专利名称：电池充电器的制作方法
本申请的对应美国申请为申请人1992年1月27日提交的美国专利申请07/826，002号共同未决专利申请之部分继续申请。
本发明公开了一种适用于充电传统的碱锰原电池的电池充电器。
电池制造商经常劝阻再充电原电池。从而，例如在一本名为“常备电池工程数据”(EvereadyBatteryEngineeringData)(联合碳化物公司，纽约，1968)的出版物的第二页上，提出了这样的警告“如果‘EVEREADY’原电池受到任何形式的再充电，则所有保证…都将无效与作废。注意第23页上的讨论”该联合碳化物公司的出版物第23页公开了在一定限制条件下，原电池可以充电。引用了国家标准局的条文(传阅函件LC965)，该出版物申明说“虽然干电池在标称上认为是一种原电池，但在一定条件下它可再充电有限次数。1、当从使用中取出电池充电时，放电的工作电压不应低于每一电池1.0伏。2、电池从使用中取出后应立即充电。3、再充电的安培小时应为放电的120%-180%。4，充电率应低到足以分布在12-16小时的再充电时间上。5，由于再充电的电池储存期限不长，充电后应立即投入使用”。
正如该联合碳化物公司的出版物所公开的，再充电原电池的先有技术方法是没有吸引力的。首先，1.0伏以上的放电工作电压严重地限制了能从电池中抽取的可利用能量，只表示浅层放电。第二，将一个电池从使用中取出后立即进行充电不是经常能够做到的。第三，电池的最终用户通常不愿意用16小时的长时间来再充电一个电池而希望较短的再充电周期。第四，用先有工艺产生的再充电电池具有短的储存期限。
本发明的一个目的为提供一种用于再充电原电池的电池充电器，它容许放电工作电压显著低于1.0伏。
本发明的另一目的为提供一种用于再充电原电池的电池充电器，它使延时再充电的反作用为最小。
本发明的又一个目的为提供一种电池充电器，它能在短到大约8小时中有效地再充电一个原电池。
本发明的又一个目的为提供一种电池充电器，它将提供具有显著增进的储存期间的再充电原电池。
本发明的又一个目的为提供一种适用于再充电可再充电的碱锰(“RAM”)电池的电池充电器。
本发明的又一个目的为提供一种适用于再充电可再充电的镍镉电池以及常用的碳锌电池的电池充电器。
本发明的又一个目的为提供一种适用于再充电锂亚硫酰氯电池的电池充电器。
本发明的又一个目的为提供一种适用于再充电锂硫电池的电池充电器。
根据本发明，提供了一种电池充电器，它包括用具有指定的电流与电压值范围的直流电单独充电多个电池中各个电池的装置，用于独立控制作用在所述电池中各个电池上的直流电的装置，以及用于向所述电池中的各个电池提供不同的电荷量的装置。
当结合附图对照阅读下述详细说明时，将会更全面地理解本发明，在附图中，相同的参照数字指明相同的元件，其中
图1为利用双脉冲反向电流图样的本发明的电池充电器的一个较佳实施例的示意图;
图2为利用双脉冲反向电流图样的本发明的另一种较佳电池充电器的示意图;
图3为本发明的另一种较佳电池充电器的示意图;
图4为图3的电池充电器的改进型的示意图;
图5为适用于以独立分路调整充电一系列连接的电池组的电池充电器的示意图;
图6为图5的电池充电器的改进型的示意图;
图7为图6的电池充电器的改进型的示意图;
图8为分路调整的电池充电器的示意图;
图9为本发明的范围内的另一种较佳电池充电充器的示意图。
在一个示例性较佳实施例中，本发明的电池充电器是用于充电原锌二氧化锰电池的。正如熟悉本技术的人员所知的，这些原锌二氧化锰电池通常被认为是不能再充电的，由于它们不受到达不可逆化学状态的保护，最好在用尽它们的能量后便将它们抛弃。
对于熟悉本技术的人员而言，这些锌二氧化锰原电池是熟知为“干电池”、“高功率干电池”与“碱性原电池”的;并且它们是很容易购得的。从而，作为示例而不是限制，并参照Newark电子产品目录110号(NewarkElectronics，芝加哥，伊利诺州，1989)，人人都可购买EvereadyEN91碱性电池(见562页)、Eveready101-5锌碳电池(见562页)、EvereadyEV15工业通用锌碳电池(见562页)、EvereadyEV115工业高功率锌碳电池(562页)、DuracellMN1500碱性电池(564页)以及诸如此类。
作为示例，干电池可以是一种锌-氯化铵-二氧化锰碳系统;例如见CharlesMantell的“电池与能量系统”(Batteries&EnergySystem)(McGraw-Rill公司，纽约，1983)第34-54页。从而，例如该干电池也可以是锌-碱-二氧化锰原电池(见Mantell书的55-67页)，或者一种高功率“干电池”(见Mantell书的70页)，及诸如此类。
在一个较佳实施例中，用于申请人的过程中的电池最好是一个碱性二氧化锰原电池。作为示例，这种电池之一是4，857，424号美国专利中所公开的，在本说明书中引入这一专利的公开作为参照。在本节的其余部分中，将参照过程对照这种电池的使用，应当理解本过程也能应用于其它锌碳电池。
本申请人发明的充电器能再充电一个已经放电到一个较小程度或者较大程度的电池;并且此外，它也能再充电一个并不是从使用中取出后立即投入充电的电池(当涉及镍镉电池时，它通常称作“睡眠的电池”或“具有记忆效应的电池”)。从而，申请人的充电器是显著地较上述国家标准局传阅函件中所描述的充电器更为万能的;并且由申请人的充电器所产生的充电的电池比先有技术充电器所产生的电池有显著地增进了的储存寿命。
本发明的反向脉冲充电器下面所描述的申请人的发明的一个实施例中，该电池充电器既向被充电的电池提供一个长的反向脉冲并且还向其提供一个短的反向脉冲。
将放电后的电池连接到申请人的电池充电器上，在本说明书中随处都提到该充电器。此后，在过程的第一步中，将多个充电脉冲提供给电池。
将一个电流脉冲源连接到一个开关装置上，再将后者连接到电池上。开关装置根据当时电池的电气状态有选择地将一个特定的电流脉冲供给待充电的电池。
申请人的充电器的这一实施例中所使用的电流脉冲最好是具有至少大约1毫秒的周期的直流脉冲，并且最好从大约1至大约8毫秒，如最好从通常的交流电源中方便地获得的。直流脉冲以具有大约5至大约7毫秒的周期为佳，并且最好是大约6毫秒。然而，正如熟悉本技术的人员所明了的，也可使用提供显著地较长的脉冲选择的滤波电源。
电流脉冲将具有不超过大约40%电池的原始容量的平均值，并且更好是从大约9%至大约20%电池的原始容量。电池的原始容量便是制造商给予这种电池的电流额定值。从而，例如AA碱性电池在8小时额定值上额定为1.5安培小时;而用于再充电这一电池的脉冲通常应不大于大约200毫安的平均值。
在申请人的发明的充电器的这一实施例中，设置了用于判定是否需要将特定的直流脉冲通过开关装置发送到电池的装置。该判定装置测定电池电压的储存值并随后在放电周期(下面讨论)中的一个指定的时间点上将其与一个参照电压进行比较。如果电池电压的储存值低于该参照电压，则将电流脉冲发送给电池。如果电池电压的储存值高于该参照电压，则不将电流脉冲发送给电池。
电池的参照电压是充电电池所要求的最终电压;这是以从大约-0.07%至-0.13%每摄氏度的一个近似的负温度系数规定在25摄氏度上的。因此，对于一个二氧化锰原碱性电池，参照电压至少大约为1.585伏，而最好为从大约1.60伏至大约1.65伏;在一个实施例中，这一参照电压在25摄氏度为1.62伏。
在申请人的充电器的这一实施例中，对于一个碱性电池而言，参照电压无论如何不超过1.7伏。当将这一过程用于铅酸蓄电池时，参照电压极限为每一电池2.45伏。当将这一过程用于一个RAM电池时，参照电压极限为每一电池1.7伏。当将这一过程用于一个镍镉电池时，参照电压极限为每一电池1.42伏，在这一情况中，它表示电流限制的与恒定电流充电之间的过渡电压。通常参照电压不得超过电池的长期安全浮动电压。
在图1所示的一个较佳实施例中，如果电池不能接收与传导由开关装置从可利用的电源电压向其发送的一个电流脉冲，则对电池设置了一条小的附加的电流路径供给两倍电源电压。不希望受任何特殊理论的约束，申请人深信这一附加的电流源保证了经受长期放电存储后的电池的初始可充电性。正如熟悉本技术的人员所明了的，放电后经过长期存放的铅电池通常是抗拒初始充电的。
在申请人的充电器的这一实施例中，除了选择性地向待充电的电池提供周期性的直流脉冲以外，电池是周期性地放电的。周期性地从电池抽取直流脉冲。这些脉冲具有从大约5%至大约35%的直流充电脉冲的周期;并且它们在放电时还具有从大约10%至大约25%的从充电脉冲得到的平均电流值的一个电流值。因此，作为示例，对于一个以60赫兹电源计时的系统，它将为大约6毫秒的范围内的充电脉冲提供大约200毫安的一个平均电流值，放电脉冲通常最好具有大约1.0至大约1.5毫秒的周期以及具有以120赫兹重复率的大约40毫安的一个瞬时电流值。
一般，放电脉冲表示大约3%至8%可利用的充电器能量的损失。
除了提供短充电脉冲及从电池抽取更短的放电脉冲之外，申请人的发明的这一实施例的充电器还周期性地中止充电过程并提供从电池连续放电一段较长的时间间隔。
“连续”放电脉冲的延续时间至少大约为0.5秒，最好是至少大约1.0秒。
在长脉冲放电中抽取的电流值通常为大约10%至大约25%的从充电脉冲中得到的平均电流值。在图1所示的一个实施例中，长放电脉冲的电流值基本上等于短放电脉冲的电流值。在这一实施例中，可利用共用的放电部件。
最好是大约2%至大约15%的总充电时间由周期性长放电脉冲表示。从而，作为示例，当长脉冲放电具有大约2秒的延续时间时，长脉冲之间的时间大约为30秒。
通常，当将图1的充电器用于碱性电池、镍镉电池、以及RAM电池时，长脉冲之间的时间最好是大约10秒至大约60秒;用于镍镉电池与RAM电池时，可使用与碱性电池所使用的类似的脉冲图样。作为比较，用于铅酸蓄电池时，长脉冲的延续时间是大约15至大约30秒，并且长脉冲间的时间大约从15至大约30秒，并且长脉冲间的时间大约从1.5分至大约5分钟。
不受任何特定理论的制约，申请人深信采用短脉冲图样及得到的超越初始接收级(在碱性电池中通常40%)的充电接收改进，结合长脉冲图样(它使深度放电或连续再充电后放电存放的电池能够增进电池容量的恢复)使适当的电池处理成为可能，而无须偏移超出电池的安全浮动电压极限并且不需要用于这种操作方式所需的庞大硬件。
在图1所示的申请人的充电器的实施例中，设置了用于在每当放电中止时的时间点上测定并存储电池的电压值的装置。在时间中这一点上，有关电池电压的信息被一个比较器用来判定它是否超过参照电压。如上面所指出的，当放电中止时的电池电压超过参照电压时，则不向电池发送电流脉冲(但不论电池存储电压的值为多大放电脉冲仍按时间表从电池抽取)。反之，当存储的电池电压小于参照电压时，则容许电流脉冲流向电池。
图1为申请人的发明的电池充电器10的一个较佳实施例的示意图。图1的实施例适用于独立地充电两个碱性电池。熟悉本技术的人员应能明了，当电池充电器10被用于其它种类的电池(诸如铅酸电池)时，电路必须提供不同的时间常数与电流值。
参见图1，一个碱性电池可连接在点12与公用母线14之间，而另一个碱性电池则可连接在点16与公用母线14之间。对于熟悉本技术的人员而言应能理解，可以设计出适用于充电4、8、20或任意个所要求的数目的电池的类似电路。
再参见图1，交流电最好通过电源变压器18提供给二极管20、22、24与26。在一个实施例中，交流电为标准的120伏/60赫兹市电。在另一个实施例中，交流电是传统的220伏/50赫兹市电。也可使用其它的交流电源。
提供给二极管20与22的交流电受到整流。将这样产生的直流电连接到公用母线14。电源正母线28是取自变压器18的次级绕组的中心抽头30的。
二极管24与26向母线32提供一个整流的正电压，该电压大约为母线28上的电压的两倍。母线32上的正电压可用于为比较器34与36加电并为通过电阻器38与40提供的电阻电池故障电压提供电源。
如说明书中所指出的，如果连接在母线14与点12或16中之一间的一个电池不能导通，则电阻器38和/或40将通过反向隔离二极管42或44从母线32向不导电的电池提供电压。通常，这一增加的电压是足以启动抗拒电池接受充电的。
电路还提供了用于将两个电池之一的电压与一个参照电压进行比较的装置，该参照电压是从由元件46至68构成的网络得到的。在图1所示的实施例中，这一装置由通过隔离二极管46(它作为一个反向放电隔离器工作)的母线32以及至齐纳二极管50的电流限制电阻器68供给电流;这一电流由电容器52滤波。齐纳二极管通常具有大约5伏的击穿电压以为数字集成电路70、72与74提供适当的电源电压并为由元件54至68构成的第二阶段稳压器提供稳定良好的零温度系数源。来自由元件50与52所提供的电压的电流流自串联的电阻器54与56并流经与它们串联的二极管58与60。二极管58与60提供一次级稳压器来协助保证最小的线路电压波动，并且它们提供一个大的负温度系数。从而，通过选择电阻器54与56之间的关系，可选择一个理想的温度系数。
电阻器54与56的结点76是串联的电阻器62、64与66的电流源，其中可变电阻器64作为电压参照调整工作。电容器68作为参照电压的一个次级滤波器。
参照电压是在下面要描述的定时电路的控制下通过晶体管开关78发送到比较器34与36的。
点12与16上的电池电压分别由晶体管开关84与86跟踪并存储在电容器80与82中，这两个电容器是连接到比较器34与36的反相输入端上的。在所示的实施例中，晶体管84与86是受通过电阻器88与90的比较器34与36的输出控制的，从而，当主电池脉冲充电晶体管开关92与94释放时，晶体管84与86自动连通。
对电池的主充电电流脉冲是通过电流限制电阻器96与98提供的，后者被发光二极管100与102分路，而发光二极管又受保护电阻器104与106的电流限制;并且它们作为充电活动显示器工作。
当晶体管开关116导通时，来自连接在点12与16的电池的放电脉冲流经隔离二极管108与110，以及放电电流控制电阻器112与114。当晶体管118通过电阻器124将晶体管开关116导通时或者晶体管120容许电流流经电阻器140与二极管126时，晶体管开关116便被导通。每当母线32正到足够大来通过电阻器122为晶体管120加电时，晶体管120通过将其分流到公用母线14来防止流经电阻器140的电流到达晶体管116。换言之，晶体管120作为一个晶体管116的过零启动开关来提供通过电阻器112与114的短放电脉冲。
当触发器70接通时(二进制1)由功率晶体管116通过来自晶体管118的电阻器124提供两秒放电脉冲。此时，触发器70还断开从非反相输入端到比较器34与36的电压参照开关78。
附加触发器72是不使用的，并且其输入端是适当地连接到公用负母线14上的，以防止包含触发器70的这一半未使用的集成电路中的噪声响应。
触发器70受到12位二进制计数器74的控制，当计数器74的输出Q12过渡到正时它被导通，而当计数器74的输出Q9成为正时它被截止。从而，触发器70只从Q12的正边缘开始到Q9的下一次正输出之间导通(大约15%的时间)。
计数器Q12每秒计数120个从母线通过连接到其时钟输入端上的电阻器130、二极管134及电阻器136发送的脉冲(在60赫兹电源的情况中)。为了防止过高的电压作用在计数器74的时钟输入端上，电阻器130与二极管134之间的结点138通过箝位二极管132箱位在正5伏电源线上。
作为示例而非限制，下面建议在装置10中采用某些传统的与随处可得到的部件。然而，熟悉本技术的人员应能理解，其它相似的可购得的部件可用以代替所描述的部件而无实质性不良影响。
除了电阻器96与98(它们是2.0瓦电阻器，如一线绕的、金属膜或碳膜2.0瓦电阻器)之外，装置装置10中的所有电阻器最好都是可以买到的碳膜电阻器。
装置10中的各个二极管最好是1N4001二极管或者类似的二极管。齐纳二极管50最好应为1N4733A或类似的齐纳二级管。发光二极管100与102最好根据它们的外观选择。
PNP晶体管84与86最好是2N4403晶体管或者任何与之略为相似的晶体管。NPN晶体管92、94、116、118、120与78最好是2N4401晶体管或任何相似的晶体管。
比较器34与36可以是一个LM358集成电路的两半，或者可以是任何双运算放大器诸如1458。另一方面，比较器34与36当与其它比较器一起用于较大的系统中时，可以是一个LN324四运算放大器(或类似器件)的一部分。
触发器70与72是标出为对应于CMOS(互补金属氧化物半导体)部件4013的管脚布置的。二进制计数器74是示出为CMOS部件4040的。
滤波电容器52与68为典型的小型电解容器。信息存储电容器80与82最好是固体电解质钽单元。
对于为同时充电不多于4个AA型号电池而设计的一个系统，变压器18最好应为具有10.8伏中心抽头开路的次级电压的两半铁芯的中等质量(M19)的降压变压器。
对于要求较大容量的一个系统(或者较多的电池，或者较大的电池)，需要较大的变压器芯来提供所需的功率。除非电池但要求串联充电，电压无需增高。
图1所示的充电器可用于再充电可再充电的碱锰电池。正如熟悉本技术者所知的，可再充电的碱锰电池当前可从加拿大安大略省的电池技术公司Missasauga公司购得(作为“RAM”电池)。这些RAM电池是专门为再充电设计的，而其显著地增进了的生命周期则是通过改进了原碱性电池的某些特性而得到的。
这些电池的低温工作、峰值充电与放电电流、以及总容量较其原电池对应物有所减小。
在本发明的过程中，如果用于RAM电池，则无须对充电器10作较大变动。然而，用于这些电池的参照电压则推荐为1.65伏，而对于这一系统为之设计的原电池则在1.625伏上提供改进的电荷存储密封寿命。
图1所示的电池充电器也可用于再充电铅酸电池。这些铅酸电池对于本领域的技术人员是熟知的，并且在Mantell书中第142-187页有所描述。这些电池可作为单个电池得到，但通常是作为多单元预组装电池供应的。虽然半密封的液体电解质电池仍然随处可得，但密封的铅酸(SLA)电池已日渐成为市场中不断增加的部分，既作为溢流电池(通常用于汽车)又作为饥锇的(starved)(重组体)或胶质电池，通常用于工业应用。一种适用于这些应用的典型电池充电器可设计成用于多电池串联配置，最常用的为6与12伏额定电压(即，3电池与6电池组)。图1中所示的相同结构所用的一组适当的常数为每一电池的参照电压2.3伏、平均可利用充电电流约1%至50%额定安培小时容量、与用于碱性电池差不多的充电抽取比、以及非常长的时间常数(如在本说明书中别处所讨论的)。
图1中所示的电池充电器也可用于再充电镍镉或镍氢化物电池。这些电池与前面讨论的所有电池在它们的充电要求上有根本性的差别。它们是为恒流重组体后备服务而设计的。虽然有许多方案可用于改进可再充电性，通常称作时间增量(delta-T)，或电压增量(delta-V)系统，这些方法通常是有点技巧的并要求电池与充电器设计成一体化。在申请人的系统中，对于改进的镍镉性能而非锌/二氧化锰性能，装置10的提供恒定电流来代替周期中的不充电部分(当比较器指示电压超过参照电压时)的一种改型在25摄氏度上在参照电压设定为大约1.42伏每一电池及带有一个0.1%每摄氏度的负温度系数时能够非常有效地工作。对于完全传统的电池，充电电流可高达电池的额定安培容量的两倍，不需要快速充电特殊结构电池的高温。当采样的电压超过参照电压时，大约为安培小时容量的10%的一个电流通常是合适的。
另一种双脉冲反向电流充电器双脉冲反向电流充电器的另一个实施例示出在图2中。参见图2，可看到电池充电器150包括主变压器18，它在一个适当的电压上为单个电池(未示出)提供电能，电池可连接在正接线端154与负接线端156之间。通常，变压器电压最好在约11伏至约12伏之间的中心抽头RMS(均方根)。
图2的电路在许多方面与图1中所示的电路非常相似，并且它们共有许多共同的电路元件。然而，在下述方面它们是不同的。
再参见图2，定时电路158是用一个4060集成电路实现的，它向CMOS开关162提供样本选通脉冲，通常开关162可以是4066集成电路的一个部分，而样本选通脉冲则是通过以一个其RC值等于电容器166与电阻器168的乘积的时间常数求出4060集成电路的输入反相器164的输出的微分而提供的。这出现在170处的反相(正)脉冲的前沿与电源变号点同步时。
“短高电流”放电脉冲是由同一脉冲生成的，但带有等于电容器172与电阻器174的乘积的延时，并由晶体管176与178放大。这些晶体管通常是2N4401NPN晶体管，后者又为PNP晶体管180(它可以是型号2N4403)供电并从而将电阻器182通过晶体管180连接到接线端156。
通过电阻器182的电流将等于充电中的电池(未示出)的电压减去晶体管180的基极发射极电压降除以电阻器182的值。这一放电事件的延续时间将等于点170上的正脉冲的延续时间减去时间常数172-174所引起的延时，这是由于脉冲的尾部将迅速地通过二极管184提供。当级Q14的输出186通过电阻器188作用在NPN晶体管190(它可以是一个2N4401)上时，相同的事件历程大约每分钟发生一次。然而，与经由晶体管178驱动的效果相比，二极管192的额外二极管电压降将会减少跨越电阻器182的电压大约600毫伏。从而，由这一路径排出的放电电流粗略地等于前面所述的快速脉冲所取走的一半。脉冲的延续时间可通过选择用于经由电阻器196复位IC(集成电路)158的输出194来设定。二极管198箝位复位200直到Q14的输出186成为正的;然后在输出194随即成为正的时出现复位。因此，长脉冲的延续时间可以通过选择适当的复位输出源(图2中的Q9)来选定，它提供大约2秒钟。
在图2的电池充电器150中，充电电流是受电阻器40控制的。虽然在这一实施例中未示出高压注入器，但熟悉本技术的人员应能理解这种注入是可以使用的。
电池充电器的另一个实施例图3示出申请人的发明范围内的另一个较佳电池充电器210。如从图3中所见，电源变压器18提供适当电压的(在大约11伏至大约12伏中心抽头r.m.s.的范围内)电力用于充电连接在接线端154与156之间的单个电池。二极管20与22以及变压器18的次级绕组的中心抽头30通过电流控制电阻器49(在本例中大约6欧姆，并受串联开关92(2N4401或类似的晶体管)控制)提供电流。与电阻器104串联的一个发光二极管100作为显示电阻器40中的“活动”的一个“指示灯”工作。
晶体管92是受比较器34的输出控制的，它可以是一个廉价的运算放大器(诸如LM358(双)或LM324(四))的输出。比较器34响应作用在其反相输入端(一)上的电池电压与作用在非反相输入端(+)上的一个参照电压之间的差。只要电池电压低于参照电压，比较器输出为高电平，导通晶体管92并容许充电电流经电阻器40。一旦电池电压等于参照电压，比较器34将限制基极电流进入晶体管92以及充电电流进入正在充电的电池。
参照电压是从一个连接到稳压源50的分压器62、64、66得到的。二极管24与26通过电流控制电阻器48为齐纳二极管50供电。从二极管24与26得到的较高电压(与中心抽头相比)加宽了这一不滤波的经济与可靠的系统中的二极管50的“导电”角。二极管24与26还向比较器34供电，保证廉价的运算放大器对饱和晶体管92的足够“输出摆幅”。
对这一系统有若干限制。二极管50可选择(一低压齐纳管)为具有几乎所需要的负温度系数的。不幸的是，正如熟悉本技术的人员所知的，低压齐纳二极管具有相对地差的动态电阻值并且线路电压变化会产生不能接受的参照电压变化。从而，二极管50最好应是一低阻抗器件(在5伏的范围内，具有相当大的工作电流，大概50毫安，来防止廉价器件中经常出现的“曲线缓变弯折处”)。不幸的是，在这一电压范围内，温度系数通常接近零，这一问题由图4的电路论述。
一种改进的电池充电器图4是图3的电池充电器的改进型。参见图4，可以看出电池充电器220提供了具有某些优点的一种参照电压源。二极管50为一个诸如1N4733A型的二极管，它向串联的电阻器54与56及二极管58与60提供一个稳定(但近似零温度系数)的电压源，其中的二极管58与60是传统的、正向编置的硅二极管(诸如1N4001)，它呈出大的负温度系数并且同时提供更高的稳压性。从而，电阻器54/56之比为温度系数从接近零(当电阻器54接近零时)到极度负值(当电阻器56减小时)提供了一种选择机制(为了简单起见，电阻器62、64与66是假定为大的)。电阻器62是选择为将电阻器64定心在所述要求的参照电压上，而电阻器62与66则设定电阻器64的调节“跨度”。
电阻器212在这一非滤波系统中作为一个电流限制器与安全电阻器(对抗比较器34的故障)工作，在这一系统中向比较器34及与供给电阻器40、晶体管92等的充电器电力同步的参照电压网络提供每秒120次电力(对于60赫兹市电)。从而，该系统能在(如果需要)不增加不滤波电容器(能量存储)的情况下进行充电，从而节省了成本并提高了可靠性。
如果充电时间是重要的，则这一设计的一个缺点是直接将电池电压与具有非恒定充电电流的一个系统中的参照电压相比较(该充电电流每秒在电源正弦波的波峰上峰化120次)。每一个电流波峰产生一个等于“真实的”电池电压加上内阻乘瞬时充电电流的电流值(IR)的电池电压波峰。因此，当电池接近完全充电时，“峰值”电压将在电池完全充电之前超出参照电压，而比较器34则对此作出反应减少驱动晶体管92，从而在正弦波电压的波峰附近减少到达电池的电流。这在接近充电尾声时会减少充电率并延长充电时间。
再参见图4，假定功率部件是适当地定标的，则二极管100与电阻器104右侧部分可以重复任意次对任何要求的数目的电池提供同时的、独立控制的充电作业。
这样，图4便示出了图3的配置的一种简单的改型，它部分地克服了上面通过增加电容器80所讨论的“人为的”速率限制。如果电阻器212与电容器80的乘积与电源半周期(在这一实例中为8.33毫秒)相比是长的，则将“平均”电池电压与参照电压进行比较。
图5中所示的电池充电器表示电池充电的另一种方法。对一个串联的电池258的串(即，由多个串联的单元组成的一个电池)供给来自电源变压器18、整流二极管24与26、以及电阻器254的公用电流。发光二极管250(其过量电流由电阻器252分路)只是一个方便的“电源”指示灯。
各电池258由一个示出在图5的左下方的网络256构成的“伪齐纳”管分路。二极管234与236以及基极发射极电压240是负温度系数的主来源并且与电阻器238结合在一起成为“齐纳电压”的主来源。电阻器232提供了减小过大的负温度系数的一种简单装置;并且电阻器244是用于从晶体管242消除大量电路能耗的一种简单装置(晶体管242可以是诸如2N4403，它是对提供足够的NPN性能的2N4401的一种普通的PNP互补)。
熟悉本技术的人员应能理解，使用申请人的发明便有可能充电串联的碱性电池并且用简单经济的分路调节器来控制单个电池，达到良好的调节与负温度系数，并且不需要为各调节器设置任何外部电源。
另一种串联充电的分路调节充电器图6中示出了另一种串联充电的分路调节充电器260。参见图6，从中可见电池充电器260是对图5的系统的一种改进。在图6的装置中，一个由晶体管266与268以及电阻器264与270组成的恒定电流发生器取代了电阻器254，从而，从电阻器64得到的参照电压设定了通过电阻器270的电流，从而也设定了通过电池258的电流。这一方法的优点，除了变压器18、电阻器254或其等效物(266、268、270)的较低电压要求(因此，低成本、低热、及较高的利用效率)之外，还有该设备能够将电流调节为将调节器电压“修整”到一个所要求的值。相关状态二极管234、236等是可再现的，但整体设定点则要求在制造时调整。
熟悉本技术的人员应能理解，参照电压是一个单一的近似零温度系数电压源二极管50。这样，充电电流是固定的而与温度无关，而负温度系数是由“伪齐纳”管256的设计提供的。也能理解，二极管262是作为“电池”与系统的其余部分之间的一个“隔离器”工作的，在这一电路中，如果去掉了电源，则系统将从电池抽取电流。
另一种改进的分路调节充电器图7示出一个电池充电器200，由于在其中增加了一个反向电流二极管306，它能在整个串联的电池258的串上施加反向电流脉冲图样。由基本上与图2的装置的定时网络相似的一个定时网络产生的一对驱动脉冲控制反向电流，如电阻器282通过经由290的输入以及通过电阻器294通过经由电阻器302的输入所确定的。熟悉本技术的人员应能理解，对于长于大约1毫秒以电源变号为中心的脉冲，参照电压必须适当地加以压缩(见图2)。
一种独立的电池分路调节装置图8中所示的装置为图4的装置的一种特殊目的变型，其中由电阻器212与电容器80生成的时间常数与电源半周期的8.33毫秒时间常数相比是相对较短的;并且这一RC网络是适用于高频噪声控制的。来自这一网络的反馈是“实时”的(见图)并不是平均值。当这一实施例的电池电压达到参照电压时，即使是瞬时地，来自电阻器40的电池电流在通过电阻器330来自比较器34的输出端的晶体管328的控制下通过电阻器322与晶体管324改变方向。从而，正如熟悉本技术的人员所理解的，输出能以可以忽略不计的过冲量“箝位”在参照电压上，而充电将是相对地慢的。然而，充电结尾时的非常小的充电电流使扩散平衡能基本上消除浓度梯度而不产生反向电流脉冲。这种装置的充电器是相对“温和”的，基本上没有过冲量并且当接近完全充电时逐渐减弱到实际零电流;从而不放出气体。因而，对于长时间备用的、没有大的树枝状结晶组织的、以及应用在允许缓慢地充电的应用中的电池而言，这一装置代表一种实用的备用电源，用于防盗与防火警报、应急照明等。熟悉本技术的人员应能明了，图4的串联开关配置也适用于这一目的。
一种经济的电池充电器图9示出了一种相对地廉价的电池充电器340，它是可以按照申请人的发明生产的。本发明的闭环控制系统提供了控制单个待充电的电池的另一种装置。
参见图9，从图中可见，使用了一个单一的比较器34来控制出现在串联电池电阻器348的公共端350上的电压。通过与作用在比较34的非反向(+)输入端上的负温度系数参照电压进行比较而加以控制的正是公共端350上的电压。这一电压经过电阻器212与电容器80的RC时间常数“平均”后作用在反向输入端(-)上。正如熟悉本技术的人员所熟知的，单个电池控制可以用一个由比较器34、晶体管342与346、电阻器344以及总电流控制电阻器40构成的单一的、相对地高的电流控制器来逼近。如果将点350上的输入调整成所要求的最终输出电压(诸如1.625伏)，则单个控制器能够控制充电所有电池所需的所有电流，并且缓慢地逐渐减弱到零的充电及由一个损坏的电池所产生的电流拱起是可以接受的。电阻器348的电阻越大，“最终充电质量”(即，单个控制)越好，但充电越慢。对于AA电池，在大约1欧姆至大约2欧姆范围内的值以最小的成本提供可接受的单个电池调节逼近。
本发明的充电器的输出在图1至9中，申请人已经展示了九种用于达到本发明的目的的不同装置。能够达到同一目标的许多其它的装置对于熟悉本技术的人员而言是显而易见的;它们也在本发明的范围之内。
正如熟悉本技术的人员所熟知的，所有上述装置具有某些共同的特征，诸如，用于在25摄氏度产生一个从大约1.6至大约1.7伏的直流电压的装置，用于在摄氏25度上将作用在各正在充电的电池上的电压逐个地限制在大约1.6至大约1.7伏的直流电压上的装置，用于将作用在正在充电的各电池上的电流逐个地限制在小于每个电池大约800毫安并小于由一定公式指定的安培值的电流的装置，以及用于逐个地并且连续地改变作用在各电池上的电流的装置。
正如熟悉本技术的人员所能理解的，无论有多少电池正在被充电器充电也无论这些电池是否串联在一起构成一个蓄电池，申请人的电池充电器都能以每一电池充电器少到只用一个电源来完成上述目标。然而，也应理解，在该电池充电器中也能使用多个电源。这样一种工作过程看不出有什么好处。
申请人的装置包括一个用于在25摄氏度上生成一个从大约1.6至大约1.7伏的直流电压的装置。因而，在图1、2、3与4、8与9中所示的装置中，从可调电阻器64得出的电压便是起这一功能的作用的。在图5、6与7所示的装置中，这一功能是由分路调节器元件256的构造完成的，最好是通过使用从电阻器64得到的一个电压参照来调整总的串联电流而调该元件256(见图6与7)。
这一装置所产生的直流电压是在25摄氏度上的电压。在申请人的发明的某些实施例中(即，除图3以外的每一个实施例)，申请人的装置还包括一个用于在25摄氏度上生成一个从大约1.6至大约1.7伏的直流电压的装置，当温度上升超过25摄氏度时，该装置以每摄氏度大约1至大约4毫伏的速率递减，并且当温度降至25摄氏度以下时，则以每摄氏度从大约1至大约4毫伏的速率递增。递增或递减的速率最好是每摄氏度大约1.6毫伏。图1、2、3、4、8与9的装置中提供了这一特性(由二极管58与60的正向电压温度系数)，并且在图5、6与7的装置中也提供了这一特性(由二极管234、236的正向电压温度系数及晶体管240的基板发射极电压)。
申请人的电池充电器还包括用于在25摄氏度上将每一个电池可以充电的电压逐个地限制在从大约1.6至大约1.7伏的范围内的直流电压上的装置;如上所述，这一最高电压最好是负向温度补偿的，使得温度偏离25摄氏度改变时，它以大约1至大约4毫伏每摄氏度变化。从而，这一特性是如上所述地提供的;通过改变参照电压，可以改变最高电池电压。
申请人的电池充电器还包括，假定电流也小于由下式确定的量时Imax＝(1.7伏-Vr)/Ri，用于将作用在每一个正在充电的电池上的电流逐个地限制在低于800毫安的电流上的装置。Imax为最大允许充电电流，它是永远小于800毫安的，但可能更低。Vr为参照电压，并且等于上述最大允许电池电压;在25摄氏度上，它通常在大约1.6至大约1.7伏之间，如上所述该值最好是负向温度补偿的。Ri为正在充电的电池的内电阻。正如熟悉本技术的人员所知的，一个电池的内电阻可用一标准的数字电压表测出，并等于电池电压的改变除以作用在该电池上的一个阶跃式加载电流之比。对于AA号碱性电池，对内电阻的测试通常包含将一个10欧姆负载连接在一个未加载的电池上。
在一个较佳实施例中，申请人的充电器包括用于将作用在各正在充电的电池上的电流限制在低于300毫安的电流上的装置。在另一个实施例中，作用在各电池上的电流是限制在200毫安的最大值上的。在又另一个实施例中，作用在各电池上的电流是限制在170毫安的最大值上的。
申请人的装置的这一特性示出在图1、2、3、48与9中(通过选择电阻器40的值)，在图5中(通过选择电阻器254的值)，以及在图6与7中(通过选择电阻器270的值并对来自电阻器64的参照电压的调整)。
申请人的装置还包括用于逐个地与连续地改变作用在各电池上的电流的装置。正如熟悉本技术的人员所熟知的，申请人的充电器至少在任何特定电池的充电周期的一部分中逐个地与连续地调整作用在各电池上的电流这一事实使供给任何一个电池的电流不同于供给任何另一个电池的电流。这一特性使同时再充电具有显著的不同容量和/或充电初始状态的电池成为可能，而不依赖于任何电池的重组体电流吸收量。这一特性使各电池能够充电到其容量而不需要任何超过将这一电池充电到其容量所需的电流通过这一个或任何其它电池。必要时，可以容易地加上一个不等于零的最小恒定电流，如在NiCd或N.MH电池的情况中。
用于逐个地与连续地改变作用在各电池上的电流的这一装置示出在图1、2、3、4与8中(见只控制对该电池的充电电流的比较器34)，在图5、6与7中(各分路调节器256只限制到达与其相关联的电池258的电压)，以及在图9中(比较器34限制任何及所有电池可得到的电压)。
申请人所知的大多数先有技术电池充电器中包括用于向正在充电的电池提供小的充电电流的装置，即使在这些电池已经到达了“高充电截止”(“highchargecutoff”)处它们所要求的电压，也连续提供充电电流。这一“涓滴电流”具有两个作用。首先，它补偿电池内部的“局部电流”或“自放电电流”，从而提供了容量维持，第二，它通过依靠经受这一电流但已经在充分充电状态中而不显著地吸收该电流的那些电池的重组体吸收容量，缓慢地将各个与每一个电池充电到100%的容量，不论电池间的容量变化如何。
在申请人的装置中，通过比较，任何特定的正在充电的电池已到达其最终容许电压时，只在有必要维持这一电压时才提供额外的电流。并且设置了当电池已经达到其所要求的电压时用于单个地与独立地将电流降至零的装置。
在一个实施例中，正在充电的电池所要求的电压在25摄氏度上为大约1.625至大约1.630伏。
熟悉本技术的人员应知，对于某些特定的应用，对基本设计加以改型是有利的。
作为示例，在一个实施例中，在充电周期的早期的容量恢复率是通过应用短而相对地高的反向电流脉冲增强的。例如，见图1、2与7。
此外，替代地或者附加地，电池从过度放电或储存在放电状态中，特别是在第一个再充电周期上，恢复的能力得以改进。这一特征可以通过应用稀的、宽的、相对地低的电流放电脉冲在一定程度上加以改进，如图1、2与7中所附带提供的。
如图8中所示，对于潜在的备用应用，在连续充电的条件下，可以用再充电时间来交换延长的寿命。
下面的实例是为展示所申请的发明而提出的，但不能认为是对本发明的限制。除非另有指示，所有部件都是以重量计而所有温度都是以摄氏度计的。
例1图1的充电器电路是用于再充电一对AADuracell碱性1.5伏电池的。使用一个10欧姆负载使这些电池放电，直到从它们中每一个上抽出1.4安培小时。此后，使用图1的电路，用200毫安的最大电流、40毫安的放电电流、每8.33毫秒时间间隔中取出2毫秒的放电延续时间、以及每30秒2秒长的长脉冲放电独立地对它们进行充电。
将电池再充电18小时然后搁置48小时。此后，第二次将它们与一个10欧姆负载串联放电，一直到每一电池的总的抽取容量为1.0安培小时以及0.9伏的最终电压。然后，将电池再充电16小时(使用1.582伏的电压参照)，再令它们在上述条件下放电。
在第三周期中，抽出1.3安培小时到达最终组合电压1.9伏。使用第二周期中所使用的条件再充电这些电池，然后再令它们放电，提供1.1安培小时，到达最终电压1.8伏。重复地进行再充电，但将参照电压移动到1.585伏。
在第五次放电中，使用上述条件，只是到1.8伏的截止电压只提供950毫安小时。使用1.585伏的参照电压再次进行再充电。如上述那样发生放电，但到达1.80伏的截止电压时只提供925毫安小时。
在这一点上，很明显参照电压太低。因此，将参照电压升高到1.60伏，并且将电池在充电中停放90小时使之达到平衡。下一次放电(第七周期)产出1.18安培小时，并在1.615参照电压上重复再充电20小时。
下一次放电只产出925毫安小时，到达1.80伏的截止电压;并且将参照电压提升到1.63伏进行20小时再充电。
在周期9中，只产生900毫安小时。将电池返回到在1.630伏上再充电72小时。
应当提出，尽管这些电池的容量明显地下降这一事实，这是一次特殊的野蛮试验，因为在每一周期中几乎抽取了所有可利用的容量，并且一个原电池的可再充电容量只有大约其原始容量的67%。早期的明显的过度容量可能是由额外的不可逆原放电提供的。如果一个1.5安培小时电池作为一个可再充电电池的期望容量额定为1.0安培小时，而在第九次再充电-放电周期上仍能抽出这一容量的90%，则明显地发生了某种有效的事件。
例2将一个Mallory公司以“Duracell”的品名中出售的单个AA1.5安培小时碱性电池提交给一个复杂而多变的测试序列。
初始放电是用一个10欧姆电阻器进行的。以一个1.25伏的终端电压只抽取675毫安小时(大约为额定容量的一半)。在1.582伏直流电压上以150毫安的电流极限将该电池再充电20小时。
在第二放电周期中，使用上述条件抽取600毫安小时到达1.212伏的最终电压，并重复再充电如上所述。
在第三周期中，使用上述条件再次抽取600毫安小时到达1.223伏的最终电压，并重复再充电如上所述。
第四周期与第三周期相同，但最终电压为1.189伏。第五周期基本上与第四周期相同，但最终电压为1.219伏;并且在这一周期中，再充电延续72小时。
现已清楚，浅放电与小心的再充电不会导致显著的老化率。从而，对条件作剧烈的变动。
在周期6中，放电产生600毫安小时到达1.294伏的最终电压，并且使负载保持连接额外的20小时到达深度放电最终电压0.078伏直流电压。然后使用上述条件将电池再充电24小时。
第七放电周期只产生650毫安小时便到达0.90伏的最终电压。观察到的电池容量已经下降到其额定值的一半以下。
然后再充电该电池，如上所述。然后将其连接到图1中所示并在例1中所使用的充电装置上;并使其充电额外的24小时。
第八放电周期是以一个5.0欧姆负载进行的(一次更严重的放电，但与例1中所使用的放电条件严重性相同)。第八放电周期产出1.0安培小时到达0.9伏的终点。基本上大多数电池容量已用一个单一的脉冲放电周期回收。
在第八放电周期之后，电池返回到直接直流电充电，基本上如上所述，只是所使用的电压为1.60伏。将电池充电72小时。
在第九放电周期中，基本上重复第八放电周期的过程;并放出1.1安培小时到达最终电压0.918伏。将再充电电压提高到1.615伏，并且再充电36小时。
在第十放电周期中，只提供900毫安小时，到达0.9伏截止电压。再充电是在1.630伏上进行20小时。
在第十一放电周期中，使用周期8.9与10的条件放电。只得到650毫安小时便到达0.9伏的截止电压。
从这些数据中发现，在面临周期性深度放电中，直流再充电并不储备电池容量。
例3在这一例中，测试了两个旧的RAM(可再充电碱性)电池。这些电池最初是从加拿大安大略省的电池技术公司Mississauga公司得到的。这些电池是使用不同的方法老化的。其中之一是严重放电后存储过30天的。另一个电池则在充电状态中储存了30天。
起初，这些电池中的每一个用1.65伏直流电脉冲充电48小时;脉冲导通约6毫秒，截断约2毫秒。
对于放电储存的电池(“睡眠电池)在10欧姆负载下的电池初始容量为650毫安小时，而对于正常的RAM电池则为870毫安小时。
使用例1中所述的条件只是所使用的参照电压为1.65伏，在图1的装置中，将这些电池同时再充电20小时。
在第二周期中，令电池放电，如上所述;分别将睡眠电池与正常电池的容量降至840与870毫安小时以及1.10与1.15伏的最终电压。然后按照上述脉冲过程再充电这些电池20小时。
令电池放电，如上所述，这时它们只分别提供600与650毫安小时便到达0.929与1.005伏的截止电压。可以认为在这一再充电周期中出现了延长的电源中断。
按照上述脉冲过程重复再充电72小时，然后用10欧姆电阻器令电池完全地放电24小时使每一个电池充分低于0.1伏。
然后使用图1的充电器将电池再充电48小时。下一次放电是用5欧姆电阻器进行的，这提供了一次严峻的测试。睡眠电池提供1.1安培小时到达0.94伏截止电压;正常电池只提供0.9安培小时到达0.83伏截止电压。
这揭示具有长的周期历程的正常电池最终遭受不可逆的容量降低。而在其历程中具有较少周期的睡眼电池在双脉冲环境中恢复得相当好。
应当理解，以上的描述只是示例性的，而在该装置中、在组成部分与它们的比例中，在组合序列与过程步骤中，以及这里所讨论的发明的其它方面可以作出各种改变，而仍不脱离在下面的权利要求书中所定义的发明范围。
从而，对于诸如熟悉本技术的人员应能理解，申请人的电池充电器的参数是以当今正在使用的碱性电池的材料、构造与化学性质为基础的。如果这些材料和/或构造和/或化学性质有所改变，则这些参数将明显地受到影响。这些新的参数是包含在本发明的精神与范围内的
权利要求
1.一种用于充电原碱性锌/二氧化锰电池的电池充电器，其中所述电池充电器包括(a)用于在25摄氏度上产生一个从大约1.6至大约1.7伏的直流电压的装置；(b)用于逐个地与独立地将所述电池充电器发送给各所述电池的电压在25摄氏度上限制在从大约1.6至大约1.7伏的所述电压上的装置；(c)用于逐个地与独立地限制所述电池充电器作用在各所述电池上的电流的装置；(d)用于逐个地与连续地改变所述电池充电器作用在各所述电池上的电流的装置，其中在各所述电池的充电周期的一部分中，供给所述电池中任何一个的电流与供给所述电池中另一个的电流不同；以及(e)用于在所述电池中任何一个已经到达基本上等于所述直流电压的一个电池电压时，减小作用在所述电池上的电流的装置。
2.权利要求1所述的电池充电器，其中在25摄氏度上的所述直流电压为从大约1.625至大约1.630伏。
3.权利要求1所述的电池充电器，其中所述原碱性锌/二氧化锰电池为AA碱性电池。
4.权利要求1所述的电池充电器，其中所述原碱性锌/二氧化锰电池为AAA碱性电池。
5.权利要求1所述的电池充电器，其中所述原碱性锌/二氧化锰电池为C碱性电池。
6.权利要求1所述的电池充电器，其中所述原碱性锌/二氧化锰电池为D碱性电池。
7.权利要求1所述的电池充电器，其中所述原碱性锌/二氧化锰电池为N碱性电池。
8.权利要求1所述的电池充电器，其中所述电池充电器只包括一个电源。
9.权利要求1所述的电池充电器，其中从大约1.6至大约1.7伏的所述的直流电压对于25摄氏度以上的每一度以每摄氏度大约1至大约4毫伏的速率递降。
10.权利要求9所述的电池充电器，其中从大约1.6至大约1.7伏的所述直流电压对于25摄氏度以下的每一度以每摄氏度大约1至大约4毫伏的速率递增。
11.权利要求1所述的电池充电器，其中从大约1.6至大约1.7伏的所述直流电压对于25摄氏度以上的每一度以每摄氏度大约1.6毫伏的速率递降。
12.权利要求11所述的电池充电器，其中从大约1.6至大约1.7伏的所述直流电压对于25摄氏度以下的每一度以每摄氏度大约1.6毫伏的速率递增。
13.权利要求1所述的电池充电器，其中用于在25摄氏度上产生从大约1.6至大约1.7伏的一个直流电压的所述装置包括一个温度稳定的电压源。
14.权利要求13所述的电池充电器，其中所述温度稳定的电压源是功能地连接到一个温度灵敏的电压源上的。
15.权利要求14所述的电池充电器，其中在25摄氏度上的从大约1.6至大约1.7伏的所述直流电压是从连接在所述温度稳定的电压源与所述温度灵敏的电压源之间的一个第一分压器获得的。
16.权利要求15所述的电池充电器，其中所述分压器包括两个串联的电阻器，它们的结点连接到一个第二分压器，该分压器的输出在25摄氏度上为大约1.6到大约1.7伏。
17.权利要求1所述的电池充电器，其中所述电池充电器包括一个由一个NPN/PNP反向晶体管对构成的网络，其中所述对中的较低电流晶体管受到两个正向偏置硅二极管的偏压。
18.权利要求17所述的电池充电器，其中所述正向偏置的硅二极管对是由一个电阻器分路的。
19.权利要求18所述的电池充电器，其中所述NPN晶体管的基极发射极结是被一个电阻器分路的。
20.权利要求19所述的电池充电器，其中所述的PNP晶体管的基极发射极结是由一个电阻器分路的，并且所述PNP晶体管的集电极是通过一个电阻器连接到其负电源上的。
全文摘要
用于充电原碱性锌/二氧化锰电池的一种电池充电器。本电池充电器包括用于在25摄氏度上产生从大约1.6至大约1.7伏的一个直流电压的装置以及用于逐个地与独立地限制该电池充电器发送给各电池的电压的装置。本充电器还包括用于逐个地与独立地限制所述电池充电器作用在各所述电池上的电流的装置以及用于逐个地与连续地改变作用在各所述电池上的电流的装置。一旦充电中的任何一个电池达到了其所要求的电压，本充电器将作用在所述电池上的电流减小到基本上零电流。
文档编号H02J7/10GK1085357SQ9311775
公开日1994年4月13日 申请日期1993年9月23日 优先权日1992年9月23日
发明者罗伯特·S·费尔德斯坦 申请人:巴托尼克斯公司