MBR1645	D105	红
						D4	1N4001	D9	1N4001	BD1	RC2062A/800V

                             晶体管

Q1	IRFP450	Q4	2N3906	Q7	2N4401
						Q2	2N2907	Q5	2N4401
Q3	MTP30NO6EL	Q6	2N4401

                              其它元件

U1	UC3844N(AN)	U6	78L05	NTC1	SCK0545Ω4A
						U2	LM324	U7	78L12	ZD1	1N4746A18V 1Wnn
U3	P1C16C71	X1	4MHz	ZD2	6.8V 1/2W
						U4	4N35	L1	8uH	ZNR1	241KD07
U5	(1/2)4N35	FS1	1.5A/125V	VCCI-6	+5伏
						VCC2	+6.2伏

对于图1中具体的部件来说，变压器绕组比例和其它分立元件值都是可以按照具体的用途而调节的。可能的用途包括：用于13安培，10安培，5安培，以及2.5安培的电路。下面的表中显示了图1中电阻R12的选择值，可以用于以上的具体用途。

                安培       电阻(R12)

                 13           0.1Ω

                 10           0.2Ω

                 5            0.33Ω

                 2.5          0.75Ω

本发明的电池充电器还可以设有能够拆除和更换的电阻组件，让使用者或是技术人员按照具体的用途有选择地组装充电电路。另外，在充电器电路中可以包括串联电阻或是电位器，并且通过操作连接到电阻或是设备的选择拨盘或者开关上。在电池充电器中可以采用各种各样的自动选择装置来获得同样的结果。按照这种方式，充电器的充电电流可以在几个值当中进行选择，例如2.5，5，10和13安培等等。这样就能用一个充电器为具有不同的安培-小时定额的各种各样的电池充电。通过充电器基座与各种已知构造的电池的选择配合就可以完成这种工作。

在工作中，微处理器U3产生的信号将电池16交替地连接到恒流电源14和开关负载19。为了产生充电脉冲，微处理器U3在PWM模式下按照电流模式控制器U1的控制使Q1通过变压器18排泄电流。为了形成放电脉冲，微处理器U3使Q3通过负载电阻R21到地从电池中排泄电流。在充电程序中同样插入中性电荷的等待周期。在微处理器U3构成的电路10中设有模-数(A/D)输入端或是端口，用来在充电顺序中监视电池的电压电平。在整个充电程序中周期性地提取电压测量值，在放电脉冲期间提取的测量值是负载电压值，在充电脉冲期间提取的测量值是“热”电压值，而在间歇周期期间提取的测量值是无负载电压值。

在电路10中还可以设置电压选择器开关，用于从电池充电设备的范围内人工选择可供选择的电压电平。在本发明的范围内还可以用自动的方式选择电压。在图14所示的实施例中设置了一个具有开关位置SWA-SWF的多位开关SW，各个位置分别连接到电阻R12A-R12F。以下还要详细说明图14的多电阻网络的工作方式。还可以将这种电压选择开关连接到微处理器的输入。电压选择开关能够指示微处理器改变电压触发电平，从而在不同的充电阶段也就是负载，充电和间歇之间进行切换。

应该调整电源的电流而不是电压。可以用电池充电电路10为各种类型的电池充电。在对10安培的电池充电时，电路10可以改变电压，在整个充电程序中为电池16提供10安培的电流。由于恒流电源不能用来操作电路10的逻辑和支持部分，采用了一个用24表示的独立的调压电源来提供用22表示的工作电压。恒流电源14和调压电源24最好是光电耦合到一起以免产生交叉噪声，例如可以采用光电耦合器或是光电隔离器32。图1中所示的光电隔离器32的发光二极管LED1在电池接地面上工作，而晶体管光敏器件TPD1在控制接地面上工作。

图6表示本发明的电池充电器的功能框图。由普通家用插座上提供的常规的120VAC电源12为电池充电器10供电。如上所述，120VAC电源12被连接到前端电源13，用来为调节电流的电源14和调压电源24供电。调压电源24为逻辑电路提供工作电压。微处理器U3通过PWM电流调节器17和可切换的负载源19交替地向充电电池16提供恒流电源14。用Microchip的PIC16C71型微处29或是其等效产品提供顺序的信号，按照与被充电电池的具体类型有关的充电分布图来驱动开关网络27。通过A/D端口连接的微处理器29在充电脉冲之后的间歇周期中读出电池16的电压。

在一个实施例中，恒流电源14有一个电源输入(一般是110VAC)，一个PWM控制输入(大约是100KHz的可变占空比)，一个逻辑驱动的通/断开关(用于完全关断恒流源)，以及连接到电池的输出(在额定电流(即10A)和通常超过目标电池电压至少50％的电压下，输出应该是36V+50％＝54V)。恒压源24有一个电源输入和用来驱动逻辑和支持电路的电压输出。PWM电流调节器17有一个电源输入，一个逻辑驱动的通/断开关(用来短暂地关断恒流输出)，一个反馈输入，以及用来控制恒流源的一个输出。可切换的负载源19具有一个开关器件(例如MOSFET)和连接到电池连接点上的一个大功率电阻。例如，在导通时，它在12V下可以被用来排泄大约10A的电流(针对10A的充电器)。这种逻辑中包括电源输入，反馈输入以及恒流源的逻辑控制，PWM电流调节器，以及可切换的负载源。最初，逻辑电路等待电池被连接到充电器上，然后为恒流源供电。接着就按照它的充电分布图工作，这其中包括(通过PWM控制器)切换电源输出的开、关以及切换放电电路的开、关。输出可以在可达1/4秒内接通，占空比可以高达95％。使用放电电路的时间很少，通常只占用小于占空比的2％的几毫秒时间。用逻辑电路监视电池电压，在达到某种状态时，充电器停止和关断恒流源。应该指出的是，恒流输出可以具有比较大的波动，因为可以用被充电电池的电容作用来“平滑”这种波动。

可以用一个开关在6或12伏充电的多种电压之间进行人工选择。可以将开关连接到微处理器上，并且在需要改变电压触发电平以便在不同的充电阶段之间进行转换的要求传送到微处理器。由于采用了控制电流的电源，各种各样的电池都可以连接到电池充电器上。充电器能够提供产生10安培电流的电压。由于恒流源不能用来操作装置的逻辑和支持部分，使用了一个独立的调压电源。将它们光电耦合到一起以免产生交叉噪声。

以下要关注与电池充电器10的工作相关的固件，主要的工作步骤如下：在接通电源时，电池充电器复位并且保持工作状态，等待将电池连接到电池充电器的连接器26上。如果通过微处理器对最小剩余电压的检测而检测到电池16已经被连接到电池充电器上，充电器就按照上、下文中述的充电顺序为电池充电。在电池16完成充电之后，软件等待电池从充电电路10上断开，用软件循环等待连接其它的电池并且为电池充电。如果在充电顺序中断开电池，装置就复位并且等待电池的连接。

在等待过程中，电路根据电压选择器的位置来监视A/D端口上出现的最小电压。如果这一最小电压没有出现，就重复上述顺序。10k欧姆和1k欧姆的电阻R37和R40分别构成了一个11∶1比例(也就是11伏＝1伏)的分压电路，为运算放大器U2-4提供单位增益。运算放大器U2-4的输出被提供给微处理器U3，然后中断这一信息以便确定是否检测到最小电压电平，也就是电池是否已被连接到充电器上。微处理器U3的模-数(A/D)输入端能够处理的最高电压是5伏，增量是1.95毫伏(mv)。这一标度相当于增量为21mv的55伏。这种精度是足够的，并且其范围足以为大多数种类的电池充电。在间歇，负载和脉冲期间用A/D端口监视电压。电池拆除检测是利用恒流源将会尝试向一个无限大的阻抗提供特定的电流，即此时的电压就会达到电源限制(55伏)的事实完成的。当微处理器检测到过高的电压时，就确认电池已经被断开了。

以下参见图9，在开始充电程序之前必须通过用户接口将一些参数值烧入存储器。其中之一就是目标电压。例如，如果充电器被用来为10伏的电池充电，目标电压就是10伏。另一个参数是被充电的电池类型，诸如铅-酸电池，镍-镉电池，或是镍-金属-混合电池。另一种方式是用充电器内部附带的检测和/或分析固件自动地检测所连接的电池类型，并且在多个存储的专用程序当中自动地执行所需的固件。其他参数值还包括最大运行时间(分)，微电流运行时间(分)，以及微电流延迟(ms)。在这些数值被提供给充电器之后，充电程序就可以开始了。

最初由电路核查连接到充电器上的是不是有效的电池。例如，如果目标电压被设定在6伏，此时的充电程序所采用的最小电压电平就是3伏。如果连接到充电器上的电池没有达到至少3伏的电压，充电器就不会开始充电。即使是在电池被放电之后，如果它没有损坏，它仍然应该至少有一定的最小电压。如果电池存在诸如电池开路一类的某种损伤或是故障，充电器就会识别出故障并且为电池故障状态提供某种形式的显示。如果在充电器上没有连接电池，充电器就不能检测到电压，也就不会开始充电程序。

本发明的电池充电器可以用于多种类型的电池，例如铅，镍，镉，锌和锂基的电池。这种可充电电池可以用于各种各样的产品和广泛的用途，诸如电动设备(例如汽车，卡车，自行车，高尔夫球车，玩具等等)，蜂窝电话，计算机，通信设备，录音机，军用装备(诸如飞机，坦克，潜水艇，舰船等等)，重工业设备(例如叉车)等等，也就是各种需要电源的电子产品。本发明的电池根据具体的用途可以组合成0-500伏和0-1000安培的范围很大的值。还可以为电池充电器加上某些其他的特征，用来提高整体性能和用户/操作接口的性能。这些特征之一就是LCD显示器及其附带的固件，可以用来选择电池类型，并且指示出被充电电池的类型，电池所具有的充电电平，充电的持续时间，剩下/过去的充电时间，电池温度等等。

从设计充电器的角度来看，一个目标是能够在最短时间内采用充电和放电脉冲以及基本上处在中性电位的间歇或是等待周期的组合为电池充电，而不会损坏电池。放电脉冲在被充电电池给定的限制的允许范围内应该尽量强，以便减少需要的时间。这种因素是由电池的最大冲击电流额定值确定的。放电脉冲应该尽量地短，因为它是一种反充电的作用，但是，放电脉冲越长，电池中的阻抗就降得越低，也就允许采用更长的充电脉冲。充电脉冲应该尽量地长，因为它是一个正充电作用。充电脉冲在不损坏电池的情况下应该尽量强，以便减少使电池达到满充电所需要的时间。这是由电池的最大理论充电速率C确定的。充电脉冲应该能用最小的电压提供允许的最大电流，因为超过电池势垒的电压是有害的。间歇周期应该尽量地短，因为它实际上不起作用，主要是用来稳定电池的。在给定放电脉冲的情况下，为了确定充电脉冲限制，可以施加脉冲直到电压达到预定的限制，超过此限制就会造成损坏。然后还要改变放电脉冲和最大充电脉冲持续时间。放电脉冲越长，允许的充电脉冲就越长，然而，两者之间不是线性的函数。一些的公式有助于确定给定的放电/充电顺序：

A_T＝((A_c×T_Sc)-(A_D×T_SD))/T_ST

其中的A_T代表提供给电池的总充电电流(安培)；A_c代表充电脉冲的电流强度(安培)；T_Sc代表充电脉冲的持续时间；A_D代表放电脉冲电流强度(安培)；T_SD代表放电脉冲的持续时间；而T_ST

代表总充电顺序的持续时间。

例如有一个10A的铅酸电池充电器，放电装置排泄的定额是40A，而充电分布图是2ms的放电脉冲，100ms的充电脉冲和1ms的间歇周期，因此：

((10A×100)-(40A×2))/(100+2+1)＝8.932A

假设充电脉冲可以延长到126ms，提供的电流强度就可以增大到：

((10A×126)-(40A×2))/(126+2+1)＝9.147A

假设将放电脉冲缩短到1ms，可以获得68ms的充电脉冲，其结果是：

((10A×68)-(40A×1))/(68+1+1)＝9.142A

因此，在这一假定的例子中，缩短放电脉冲会有轻微的损害。假设将放电脉冲延长到3ms，就可以获得148ms的充电脉冲，结果的电流量就是：

((10A×148)-(40A×3))/(148+3+1)＝8.947A

比2ms的最佳状态差一些。综合上述结果，可以看出峰值出现在1ms和3ms的放电脉冲之间。峰值可以等于，大于或是小于2ms。在获得了初始的最佳放电时间之后选择间歇周期。

在图3A和12中表示了用于铅基电池的标准充电分布图，它包括以下的三个步骤：给电池施加2毫秒的负载，对电池充电100毫秒，然后等待1ms的间歇周期。如图3B所示，可以在充电程序接近结束时执行一种微电流充电顺序，以便更充分地完成充电。在微电流充电期间采用标准的充电分布图，只是用一个251毫秒的间歇周期代替1毫秒的间歇周期。分配给这一阶段的时间例如可以是1小时。

图2A和2B表示了电池充电顺序的流程图，在图中包括了图3A和12的专用于铅基电池的充电分布图。图2A，2B和12的流程图以及图3A和3B的时序图表示了用来操作图1的铅基电池充电电路的相应的软件。

对于铅基电池来说，本发明的电池充电器执行标准的充电分布图：2ms负载时间，100ms充电时间，以及1ms等待周期。电池充电器可以使用可变的间歇时间，其大小取决于电池的充电状态。等待周期在充电接近完成时可以逐渐延长，有助于在充电过程中进一步稳定。关键的关系是2ms负载时间和100ms充电时间以及充电和放电脉冲各自的幅值。这种关系决定了对电池阻抗的作用，以便更加有效地为铅基电池充电。在电池充电过程中，电池用两种方式储存电荷。其中一种是通过设计的方式，让两侧的极板分别保持正离子或是负离子。还有第二种方式就是在两个金属板彼此靠近时形成的自然作用，这种作用会形成微小的电容。电容虽然很小，但是，在对电池充电时，就会加载该电容，这样当然会增大电池的阻抗。这种问题在使用线性充电装置时并不重要。但是，在使用脉冲充电一类的非线性充电系统为电池充电时，它就变成了一个显要的因素。用放电脉冲可以消除自然电容，从而进一步降低电池的阻抗，并且能够降低充电电压。充电脉冲前面的放电脉冲越近越好，因为放电脉冲和充电脉冲之间的任何等待周期都会使电池自然充电。这种间歇的充电会升高电压，电容和电池的阻抗，并且需要使用更高的充电电压来产生固定量的电流。如果象普通的充电设备那样在充电脉冲之后而不是之前施加放电脉冲，就会大大降低放电脉冲的作用，并且使效率下降。将放电脉冲放在充电脉冲后面是为了减少对电池的损伤，将放电脉冲放在充电脉冲前面同样也可以防止对电池的损伤。如果将放电脉冲放的充电脉冲前面并且在施加放电脉冲之后测量电池的电压，就可以更精确地读出电池的真实充电状态。

如图2A和2B的流程图所示，充电器首先用前述的方式来识别电池是否已经被连接到充电器上。充电器随后执行自测试程序，确定脉冲电源工作正常并且提供一个适当的充电电源。充电器监视电池的连接状态，确认电池已经被连接到充电器上至少2.5秒。充电器随后监视了电压选择开关(如果有的话)，设定适当的充电电压限制。这种充电器也可以专用于预定电压的特定型号电池。在图2A所示的例子中，最大运行时间被设定在1小时45分钟。从图2B的顶上开始进入充电程序，充电器接着执行上述的充电-放电循环，在图12中还要进一步说明。为了保护被充电的电池不会受到损伤而采用了某些安全程序。如果电路检测到电池的电压电平上升的过快，就会产生电池故障指示并且停止充电程序。如果电路检测到已经达到了最大运行时间，就会产生电池故障指示并且结束充电程序。如下文所述，充电程序中可能不仅包含标准的充电分布图，根据具体的用途还可以通过在中间插入其他阶段而获得更方便的充电程序。在对电池充电之后，充电器等待电池断开，充电器在断开之后循环等待下一个电池。如果在充电程序期间断开电池，装置就复位。等待电池连接是一个非常简单的程序，充电器核查电压选择器(如果有的话)的设定位置，读出A/D端口，检查是否符合所需的最小电压，如果不是，就重复上述顺序。作为防止火花的一种附加的安全机制，只有在大约2.5秒的时间内连续五次测量到要求的最小电压时，充电器才实际开始充电程序。这样就可以确保正确的连接。

在另一个实施例中，电池可以分四个阶段充电。第一阶段执行标准的充电分布图，施加5ms负载，并且间歇10ms。一直进行到达到一定的初始电压时为止，然后通过固件进入第二阶段。在第二阶段中施加2ms的负载，执行标准的充电分布图5次，中间仅有1ms的间歇，等待8ms，施加10ms的负载，再等待10ms。在达到下一个电压电平时，充电器就过渡到下一阶段。在第三个预定结束充电阶段中执行标准的充电，然后间歇100ms。反复执行2分钟，不考虑电压电平。绿色LED开始持续发光，向使用者指示装置已完成充电。然后通过固件进入微电流充电模式，这种模式与结束充电阶段几乎完全相同，只是将间歇时间改成500ms，结束阶段的持续时间是1小时。

对于包括镍-镉(Ni-Cad)电池和镍-金属-混合(NiHM)电池的镍基电池来说，按照一个实施例，本发明的电池充电器采用了以下的标准充电分布图：6ms负载时间，200ms充电时间，然后是50ms间歇时间，如图5，13A和13B所示。200ms的充电时间是一个关键值。明显地超过200ms会造成过分延长的“冲击”，导致电池不能接受充电。明显地小于200ms会造成电池产生很高的电位(电压)，但是没有电流。这就好比是500英尺高的水塔仅仅装了几加仑的水。6ms的负载时间也是重要的，选择6ms是为了使电池阻抗降低到与200ms充电脉冲达到最佳匹配的最低限度值。放电脉冲的作用是降低电池的阻抗和电压电平，让电池能够接收恒流源所提供的额外的电流，通过电池短时间的放电就可以延长充电脉冲。电池放电量越大，充电脉冲的持续时间就可以越长。在设计放电和充电脉冲的最佳持续时间时，有一个递减的折返点，在该点之后，增大电池放电量不但不能延长充电脉冲，实际上还会由于电池过度排泄而延长整个充电时间。当然，这些数值是随着具体的电池类型而变化的。在每个充电/放电脉冲开始时施加负载，刚好在脉冲断开之前读出电池电压。这样就能获得更准确的电池电压。

Ni-Cad电池面临的一个问题是充电电流过大，这样可能造成Ni-Cad电池在施加负载之后突然被“断开”。充电器获得的电压会突然变得很低，就好象电池被断开时一样。如果在电池恢复以前将负载加在电池上，出现在负载上的电压仅仅是电池电压的一小部分。电池被锁定在这一状态直至去掉负载。在一个1-5秒的等待周期之后，电池电压恢复正常。这样会使充电过程复杂化。

由于这一问题，在固件中提供了一个异常程序，用来至少是暂停充电程序，并且使电池恢复到正常状态。如下文中所述，如果电池电压在充电脉冲期间的某一点超过了一个预定的最大值，就结束充电脉冲并且延长等待周期，以免再出现这种情况。从图13B的流程图中可见，当电池看起来是被断开时，充电器中止充电，并且等待3秒钟。如果电池看起来仍象断开一样，那么充电器结束充电，并且过渡到图9的主充电器控制程序中的“ON BATTERY DISCONNECT”位置。如果电池提供的仅仅是暂时的虚假读数，并且在三秒的等待周期后恢复到正常状态，充电器就恢复镍基电池的充电程序。

充电分布图设计中的首要问题就是在这种情况发生之前加以避免。如图5，13A和13B所示，这是在提供脉冲的同时读出电池电压而完成的。如果脉冲期间的电压超过了最大充电门限值，也就是目标电压的1.667倍，就结束充电脉冲并且延长间歇周期。间歇周期的长度取决于跨过门限值的时间。如果在一个核查点上跨过了门限值，在以下的表中表示了脉冲核查点和延长的等待周期的持续时间。脉冲核查点       在跨越门限值时的间歇时间(除正常的50ms之外)10ms                                500ms50ms                                350ms100ms                               250ms150ms                               200ms200ms                               150ms

在间歇时间之后，如果电池仍然在门限值以上，或者是电池超过了它的“击穿”限度，就可能发生虚假的“断开”或是真实的断开。按照上文中所述的缺省程序，充电器等待3秒让电池恢复正常。读出电压，如果仍然处在范围之外，充电器就认为使用者已经将电池断开，如果不是在范围之外就恢复充电。在某些电池中包括的用来限制电压或是电流的保护电路有可能进一步加重这种问题。用这种方法充电有可能在用来保护电池防止在过高的温度下充电的某些电路中感应出电压。

进一步的复杂问题还有，Ni-Cad电池往往难以在充电过程中获得准确的电压读数。因此就需要在图13A的充电流程图开始时为充电设定一个最终的时间限制。在充电之前对电池施加200ms的放电脉冲，读出电池的电压，根据测得的电压与目标充电电压之间的差距计算出一个最大充电运行时间。电池通常会在达到这一最大运行时间之前达到其目标电压，在这种情况下可以缩短时间。最大运行时间可以防止迫使衰弱的电池达到其无法保持的目标电压。作为一种额外的保护措施，在图13A中采用了一种负增量的电压顺序，用来在后序的电压测量值超过了前面的电压测量值，也就是负载电压发生下降的情况下结束充电操作。

从硬件的角度来看，充电器是通过恒流电源14和负载源19完成这种任务的，通过具有A/D端口的微处理器U3对其进行数字式的切换，在充电期间读出电池的电压。例如，对标准的充电器电路稍做修改就可以获得能够提供2.5，5和10安培电流的三种不同的型号。可以在每一种型号的前面设置一个开关，让使用者能够在多种不同的目标电压之间进行选择，从而使同一种型号能够为两种以上不同类型的电池充电。开关可以连接到微处理器，完全由固件来确定开关的功能。在选择一个装置为电池充电时，该装置应该能够提供足够的电流，在合理的时间内为电池充电，但是不能由于过度充电造成“断开”。C的二到三倍被认为是最佳的平衡，其中的C是电池的额定容量，尽管该比例最高可以达到五倍。例如，可以用2.5安培(稍大于2C)的装置为一个1200mAH的电池充电。按照2C的速率，从理论上来说可以在半小时内将一个完全没有电的电池充满。由于电源是控制电流而不是控制电压的，可以连接任意数量和型号的电池，充电器的电压能够使其向电池提供2.5安培的电流，由于恒流源14不能被用来为装置的逻辑和支持部分供电，采用了独立的电压控制电源24。将它们光电耦合到一起避免切换噪声。

图4A和4B表示一种操作流程图，而图5是与其相对应的一个充电循环时序图。在电源接通后，就象上文中有关电池充电器的情况一样，首先要识别电池是否已经被连接到充电器。充电器执行自测试，确认脉冲电源能够正常地工作，并且可以作为充电的电源。充电器监视电池的连接，识别出至少已有2.5秒连接到充电器上的电池。充电器随后监视电压选择开关(如果有的话)，以设定适当的充电电压限制。同样，充电器可以专用于具有预定电压的特定型号电池。如果是镍基的电池，就按照电池与其目标电压的差距来确定最长工作时间。施加200ms的负载，并且在结束之前测量电压，以便在充电之前确定电池的电压。从图4B的顶部开始进入充电程序，充电器接着执行上、下文中所述的充电-放电循环，在图13A和13B中还要进一步说明。

为了保护被充电的电池不会受到损伤而提供了某些安全程序。如果电路检测到电池的电压电平上升过快，就会发出电池故障指示，停止充电程序。如果电路检测到已经超过了最长工作时间，就发出电池故障指示并且停止充电程序。有时需要采用适当的微电流充电来“完成”电池的充电。这类似于标准的充电，但是在脉冲之间具有一秒的间歇周期，运行时间大约是5分钟。在电池被充电之后，充电器等待电池被断开，在断开之后，充电器就返回等待下一个电池。如果在充电顺序期间断开电池，装置就复位。等待连接电池的程序非常简单，充电器核查电压选择器(如果有的话)的位置，就读出A/D端口，检查是否满足所需的最小电压，如果不是，就重复充电顺序。作为防止产生火花的一种额外的安全机制，只有在大约2.5秒间隔的时间内连续五次测量到所需的最小电压时，充电器才开始实际的充电程序。这样能让使用者确认正确的连接。

在充电之前，为了保持电荷，必须对没有生成的电池执行生成或是以电化学方式初始化。图7A和7B以及图8分别表示本发明的电池充电器的一种最佳的充电循环定时图表和一个流程图，用来表示生成充电分布图。本发明的电池充电器的生成方式是按照一种最有效的方式交替地施加充电脉冲，放电脉冲以及等待/间歇周期。现有技术的电池生成仅仅提供稳定电压的电荷，并且使电池中的电解液缓慢地电离，这样就不能吸收所有获得的能量，导致可能会造成损害的发热现象。其部分原因是由于现有技术的充电器采用了稍稍高于被充电电池的正常容量的固定的电压电平，并且还由于电池的静态电阻，仅仅能提供一定量的电流。这种电流量在充电过程中几乎总是过大的。另外，在充电过程中的各个点上，电池的电阻是变化的，使生成过程进一步复杂化。

脉冲生成充电器用电荷“冲击”电池，但是在电池两端测得的极板间的电压并不是很高。如果刚好在电池接收充电脉冲之前用负载使电池放电，极板间的电压就会升高，对电池形成更强烈的“冲击”。本发明的生成电池充电器采用了控制电流的电源系统。因此，静态电池电阻不起作用，而是电池阻抗在起作用，它会受到脉冲充电器的频率和占空比的影响。降低电池阻抗的意义在于降低充电电压，以便采用固定量的电流。

本发明的电池生成充电器主要采用图7B中所示的生成分布图；2ms的负载时间，接着是100ms充电时间，然后是200ms间歇时间。然而，在刚刚开始生成程序时，电池中没有保持电荷，因而不需要放电。因而采用图7A的初始生成分布图，直到电池达到一个最小门限电压电平。在检测到已经达到此最小电压电平时，生成程序就过渡到图7B中后续的生成分布图。关键因素是2ms负载时间和100ms充电时间。这样能够根据需要降低电池的阻抗，更加有效地生成电池。

从硬件的角度来看，生成充电器是由数字开关控制的电流源14，数字切换的负载源19，以及用于切换的微处理器U3(MicrochipPIC16C71)来完成这种任务的。一种实施方案是用一个开关在RUN或是PAUSE生成位置之间进行选择。开关可以连接到微处理器的输入端，不会直接影响到硬件的工作。由于在恒流源14中是控制电流而不是控制电压，任何数量或是型号的电池都可以接入，充电器能够用适当的电压向电池提供固定的电流。从软件的角度来看，其工作方式非常简单。在接通电源时，复位，核查运行/暂停开关位置。如果能接通，就生成电池。

尽管本发明是用最佳实施例的方式来描述的，在这种公开的精神和范围之内还可以对本发明作出进一步的修改。本申请的目的是要覆盖采用了本发明一般原理的任何变更，使用或是修改。另外，本发明还要覆盖本发明所属技术领域中属于已知或是惯用手段而形成与本公开件有所偏离的此类内容。

Claims (30)

1.一种用一个输入端连接到电源的电池充电器为电池快速充电的方法，用电池充电器向电池提供交变的充电和放电脉冲，该充电方法包括以下步骤：

a)紧接在充电脉冲之前利用放电脉冲使电池部分放电，以便在为电池提供充电脉冲之前降低电池的阻抗和电压；

b)紧接在使电池部分放电之后向电池提供充电脉冲，在充电脉冲期间提供给电池的电荷量大于在放电脉冲期间从电池中排泄的电荷量，充电脉冲与放电脉冲在持续时间上的比例大于10比1；

c)在步骤b)的充电脉冲之后和向电池施加后续的放电脉冲之前等待一个间歇周期，让电池至少能部分地稳定；以及

d)重复上述步骤。

2.按照权利要求1的方法，其特征是间歇周期的持续时间在主要的充电过程中比步骤b)的充电脉冲要短。

3.按照权利要求1的方法，其特征是电池充电器提供恒定的电流。

4.按照权利要求3的方法，其特征是电池充电器是一个线性或是开关式恒流源。

5.按照权利要求1的方法，其特征是进一步包括以下步骤：检测电池的电荷，在检测到第一预定门限值时开始充电程序，并且在检测到第二预定门限值时结束充电程序。

6.按照权利要求1的方法，其特征是进一步包括以下步骤：测量电池的电压，在检测到第一预定最小电压值时开始充电程序，并且在检测到第二预定最大电压值时结束充电程序。

7.按照权利要求6的方法，其特征是测量电池电压的步骤发生在放电脉冲期间。

8.按照权利要求7的方法，其特征是测量电池电压的步骤发生在放电脉冲结束和充电脉冲开始之前的时刻。

9.按照权利要求6的方法，其特征是进一步包括在充电程序接近结束时当检测到介于第一和第二电压值之间的一个预定的微电流门限电压值时用微电流为电池充电的步骤，这一微电流充电步骤包括步骤a)到d)，在其中将步骤c)的间歇周期持续时间延长到等于或是大于步骤b)的充电脉冲的持续时间。

10.按照权利要求1的方法，其特征是在充电脉冲期间提供给电池的电荷与放电脉冲期间从电池排泄的电荷的比例大约是在10比1到200比1之间。

11.按照权利要求1的方法，其特征是上述电池是一种铅基的二次电池型可充电电池。

12.按照权利要求11的方法，其特征是放电脉冲的持续时间不超过10毫秒。

13.按照权利要求11的方法，其特征是充电脉冲的持续时间大约是100毫秒。

14.按照权利要求11的方法，其特征是上述充电脉冲的持续时间与上述放电脉冲的持续时间的比例大约处在10比1到100比1的范围之内。

15.按照权利要求11的方法，其特征是上述充电脉冲的持续时间与上述间歇周期的持续时间的比例大约处在10比1到200比1的范围之内。

16.按照权利要求1的方法，其特征是上述电池是一个镍基的二次电池。

17.按照权利要求16的方法，其特征是放电脉冲的持续时间不超过约10毫秒。

18.按照权利要求16的方法，其特征是充电脉冲的持续时间大约是200毫秒。

19.按照权利要求16的方法，其特征是间歇周期的持续时间在多于一半的充电程序中大约占50毫秒。

20.按照权利要求16的方法，其特征是上述充电脉冲的持续时间与上述放电脉冲的持续时间的比例大约处在10比1到100比1的范围内。

21.按照权利要求16的方法，其特征是上述充电脉冲的持续时间与上述间歇周期的持续时间的比例在多于一半的充电程序中大约处在3比1到45比1的范围内。

22.按照权利要求16的方法，其特征是进一步包括在整个充电程序中周期性地测量电池电压的步骤，如果电压测量值超过了预定的电压门限值，就临时暂停充电脉冲并且延长间歇周期，在间歇周期结束时施加放电脉冲，并且在放电脉冲期间进行后续的电压测量，并且在后续的电压测量值超过了预定电压门限时结束充电操作，或者是在后续的电压测量值小于预定电压门限时继续执行充电程序。

23.按照权利要求1的方法，其特征是用电池充电器提供一个恒流源，它包括多个可选择的恒流充电电平。

24.按照权利要求1的方法，其特征是进一步包括测量电池电压并且将首次测量的电池电压电平与第二次测量的电池电压电平相比较的步骤，如果检测到首次测量的电压电平高于二次测量的电压电平，就结束充电程序。

25.按照权利要求1的方法，其特征是进一步包括测量电池电压并且将首次测量的电池电压电平与第二次测量的电池电压电平相比较的步骤，如果检测到首次和二次测量值之间的差超过了一个预定的最大值，就结束充电程序。

26.按照权利要求1的方法，其特征是进一步包括在开始步骤a)到d)之前施加充电前放电脉冲的步骤，在充电前放电脉冲期间测量电池的充电前电压，并且根据测得的电池充电前电压来确定充电程序的时间限制。

27.一种具有放电装置和控制装置的装置，用于为电池快速充电，其特征在于还包括：

与电池电连接的输出端；

充电脉冲发生器，用来在上述输出上提供为电池充电的充电脉冲；

其中放电装置，用来在上述输出上提供使电池排泄电流的放电脉冲，从而降低电池的阻抗，充电脉冲与放电脉冲在持续时间上的比例大于10比1；以及

其中控制装置交替地将上述放电装置和上述充电脉冲发生器连接到上述输出，从而分别向电池交替地提供上述放电脉冲，充电脉冲，以及中性电位的间歇周期，按照预定的标准充电顺序对电池施加上述放电脉冲，充电脉冲和间歇周期，在紧接上述充电脉冲之前施加上述放电脉冲。

28.权利要求27的电池充电装置，其特征是进一步包括一个可以连接到电池上的电池电荷检测器，在上述检测器检测到第一门限值时开始上述标准充电顺序，并且在上述检测器检测到第二门限值时结束上述标准充电顺序。

29.权利要求28的电池充电装置，其特征是上述电池电荷检测器在放电脉冲期间测量电池的电压电平。

30.权利要求29的电池充电装置，其特征是上述电池电荷检测器在上述放电脉冲基本结束并且上述充电脉冲开始之前测量电池的电压电平。

Images