專利名稱：車備鎳隔電池快速充電裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種新式快速充電裝置，特別適用于與車輛電源配套對移動通訊器材的鎳鎘電池進行快速充電的場合。
隨著社會的發展，移動通訊器材越來越廣泛地應用在各個行業和領域，特別是應用在野外或行進作業的場合。目前，這類通訊器材大多數使用鎳鎘電池做電源，鎳鎘電池價格比較昂貴，但體積小、容量大、反復充電次數多，仍然受到歡迎。但由于通訊器材工作電流較大使得電池的連續工作時間十分有限。為保證工作必須使電池得到及時而快速的充電。目前，為解決類似的技術問題人們設計有各種類型的快速充電機。但綜合起來有以下幾個明顯的有待改進的缺陷。首先是目前快速充電機均利用交流電網電源。這樣在行進中找不到交流電源時就會嚴重影響工作。再有目前快速充電機的直流大電流充電方式容易產生內部氣體造成電池熱損傷或者浮充，影響到正常使用和電池壽命。特別是充電引起的損壞往往是十分嚴重的。而如果設置復雜的自動控制充電電流措施往往使充電機的成本大大提高，從而影響到用戶的使用承受能力。所以，對鎳鎘電池的快速充電設備改進已成為十分急迫的任務。
本實用新型的目的是設計一種可與車輛電源相配套應用的新式鎳鎘電池快速充電裝置。使其以最簡化的結構型式實現脈沖大電流充電和充電過程檢測，自動完成切換充電電流等功能，最終實現行進中的高質量快速充電作業。
本實用新型的關鍵構思是在于首先要使裝置能夠利用車輛上的電源，這里所指的電源主要是指車輛配備的電瓶所供給的直流電源。這樣就能保證在行進中執行通訊任務時隨時完成對器材電池充電，這對于行進中作業，特別是公安、邊防、巡回檢測等工作部門特別重要。因而，在整體結構中首先設計有一個與車用電源配套的接口。通過該接口將電瓶電壓轉換裝置所需的不同工作電壓。本裝置結構的另外一個關鍵是采用脈沖式大電流充電對鎳鎘電池實現快速充電而又防止充電過剩氣體產生。因而，必須在結構中設計有一個脈沖式沖電電流發生器，由于過充電不但造成時間與電的浪費，更重要的是過充電會造成鎳鎘電池的嚴重損傷，必須在充電過程中加以監測和控制。因而，本裝置中還包括有充電電流的控制電路。控制電路能準確地檢測出充電電池的電壓變化，并及時完成對電流的切換。所謂切換即是將大電流切換為小電流絹流充電。大多數鎳鎘電池均設有充電插口，但充電插口設置有限流電阻，無法實現大電流充電，因而本充電方式必須從放電接口上進行，所以在本裝置的結構之中必須配置一專用的電池插座，以接通脈沖電流輸出電池放電接口。根據以上所述，本實用新型的主要特點是具有車輛電源接口，脈沖式充電電流發生器，充電電流控制電路和充電電池專用插座四部分組成。充電電池置入專用插座后，接通車輛電源接口，即會以脈沖式大電流對鎳鎘電池進行充電，充電過程中定時檢測充電電池，待電壓至額定值后自動切換充電電流進入絹流狀態，可隨時裝機使用。
以下結合附圖進一步來說明本實用新型的目的是如何實現的。
圖1為本裝置結構邏輯框圖。
圖2為本裝置的電原理圖。
圖3為充電電池專用插座結構示意圖。
其中A代表為車用電源接口，K是與車用電源的插頭，B代表控制電路，其中B1代表控制電路，B2代表檢測沖發生器。C代表脈沖式充電電源，C1代表開關電路，C2代表脈沖方波發生器，D代表專用充電電池插座，BAT代表充電電池，J1－1為繼電器的一組常閉觸點，R9為絹流電阻。電原理圖上的標號為常規電路標號，其中，L1、L2、L3、L4是四與非門中的四個獨立單元，J為控制電流切換的繼電器。F為電極片，P為卡簧。
從附圖1、2可以看出，所謂車用電源接口A主要作用是將車配電并電源轉換為適合于本裝置需要的工作電源，它包括插頭K，基準電壓源，充電穩壓器和線路工作時所需穩壓電路三部分組成。線路工作的穩壓電路，主要根據整機所選用的電子元器件額定工作電壓而定，具體可由一個三端穩壓集成塊IC8組成，具體可采用7812，其輸入端通過接插頭K接至車輛電源上，由其輸出端提供整機電子元器件的工作電壓。穩壓塊輸入端所跨接的大電容C1是削弱電并因車輛工作所需引起的電壓波動。充電電流穩壓器是用來提供脈沖電路所需的工作電壓的，它取決于充電電池所需的電壓峰值和所選脈沖開關元件的工作電壓，附圖中所給出的實施例由一個三端穩壓集成塊IC7具體可采用7809構成；輸入端通過二極管組D5、D6、D7跨接在車輛電源上，輸出端提供充電開關管T4的工作電壓；基準電壓源是控制電路中檢測電池狀態的標準比較電壓，它的電壓值要求準確無誤才能保證本裝置的技術可靠性。因此，雖然也可由一個三端穩壓集成塊IC6組成，但其輸入端接在一次穩壓之后，即接在三端穩壓集成塊IC5的輸出端，且串聯了一個校準電阻R8，利用R8校準輸出電壓為所需的標準電壓值，基準電壓源輸出端接至電壓比較器的一個輸入端。車輛電源接口為本裝置提供了穩定的工作電壓和檢測參數。
脈沖式充電電流發生器C是本實用新型的關鍵設計之一。其組成包括一個頻率與占空比可調的方波發生器C2和受其調制的開關電路C1所組成。從圖2給出的實施例電原理圖可以看出，具體結構中方波發生器C2是由一個555集成塊與可調電阻R2、R3，二極管D1、D2，電阻R1，電容C1所搭接而成的。經過反復實驗而選定的頻率可調范圍為1－20Hz，占空比為21－81，在該頻率與占空比的調節范圍內可以適應一般移動通訊材鎳鎘電池的充電需要且能充分保證在大電流充電過程中不會產生氣泡、過熱能現象，保證電池不受損害。實施例中所給出的開關電路C1由大功率Vmos管T4來擔任，例名如選用TCEV30A，其控制極G通過反相器L1接至方波發生器C2的輸出端(圖中為IC1的3腳)方波發生器C1中的555塊(IC1)第四腳與檢測脈沖發生器的輸出端相連接，是為了保證檢測時IC1無有輸出，以防止干擾檢測即時的電池電壓真值。這樣，隨著IC1的脈沖輸入開關管導通，從而形成一個脈沖電流加在被充電的電池BAT上。
充電電流控制電路B是本實用新型設計中的又一關鍵部分，這部分電路主要用來監測充電過程中電池電壓的變化，防止過充電。同時還要避免因浮充而造成的誤檢。為實現以上的目的該電路包括比較器B2、檢測脈沖發生器B3和電流切換控制電路B1所組成。切換控制電路B1中包括一個電流切換執行元件J和控制繼電器J啟閉的雙路控制通道，電器J的一組常閉觸點與絹流電阻R9并聯后，串聯在充電回路之中，一般情況下充電電流直接通過觸點，當電池充足后或檢測過程中常閉觸點打開，形成R9限流，電路進入絹流充電狀態。所說的繼電器J兩路控制通道即為實現兩種狀態下電流的切換。一路控制由三極管T1，電阻R6組成以J為負載的電流放大電路，它擔負檢測狀態下電流的切換，一路由可控硅T5和自鎖二極管D1組成的開關電路，擔負在充電完成后將大電流切換為絹流，自鎖三極管D11接在可控硅T5正極和檢測脈沖輸出端以實現切換后自鎖。比較器B2可采用LM339一類的集成塊擔任，其輸入端分別是接至標準電壓源和充電電池，其輸出端則通過電阻R12接控制電路B1中可控硅控制通道的與非門L3的一個輸入端，當充電電池電壓大于等于標準電源電壓后比較器就由輸出端通過R12在與非門L3的一輸入端加上一個高電位(也可稱為電路切換觸發信號)。檢測脈沖發生器B3實質上是控制電路的總指揮，它定時發出脈沖控制兩個切換通道和脈沖充電流中的方波發生器C2，控制C2的目的是為了在實測充電電池電壓時使脈沖電流轉換為純直流狀態，以防止干擾信號進入比較器。實質上，檢測脈沖發生器是一個方波發生器，圖2給出的實施例中是由一個555集成塊與電阻R4、R5，電容C6、C7搭成的電路，檢測脈沖分三路輸出，一路通過電阻R6加在三極管T1的基極上，控制三極管T1的導通，從而保證在檢測脈沖發出后充電回路進入絹流狀態以防止浮充造成的誤檢。一路輸出反饋至充電電流發生器C中的集成塊555(IC1)第四腳，當檢測脈沖發出后555停止輸出，Vmos管即處于導通狀態。另一路輸出通過反相器(L2)延時整形集成塊IC8接至控制電路B1中的與非門L3的另一輸出端。加入延時整形電路的作用是保證此路輸出加在與非門L3上的時間比其它兩路有一個滯后系數，從而保證檢測電池電壓的可靠成度，避免誤檢。根據反復實驗篩選出來的參數，檢測脈沖的寬度為3－5秒，脈沖間隔為3－6分鐘，可以保證良好的檢測精度和實現理想的電流切換。
實施例中給出的三極管T3、R10、D7是服務于充電狀態顯示的發光二極管LED1一樣，在本實用新型的發明構思中不占有特殊地位和作用，不再贅述。復位按鈕AN的作用是在完成充電后電路進入絹流自鎖狀態，按動AN才能使繼電器J復位，以進入下一個充電過程。
綜上所述可以看出，本裝置在進入工作狀態后立即由IC1產生脈沖控制大功率Vmos管T4產生一個脈動電流對電池BAT進行充電。由于合理占空比的應用使充電過程中的汽泡被吸收，與此同時，電池BAT的電壓變化與標準電壓通過IC3做監視比較。在檢測過程中，為保證檢測輸出不為電池的浮充或脈沖源所干擾，在檢測有效期間，檢測脈沖截止脈沖源IC1的工作使Vmos管T4進入導通狀態，同時導通T1使J1－1開啟進入充電絹流系統狀態，此時，比較器IC3的輸出才成為有效輸出(當然這是由于與非門L3的作用)，當輸出表明電池BAT電壓來充至額定值時，與非門L3輸出無法啟動可控硅T5，檢測脈沖過后，T1截止J1－1重新閉合，IC1工作充電回路重新進入脈沖大電流充電狀態。一旦充電電池BAT電壓等于大于額定值，IC1輸出與IC2的信號壓加在L3上相與后導通可控硅T5。由于D11自鎖作用，檢測脈沖過后T5將無法截止從而使整機進入絹流狀態。LED發光顯示充電工作完成。在絹流狀態下即使暫時不取下充電電池也無有任何損害，這種絹流狀態保持到復位按鈕AN的接下。由以上敘述可見本實用新型的基本構思和所給出的實施例可以圓滿實現本發明目的并克服了以往快速充電的不足。
由于大多數鎳鎘電池均有充電接口和放電接口之分，而且充電口的充電電流受電池結構內部的限流電阻決定只能通過較小的電流，為了保證本實用新型的實用性，本裝置的整體結構設計中沒有專用電池插座，通過這個專用部件實現通過使用接口充電。圖3即為專用電池插座的結構示意圖，整體為一個代凹槽的盒體，凹槽可設置1－4個，根據生產的產品具有的充電通道而定，其凹環的尺寸根據鎳鎘電池的外形尺寸相匹配，正式產生可配套有不同型號電池插座，凹槽內設有卡簧P，它主要用來夾固電池防止松動，電極片F，通過導線與通電回路相連。應用時從通訊器材上抽出電池插入凹槽即可進行充電。
整機設計可以根據需要做成單路、雙路、三路或四路充電裝置，可以配套12V整流電源即可在有交流電源地方直接應用交流電實現充電作業。
根據本實用新型設計的制造出的樣機、實測其充電時間可以在24－35分鐘內完成，充電量放電實驗表明，其充電量可超過普通電流充電20％，且過程中無氣泡和溫升現象，浮充誤檢率低于3％以下，特別是它可以隨車輛行進完成機動充電，這對于公安、巡邏、邊防等作業有特殊重要的意義，而其價格成本比國外類似質量的充電低60％以上，因而具有特殊的實用和推廣價值，結構稍加改變還可以用于攝像，巡回檢測儀器等應用鎳鎘電池的場合，是一種極有前途的充電專用設備。
權利要求1.一種可與車輛電源相配套的鎳鎘電池快速充電裝置，其特征在于該裝置由車用電源接口A、脈沖式沖電電流發生器B，充電電流控制電路C和鎳鎘電池專用插座D組成。
2.根據權利要求1所說的快速充電裝置，其特征在于車用電源接口A結構中包括連接車輛電源的插頭K，基準電壓源，充電穩壓器和線路穩壓電路三部分組成，具體結構如下a、線路穩壓電路由一個三端穩壓集成塊IC5構成，輸入端接車輛電源輸出端提供整機電子元器件工作電壓，b、充電電流穩壓器由一個三端穩壓集成塊IC7構成，輸入通過二極管組D5、D6、D7接至車輛電源，輸出端提供給充電開關管T4工作電壓，c、基準電壓源由一個三端穩壓集成塊IC6組成，輸入端通過校準電阻R8接在IC5的輸出端，輸出端接至電壓比較器的一個輸入端。
3.根據權利要求1所說的快速充電裝置，其特征在于脈沖式充電電流發生器C由一個頻率與占空比可調的方波發生器C2和受其調控的開關電C1組成，具體結構如下a、方波發生器C2由一個555集成塊與可調電阻R2、R3、二極管D1、D2，電阻R1與電容C5所搭成，頻率范圍1－20HZ，占空比21－81可調，b、開關電路C1采用大功率Vmos管T4來擔任，其控制電極G通過一個反相器L2接方波發生器IC1的輸出端，方波發生器C2中的555塊IC4腳與充電電流控制電路中的檢測脈沖輸出端相連，以保證檢測時無脈沖干擾。
4.根據權利要求1所述的快速充電裝置，其特征在于充電電流控制電路B包括比較器B2、檢測脈沖發生器B3、電流切換控制電路B1組成，其具體結構如下，a、電流切換控制電路B1包括執行元件繼電器J和控制繼電器J啟閉的雙路控制通道，一路由三極管T1、電阻R6組成電流放大電路，一路可控硅T5反向器L4與非門L3，電容C10和自鎖二極管D11組成的開關電路組成，繼電器J的一組常閉觸點J1－1與絹流電阻R9并聯后串接充電電流回路中，自鎖二極管D11接在可控硅T5正極和檢測脈沖輸出端之間。b、比較器B2可采用LM339一類的集成電路但任，其比較輸入端分別接至標準電壓源和充電電池，其輸出端通過電阻R12接到控制電路B2中可控硅控制通道中與非門L3的一個輸入端相連，c、檢測脈沖發生器B3可由一個555集成電路與電阻R4、R5電容，C6、C7搭成一個方波方生器，檢波脈沖信號分三路輸出，一路通過電阻R6接三極管T1的基極，一路反饋至充電電流發生器C中的集成電路555IC第四腳，另一路通過反向器L2，延時整形電路IC5接至與非門L3的另一個輸入端，檢測脈沖寬度為3－5秒，脈沖間隔為3－6分鐘。
5.根據權利要求1所述的快速充電裝置，其特征在于充電電池與專用插座由代凹槽的盒體、卡簧P、電極片F與連接導線組成，凹槽可設置1－4個，具體尺寸與鎳鎘電池外型相匹配。
專利摘要本實用新型涉及到一種可與車輛電源配套用的鎳鎘電池快速充電裝置，可以實現在30分鐘左右完成對電池快充電。它的結構包括車輛電源接口，脈沖式充電電流發生器，充電電流控制電路，專用電源插座幾部分。采用脈動大電流充電，定時檢測和電流自動切換技術，充電中可以防止出氣、升溫、浮充等現象發生，完成自動高質量充電過程，可以在執行任務行進中完成對移動通訊器材電池的快速充電，是公安、邊防、軍隊及各種野外作業通訊理想的專用設備。
文檔編號H02J7/10GK2069178SQ90204790
公開日1991年1月9日 申請日期1990年4月14日 優先權日1990年4月14日
發明者魏中, 徐超英, 魏立君 申請人:河北省公安廳科學技術研究所