CN1338803A - 蓄电池脉冲快速充电器及其充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄电池充电新方法——大电流脉冲快速充电,它是在每一个充电脉冲过后,对蓄电池进行快速去极化处理,消除蓄电池中极化电压,同时介绍了由此法设计的脉冲快速充电器,其特点是充电脉冲可根据不同类型电池调节充电脉冲宽度,对充电电池设有过充、过热保护,实现充电的自动化。

Description

蓄电池脉冲快速充电器及其充电方法

本发明涉及一利能对蓄电池快速充电，又能防止在充电时发生过充和深度极化的全自动脉冲快速充电器，适用于对蓄电池的充电，属配电和控制设备类。

众所周知，造成蓄电池充电时间长，使用寿命短的原因：是在于它的直流充电技术，蓄电池的充电和工业上的电镀有着极其相似之处，它们都是采用直流技术，只要我们注意到电镀质量与电流之间的关系时，就会明白这个道理，当用小电流电镀时，它的镀层薄，致密性好，镀层与物件结合牢固，要镀到一定厚度需要时间很长。反之采用大电流镀，则镀层厚，但质地疏松，容易剥离，原因在于在镀层中夹有气泡，与物件结合不牢，对蓄电池充电也是一个道理，若用大电流充电时，蓄电池也会产生气泡，使极板上的活性物质容易脱落，因而造成蓄电池的寿命缩短，所以必须用小电流充电，充电时间必须很长，这是用直流充电必然导致的结果，由此可见，要使蓄电池充电质量好，它的前提在充电时不能产生气泡。直流充电还会使蓄电池的寿命缩短，这里有二个原因：一是用户不了解蓄电池的特性，以为充电时间越长，充入电量越多，实际上蓄电池用任何一个充电电流都存在一个时间会产生气泡，造成极板上的活性物质脱落，缩短蓄电池使用寿命，还由于充电时间过长，不可避免地造成充电人员疏忽而产生气泡；二是在直流充电时，不能实时测得蓄电池两端的确切电动势，因为在它的端电压上除了蓄电池的电动势外，还串入各种极化电压，例如电阻极化、浓度极化、电化学极化，并且随着极化的加深，极化电压也在加大，因而不能正确地控制充电时间，只能凭充电人员的经验，而实际上对不同的蓄电池充电时间是不同的。由美国科学家马斯在研究蓄电池的充电电流和它的出气时间做了大量的实验，发现用住意一个充电电流I_C对蓄电池充电时，都存在一个出气时间t，实际上，出气时间是与极化深度有关，而出现极化深度的快慢又与充电电流大小有关，充电电流越大，发生出气的时间越早，反之，充电电流越小，发生出气的时间越迟，如果把充电电流I_C与发生出气的时间t，在座标系上连成一条曲线时，它非常接近一条指数衰减曲线，我们把这条曲线称为蓄电池可接受充电曲线：

                I_C＝I₀e^-ot……<1>

式中：I₀为可接受最大充电电流

    α为蓄电池可接受充电接受比。

在直流充电技术中，给定一个充电电流I_C就可从式<1>中求出出气时间t_C。

            t_C＝(1/a)1n(I₀/I_C)……(2)

            蓄电池充入电量Q_D＝I_C.t_C……(3)

如果延长充电时间t>tc，未必增加蓄电池的充电量，就会出现大量气泡，蓄电池发热，还使蓄电池的寿命缩短。

如果充电电流按式<1>进行，则可求出任意时刻充入蓄电池的电量。 $Q_t={{\&Integral;}_0}^t{I}_0{e}^{-\mathrm{at}}\mathrm{dt}=I_0/a(1-e^{-\mathrm{at}})---\left(4\right)$

当t→∞

                     Q_∞＝I₀/a＝C……(5)

上式中C为蓄电池的容量则

                  a＝I₀/C  或I₀＝a·c……(6)

式(6)表示：当蓄电池的容量确定后，a越大则初始充电电流越大，充电速度亦越快。

本发明的目的，提供一种蓄电池快速充电的方法及充电器。

为了达到上述目的，本发明是这样考虑的，若用充电电流I_P非常接近I₀，由(2)式求出产生气泡时间tp＝(1/a)ln(I₀/I_P)。

显然t_P很短，设t_P＝τ作为充电脉冲宽度，在这个脉冲宽度内，充电电流是I_P，当t≥τ时，I_P＝0，然后用一个固定的时间τ’，对蓄电池内部进行去极化处理，经去极化处理后蓄电池又恢复到充电前的状态，然后重复第一次充电方法进行充电，经过n次重复后将蓄电池充足，这种充电方法称为脉冲充电法。

在每一个充电周期T＝τ+τ’内，蓄电池内部的极化均已消除，因此采用这种充电方法，蓄电池不会产生气泡，于是蓄电池的寿命得到延长，而且充电时间短，蓄电池在每个充电周期内充入电量为ΔQ。

                     ΔQ＝I_P.τ……(7)

经过几个充电周期后，充入电量Q_P为

                   Q_P∑ΔQ＝n.I_P.τ……(7)

用脉冲充电法在一个充电整周期后，蓄电池两端电压＝ε。

ε为蓄电池电动势，注意到电阻极化电压当I_P＝0时立即消失，但浓差极化和电化学极化电压不能立即消失，因此，在τ’时间内通过一只窄脉冲，大电流放电才能消除：

由此可见，采用脉冲快速充电法，蓄电池的可接收充电电流曲线，实际上我们只用在上面电流最大值附近的一小段，用这种充电法蓄电池在每个充电周期内不会产生气泡，并且还可在去极化处理时的放电脉冲过后，到下一个充电脉冲之前，在这个时段内去测量蓄电池的端电压，这个电压为蓄电池真正电动势ε，然后与蓄电池充电后欲达到预置电压进行比较，当比较器输出为“1”时，表示蓄电池已经充足，停止充电，否则继续充电，实现充电自动化。

蓄电池由于存在记忆效应，使得其容量变小，因此，在本发明中，需要在接通电源时，产生一个开机放电脉冲G，给蓄电池放电后再充电，这个脉冲一方面消除蓄电池极板上的记忆屏蔽膜，另一方面使蓄电池可接受充电曲线得到归一。

作为一个充电器，还要求提供在充电脉冲期间的大电流充入蓄电池才能实现快速充电，同时要求充电器的电源容量大，由式(6)a＝I₀/C可知：最大可接受充电电流I₀与蓄电池容量C的倍率a(即蓄电池可接受充电接受比)越大，充电速度越快，实验证明：a与放电电流有关，对任意给定的放电深度来说，蓄电池充电接受比a与蓄电池的放电电流的对数成正比即：

                a＝KlogkI_d……(9)

式中I_d为蓄电池放电电流：

K和k均为常数

代入式(6)可得

           I₀＝KClogkI_d……(10)

式(10)表示蓄电池可接受充电电流的能力是与蓄电池的放电电流的关系，放电电流I_d越大，初始充电电流I₀也越大，因此，在蓄电池和充电过程中适当穿插大电流放电，一般I_d是充电电流的数倍，但由于放电脉宽τ’_d很窄，所以蓄电池放出电量仍然很小，但却大大提高了蓄电池的初始充电电流I₀。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

附图1为本发明充电过程中电流波形图。

附图2为本发明充电脉冲程序控制波形图。

附图3为本发明充电脉冲程序控制方框图。

附图4为本发明主电路。

附图5为本发明电子变压器控制方框图。

附图6为本发明电子变压器原理图。

参考附图1本发明采用脉冲快速充电法，脉冲充电周期为T，其中τ是充电脉冲宽度，对不同蓄电池是可有不同脉宽τ，所以是可调的，τ’是去极化脉冲宽度，它有三部份组成，停止充电脉宽τ’_充、放电脉宽τ’_d和测试脉冲τ’_放，根据蓄电池在充电过程中电流波形要求，充电器由输出脉冲宽度可调节的多谐振荡器A和一只输出脉冲宽度固定的多谐振荡器A；以适应各种规格和品种的蓄电池进行充电，当 A＝“1”时蓄电池通过电源电路储存电能(充电)，当 A＝“1”时使处理极化单稳态电路B和C进入工作状态，它是通过微分电路取出充电脉冲的后沿或者A＝1的脉冲前沿触发单稳态电路B、C进入暂稳态，然后通过“与”门把τ’的时段内分离出τ’_充、τ’_d和τ’_放三个脉冲宽度，其中B、C的“与”门输出放电脉冲宽度τ’_d，它是根据要求设计的，而C＝τ’_放，它也是打开电子开关的开闸信号，该信号未到来之前或过后，电子开关将门前信号关闭。

电路中的比较器是完成对蓄电池状态的监测，这里主要监测蓄电池的两个物理量，比较器P₁是用来监测蓄电池的端电压，比较器P₂是用来监测蓄电池的外壳温度，比较器P₁是通过电子开关的开闸信号C＝“1”时输入蓄电池端电压取样信号与予置充电设定值进行比较，当超过设定值时输出为“1”反之为“0”，比较器P₂是由温度测试电桥输入，同样当监测蓄电池的外壳温度超过予置值时输出为“1”时表示蓄电池已深度极化，产生大量气泡，反之为“0”，表示蓄电池处在正常的状态。

电路中有两只RS触发器，它们在充电器打开电源瞬间均处在“0”状态即Q＝“0”、 Q＝“1”，其作用上用来保护蓄电池，RS-1是用来防止蓄电池出现过充，当蓄电池充到予置值时，P1输出为“1”，使RS-1翻转Q＝“1”、 Q＝“0”，于是把充电前的电路A、B、C全部关闭，RS-2是用来防止蓄电池出现过度极化，当蓄电池在过度极化时，温度升高，当外壳温度超过预置值时，比较器P₂输出“1”使RS-2翻转成Q＝“1”、 Q＝“0”，同样使A、B、C电路复位。

另外，电路还设有开机单稳态电路G，当充电器上的电源开关合上瞬间，产生一个窄脉冲G，单稳态G输出与B、C门的输出组成“或”信号即G+ BC，因此开机一瞬间充电器使蓄电池放电，同时由于 G＝“0”，把A、B、C电路全部复“0”，在放电过后， G＝1充电器进入正常充电状态。

由于脉冲充电器的电源容量的大小，直接决定了充电器在脉冲充电期限间可输出电流的大小，输出电流越大，充电时间越短，一般来说电源容量越大，它的体积、重量、成本要占充电器的总占有量的95％以上，因此脉冲充电器的电源设计也是充电器设计中极为关注的问题之一，参考附图6为了减小电源的体积和重量，一般的方法是提高电源的频率，本发明采用电子斩波技术，把电网整流后的波形切变成100HZ对称调制的高频电源波，然后通过高频变压器变换成负载要求的输出电压和容量，再经过高频整流和滤波处理后，变成直流电平提供充电器。

参考附图5，电子斩波器是由斩波脉冲发生器，频率在20-30KHZ和分频器分成相位相反的两路，再与斩波脉冲发生产生的脉冲组成“与”输出，输入耦合变压器，分成四路两组，每组为同相触发信号，两组互为反相，分别触发桥式开关电路，互成对角的F开关元件两组(即F1、F2和 F1、 F2)导通，但不允许所有F开关同时导通，高频变压器是铁磁变压器的十分之一。

应用本发明后，解决了蓄电池充电中的四个问题：1由于大电流脉冲充电，大大缩短了充电时间；2在充电过程中进行去极化处理，因此不产生气泡，大大延长了蓄电池的使用寿命；3消除了蓄电池的记忆效应；4在充电过程中能实时测得蓄电池在端电压中不含极化电压的电动势ε，实现了蓄电池充电全自动化。

Claims (5)

1、一种蓄电池脉冲快速充电器的充电方法，其特征在于：采用大电流脉冲充电，在每个充电脉冲过后进行快速去极化处理，充电脉冲的宽度可根据不同规格、类型的蓄电池进行调节，去极化处理脉冲宽度包含了停止充电脉宽τ_充、大电流窄脉冲放电脉宽τ_d和停止放电后对蓄电池电量检测脉宽τ_放是固定不变的。

2、一种蓄电池脉冲快速充电器，其特征在于充电器由充电主电路、充电电源和充电脉冲程序控制电路组成，它由充电脉冲发生器A和 A，当A＝“1”时蓄电池通过电源主电路储存电能，当 A＝“1”时，通过微分电路取出充电脉冲的前沿或者A＝1时通过微分电路取出后沿，使处理极化单稳态电路B和C进入工作状态，然后通过“与”门把去极化处理脉冲τ’内分离出停止充电脉宽τ_充，大电流窄脉冲放电脉宽τ放和停放电脉宽τ_放，其中B.C的“与”门输出为放电脉冲宽度τ’_d， C输出为τ’_放，C也是电子开关电路的开闸信号， C＝“1”时，比较器P₁对取出蓄电池的端电压与蓄电池的预置电压进行比较，若P₁输出为“1”时RS-1触发器翻转为Q＝“1”， Q₁＝0，充电器停止充电，反之继续充电，比较器P₂是对蓄电池外壳温度和预置温度进行比较，当超过预置温度时RS-2翻转，Q₂＝“1”，Q₂＝0同样能使充电器停止充电。

3、根据权利要求2所述的脉冲快速充电器，其特征在于：充电器设有开机单稳态电路G、当电源开关合上一瞬间，产生一个窄脉冲G，该脉冲信号与 BC门的输出组成“或”信号即G+ BC使开机一瞬间充电器使蓄电池放电，同时由于 G＝“0”，把A、B、C电路全部复位。

4、根据权利要求2所述的脉冲快速充电器，其特征在于充电器电源为50HZ电源变成高频调制电源。

5、根据权利要求2所述的脉冲快速充电器，其特征在于电子斩波器中变压器铁芯为“0”型或者“C”型铁氧体。

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