УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДКИ БАТАРЕЙ
DEVICE FOR CHARGING BATTERIES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству для зарядки вторичной (аккумуляторной) батареи, более точно, зарядному устройству, предпочтительно применимому для зарядки блока батарей с необходимостью контроля неизменного тока/неизменного напряжения, таких как литиевые батареи (включая ионно-литиевые батареи).
Уровень техники
Для обеспечения работы беспроводного электроинструмента в качестве источника питания используют вторичную батарею с увеличенной емкостью по сравнению с емкостью никель-водородной батареи или никель-кадмиевой батареи. В качестве вторичной батареи с увеличенной емкостью и уменьшенным весом на практике все чаще применяют литиевую батарею, включая ионно-литиевую батарею.
Особенностью литиевой батареи является то, что номинальное напряжение ее элемента примерно в три раза выше, чем у никель-водородной батареи или никель-кадмиевой батареи, которые широко используют на практике, и батарея является компактной и легкой. Кроме того, литиевая батарея обладает высокой эффективностью разрядки, может быть заряжена даже в условиях относительно низкой температуры и обеспечивает стабильное напряжение в широком диапазоне температур.
Литиевую батарею (блок батарей) обычно заряжают с контролем неизменного тока/неизменного напряжения. Тем не менее, известно, что с учетом характеристик или срока службы батареи нежелателен избыточный заряд аккумуляторной батареи с контролем неизменного тока/неизменного напряжения. Соответственно, например, в заявке JP-A-2-19267.0 предложен способ, согласно которому в процессе зарядки батареи при неизменном напряжении определяют зарядный ток в схеме зарядки, и, когда зарядный ток снижается до уровня, не превышающего заданную величину, считается, что батарея полностью заряжена, и подается сигнал останова зарядки, зарядный путь схемы зарядки прерывается, и зарядка завершается.
Кроме того, обычная зарядка батареи относительно большим током может быть осуществлена за короткое время. Однако когда температура батареи во время ее зарядки является низкой, батарея имеет короткий срок службы в циклах нагружения. Соответственно, предложено зарядное устройство для аккумуляторных батарей, в котором в начале зарядки батарею заряжают относительно слабым током, а при повышении температуры батареи до заданного уровня в ходе зарядки ступенчато увеличивают зарядный ток с целью зарядки батареи за короткое время. Такой метод описан, например, в заявке JP-A-4-340330.
Раскрытие изобретения
Поскольку для ступенчатого увеличения зарядного тока по мере повышения температуры батареи необходимо контролировать температуру батареи и зарядный ток, может быть предусмотрен способ, в котором используют относительно дорогое схемное решение, такое как микрокомпьютер, но недостатком такого способа, соответственно, является его высокая стоимость.
Кроме того, в зарядном устройстве для аккумуляторных батарей, в котором батарею, такую как литиевая батарея, заряжают с контролем неизменного тока/неизменного напряжения, для обнаружения конечного тока и завершения зарядки недостаточно просто увеличивать зарядный ток по мере повышения температуры батареи, но также необходимо одновременно изменять конечный ток с целью сокращения времени зарядки.
Соответственно, в основу настоящего изобретения положена задача создания устройства для зарядки батарей (зарядного устройства для аккумуляторных батарей), которое может иметь относительно простую схему и способно выбирать правильный зарядный ток соответственно температуре батареи.
Другой задачей настоящего изобретения является создание недорогого зарядного устройства для аккумуляторных батарей, способного варьировать заданную величину тока полного заряда соответственно температуре батареи для зарядки вторичной батареи (блока батарей), такой как литиевая батарея с использованием системы регулирования неизменного тока/неизменного напряжения.
Далее описаны особенности настоящего изобретения, с помощью которых решены описанные выше задачи.
Согласно одной из особенностей настоящего изобретения зарядное устройство для аккумуляторных батарей имеет схему регулирования зарядного тока для установки величины зарядного тока с помощью блока установки зарядного тока и регулирования зарядного тока в соответствии с заданной величиной зарядного тока; схему определения полного заряда для установки величины тока полного заряда, соответствующей величине тока в состоянии полного заряда, с помощью блока установки тока полного заряда для генерирования сигнала останова зарядки, когда зарядный ток не превышает заданную величину тока полного заряда; и блок определения температуры батареи для определения температуры заряжаемой вторичной батареи. Зарядное устройство для аккумуляторных батарей также включает схему переключения заданного тока, содержащую компаратор, на один вход которого подают сигнал температуры батареи, соответствующий температуре батареи, определенной блоком определения температуры батареи, а на другой вход подают опорный сигнал, соответствующий температуре начала разряда, для варьирования заданного значения зарядного тока в блоке установки зарядного тока и заданного значения тока полного заряда в блоке установки тока полного заряда соответственно выходу компаратора.
Согласно еще одной из особенностей настоящего изобретения блок определения температуры батареи определяет изменение сопротивления термочувствительного элемента, входящего в заряжаемую вторичную батарею.
Согласно еще одной из особенностей настоящего изобретения блок установки зарядного тока и блок установки тока полного заряда имеют резистивную схему деления напряжения, при этом заданную величину зарядного тока и заданную величину тока полного заряда переключают в зависимости от того, включен ли резистивный регулятор величины деления тока параллельно с резистивным делителем напряжения, в результате чего образуется резистивная схема деления напряжения в зависимости от выходного сигнала схемы переключения заданного тока.
Согласно еще одной из особенностей настоящего изобретения упомянутой температурой батареи является низкая температура в заданном диапазоне температур, схема переключения заданного тока устанавливает заданную величину зарядного тока и заданную величину тока полного заряда на более низких уровнях, чем при высокой температуре.
Согласно еще одной из особенностей настоящего изобретения заданная величина зарядного тока, заданная величина тока полного заряда, сигнал температуры батареи и опорный сигнал представлены величинами напряжения, в указанном порядке соответствующие заданной величине зарядного тока, заданной величине тока полного заряда, температуре батареи и температуре начала разряда.
Согласно еще одной из особенностей настоящего изобретения заряжаемой вторичной батареей является литиевая батарея, которую заряжают с контролем неизменного тока/неизменного напряжения.
Согласно еще одной из особенностей настоящего изобретения схема регулирования зарядного тока имеет второй компаратор, на один вход которого подают сигнал зарядки, реагирующий на зарядный ток, а на другой вход подают заданный сигнал зарядки, соответствующий заданной величине зарядного тока, которая установлена в зависимости от выходного сигнала схемы переключения заданного тока, а схема определения полного заряда имеет третий компаратор, на один вход которого подают сигнал зарядки, реагирующий на зарядный ток, а на другой вход подают сигнал заданного полного заряда, соответствующий заданной величине тока полного заряда, которая установлена в зависимости от выходного сигнала схемы переключения заданного тока, при этом схема переключения заданного тока меняет заданную величину зарядного тока и заданную величину тока полного заряда в зависимости от температуры.
За счет использования в настоящем изобретении компаратора, чтобы обеспечивать правильный выбор величин зарядного тока заряжаемой вторичной батареи и заданного тока полного заряда соответственно температуре батареи, зарядное устройство для аккумуляторных батарей может иметь относительно простую схему. Кроме того, поскольку величина заданного тока полного заряда может меняться соответственно температуре батареи, зарядное устройство для аккумуляторных батарей предпочтительно применимо в качестве зарядного устройства для зарядки вторичной батареи (блока батарей), такой как литиевая батарея с использованием системы регулирования неизменного тока/неизменного напряжения.
Описанные и иные задачи, а также описанные и иные особенности и преимущества настоящего изобретения станут более ясными из следующего далее описания и приложенных чертежей.
Краткое описание чертежей
на фиг.1 показана принципиальная схема зарядного устройства для аккумуляторных батарей согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения,
на фиг.2 - зарядная характеристика, когда температура батареи в показанном на фиг.1 зарядном устройстве для аккумуляторных батарей составляет 0°C или менее,
на фиг.3 - зарядная характеристика, когда температура батареи, составляющая в начале зарядки 0°C или менее, достигает 0°C или выше во время зарядки в показанном на фиг.1 зарядном устройстве для аккумуляторных батарей,
на фиг.4 - зарядная характеристика, когда температура батареи в показанном на фиг.1 зарядном устройстве для аккумуляторных батарей составляет 0°C или выше.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Далее со ссылкой на фиг.1-4 подробно описан один из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг.1 показана принципиальная схема зарядного устройства 300 для аккумуляторных батарей согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.1, блок 2 батарей (вторичная батарея), заряжаемый с помощью зарядного устройства 300 для аккумуляторных батарей, содержит одну или множество, например, последовательно соединенных, заряжаемых литиевых аккумуляторных батарей 2a и термочувствительный элемент 2b, действующий как датчик температуры, такой как термистор, соприкасающийся с аккумуляторной батареей 2a или расположенный вблизи нее. Например, блок 2 батарей согласно данному варианту осуществления включает аккумуляторную батарею 2a, состоящую из одной ионно-литиевой батареи (с номинальным напряжением 3,6 B). В качестве термочувствительного элемента 2b используют термистор. Схема 200 зарядки для подачи электроэнергии в блок 2 батарей образована схемой переключения питания, в которую входит выпрямляющая и сглаживающая схема 10 первого контура, схема 20 переключения, имеющая высокочастотный трансформатор 21, и выпрямляющая и сглаживающая схема 30 второго контура.
В выпрямляющую и сглаживающую схему 10 первого контура входит двухполупериодный выпрямитель 11 и сглаживающий конденсатор 12, при этом она осуществляет двухполупериодное выпрямление источника 1 питания переменного тока, такого как промышленный источник питания переменного тока.
В схему 20 переключения входит высокочастотный трансформатор 21, полевой МОП-транзистор (переключающий элемент) 22, последовательно соединенный с первичной обмоткой 21a трансформатора 21, и интегральная схема 23 с широтно-импульсной модуляцией (ИСШИМ или PWMIC, от английского - Pulse-Width Modulation Integrated Circuit) (ИС управления переключением) для осуществления широтно-импульсной модуляции опорного импульсного сигнала, подаваемого на управляющий электрод полевого МОП-транзистора 22.
Из схемы 24 неизменного напряжения, образованной во вторичной обмотке 21b трансформатора 21, подают мощность возбуждения ИСШИМ 23. В схему 24 неизменного напряжения входит выпрямляющий диод 24a, трехконтактный регулятор 24d, конденсатор 24c, соединенный с первичной стороной трехконтактного регулятора 24d, и конденсатор 24b, соединенный с вторичной стороной трехконтактного регулятора 24d. В ИСШИМ 23 через блок 5 передачи обратного сигнала зарядки возвращают сигнал управления зарядным напряжением и сигнал управления зарядным током. Кроме того, оптрон 6a, входящий в описанную далее переключающую схему 6 останова, возвращает в ИСШИМ 23 сигнал переключения управления остановом. ИСШИМ 23 управляет началом и остановом зарядки полевого МОП-транзистора 22 посредством сигнала переключения управления остановом, поступающего от оптрона 6a, и меняет длительность опорного импульса, который подает в управляющий электрод полевого МОП-транзистора 22 сигнал управления зарядным током, поступающий от оптрона 5, с целью управления временем включения полевого МОП-транзистора 22 и регулирования выходного напряжения выпрямляющей и сглаживающей схемы 30 второго контура и зарядного тока блока 2 батарей. При запуске в ИСШИМ 23 через пусковое сопротивление 25 подают выходное напряжение выпрямляющей и сглаживающей схемы 10 первого контура. Кроме того, с ИСШИМ 23, в которую поступает сигнал переключения управления остановом от оптрона 6a, соединено нагрузочное сопротивление 26. В рабочем состоянии, в котором переключающий транзистор 6e описанной далее схемы 6 переключения останова выключен, нагрузочное сопротивление 26 подает в ИСШИМ 23 рабочее напряжение.
В выпрямляющую и сглаживающую схему 30 второго контура входит диод 31, соединенный с третичной обмоткой 21с трансформатора 21, сглаживающий конденсатор 32 и разрядное сопротивление 33.
В четвертичной обмотке 21d трансформатора 21 находится стабилизированный источник 110 напряжения схемы управления, подающий напряжение Vcc в описанные далее различного рода схемы управления. В стабилизированный источник 110 напряжения схемы управления входит выпрямляющий диод 111, трехконтактный регулятор 114, конденсатор 112, соединенный с первичной стороной трехконтактного регулятора 114, и конденсатор 113, соединенный с вторичной стороной трехконтактного регулятора 114 для выдачи неизменного напряжения Vcc.
Выпрямляющая и сглаживающая схема 10 первого контура, схема 20 переключения и выпрямляющая и сглаживающая схема 30 второго контура образуют схему 200 зарядки. Между вторичной стороной схемы 200 зарядки и блоком 2 батарей установлено электрически связанное с ними переключающее устройство 4 для управления установлением и прерыванием зарядного пути (включением и выключением). Переключающее устройство 4 представляет собой, например, реле и имеет релейный переключатель 4a и контрольную катушку 4b. Контрольной катушкой 4b управляет релейная схема 7 управления.
В релейную схему 7 управления входит транзистор 7h, включением и выключением которого управляет выходной сигнал описанной далее схемы (блока) 8 определения температуры батареи, транзистор 7i, база которого соединена с токоприемной стороной транзистора 7h, и транзистор 7j, включением и выключением которого управляет выходной сигнал описанной далее схемы 90 определения полного заряда и который последовательно соединен с транзистором 7h, а также сопротивления 7a-7g соответствующих транзисторов 7h, 7i и 7j.
В схему 70 регулирования зарядного тока входит операционная усилительная схема, имеющая операционные усилители 76 и 77, входные сопротивления 71 и 73 операционных усилителей 76 и 77, сопротивления 72 и 74 обратной связи операционных усилителей 76 и 77 и выходная схема, имеющая диод 78 и токоограничивающее сопротивление 75. С одним входом (+) операционного усилителя 77 соединена схема 80 установки зарядного тока.
В некоторых ограниченных случаях в схему 80 установки зарядного тока входит принципиальная резистивная схема деления напряжения, имеющая резистивные делители 81 и 82 напряжения. Кроме того, с резистивным делителем 82 напряжения параллельно соединены резистивный регулятор 83 величины деления тока и транзистор 86. База транзистора 86 посредством сопротивления 84 и сопротивления 85 соединена с описанной далее схемой 120 переключения заданного тока (схемой переключения зарядного тока/конечного тока) 120. В резистивные делители 81 и 82 напряжения подают выходное напряжение Vcc стабилизированного источника 110 напряжения схемы управления. Схема 80 установки зарядного тока включает и выключает транзистор 86 в зависимости от температуры батареи, определяемой описанной далее схемой 8 определения температуры батареи, и меняет заданное напряжение (сигнал заданной зарядки), соответствующее заданному зарядному току, подаваемому на вход (+) операционного усилителя 77, в зависимости от того, включен ли резистивный регулятор 83 величины деления тока параллельно с резистивным делителем 82 напряжения. Например, если температура батареи поднимается выше температуры начала разряда, транзистор 86 выключается, поэтому сопротивление 83 не включено параллельно с сопротивлением 82 для непосредственной установки заданного напряжения, полученного путем деления напряжения на величину сопротивлений 81 и 82, на уровне заданного напряжения (сигнала заданной зарядки). В отличие от этого, когда температура батареи опускается ниже температуры начала разряда, транзистор 86 включается, поэтому сопротивление 83 включено параллельно с сопротивлением 83, в результате чего суммарная величина сопротивления параллельно включенных сопротивления 82 и сопротивления 83 уменьшается, и заданное напряжение, полученное путем деления напряжения на величину сопротивления 81 и суммарную величину сопротивления, является низким. Соответственно, зарядный ток устанавливают на низком уровне при низкой температуре и на высоком уровне при высокой температуре.
Первичная сторона схемы 70 регулирования зарядного тока соединена с сопротивлением 3 для индикации зарядного тока блока 2 батарей. Кроме того, вторичная сторона схемы 70 управляет ИСШИМ 23 посредством блока 5 передачи обратного сигнала зарядки, который входит оптрон, как это описано выше. Падение напряжения в зависимости от зарядного тока, подаваемого в сопротивление 3 для индикации зарядного тока, инвертируют и усиливают в схеме 70 регулирования зарядного тока с помощью сопротивлений 71 и 72 и операционного усилителя 76, усиливают разность между его выходным напряжением и заданным напряжением (сигналом заданной зарядки), установленным схемой 80 установки зарядного тока с помощью операционного усилителя 77, возвращают усиленное напряжение в ИСШИМ 23 посредством блока 5 передачи обратного сигнала зарядки и управляют переключением полевого МОП-транзистора 22. Иными словами, когда зарядный ток, подаваемый в сопротивление 3 для индикации зарядного тока, превышает заданный зарядный ток, MOSFET 22 подает выходной импульс, суженный до длительности импульса высокочастотного трансформатора 21. В отличие от этого, когда зарядный ток меньше заданного зарядного тока, MOSFET 22 подает импульс, расширенный до длительности импульса высокочастотного трансформатора 21. Таким образом, выпрямляющая и сглаживающая схема 30 второго контура сглаживает напряжение постоянного тока, соответствующее заданному зарядному току с целью поддержания зарядного тока блока 2 батарей на заданном уровне, установленном схемой 80 установки зарядного тока. Иными словами, сопротивление 3 для индикации тока, схема 70 регулирования зарядного тока, блок 5 передачи обратного сигнала зарядки, схема 20 переключения и выпрямляющая и сглаживающая схема 30 второго контура регулируют зарядный ток, подаваемый в блок 2 батарей таким образом, чтобы получить заданный зарядный ток, установленный схемой 80 установки зарядного тока.
В схему 50 управления выходным напряжением входит операционный усилитель 55, входное сопротивление 51 со стороны инверсного входа (-), сопротивление 53 обратной связи, входное сопротивление 52 со стороны неинверсного входа (+) и выходная схема, имеющая диод 56 и токоограничивающее сопротивление 54. Сторона инверсного входа (-) схемы 50 управления выходным напряжением соединена со схемой 40 индикации выходного напряжения источника энергии заряда, в которую входит сопротивление 41 и сопротивление 42, при этом в нее вводят обнаруженное напряжение для возврата выходного напряжения схемы 200 зарядки. В то же время сторона неинверсного входа (+) соединена со схемой 60 установки выходного напряжения, имеющей резистивные делители 61 и 62 напряжения для деления питающего напряжения Vcc и установки заданного напряжения для зарядки при постоянном напряжении. Поскольку в данном варианте осуществления блок 2 батарей состоит из одной ионно-литиевой батареи, выходное напряжение может быть установлено, например, на уровне 4,2 вольта. Вторичная сторона схемы 50 управления выходным напряжением соединена с ИСШИМ 23 посредством блока 5 передачи обратного сигнала зарядки, состоящего из оптрона, подобно вторичной стороне схемы 70 регулирования зарядного тока. В такой структуре усиливают разность между выходным напряжением, обнаруженным схемой 40 индикации выходного напряжения, и контрольным напряжением, заданным схемой 60 установки выходного напряжения, возвращают усиленное напряжение в ИСШИМ 23 посредством блока 5 передачи обратного сигнала зарядки и устанавливают выходное напряжение на заданном уровне. Соответственно, ИСШИМ 23 управляют с помощью выходного сигнала (сигнала обратной связи) схемы 70 регулирования зарядного тока или схемы 50 управления выходным напряжением.
Схема 8 определения температуры батареи представляет собой блок определения температуры батареи для управления зарядным устройством 300 для аккумуляторных батарей, только когда температура блока 2 батарей находится в заданном диапазоне (например, от -10°C до 50°C), и имеет двухпороговый компаратор (компаратор напряжений) с использованием схемы ИЛИ. В частности, в схему 8 определения температуры батареи входит первый компаратор напряжений, имеющий операционный усилитель 8k, сопротивление 8i обратной связи и входное сопротивление 8c, и второй компаратор напряжений, имеющий операционный усилитель 81, сопротивление 8j обратной связи и входное сопротивление 8f. На контрольный вход (-) операционного усилителя 8k, входящего в первый компаратор, подают контрольное напряжение (минимальный опорный сигнал), соответствующее минимальной температуре (-10°C), которое получают путем деления питающего напряжения Vcc на показания резистивных делителей 8a и 8b напряжения. На контрольный вход (+) операционного усилителя 81, входящего во второй компаратор напряжений, подают контрольное напряжение (максимальный опорный сигнал), соответствующий максимальной температуре (50°C), которое получают путем деления питающего напряжения Vcc на показания резистивных делителей 8d и 8e напряжения. Кроме того, на сигнальный вход (+) операционного усилителя 8k и сигнальный вход (-) операционного усилителя 81 посредством схемы делителя напряжения, имеющей питающее напряжение Vcc и сопротивления 8g и 8h, подают переменное напряжение, в соответствии с изменением величины сопротивления термочувствительного элемента 2b в зависимости от температуры. Оба выходных сигнала операционных усилителей 8k и 8l подают в схему 8m ИЛИ. Выход схемы 8m ИЛИ через сопротивление 7b вводят в базу транзистора 7h релейной схемы 7 управления. Работа релейной схемы 7 управления может регулироваться в диапазоне температур (от -10°C до 50°C), в котором схема 8 определения температуры батареи позволяет осуществлять зарядку блока 2 батарей.
Светодиодная схема 9 индикации представляет собой контролирующую схему, которая позволяет пользователю распознавать начало и окончание зарядки и имеет светодиодный индикатор 9d, возбуждающий транзистор 9e и сопротивления 9a-9c. Например, светодиодный индикатор 9d включается во время зарядки и выключается при окончании зарядки.
В схему 100 индикации (определения) перенапряжения входит операционный усилитель 103, действующий как компаратор напряжений, и резистивные делители 101 и 102 напряжения, соединенные с одним входом (-) операционного усилителя 103 и служащие для установки напряжения, соответствующего перенапряжению. На другой вход (+) операционного усилителя 103 подают напряжение, полученное в результате деления выходного напряжения выпрямляющей и сглаживающей схемы 30 второго контура на величины сопротивлений 41 и 42 схемы 40 индикации выходного напряжения. Выход схемы 100 индикации перенапряжения соединен с переключающей схемой 6 останова.
Переключающая схема 6 останова служит для прекращения работы ИСШИМ 23 в ответ на сигнал от схемы 100 индикации перенапряжения и имеет оптрон 6а, сопротивления 6b-6d и переключающий транзистор 6e.
В схему 90 определения полного заряда входит операционный усилитель 98, действующий как компаратор напряжений. На один вход (-) операционного усилителя 98 через операционный усилитель 76 и сопротивление 91 подают напряжение, соответствующее зарядному току, поступающему в сопротивление 3 для индикации зарядного тока. С другим входом (+) операционного усилителя 98 соединена промежуточная точка последовательных сопротивлений 92 и 93, образующих резистивную схему деления напряжения. С резистивным делителем 93 напряжения посредством резистивного регулятора 94 величины деления тока соединен коллектор транзистора 99. С базой транзистора 99 посредством сопротивления 95 и сопротивления 96 соединена описанная далее схема 120 переключения заданного тока. Схема 90 определения полного заряда включает и выключает транзистор 99 в зависимости от температуры батареи, обнаруженной описанной далее схемой 8 определения температуры батареи, с целью изменения заданной величины тока полного заряда (сигнала установки полного заряда), подаваемого на вход (+) операционного усилителя 98 в зависимости от того, включен ли резистивный регулятор 94 величины деления тока параллельно с резистивным делителем 93 напряжения. Например, если температура батареи поднимается выше температуры начала разряда, транзистор 99 выключается, поэтому сопротивление 94 не включено параллельно с сопротивлением 93, и величина контрольного напряжения, полученная путем деления напряжения на величины сопротивлений 92 и 93, соответствует величине заданного тока полного заряда. В отличие от этого, когда температура батареи опускается ниже температуры начала разряда, транзистор 99 включается, поэтому сопротивление 94 включено параллельно с сопротивлением 93, в результате чего суммарная величина сопротивления параллельно включенных сопротивления 93 и сопротивления 94 уменьшается, и величина напряжения, полученная путем деления напряжения на величину сопротивления 92 и суммарную величину сопротивления, является низкой. Соответственно, при низкой температуре соответствующая заданная величина тока полного заряда может быть установлена на низком уровне и на высоком уровне при высокой температуре.
На базу транзистора 7j релейной схемы 7 управления подают выходной сигнал схемы 90 определения полного заряда (выход компаратора 98 напряжений) в качестве сигнала начала зарядки или сигнала останова зарядки с целью управления включением и выключением транзистора 7j. При работе в режиме обычной зарядки, когда величина (сигнал зарядки), получаемая путем преобразования зарядного тока в напряжение, которое подают на другой вход (-) операционного усилителя 98, меньше величины (сигнала установки полного заряда), получаемой путем преобразования заданной величины тока полного заряда в напряжение, которое подают на один вход (+) операционного усилителя 98, транзистор 7j включается, а транзистор 7i выключается, размыкая реле 4 с помощью релейной схемы 7 управления. В отличие от этого, когда зарядный ток является сильным, транзистор 7j выключается, а транзистор 7i включается, и реле 4 проводит электрический ток. Более точно, поскольку зарядный ток ионно-литиевой батареи блока 2 батарей ослабляется (снижается) в процессе зарядки при постоянном напряжении, схема 90 определения полного заряда сравнивает зарядный ток с опорным током, который компаратор 98 отображает в качестве полностью заряженного состояния, и обнаруживает состояние, когда зарядный ток снижается до величины, не превышающей опорный ток в качестве полностью заряженного состояния, после чего выходной сигнал компаратора 98 размыкает реле 4, и зарядка прекращается. В этом случае согласно настоящему изобретению заданная величина зарядного тока и заданная величина тока полного заряда может быть изменена в зависимости от температуры батареи, как это описано выше.
В данном случае следует отметить, что, когда величина зарядного тока не превышает заданную величину зарядного тока (заданную величину тока), функцией схемы 90 определения полного заряда является размыкание реле 4. Соответственно, даже когда блок 2 батарей в качестве заряжаемой батареи просто помещают (подключают) в зарядное устройство 300 для зарядки блока батарей, при отсутствии зарядного токе не ниже величины заданного тока реле 4 продолжает оставаться разомкнутым, и выходное напряжение схемы 200 зарядки не может поступать в блок 2 батарей. Таким образом, схема 90 определения полного заряда не позволяет запустить релейную схему 7 управления. Для решения этой задачи в настоящем изобретении с одним входом (-), на который подают сигнал, реагирующий на зарядный ток компаратора 98, соединен блок 99 подачи напряжения начала зарядки для подачи напряжения (сигнала начала зарядки), не меньшего, чем заданное напряжение, соответствующее заданной величине зарядного тока, которая установлена сопротивлениями 92 и 93 на другом входе (+) в неустановившемся состоянии до истечения заданного времени после начала зарядки. В одном из примеров в блок 99 подачи напряжения начала зарядки входит конденсатор 97, установленный между одним входом (-) компаратора 98 и коллектором транзистора 7h релейной схемы 7 управления. Когда схема 8 определения температуры батареи обнаруживает, что заряжаемый блок 2 батарей подключен к зарядному устройству 300, поскольку транзистор 7h релейной схемы 7 управления включен, конденсатор 97 может подавать на один вход (-) компаратора 98 питающее напряжение Vcc в качестве сигнала начала зарядки в неустановившемся состоянии до истечения заданного времени после начала зарядки. В результате компаратор 98 схемы 90 определения полного заряда выключает транзистор 7j релейной схемы 7, после чего может быть включен транзистор 7i для переключения реле 4, чтобы оно проводило электрический ток (включения реле). Таким образом, зарядка может быть начата.
Схема 120 переключения заданного тока действует как переключающая и управляющая схема, в которую входит операционный усилитель 127, транзистор 128 и сопротивления 121-126 и 129 для изменения заданного зарядного тока и заданного тока полного заряда (конечного тока). Операционный усилитель 127 действует как компаратор напряжения. На один вход (-) операционного усилителя 127 подают напряжение, реагирующее на изменение сопротивления термочувствительного элемента 2b, входящего в блок 2 батарей, в зависимости от температуры. С другим входом (+) операционного усилителя 127 посредством сопротивления 123 соединена промежуточная точка последовательно включенных сопротивлений 121 и 122, которые образуют резистивную схему деления напряжения. С выходом операционного усилителя 127 соединен транзистор 128. Выходной сигнал коллектора транзистора 128 вводят в базу транзистора 99 схемы 90 определения полного заряда и базу транзистора 86 схемы 80 установки зарядного тока. Когда величина напряжения, подаваемого на вход (-) операционного усилителя 127 из схемы 8 определения температуры батареи, превышает (при низкой температуре) контрольную величину, представляющую собой величину напряжения, деленную на показания резистивных делителей 121 и 122 напряжения, которую подают на вход (+) операционного усилителя 127, выходной сигнал операционного усилителя 127 выключает транзистор 128. Таким образом, транзисторы 86 и 99 схемы 80 установки зарядного тока и схемы 90 определения полного заряда включаются, и заданный зарядный ток и заданный ток полного заряда (конечный ток) устанавливают на низких уровнях, как это описано выше.
Как видно из изложенного выше описания, схема 120 переключения заданного тока вместе со схемой 80 установки зарядного тока и схемой 90 определения полного заряда образует блок изменения заданного тока. Далее описана работа зарядного устройства 300 для аккумуляторных батарей во время зарядки.
Когда блок 2 батарей в качестве заряжаемой вторичной батареи помещают в зарядное устройство 300 для аккумуляторных батарей или подключают к нему, на вход (+) операционного усилителя 8k и вход (-) операционного усилителя 8l подают величину, получаемую путем деления неизменного напряжения Vcc на суммарное сопротивление термистора 2b, величина которого реагирует на температуру батареи, и сопротивление 8h и сопротивление 8g. Операционный усилитель 8k задает величину, получаемую путем деления неизменного напряжения Vcc на показания резистивных делителей 8a и 8b напряжения, в качестве контрольной величины, и выдает выходной сигнал высокого уровня, когда батарея имеет температуру не выше заданной температуры со стороны низкой температуры, и выдает выходной сигнал низкого уровня, когда батарея имеет температуру не ниже заданной температуры. Например, заданную температуру устанавливают на уровне -10°C. В то же время операционный усилитель 8l задает величину, получаемую путем деления неизменного напряжения Vcc на показания резистивных делителей напряжения 8d и 8e, в качестве контрольной величины, и выдает выходной сигнал низкого уровня, когда батарея имеет температуру не выше заданной температуры со стороны высокой температуры, и выдает выходной сигнал высокого уровня, когда батарея имеет температуру не ниже заданной температуры со стороны высокой температуры. Например, заданную температуру со стороны высокой температуры устанавливают на уровне 50°C.
Как описано выше, когда величину напряжения со стороны контрольного входа пары операционных усилителей 8k и 8l, действующих как компараторы напряжений, устанавливают на заданном уровне, если температура блока 2 батарей находится в диапазоне от -10°C до 50°C, оба сигнала на двух входах схемы 8m ИЛИ имеют низкий уровень. Таким образом, уровень сигнала на выходе схемы 8m ИЛИ является низким. Когда блок 2 батарей имеет температуру не выше -10°C или не ниже 50°C, по меньшей мере один уровень входного сигнала на двух входах схемы 8m ИЛИ является высоким. Таким образом, уровень сигнала на выходе схемы 8m ИЛИ является высоким.
Выходной сигнал схемы 8m ИЛИ вводят в базу транзистора 7h. Соответственно, транзистор 7h включен, когда в базу транзистора 7h вводят выходной сигнал низкого уровня, иными словами, только когда температура батареи находится в диапазоне от -10°C до 50°C. Когда транзистор 7h включается, на вход (-) сигнала зарядки операционного усилителя 98, действующего как компаратор напряжений, посредством конденсатора 97 подают неустановившееся напряжение Vcc в качестве сигнала начала зарядки, как это описано выше. Длительность подачи неустановившегося сигнала Vi начала зарядки соответствует электростатической емкости конденсатора 97.
Поскольку на вход (-) сигнала зарядки операционного усилителя 98 через конденсатор 97 подают неустановившееся питающее напряжение Vcc, пока не истечет заданный период времени после подключения блока 2 батарей к зарядному устройству 300 для аккумуляторных батарей, напряжение значительно превышает заданное напряжение Vr (сигнал установки полного заряда), подаваемое на вход (+) сигнала установки операционного усилителя 98. Таким образом, выходной сигнал операционного усилителя 98 имеет низкий уровень (сигнал начала зарядки).
Поскольку перед тем, как блок 2 батарей, температура которых находится в диапазоне от -10°C до 50°C, помещают в зарядное устройство 300 для аккумуляторных батарей, на вход (-) сигнала зарядки операционного усилителя 98 не подается напряжение, напряжение Vi, подаваемое на вход (-) сигнала зарядки операционного усилителя 98, равно 0 вольт. Таким образом, напряжение Vi является ниже заданного напряжения Vr, подаваемого на вход (+) сигнала установки операционного усилителя 98, а выходной сигнал операционного усилителя 98 имеет высокий уровень. Соответственно, когда блок 2 батарей, температура которых находится в диапазоне от -10°C до 50°C помещают в зарядное устройство 300 для аккумуляторных батарей, уровень сигнала, подаваемого в базу транзистора 7j, меняется с высокого на низкий, в результате чего транзистор 7j переходит из включенного состояния в выключенное. Таким образом, уровень сигнала, подаваемого в базу транзистора 7i, меняется с высокого на низкий, в результате чего транзистор 7i включается и подает напряжение Vcc на контрольную катушку 4b реле 4. В результате релейный переключатель 4a включается.
В неустановившемся состоянии, когда на вход (-) сигнала зарядки операционного усилителя 98 посредством конденсатора 97 подают сигнал начала зарядки для включения реле 4, одновременно начинается подача зарядного тока. Величину падения напряжения в сопротивлении 3 для индикации зарядного тока вводят в инвертирующую и усилительную схему, образованную операционным усилителем 76 и сопротивлениями 71 и 72. Выходной сигнал (величину, получаемую в результате преобразования зарядного тока в напряжение) инвертирующей и усилительной схемы (операционного усилителя 76) подают на вход (-) сигнала зарядки операционного усилителя 98 в качестве напряжения Vi. Когда напряжение Vi (напряжение, соответствующее обнаруженной величине зарядного тока) на входе (-) сигнала зарядки операционного усилителя 98 является не ниже заданного напряжения Vr (соответствующего конечного току состояния полной зарядки), подаваемого на вход (+) сигнала установки операционного усилителя 98, величина входного напряжения Vi остается не меньше заданной величины Vr даже после полной подачи неустановившегося напряжения Vcc. Таким образом, выходной сигнал операционного усилителя 98 непрерывно поддерживается на низком уровне, чтобы реле 4 непрерывно оставалось включенным и непрерывно происходила зарядка.
Когда происходит непрерывная зарядка блока 2 батарей и напряжение батарей достигает величины неизменного напряжения (например, 4,2 вольт), регулирование переходит в режим стабилизации напряжения, и зарядный ток уменьшается. Затем, когда напряжение Vi (соответствующее текущей величине зарядного тока) на входе (-) сигнала зарядки операционного усилителя 98 не превышает заданную величину Vr (соответствующую конечному току для обнаружения состояния полной зарядки), получаемую путем деления напряжения Vcc на соотношение показаний резистивных делителей 92 и 93 напряжения (или соотношение величины сопротивления 92 и суммарной величины параллельных сопротивлений 93 и 94), которую подают на вход (+) сигнала установки операционного усилителя 98, уровень выходного сигнала операционного усилителя 98 становится высоким. Таким образом, транзистор 7j включается, и в базу транзистора 7i подают сигнал низкого уровня. Соответственно, реле 4 выключается, и зарядка завершается.
Поскольку в описанной выше системе величина сопротивления термочувствительного элемента 2b, такого как термистор, обычно имеет отрицательный температурный коэффициент, величина сопротивления термочувствительного элемента 2b уменьшается с повышением температуры блока 2 батарей. Следовательно, когда устанавливают величину деленного напряжения сопротивления 121 и сопротивления 122, то есть опорную величину операционного усилителя 127 схемы 120 переключения заданного тока, при которой температура батареи составляет, например 0°C, поскольку при температуре батареи во время зарядки не выше 0°C величина входного напряжение, подаваемого на вход (-) операционного усилителя 127 схемы 120 переключения заданного тока, превышает опорную величину, выходной сигнал операционного усилителя 127 имеет низкий уровень. Соответственно, транзистор 128 схемы 120 переключения заданного тока выключается, а транзисторы 86 и 99 схемы 80 установки зарядного тока и схемы 90 определения полного заряда включаются.
Что касается коэффициента деления величины питающего напряжения Vcc на величины сопротивлений 81 и 82 схемы 80 установки зарядного тока, поскольку при включении транзистора 86 сопротивление 83 включается параллельно с сопротивлением 82, коэффициент деления напряжения сопротивления 81 и суммарной величины параллельно включенных сопротивления 83 и сопротивления 82 меньше коэффициента деления напряжения сопротивления 81 и сопротивления 82. Следовательно, заданное напряжение, соответствующее заданному зарядному току, подаваемому на вход (+) операционного усилителя 77, является низким. В связи с этим схема 70 регулирования зарядного тока подает зарядный ток в блок 2 батарей, когда температура батареи является низкой. Аналогичным образом, что касается коэффициента деления питающего напряжения Vcc на сопротивление 92 и сопротивление 93, поскольку при включении транзистора 99 сопротивление 94 включается параллельно с сопротивлением 93, коэффициент деления напряжения сопротивления 92 и суммарной величины параллельно включенных сопротивления 93 и сопротивления 94 меньше коэффициента деления напряжения сопротивления 92 и сопротивления 93, и заданное напряжение, соответствующее заданному току полного заряда, подаваемому на вход (+) операционного усилителя 98, является низким. Следовательно, схема 90 определения полного заряда обнаруживает величину тока полного заряда (величину конечного тока), когда температура батареи является низкой.
В отличие от этого, когда батарея во время зарядки имеет температуру не ниже 0°C, поскольку входная величина, подаваемая в операционный усилитель 127 схемы 120 переключения заданного тока, меньше опорной величины, выходной сигнал операционного усилителя 127 имеет высокий уровень. Следовательно, транзистор 128 включается, а транзисторы 86 и 99 схемы 80 установки зарядного тока и схемы 90 определения полного заряда соответственно остаются в выключенном состоянии. Таким образом, величины напряжения, получаемые с помощью коэффициента деления напряжения сопротивлений 81 и 82 и коэффициента деления напряжения сопротивления 92 и сопротивления 93, задают в качестве опорных величин зарядного тока и конечного тока. В данном случае суммарная величина параллельно включенных сопротивления 82 и сопротивления 83 меньше величины сопротивления 82. Кроме того, суммарная величина параллельно включенных сопротивления 93 и сопротивления 94 меньше величины сопротивления 93. Иными словами, если при температуре батареи не выше 0°C зарядный ток равен i1 и заданный ток полного заряда (конечный ток) равен i2, а при температуре батареи не ниже 0°C зарядный ток равен i3 и заданный ток полного заряда (конечный ток) равен i4, получаем зависимость i1<i3 и i2<i4, и можно выбрать соответствующую величину тока для осуществления зарядки в зависимости от температуры батареи в блоке 2 батарей.
На фиг.2-4 проиллюстрированы примеры зарядных характеристик предложенного в настоящем изобретении зарядного устройства 300 для аккумуляторных батарей. На фиг.2 показана зарядная характеристика при зарядке блока батарей, имеющего температуру 0°C или ниже. На фиг.3 показана зарядная характеристика, когда температура блока батарей 0°C или ниже в начале зарядки достигает 0°C или выше во время зарядки. На фиг.4 показана зарядная характеристика при зарядке блока батарей, имеющего температуру 0°C или выше.
Проиллюстрированная на фиг.2 зарядная характеристика является примером, в котором температура батареи в блоке 2 батарей в начале зарядки равна -10°C, зарядный ток i1 равен 1 A, температура батареи при окончании зарядки равна от -2°C до -3°C, а конечная величина (ток полного заряда) i2 зарядного тока равна 0,5 A.
Проиллюстрированная на фиг.3 зарядная характеристика является примером, в котором температура батареи в блоке 2 батарей в начале зарядки равна от -2°C до -3°C, зарядный ток i1 равен 1 A, температура батареи при окончании зарядки равна от 17°C до 18°C, а конечная величина (ток полного заряда) i4 зарядного тока равна 1 А. Поскольку в этом случае температура батареи во время зарядки превышает 0°C, зарядный ток i1=1 A переключают на зарядный ток i3=3 A, а конечный ток i2=0,5 A также переключают на конечный ток i4=1 A. Время зарядки может быть короче, чем это показано на фиг.2
Проиллюстрированная на фиг.4 зарядная характеристика является примером, в котором температура батареи в блоке 2 батарей в начале зарядки равна 10°C, зарядный ток i3 равен 3 A, температура батареи при окончании зарядки равна от 17°C до 18°C, а конечная величина (ток полного заряда) i4 зарядного тока равна 1 A. В этом случае время зарядки может быть короче, чем это показано на фиг.3. Как показано на фиг.2-4, в данном варианте осуществления при низкой температуре осуществляют зарядку слабым током с учетом срока службы блока батарей. Кроме того, поскольку зарядный ток увеличивается с повышением температуры батареи, с учетом срока службы блока батарей время зарядки одновременно может быть сокращено.
В упомянутом варианте осуществления в схеме 120 переключения заданного тока используют, например, один компаратор 127 для изменения величины заданного зарядного тока и величины заданного тока полного заряда. Вместе с тем может использоваться множество компараторов для точного переключения величины заданного зарядного тока и величины заданного тока полного заряда.
Поскольку, как явствует из описанного выше варианта осуществления предложенного в настоящем изобретении зарядного устройства для аккумуляторных батарей, для регулирования уровня зарядного тока, подаваемого в заряжаемую вторичную батарею, и уровня тока полного заряда (конечного тока) в зависимости от температуры батареи используют операционный усилитель или компаратор напряжений, полный заряд, соответствующий температуре батареи, может быть распознан путем регулирования неизменного тока/неизменного напряжения с помощью недорогой схемы управления без использования дорогостоящего микрокомпьютера.
Хотя настоящее изобретение конкретно описано на примере варианта его осуществления, оно не ограничено описанным вариантом осуществления, и в него могут быть внесены различные изменения, не выходящие за пределы объема изобретения.