專利名稱：充電電路以及使用該充電電路的充電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及充電電路以及使用該充電電路的充電器，其中該充電電路使用發(fā)電機輸出的電能對二次電池進行有效地充電。更具體地說，本發(fā)明涉及使用小型人力發(fā)電機的充電電路等。
背景技術(shù)：
最近，已經(jīng)出現(xiàn)了這樣一種小型人力發(fā)電機，其使用電動機以改善環(huán)境意識或適應移動設備的電池斷電。作為與無線電設備結(jié)合的或者用于蜂窩電話充電的充電器是可以從市場中買到的。
這種充電器通常用在圖1中示出的充電電路中用于充電。在圖1中，參考符號10代表發(fā)電機。在發(fā)電機中，R代表發(fā)電機10的內(nèi)部電阻(輸出電阻)，r代表限流電阻器，D代表防止回流二極管，以及B代表二次電池。而且，Ke代表反電動勢電壓常數(shù)以及ω代表角速度。Vo代表產(chǎn)生的電壓以及Vb代表施加到二次電池和二極管D上的電壓。
在具有使用電動機的小型人力發(fā)電機的充電器中，它的發(fā)電容量主要由電動機部分(發(fā)電機10)的規(guī)格來確定。為了增加容量，可以通過增加線圈繞組的匝數(shù)來增加電動勢電壓常數(shù)。然而，在負載是二次電池的情況中，在它被充電時的阻抗小并且不能與發(fā)電機的輸出阻抗相匹配。結(jié)果，不能有效地輸出其功率，因此僅通過增加匝數(shù)避免效率嚴重降低已經(jīng)是不可能的。
如果在發(fā)電機10的輸出電阻大的情況下充電電流大，則該電阻元件使得與電流的平方成正比的功率損耗掉。在另一方面，充入二次電池的電能由端電壓和充電電流的比確定。端電壓僅以非常小的比率隨著充電電流變化并且如圖2中所示的基本上不變。這是因為二次電池充電時的阻抗值為1Ω或更小。
圖2示出了二次電池充電時的電壓和電流之間的關(guān)系。如圖2中所示，二次電池的電壓和充電電流成線性關(guān)系。等式y(tǒng)＝0.0004x+1.4051為近似表達式，它表示二次電池的電壓和電池被充電時的充電電流之間的關(guān)系，以及R2表示近似度。在這種情況，用作二次電池的鎳-氫電池(Ni-MH電池)的阻抗值為0.4Ω。在實際電路中，在該阻抗上增加充電限流電阻器的電阻和充電電路的電阻，因而給出的總和大約為1Ω。眾所周知當負載電阻和輸出電阻彼此相等、阻抗彼此匹配時，在這種情況下負載電阻具有最大功率損耗，效率為50％。因此，在發(fā)電機10輸出電阻大的情況下，當充電電流增加時損失也增加，因而降低了效率。
圖3為示出負載電阻與產(chǎn)生的功率、被取出(take out)的功率和充電電流中的每一個之間的關(guān)系的曲線圖。這里，假定發(fā)電機10產(chǎn)生的電源電壓為14V并且它的輸出電阻為90Ω。如圖3中所示，為了增加電流，必須將負載電阻減到很小，在這種情況下，由此大大地降低了可以輸出的功率以及效率。
也就是說，為了有效地利用產(chǎn)生的功率，實現(xiàn)阻抗匹配是重要的，因此線圈的匝數(shù)由包括電池的充電電路的電阻元件限定。通常地，這個問題是通過首先在發(fā)電機的輸出電阻和二次電池之間完成阻抗匹配，然后增加電動機的轉(zhuǎn)速來解決的，從而可以產(chǎn)生更大量的發(fā)電能量。例如，為了用0.5A電流給鎳-氫電池充電，將發(fā)電機10的輸出電壓設置為大約2.0V，因為在電池端的電壓為1.6V以及防止回流二極管的Vf為0.3V。
因而，根據(jù)這個設置，卷繞線圈使得發(fā)電機10的輸出電阻為4Ω，這是因為2.0V/0.5A。然后將發(fā)電機發(fā)動機的轉(zhuǎn)速設置為更高，從而允許0.5A電流流過。然而，這種設置較大地抑制了發(fā)電機設計方面的自由度，從而在獲得所需要的功率的同時已經(jīng)難以為了低噪音而保持低轉(zhuǎn)速。
此外，從市場上得到的發(fā)電機中，已經(jīng)測定了產(chǎn)生的功率的充電電流或電壓并且已經(jīng)使用發(fā)光二極管(LED)作為發(fā)電監(jiān)控器，由此提示使用者在設置的條件中發(fā)電。這是因為當設備以規(guī)定的轉(zhuǎn)速每分鐘120rpm運行時，將設備運行時間定義為設備發(fā)電容量。因此，為了儲存規(guī)定的電能，使用者在不得不發(fā)電的同時要牢記規(guī)定的轉(zhuǎn)速和時間。這已經(jīng)給使用者增加了很大的負擔。
從環(huán)境的觀點出發(fā)，有效地使用人力能源是重要的或者從移動設備便利性的觀點出發(fā)，對于發(fā)電時間每個單元來說增加設備工作時間是重要的。即，非常需要一種以盡可能最小的轉(zhuǎn)矩獲得所需要數(shù)量的電能的技術(shù)。
可以通過增加發(fā)電機的電動勢電壓常數(shù)更多地獲得發(fā)電電量，其同時意味著輸出電阻增加。這導致了對即使輸出電阻大(例如，在使用具有大的內(nèi)部電阻的發(fā)電機情況)也能有效地向外部輸出電能的技術(shù)的需求。
而且，已經(jīng)提出了便攜式手動充電器，其具有恒定電壓電路用于將由發(fā)電機產(chǎn)生的電壓調(diào)整為恒定電壓。
這種便攜式手動充電器包括旋轉(zhuǎn)手柄、通過旋轉(zhuǎn)這個手柄產(chǎn)生電壓的發(fā)電機、將這個發(fā)電機產(chǎn)生的電壓調(diào)整為恒定電壓的恒定電壓電路、使用這個恒定電壓電路的輸出電能給二次電池充電的輸出端、以及用于檢測施加到要被充電的二次電池上的電壓或電流預定值的檢測電路，其中恒定電壓電路由降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。
雖然這種便攜式手動充電器具有簡單的結(jié)構(gòu)，并且具有低成本，但是沒有解決由發(fā)電機的輸出電阻引起的能量損失問題。而且，不可能根據(jù)產(chǎn)生的電量來控制充電電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供使用發(fā)電機輸出的電能對二次電池進行有效充電的充電電路以及使用這個充電電路的充電器。
根據(jù)本發(fā)明，通過給電池充電的充電電路實現(xiàn)上述目的。充電電路包括產(chǎn)生輸出電壓的發(fā)電機、將發(fā)電機的輸出電壓減少到預定電壓的降壓電路、以及根據(jù)發(fā)電機產(chǎn)生的電能時充電電流進行控制的電流控制器，該充電電流從降壓電路提供給電池。在充電電路中，在充電時，降壓電路以高電壓且小電流接收發(fā)電機的輸出并以低電壓且大電流給電池充電。
例如，這個充電電路還包括用于選擇給電池充電的模式的模式選擇器，其中模式包括使提供給電池的充電電流最大的最佳電流模式和使發(fā)電機發(fā)出的電能最大化利用的最佳效率模式。
例如，在這個充電電路中，電流控制器還包括電流控制元件和限流電阻器，其中將電流控制元件和限流電阻器設置成使電池的電阻部分和限流電阻器電阻的總和不少于電流控制元件的負阻部分。而且，發(fā)電機的線圈應該為三角形連接。
例如，另外，這個充電電路包括監(jiān)所儲存的電能的監(jiān)控電路。監(jiān)控電路具有通過充電電流乘以充電時間檢測所儲存的電量的監(jiān)測器。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，給電池充電的充電器包括產(chǎn)生輸出電壓的發(fā)電機、將發(fā)電機的輸出電壓減少到預定電壓的降壓電路、以及根據(jù)發(fā)電機產(chǎn)生的電能對充電電流進行控制的電流控制器，該充電電流從降壓電路提供給電池。在充電器中，在充電時，降壓電路以高電壓且小電流接收發(fā)電機的輸出并以低電壓且大電流給電池充電。
例如，這個充電器還包括選擇給電池充電的模式的模式擇器，其中模式包括使提供給電池的充電電流最大化的最佳電流模式和使發(fā)電機發(fā)出的電能最大化利用的最佳效率模式。
例如，在這個充電器中，電流控制器還包括電流控制元件和限流電阻器，其中將電流控制元件和限流電阻器設置成使電池的電阻部分和限流電阻器電阻的總和不少于電流控制元件的負阻部分。而且，發(fā)電機的線圈應該為三角形連接。
例如，另外，這個充電器包括監(jiān)控所儲存的電能的監(jiān)控電路。監(jiān)控電路具有通過充電電流乘以充電時間檢測所儲存的電量的監(jiān)測器。
根據(jù)本發(fā)明，通過提供將發(fā)電機的輸出減少到預定電壓的降壓電路和根據(jù)發(fā)電機產(chǎn)生的電能對提供給電池的充電電流進行控制的電流控制器，在充電時降壓電路以高電壓和小電流接收發(fā)電機的輸出并且以低電壓和大電流給電池充電。結(jié)果，可以在發(fā)電機的輸出電阻和電池之間實現(xiàn)阻抗匹配，因此有效地從發(fā)電機中取出電能并且用它給電池充電。
因而，包括電池的充電電路可以獨立于發(fā)電機的輸出電阻來構(gòu)建，因而在設計上很大地改進了自由度。即使使用具有大電動勢電壓常數(shù)的低轉(zhuǎn)速發(fā)電機給電池充電，也可以得到良好的能量效率，因而完成了用于減少轉(zhuǎn)速的低噪音設計。
而且，即使充電電流大也可以獲得恒定的效率，因此在增加產(chǎn)生的電量時，可以避免發(fā)動機的運行轉(zhuǎn)距迅速地增加，因此獲得良好的操作性。
而且，通過選擇給電池充電的模式，可以任意選擇最佳電流充電或最佳效率充電。由于發(fā)電機使用三角形連接，因此可以將發(fā)電機的輸出電阻降低，從而改進降壓電路的效率。而且，由于裝配了監(jiān)控所儲存的電量的監(jiān)控電路，其檢測并且表明通過發(fā)電已經(jīng)存儲的功率的恒定電平，所以使用者可以通過以他或她所希望的轉(zhuǎn)速發(fā)電來儲存功率的規(guī)定電平而無需知道具體的轉(zhuǎn)速，直到監(jiān)控器指示為止。
本說明書的結(jié)論部分詳細地指出并且直接要求了本發(fā)明的主題。然而通過參考附圖來閱讀說明書的剩余部分，本領(lǐng)域技術(shù)人員將最充分地理解本發(fā)明的構(gòu)造和工作方法連同其他益處和目的，附圖中相同的附圖標記代表相同的元件。


圖1為示出直接充電電路的構(gòu)造電路圖；圖2為示出二次電池充電時它的電壓和充電電流之間的關(guān)系的曲線圖；圖3為示出負載電阻和產(chǎn)生的功率、取出的功率以及充電電流中的每一個之間的關(guān)系曲線圖；圖4為示出根據(jù)本發(fā)明的充電電路實施例的結(jié)構(gòu)方框電路圖；圖5為示出直接充電和高電壓充電之間比較的例子的曲線圖；圖6為示使用根據(jù)本發(fā)明的充電電路的充電器實施例的結(jié)構(gòu)的電路圖；圖7為示出電流控制晶體管的特性的曲線圖；圖8為示出在功率應用時功率(power at time of power application)與放電功率和能量效率中的每一個之間的關(guān)系的曲線圖；圖9為用于示出所產(chǎn)生的功率的電壓和充電電流之間的關(guān)系的曲形圖；圖10為用于示出施加到降壓電路中的電壓和充電電流之間的關(guān)系的曲線圖；圖11為用于示出基極(base)電阻和效率之間的關(guān)系的曲線圖。
具體實施例方式
下面將參考圖描述本發(fā)明的實施例。圖4為示出根據(jù)本發(fā)明的充電電路100實施例的結(jié)構(gòu)方框電路圖。而且，圖6為示出使用充電電路100的充電器200的結(jié)構(gòu)電路圖。
如圖4中所示，充電電路100包括發(fā)電機10、降壓電路11、電流控制器12以及二次電池B。
發(fā)電機10具有旋轉(zhuǎn)手動手柄，從而當旋轉(zhuǎn)這個手柄時它可以產(chǎn)生電壓。例如，使用三相無刷電機。這個發(fā)電機10的線圈具有Y連接或三角形(Δ)連接。
降壓電路11具有降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。在充電中，這個降壓電路11以高電壓且小電流接收發(fā)電機10的輸出并且以低電壓且大電流給二次電池B充電。
電流控制器12根據(jù)發(fā)電機10產(chǎn)生的電量控制充電電流。這里，為了使用降壓電路11解釋充電系統(tǒng)，假定電流控制器12包括限流電阻R3和回流阻止二極管D。在這種情況下，當使用發(fā)電機10作為充電電源給電池充電時，通過電阻器R3將充電電流調(diào)整為預定值。而且，二極管D適于阻止在充電期間充電電流從二次電池B中回流到降壓電路11。
作為二次電池B，例如可以使用AA鎳-氫電池。這個二次電池B的開路端電壓例如為1.2V。值得注意的是，二次電池B可以包括多個并聯(lián)的二次電池。
圖4中，R代表發(fā)電機10的內(nèi)部電阻(輸出電阻)并且假定等于90Ω。而且，Ke代表對反電動勢電壓常數(shù)以及ω代表角速度。Vy代表產(chǎn)生的電壓以及Vx代表降壓電路11的輸出電壓。而且，Iy代表發(fā)電機10的輸出電流以及Ix代表降壓電路11的輸出電流，即，充電電流。值得注意的是，E＝Keω其中E代表產(chǎn)生的電源電壓。
在使用圖4所示的降壓電路的充電系統(tǒng)中，發(fā)電機10應該等價于輸出電阻為90Ω的電池并且將發(fā)電機10的輸出提供給轉(zhuǎn)換效率為80％的降壓電路11。降壓電路11的輸出的電壓假定為2.0V。在這些條件下，提供給降壓電路11的輸入由下列等式(1)給出Vy＝E-90×Iy ............(1)由于降壓電路11具有相同的輸入和輸出，所以得出下列等式2.0×Ix＝Vy×Iy×0.8 ............(2)等式(1)和(2)結(jié)合得到下式(3)90×Iy2-E×Iy+2.5×Ix＝0 ............(3)從等式(3)中，可以如下得到IyIy={E±(E2-4×90×2.5×Ix)}/2×90---(4)]]>可以看出，為了使式(4)中的開方有解，產(chǎn)生的電能電壓E至少必須為一個定值，其由輸出電阻、轉(zhuǎn)換效率和充電電流確定。如果根號中的值為0，則發(fā)電機輸出電流Iy取值為E除以2倍的輸出電阻(通過與輸出電阻相同的負載電阻接收的電流)，因而滿足得到最大功率的條件總是不考慮率轉(zhuǎn)換效率和充電電流。值得注意的是，如果Ix＝100mA，則E≥9.5V。而且，如果E＝9.5V，則Vy＝4.25V和Iy＝53mA。
圖5示出了在二次電池被直接充電的情況下和在二次電池通過降壓電路充電的情況下進行計算的結(jié)果。在發(fā)電機10輸出電阻為90Ω的條件下給電池充電，降壓電路11的效率為0.8，并且降壓電路11的輸出電壓為2.0V，以及假定滿足最大功率的條件。
如圖5中所示，在直接充電的情況中，當產(chǎn)生的功率增加時，效率降低。另一方面，在使用降壓電路11充電的情況時，效率高且恒定。當產(chǎn)生的功率增加時，這些情況之間的差別就變得顯著了，因而當使用降壓電路11時，充電效率變得恒定，由此表明降壓電路11是有效的。
參考圖6，下面將要描述在根據(jù)本發(fā)明充電器200的實施例中使用的充電電路100的具體結(jié)構(gòu)。如圖6所示，充電電路100包括發(fā)電機10A、降壓電路11、電流控制器12A、二次電池B、監(jiān)控所儲存的電量的監(jiān)控電路13、發(fā)電監(jiān)控器14以及過電壓監(jiān)控器15。其中，電流控制器12A包括限流電阻器R3和晶體管(電流控制晶體管)Q2與Q3。
假定發(fā)電機10A為三相無刷電機并且這個發(fā)電機10使用三角形(Δ)連接。因而發(fā)電機10A的內(nèi)部電阻減小到例如21Ω。通過這樣減少內(nèi)部電阻，可以改進降壓電路11的效率。
作為降壓電路11，使用具有輸出電壓為2V的降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器(XC9201C型降壓IC，此后稱之為降壓IC)。值得注意的是，并沒有使用降壓IC(U1)的過電流保護端子2(第二管腳)。因而，電阻器R1的電阻值應該為0。
根據(jù)發(fā)電機10A產(chǎn)生的電量，電流控制器12A使用限流電阻器R3和晶體管Q2及Q3控制提供給二次電池B的充電電流。
而且，監(jiān)控電路13包括圖6中示出的R11和C7，用于監(jiān)控所儲存的電量。在這個監(jiān)控電路13中，當電流乘以一定流逝時間的值達到一定數(shù)量時，LED適于通過使用R11和C7構(gòu)成的定時器發(fā)光。在這種情況中，通過充電電流乘以充電時間來檢測所儲存的電量。例如，根據(jù)施加到降壓電路11中的電壓或開關(guān)元件驅(qū)動器的脈沖平均值監(jiān)控充電電流。
當儲存了400mA乘以一分鐘得到的電量時，這個監(jiān)控電路13點亮綠色LED D9。在這個電路中，當以400mA進行發(fā)電一分鐘時，D9亮起來。如果以200mA進行發(fā)電兩分鐘時，LED D9也亮起來。
而且，發(fā)電監(jiān)控器14是包括電阻器R6和橙色LED D7的電路。在其中，當產(chǎn)生的電壓達到2V或更高時，電流開始流動，然而為了穩(wěn)定工作，降壓IC(U1)需要至少2.3V。在這個電壓，發(fā)電監(jiān)控器14中基座中的橙色LED D7亮起來。使用者可以通過旋轉(zhuǎn)手柄對電池安全地充電，由此LED D7亮起來。LED的發(fā)光度取決于產(chǎn)生的電壓。
如果產(chǎn)生過量的電能，例如，如果產(chǎn)生的電壓達到16.5V或更高，過電壓監(jiān)控器15就點亮紅色LED D10。如果施加到降壓IC(U1)的電壓達到16.5V或更高，保護電流流過Q5，從而避免因為轉(zhuǎn)速太高將過電壓施加給它。在這種情況，紅色LED D10發(fā)光以警告使用者。
在充電中，發(fā)電機10A產(chǎn)生的電能通過由二極管D1-D6構(gòu)成的整流器電路，從而轉(zhuǎn)換成DC電壓，然后提供給具有降壓IC(U1)的降壓電路11。連接到降壓IC(U1)的第五管腳上的電阻器R10和電容C5確定開關(guān)頻率為大約300kHz。在這個頻率，開關(guān)元件Q1接通，因而通過線圈L1提供輸出。通過反饋電阻R2和R4將輸出電壓返回到降壓IC(U1)的第七管腳并且與內(nèi)部參考電壓0.9V比較。在與參考電壓比較之后得到的誤差電壓經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制，從而返回轉(zhuǎn)換脈沖，并且通過變換它的脈沖占空比進行控制，從而可以保持輸出電壓恒定。
降壓IC(U1)的輸出通過限流電阻器R3和晶體管Q2及Q3施加到二次電池B上。選擇這兩個具有低Vce(sat，設置)值的晶體管并且用于減少電路損失。
由于降壓IC(U1)的輸出電壓恒定為2.0V，如果不進行電流控制，則電流流過而不考慮產(chǎn)生的功率，使得施加到降壓IC(U1)上的電壓降低到一個數(shù)值，該數(shù)值低于滿足降壓IC(U1)工作條件的數(shù)值，這是由提供給降壓IC(低電平)的充電電流(大電流，large in magnitude)、發(fā)電機的輸出電流(大電流)和電壓的依次反饋引起的。因而，這就產(chǎn)生了對與產(chǎn)生的電能相對應的充電電流進行控制的需要。晶體管Q2和Q3根據(jù)產(chǎn)生的電壓分別控制基極電流(base current)，從而可以改變充電電流。
給二次電池充電的模式包括將提供給二次電池B的充電電流調(diào)整為預定值的最佳電流模式和最大化利用發(fā)電機10A中取出的功率的最佳效率模式。這個模式改變是通過改變電阻器R7的電阻值來進行控制的。使用例如轉(zhuǎn)換開關(guān)S1來改變電阻器R7的電阻值，其中轉(zhuǎn)換開關(guān)S1起到選擇二次電池B充電模式的模式選擇器的作用。
如果轉(zhuǎn)換開關(guān)降低了電阻器R7的電阻值，則進入最佳電流模式。在這種情況，更大的基極電流流過晶體管Q2和Q3中的每一個，從而增加充電電流。例如，如果進入最佳電流模式，在其中R7的基極電阻轉(zhuǎn)換到2KΩ，從而將充電電流設定到最大值(例如900mA)，產(chǎn)生的電能的取出效率大約為50％。另一方面，如果轉(zhuǎn)換開關(guān)增加了電阻器R7的電阻值，進入最佳效率模式。在這種情況，更小的基極電流流過晶體管Q2和Q3中的每一個，從而減少了充電電流，但是取出效率增加。例如，在進入這種最佳效率模式的情況下，R7的基極電阻轉(zhuǎn)換到8.2KΩ，從而將產(chǎn)生的電能的取出效率設定到最大值(例如84％)，充電電流大約為460mA。
圖7到圖11示出了在上述充電電路100中替代發(fā)電機10A.輸出電阻(68Ω)連接到DC電源上的情況得到的實驗結(jié)果。
圖7示出了電流控制晶體管Q2和Q3的特性。它表示了實際充電電流與Vce電壓和控制晶體管Q2及Q3的基極電流中的每一個之間的關(guān)系。曲線圖中等式y(tǒng)＝-0.00073x+0.57421是近似表達式，它表示了充電期間充電電流與Vce之間的關(guān)系，并且其中R2表示近似度。
如圖7中所示，在充電電流和Vce電壓之間以及在充電電流與基極電流之間保持了良好的線性。而且，在這個例子中，Vce可以近似為0.57-0.73x電流值(A)，并且電阻部分可以用負極性0.73Ω代替，即，負電阻值。在圖6中所示的充電電路100中，這個負電阻值(-0.73Ω)由二次電池B的內(nèi)部電阻0.4Ω和限流電阻R3抵消，以便提供0Ω。這避免了降壓IC(U1)的輸出受到充電電流幅度的影響。如果電流流動使得這種合并的電阻為負，在電流流動方向進一步發(fā)生反饋，因而導致流動了過電流。另一方面，如果電流流動使得合并的電阻為正，則在抑制電流流動的方向發(fā)生反饋，由此可以安全充電。
當產(chǎn)生足夠量的電量并且晶體管Q2和Q3中的每一個的Vce電壓降低到最小值時，允許最大電流流動。在這個電路中輸出電壓和限流電阻器R3主要將最大電流調(diào)整為1A或更低。
圖8為示出產(chǎn)生的電能量與放電電能的數(shù)量和能量效率中的每一個之間的關(guān)系的曲線圖。圖8中，代表功率應用時的功率的水平軸表示代替發(fā)電機10A而使用的DC電源的輸出功率。值得注意的是，通過充電電流乘以1.2V得到放電能量的量(放電功率)。而且，取出效率由(1.2V/降壓電路的輸出電壓)定義，總效率由(放電能量的量/產(chǎn)生的電量)定義。
圖8示出能量取出給外界的效率為50-57％，在粗略的最大功率值的附近中這是良好的數(shù)值，并且在放電功率至少為100mW的區(qū)域中隨著放電功率的增加而稍微增加。隨輸入和輸出電壓之間的差增加時，降壓電路的轉(zhuǎn)換效率降低，并且也隨產(chǎn)生的電能增加而減少。這兩個特性彼此抵消，使得總體效率大約為單一值25％，其顯示的特性不取決于充電電流(放電功率)。
圖9為示出產(chǎn)生的電壓與充電電流之間的關(guān)系的曲線圖。曲線圖中等式y(tǒng)＝53.011x-107.54為近似的表達式，它表示產(chǎn)生的電壓和充電電流之間的關(guān)系，其中R2表示近似度。
圖9示出了在發(fā)電機10A的輸出電壓和充電電流之間保持了良好的線性。因而，即使由轉(zhuǎn)速波動等引起產(chǎn)生電壓的波動而導致充電電流變化，也可以正確地檢測所儲存的電量。電流在2V或更高開始流動，因為為了穩(wěn)定工作，降壓IC(U1)需要至少2.3V。如此設置使得在這個電壓發(fā)電監(jiān)控器14中LED D7可以發(fā)光。
圖10為示出提供給降壓IC的電壓和充電電流之間的關(guān)系的曲線圖。曲線中等式y(tǒng)＝53.011x-107.54為近似的表達式，其表示提供給降壓IC(U1)的電壓和充電電流之間的關(guān)系，其中R2表示近似度。如圖10中所示，在提供給降壓IC的電壓和充電電流之間保持了良好的線性。當提供的電壓達到2V或更高時，電流開始流動，因而使得降壓IC(U1)工作。
圖11為示出基極電阻和效率之間的關(guān)系的曲線圖。圖11中，效率數(shù)值是在產(chǎn)生的功率為600mW的情況中得到的數(shù)值。而且，機械損失(由齒輪部分引起的損失)為估計值并且磁-電效率為100％。
如圖11中所示，不考慮基極電阻R7的電阻值，機械效率為90％。而且，當基極電阻R7的電阻值降低時，取出效率也降低。而且，當基極電阻R7的電阻值降低時，轉(zhuǎn)換效率增加。而且，當基極電阻R7的電阻值為6.8KΩ、8.2KΩ或4.7KΩ時，總體效率相對高，并且當電阻R7的電阻值為2kΩ，總體效率相對低。即，取出效率與轉(zhuǎn)換效率不能彼此相協(xié)調(diào)。當取出效率為50％時，充電電流取最大值(例如900mA)。
如上所述，通過在發(fā)電機10A的輸出和二次電池B之間插入降壓電路11(例如降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器)作為阻抗轉(zhuǎn)換器元件，以高電壓且小電流接收從發(fā)電機取出的電能，然后用它以低電壓且大電流給二次電池充電，即使輸出電阻變大也可以完成阻抗匹配，從而獲得高充電效率。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供將發(fā)電機10A的輸出電壓減少到預定電壓的降壓電路11、根據(jù)發(fā)電機10A產(chǎn)生的電量對從降壓電路11提供到二次電池中的充電電流進行控制的電流控制器12、選擇充電模式的模式選擇器(未示出)，和監(jiān)控所儲存的電量的監(jiān)控電路13。在充電中，降壓電路11以高電壓且小電流接收發(fā)電機的輸出并且以低電壓且大電流給二次電池充電。因而可以在發(fā)電機10A的輸出電阻和二次電池B之間完成阻抗匹配，因而有效地取出發(fā)電機10A的電能并且將它用于給二次電池B充電。
因而，可以構(gòu)成充電電路，該充電電路包括二次電池B，不考慮發(fā)電機10A的輸出電阻，因而很大地改進了設計方面的自由度。即使使用具有大電動勢電壓常數(shù)的低轉(zhuǎn)速發(fā)電機10A對二次電池充電，也可以獲得良好的能量效率，因而完成了用于降低轉(zhuǎn)速的低噪音設計。
而且，即使充電電流大也可以獲得恒定的效率，因而在產(chǎn)生的電能增加時，可以避免發(fā)動機的運行轉(zhuǎn)矩迅速增加，因而獲得良好的操作性。
而且，通過選擇給二次電池B充電的模式，可以任意選擇最佳電流充電或最佳效率充電。由于發(fā)電機10A使用三角形連接，所以可以降低發(fā)電機10A的輸出電阻，從而改進降壓電路的效率。
而且，利用產(chǎn)生的電壓和充電電流之間的關(guān)系，配備用于監(jiān)控儲存電能量的監(jiān)控器13，使與充電電流成比例的極小電流(minute current)流過由電阻器和電容構(gòu)成的定時器電路，從而總是表示儲存恒定電平的電能，而不考慮發(fā)電機轉(zhuǎn)速值。這允許使用者通過以他或她所希望的轉(zhuǎn)速發(fā)電來儲存電能的規(guī)定電平而無需知道具體速，直到監(jiān)控電路13發(fā)光。
可以使用上述充電電路100來構(gòu)成充電器，其中發(fā)電機10A用作充電電源。在這種情況，發(fā)電機10A可以與電路部分如降壓電路11、電流控制器12A和監(jiān)控電路13一體構(gòu)成(例如，容納在同一個殼體中)，從而構(gòu)成充電器。而且，可拆卸地安裝二次電池。值得注意的是，發(fā)電機10A可以與電路部分如降壓電路11、電流控制器12A和監(jiān)控電路13分離。
雖然已經(jīng)參考二次電池B為1.5V的鎳-氫電池的情況描述了上述實施例，但是本發(fā)明并不局限于此。本發(fā)明可以用于任何類型的電池。而且，本發(fā)明也可以用多個電池串連或并聯(lián)構(gòu)成要被充電的二次電池B的情況。通過改變降壓電路11的輸出電壓或電流來提供這種改動。例如，如果使用多個串連的電池，可以使用具有更高輸出電壓的降壓電路。
雖然在上述實施例中發(fā)電機10A使用三角形連接，但是本發(fā)明并不局限于此。本發(fā)明可以用于使用Y連接的發(fā)電機。
雖然在上述實施例中發(fā)電機10或10A使用手轉(zhuǎn)柄發(fā)動機，但是本發(fā)明并不局限于此?？梢允褂闷渌魏晤愋偷男D(zhuǎn)發(fā)電機，例如小型風力發(fā)電機。
雖然上述說明書已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以不脫離本發(fā)明而在更寬的方面對這些優(yōu)選實施例而作出多種改動。其附帶的權(quán)利要求覆蓋了所有這樣的改動正如落入本發(fā)明實際范圍和精神中。
權(quán)利要求
1.一種用于給電池充電的充電電路，包括產(chǎn)生輸出電壓的發(fā)電機；將所述發(fā)電機的輸出電壓減少到預定電壓的降壓電路；以及根據(jù)所述發(fā)電機產(chǎn)生的電量控制充電電流的電流控制器，所述充電電流從所述降壓電路提供給所述電池；其中，在充電中，所述降壓電路以高電壓且小電流接收所述發(fā)電機的輸出并以低電壓且大電流給所述電池充電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的充電電路，還包括選擇對所述電池充電的充電模式的模式選擇器，其中所述模式包括使提供給所述電池的充電電流最大化的最佳電流模式和使所述發(fā)電機發(fā)出的功率利用最大化的最佳效率模式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的充電電路，其中所述發(fā)電機的線圈為三角形連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的充電電路，其中所述降壓電路為將所述發(fā)電機產(chǎn)生的電壓調(diào)整到恒定電壓的降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的充電電路，其中所述電流控制器包括電流控制元件和限流電阻器；以及其中將所述電池的電阻部分和限流電阻器的電阻總和設置為不少于所述電流控制元件的負阻部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的充電電路，還包括監(jiān)控所儲存的電量的監(jiān)控電路，其中所述監(jiān)控電路具有檢測器，通過將充電電流和充電時間相乘檢測所儲存的電量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的充電電路，其中所述監(jiān)控電路根據(jù)提供給所述降壓電路的輸入電壓和開關(guān)元件驅(qū)動器脈沖的平均值中的任意一個監(jiān)控充電電流。
8.一種用于給電池充電的充電器，包括產(chǎn)生輸出電壓的發(fā)電機；將所述發(fā)電機的輸出電壓減少到預定電壓的降壓電路；以及根據(jù)所述發(fā)電機產(chǎn)生的電量控制充電電流的電流控制器，所述充電電流從所述降壓電路提供給所述電池；其中，在充電中，所述降壓電路以高電壓且小電流接收所述發(fā)電機的輸出并以低電壓且大電流給所述電池充電。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的充電器，還包括選擇對所述電池充電的充電模式的模式選擇器，其中所述模式包括使提供給所述電池的充電電流最大化的最佳電流模式和用于使所述發(fā)電機發(fā)出的功率利用最大化的最佳效率模式。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的充電器，其中所述發(fā)電機的線圈為三角形連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的充電器，其中所述降壓電路為將所述發(fā)電機產(chǎn)生的電壓調(diào)整到恒定電壓的降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的充電器，其中所述電流控制器包括電流控制元件和限流電阻器；以及其中將所述電池的電阻部分和限流電阻器的電阻總和設置為不少于所述電流控制元件的負阻部分。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的充電器，其中還包括監(jiān)控所儲存的電量的監(jiān)控電路，其中所述監(jiān)控電路具有檢測器，通過將充電電流和充電時間相乘檢測所儲存的電量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的充電器，其中所述監(jiān)控電路根據(jù)提供給所述降壓電路的輸入電壓和開關(guān)元件驅(qū)動器脈沖平均值中的任意一個監(jiān)控充電電流。
全文摘要
本發(fā)明公開一種充電電路以及使用該充電電路的充電器。該充電電路包括發(fā)電機、將發(fā)電機的輸出電壓減少到預定電壓的降壓電路、根據(jù)發(fā)電機產(chǎn)生的電量對從降壓電路提供到二次電池的充電電流進行控制的電流控制器、選擇充電模式的模式選擇器、以及監(jiān)控所儲存的電量的監(jiān)控器。在充電中，降壓電路以高電壓且小電流接收發(fā)電機的輸出并以低電壓且大電流給二次電池充電。
文檔編號H02P9/48GK1578046SQ20041005526
公開日2005年2月9日 申請日期2004年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月17日
發(fā)明者管野正喜, 森浩之, 山田心一郎, 野口勉 申請人:索尼株式會社