專利名稱：蓄電池脈沖快速充電器及其充電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一利能對(duì)蓄電池快速充電，又能防止在充電時(shí)發(fā)生過充和深度極化的全自動(dòng)脈沖快速充電器，適用于對(duì)蓄電池的充電，屬配電和控制設(shè)備類。
眾所周知，造成蓄電池充電時(shí)間長(zhǎng)，使用壽命短的原因是在于它的直流充電技術(shù)，蓄電池的充電和工業(yè)上的電鍍有著極其相似之處，它們都是采用直流技術(shù)，只要我們注意到電鍍質(zhì)量與電流之間的關(guān)系時(shí)，就會(huì)明白這個(gè)道理，當(dāng)用小電流電鍍時(shí)，它的鍍層薄，致密性好，鍍層與物件結(jié)合牢固，要鍍到一定厚度需要時(shí)間很長(zhǎng)。反之采用大電流鍍，則鍍層厚，但質(zhì)地疏松，容易剝離，原因在于在鍍層中夾有氣泡，與物件結(jié)合不牢，對(duì)蓄電池充電也是一個(gè)道理，若用大電流充電時(shí)，蓄電池也會(huì)產(chǎn)生氣泡，使極板上的活性物質(zhì)容易脫落，因而造成蓄電池的壽命縮短，所以必須用小電流充電，充電時(shí)間必須很長(zhǎng)，這是用直流充電必然導(dǎo)致的結(jié)果，由此可見，要使蓄電池充電質(zhì)量好，它的前提在充電時(shí)不能產(chǎn)生氣泡。直流充電還會(huì)使蓄電池的壽命縮短，這里有二個(gè)原因一是用戶不了解蓄電池的特性，以為充電時(shí)間越長(zhǎng)，充入電量越多，實(shí)際上蓄電池用任何一個(gè)充電電流都存在一個(gè)時(shí)間會(huì)產(chǎn)生氣泡，造成極板上的活性物質(zhì)脫落，縮短蓄電池使用壽命，還由于充電時(shí)間過長(zhǎng)，不可避免地造成充電人員疏忽而產(chǎn)生氣泡；二是在直流充電時(shí)，不能實(shí)時(shí)測(cè)得蓄電池兩端的確切電動(dòng)勢(shì)，因?yàn)樵谒亩穗妷荷铣诵铍姵氐碾妱?dòng)勢(shì)外，還串入各種極化電壓，例如電阻極化、濃度極化、電化學(xué)極化，并且隨著極化的加深，極化電壓也在加大，因而不能正確地控制充電時(shí)間，只能憑充電人員的經(jīng)驗(yàn)，而實(shí)際上對(duì)不同的蓄電池充電時(shí)間是不同的。由美國科學(xué)家馬斯在研究蓄電池的充電電流和它的出氣時(shí)間做了大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用住意一個(gè)充電電流IC對(duì)蓄電池充電時(shí)，都存在一個(gè)出氣時(shí)間t，實(shí)際上，出氣時(shí)間是與極化深度有關(guān)，而出現(xiàn)極化深度的快慢又與充電電流大小有關(guān)，充電電流越大，發(fā)生出氣的時(shí)間越早，反之，充電電流越小，發(fā)生出氣的時(shí)間越遲，如果把充電電流IC與發(fā)生出氣的時(shí)間t，在座標(biāo)系上連成一條曲線時(shí)，它非常接近一條指數(shù)衰減曲線，我們把這條曲線稱為蓄電池可接受充電曲線
IC＝I0e-ot……<1>
式中I0為可接受最大充電電流α為蓄電池可接受充電接受比。
在直流充電技術(shù)中，給定一個(gè)充電電流IC就可從式<1>中求出出氣時(shí)間tC。
tC＝(1/a)1n(I0/IC)……(2)蓄電池充入電量QD＝IC.tC……(3)如果延長(zhǎng)充電時(shí)間t>tc，未必增加蓄電池的充電量，就會(huì)出現(xiàn)大量氣泡，蓄電池發(fā)熱，還使蓄電池的壽命縮短。
如果充電電流按式<1>進(jìn)行，則可求出任意時(shí)刻充入蓄電池的電量。Qt=∫0tI0e-atdt=I0/a(1-e-at)---(4)]]>當(dāng)t→∞Q∞＝I0/a＝C……(5)上式中C為蓄電池的容量則a＝I0/C 或I0＝a·c……(6)式(6)表示當(dāng)蓄電池的容量確定后，a越大則初始充電電流越大，充電速度亦越快。
本發(fā)明的目的，提供一種蓄電池快速充電的方法及充電器。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是這樣考慮的，若用充電電流IP非常接近I0，由(2)式求出產(chǎn)生氣泡時(shí)間tp＝(1/a)ln(I0/IP)。
顯然tP很短，設(shè)tP＝τ作為充電脈沖寬度，在這個(gè)脈沖寬度內(nèi)，充電電流是IP，當(dāng)t≥τ時(shí)，IP＝0，然后用一個(gè)固定的時(shí)間τ’，對(duì)蓄電池內(nèi)部進(jìn)行去極化處理，經(jīng)去極化處理后蓄電池又恢復(fù)到充電前的狀態(tài)，然后重復(fù)第一次充電方法進(jìn)行充電，經(jīng)過n次重復(fù)后將蓄電池充足，這種充電方法稱為脈沖充電法。
在每一個(gè)充電周期T＝τ+τ’內(nèi)，蓄電池內(nèi)部的極化均已消除，因此采用這種充電方法，蓄電池不會(huì)產(chǎn)生氣泡，于是蓄電池的壽命得到延長(zhǎng)，而且充電時(shí)間短，蓄電池在每個(gè)充電周期內(nèi)充入電量為ΔQ。
ΔQ＝IP.τ……(7)經(jīng)過幾個(gè)充電周期后，充入電量QP為QP∑ΔQ＝n.IP.τ……(7)
用脈沖充電法在一個(gè)充電整周期后，蓄電池兩端電壓＝ε。
ε為蓄電池電動(dòng)勢(shì)，注意到電阻極化電壓當(dāng)IP＝0時(shí)立即消失，但濃差極化和電化學(xué)極化電壓不能立即消失，因此，在τ’時(shí)間內(nèi)通過一只窄脈沖，大電流放電才能消除由此可見，采用脈沖快速充電法，蓄電池的可接收充電電流曲線，實(shí)際上我們只用在上面電流最大值附近的一小段，用這種充電法蓄電池在每個(gè)充電周期內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生氣泡，并且還可在去極化處理時(shí)的放電脈沖過后，到下一個(gè)充電脈沖之前，在這個(gè)時(shí)段內(nèi)去測(cè)量蓄電池的端電壓，這個(gè)電壓為蓄電池真正電動(dòng)勢(shì)ε，然后與蓄電池充電后欲達(dá)到預(yù)置電壓進(jìn)行比較，當(dāng)比較器輸出為“1”時(shí)，表示蓄電池已經(jīng)充足，停止充電，否則繼續(xù)充電，實(shí)現(xiàn)充電自動(dòng)化。
蓄電池由于存在記憶效應(yīng)，使得其容量變小，因此，在本發(fā)明中，需要在接通電源時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)開機(jī)放電脈沖G，給蓄電池放電后再充電，這個(gè)脈沖一方面消除蓄電池極板上的記憶屏蔽膜，另一方面使蓄電池可接受充電曲線得到歸一。
作為一個(gè)充電器，還要求提供在充電脈沖期間的大電流充入蓄電池才能實(shí)現(xiàn)快速充電，同時(shí)要求充電器的電源容量大，由式(6)a＝I0/C可知最大可接受充電電流I0與蓄電池容量C的倍率a(即蓄電池可接受充電接受比)越大，充電速度越快，實(shí)驗(yàn)證明a與放電電流有關(guān)，對(duì)任意給定的放電深度來說，蓄電池充電接受比a與蓄電池的放電電流的對(duì)數(shù)成正比即a＝KlogkId……(9)式中Id為蓄電池放電電流K和k均為常數(shù)代入式(6)可得I0＝KClogkId……(10)式(10)表示蓄電池可接受充電電流的能力是與蓄電池的放電電流的關(guān)系，放電電流Id越大，初始充電電流I0也越大，因此，在蓄電池和充電過程中適當(dāng)穿插大電流放電，一般Id是充電電流的數(shù)倍，但由于放電脈寬τ’d很窄，所以蓄電池放出電量仍然很小，但卻大大提高了蓄電池的初始充電電流I0。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明附

圖1為本發(fā)明充電過程中電流波形圖。
附圖2為本發(fā)明充電脈沖程序控制波形圖。
附圖3為本發(fā)明充電脈沖程序控制方框圖。
附圖4為本發(fā)明主電路。
附圖5為本發(fā)明電子變壓器控制方框圖。
附圖6為本發(fā)明電子變壓器原理圖。
參考附圖1本發(fā)明采用脈沖快速充電法，脈沖充電周期為T，其中τ是充電脈沖寬度，對(duì)不同蓄電池是可有不同脈寬τ，所以是可調(diào)的，τ’是去極化脈沖寬度，它有三部份組成，停止充電脈寬τ’充、放電脈寬τ’d和測(cè)試脈沖τ’放，根據(jù)蓄電池在充電過程中電流波形要求，充電器由輸出脈沖寬度可調(diào)節(jié)的多諧振蕩器A和一只輸出脈沖寬度固定的多諧振蕩器A；以適應(yīng)各種規(guī)格和品種的蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)A＝“1”時(shí)蓄電池通過電源電路儲(chǔ)存電能(充電)，當(dāng)A＝“1”時(shí)使處理極化單穩(wěn)態(tài)電路B和C進(jìn)入工作狀態(tài)，它是通過微分電路取出充電脈沖的后沿或者A＝1的脈沖前沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路B、C進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，然后通過“與”門把τ’的時(shí)段內(nèi)分離出τ’充、τ’d和τ’放三個(gè)脈沖寬度，其中B、C的“與”門輸出放電脈沖寬度τ’d，它是根據(jù)要求設(shè)計(jì)的，而C＝τ’放，它也是打開電子開關(guān)的開閘信號(hào)，該信號(hào)未到來之前或過后，電子開關(guān)將門前信號(hào)關(guān)閉。
電路中的比較器是完成對(duì)蓄電池狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，這里主要監(jiān)測(cè)蓄電池的兩個(gè)物理量，比較器P1是用來監(jiān)測(cè)蓄電池的端電壓，比較器P2是用來監(jiān)測(cè)蓄電池的外殼溫度，比較器P1是通過電子開關(guān)的開閘信號(hào)C＝“1”時(shí)輸入蓄電池端電壓取樣信號(hào)與予置充電設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)超過設(shè)定值時(shí)輸出為“1”反之為“0”，比較器P2是由溫度測(cè)試電橋輸入，同樣當(dāng)監(jiān)測(cè)蓄電池的外殼溫度超過予置值時(shí)輸出為“1”時(shí)表示蓄電池已深度極化，產(chǎn)生大量氣泡，反之為“0”，表示蓄電池處在正常的狀態(tài)。
電路中有兩只RS觸發(fā)器，它們?cè)诔潆娖鞔蜷_電源瞬間均處在“0”狀態(tài)即Q＝“0”、Q＝“1”，其作用上用來保護(hù)蓄電池，RS-1是用來防止蓄電池出現(xiàn)過充，當(dāng)蓄電池充到予置值時(shí)，P1輸出為“1”，使RS-1翻轉(zhuǎn)Q＝“1”、Q＝“0”，于是把充電前的電路A、B、C全部關(guān)閉，RS-2是用來防止蓄電池出現(xiàn)過度極化，當(dāng)蓄電池在過度極化時(shí)，溫度升高，當(dāng)外殼溫度超過預(yù)置值時(shí)，比較器P2輸出“1”使RS-2翻轉(zhuǎn)成Q＝“1”、Q＝“0”，同樣使A、B、C電路復(fù)位。
另外，電路還設(shè)有開機(jī)單穩(wěn)態(tài)電路G，當(dāng)充電器上的電源開關(guān)合上瞬間，產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖G，單穩(wěn)態(tài)G輸出與B、C門的輸出組成“或”信號(hào)即G+BC，因此開機(jī)一瞬間充電器使蓄電池放電，同時(shí)由于G＝“0”，把A、B、C電路全部復(fù)“0”，在放電過后，G＝1充電器進(jìn)入正常充電狀態(tài)。
由于脈沖充電器的電源容量的大小，直接決定了充電器在脈沖充電期限間可輸出電流的大小，輸出電流越大，充電時(shí)間越短，一般來說電源容量越大，它的體積、重量、成本要占充電器的總占有量的95％以上，因此脈沖充電器的電源設(shè)計(jì)也是充電器設(shè)計(jì)中極為關(guān)注的問題之一，參考附圖6為了減小電源的體積和重量，一般的方法是提高電源的頻率，本發(fā)明采用電子斬波技術(shù)，把電網(wǎng)整流后的波形切變成100HZ對(duì)稱調(diào)制的高頻電源波，然后通過高頻變壓器變換成負(fù)載要求的輸出電壓和容量，再經(jīng)過高頻整流和濾波處理后，變成直流電平提供充電器。
參考附圖5，電子斬波器是由斬波脈沖發(fā)生器，頻率在20-30KHZ和分頻器分成相位相反的兩路，再與斬波脈沖發(fā)生產(chǎn)生的脈沖組成“與”輸出，輸入耦合變壓器，分成四路兩組，每組為同相觸發(fā)信號(hào)，兩組互為反相，分別觸發(fā)橋式開關(guān)電路，互成對(duì)角的F開關(guān)元件兩組(即F1、F2和F1、F2)導(dǎo)通，但不允許所有F開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，高頻變壓器是鐵磁變壓器的十分之一。
應(yīng)用本發(fā)明后，解決了蓄電池充電中的四個(gè)問題1由于大電流脈沖充電，大大縮短了充電時(shí)間；2在充電過程中進(jìn)行去極化處理，因此不產(chǎn)生氣泡，大大延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命；3消除了蓄電池的記憶效應(yīng)；4在充電過程中能實(shí)時(shí)測(cè)得蓄電池在端電壓中不含極化電壓的電動(dòng)勢(shì)ε，實(shí)現(xiàn)了蓄電池充電全自動(dòng)化。
權(quán)利要求
1.一種蓄電池脈沖快速充電器的充電方法，其特征在于采用大電流脈沖充電，在每個(gè)充電脈沖過后進(jìn)行快速去極化處理，充電脈沖的寬度可根據(jù)不同規(guī)格、類型的蓄電池進(jìn)行調(diào)節(jié)，去極化處理脈沖寬度包含了停止充電脈寬τ充、大電流窄脈沖放電脈寬τd和停止放電后對(duì)蓄電池電量檢測(cè)脈寬τ放是固定不變的。
2.一種蓄電池脈沖快速充電器，其特征在于充電器由充電主電路、充電電源和充電脈沖程序控制電路組成，它由充電脈沖發(fā)生器A和A，當(dāng)A＝“1”時(shí)蓄電池通過電源主電路儲(chǔ)存電能，當(dāng)A＝“1”時(shí)，通過微分電路取出充電脈沖的前沿或者A＝1時(shí)通過微分電路取出后沿，使處理極化單穩(wěn)態(tài)電路B和C進(jìn)入工作狀態(tài)，然后通過“與”門把去極化處理脈沖τ’內(nèi)分離出停止充電脈寬τ充，大電流窄脈沖放電脈寬τ放和停放電脈寬τ放，其中B.C的“與”門輸出為放電脈沖寬度τ’d，C輸出為τ’放，C也是電子開關(guān)電路的開閘信號(hào)，C＝“1”時(shí)，比較器P1對(duì)取出蓄電池的端電壓與蓄電池的預(yù)置電壓進(jìn)行比較，若P1輸出為“1”時(shí)RS-1觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為Q＝“1”，Q1＝0，充電器停止充電，反之繼續(xù)充電，比較器P2是對(duì)蓄電池外殼溫度和預(yù)置溫度進(jìn)行比較，當(dāng)超過預(yù)置溫度時(shí)RS-2翻轉(zhuǎn)，Q2＝“1”，Q2＝0同樣能使充電器停止充電。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖快速充電器，其特征在于充電器設(shè)有開機(jī)單穩(wěn)態(tài)電路G、當(dāng)電源開關(guān)合上一瞬間，產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖G，該脈沖信號(hào)與BC門的輸出組成“或”信號(hào)即G+BC使開機(jī)一瞬間充電器使蓄電池放電，同時(shí)由于G＝“0”，把A、B、C電路全部復(fù)位。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖快速充電器，其特征在于充電器電源為50HZ電源變成高頻調(diào)制電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖快速充電器，其特征在于電子斬波器中變壓器鐵芯為“0”型或者“C”型鐵氧體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種蓄電池充電新方法——大電流脈沖快速充電,它是在每一個(gè)充電脈沖過后,對(duì)蓄電池進(jìn)行快速去極化處理,消除蓄電池中極化電壓,同時(shí)介紹了由此法設(shè)計(jì)的脈沖快速充電器,其特點(diǎn)是充電脈沖可根據(jù)不同類型電池調(diào)節(jié)充電脈沖寬度,對(duì)充電電池設(shè)有過充、過熱保護(hù),實(shí)現(xiàn)充電的自動(dòng)化。
文檔編號(hào)H02J7/00GK1338803SQ0112662
公開日2002年3月6日 申請(qǐng)日期2001年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月4日
發(fā)明者黃坤彪 申請(qǐng)人:黃坤彪