专利名称：高效率安全型全自动充电器的制作方法
技术领域：
本实用新型高效率安全型全自动充电器涉及的是一种二次电池(可充电电池、蓄电池)、二次电池串联电池组充电器，适用于各种二次电池、串联电池组的全自动充电。
背景技术：
目前对于二次电池(可充电电池、蓄电池)、二次电池串联电池组的充电方式，基本上都采用“恒流转恒压”的充电模式，即对二次电池(组)先用“恒流”进行充电，当电池组的端电压达到最高充电电压VH时，转为“恒压”充电，其恒压值一般都设定在VH上。
二次电池在大多数情况下都有是由多个单体电池串联起来，组成串联电池组而使用的，特别是动力用二次电池，都是由十几个乃至几十个单体电池串联组成的。由于串联电池组内每个单体电池之间总是有些差别，特别是在容量上存在较大的差别。对于串联电池组进行串联充电时，流经每个单体电池的电流是相同的，就是在同一时间内，充入每个单体电池的电量也是相等的，所以对于一些容量偏小的单体电池来说，其端电压的上升相对于容量较大的单体电池要快些。而“恒流转恒压”模式的充电器所设置的最高充电电压，是一个单体电池的最高充电电压与串联单体电池数的乘积，而实际检测到的电压却是每个单体电池电压的代数和，所以，在还没有达到最高充电电压前，个别容量偏小的单体电池却已经处在过充电状态。由于“恒流”充电电流都比较大，那些容量偏小的单体电池因较大电流的过充电而严重发热，导致极板变形、活性物质剥离、脱落甚至爆裂，而密封性较差或装有安全阀的电池，会出现“冒酸”，失水，最终使电池失效，报废！在“恒压”充电阶段，由于充电电压较高，而二次电池的内阻都比较小，特别是动力用的二次电池，单体电池的内阻仅几个毫欧姆，由于充电电压较高，很可能会引起电池内部温度和电流不断增加的“热失控”现象而导致电池的损坏。
“资料显示，因充放电控制不合理而损坏的电池占总损坏电池数的80％”，而因“恒流转恒压”模式的充电器控制不合理而损坏的电池，应占总损坏电池数的60％以上！另外“恒流转恒压”模式的充电器，无法准确控制和知道到底给电池充入了多少电量，而控制不当，同样会损伤二次电池。
发明内容
本实用新型目的是针对上述不足之处提供一种高效率安全型全自动充电器，完全摒弃了“恒流、恒压”的概念，也不用大功率取样电阻，而是采用一种全新的控制方式—用充入电池电量的百分比来全自动控制整个充电过程。该充电器能根据电池本身的情况，包括使用情况，所存电量和电池内阻，智能管理、全自动控制各阶段的充电电流和充电时间，只要连接可靠，在整个充电过程中，不管是临时停电、跳闸或更换电源插座，不用人工干预，都能全自动完成全部充电过程；当充电完成后，能自动关断充电电流。所以，即使是忘了拔下电源而外出几天、几周，甚至几个月，都不会发生意外。
高效率安全型全自动充电器是采取以下方案实现高效率安全型全自动充电器具有充电器机壳，充电器机壳上装置有电源线、充电输出线、指示灯，充电器机壳内设置有充电器电子线路板、散热风机，充电器电子线路板上装置有充电器电子线路及电子元器件。充电器机壳具有充电器上机壳、充电器下机壳。
充电器电子线路包括电源电路、隔离式开关电源功率转换电路、自动控制电路部分、充电指示和自动关机电路。
电源电路包括交流220V电源、保险丝F，抗干扰电容C101、共扼滤波器T101、整流桥RD，滤波电容C102。
隔离式开关电源功率转换电路包括开关变压器T201、功率场效应管Q1、脉宽调制集成电路IC1、散热风机FD、电阻R201～R209、电容C201～C209、二极管D201～D209、稳压二极管DZ201。脉宽调制集成电路IC1可采用UC3842或UC3843集成电路。
自动控制电路部分包括自动控制模块ACU、光耦IC2、精密稳压集成电路IC3、黄色发光二极管Y、电阻R301～R307、二极管D301～D304、稳压二极管DZ301、可调电阻RP。自动控制模块ACU内设置有双线性集成电路、电阻、电容、二极管、稳压管，双线性集成电路可采用358或158等双线性集成芯片。精密稳压集成电路IC3采用TL431集成芯片等。
充电指示和自动关机电路包括时基电路IC4、精密稳压集成电路IC5、NPN三极管Q2、双色发光二极管R-G、电阻R401～R410、电容C401、C402、二极管D401、微调电阻ROFF。时基电路IC4可采用555时基电路。精密稳压集成电路IC5采用TL431集成芯片等高效率安全型全自动充电器在整个充电过程中，输出电压始终控制在最高充电VH这条红线以内；即使在充电的最后阶段，对铅酸、镍氢/镍镉电池组有意识地提高VH的1-2个百分点进行均衡充电，由于是采用慢脉冲、小电流的过充电，不但还会使电池受到伤害，反而能均衡串联电池组内每个单体电池的端电压，提高了电池的性能。所以，用该充电器对串联电池组进行充电时，绝对安全，决不会发生过热、冒酸、失水和爆裂现象。
该充电器在与被充电池组连接时，能自动检测被充电池组的开路电压；若被充电池的开路电压在“允许充电电压”以下，便认为是因过放电而成为“疲劳电池”，若用正常的较大电流对其充电的话，必定会造成伤害。而本充电器会自动对其进行慢脉冲，小电流的“激活充电”，当电池电压上升到“允许充电电压”时，该电池组已被激活、唤醒，充电器便自动转入分五个阶段的全自动充电过程(1)恒功率充电阶段。这个阶段，充电器的输出功率恒定不变。当电池电压V较低时，充电电流I较大，随着V的不断上升，I逐渐减小，但输出功率P不变(P＝IV)。恒功率充电的显著优点是可以充分发挥便携式充电器的效率，其电能转换效率达90％以上；由于开始时的充电电流较大，故可以对电池组作短时间的快速充电之用。可以根据二次电池组的特性，将恒功率调整在电池温升规定的范围内，保证电池组在充电过程中不会发生过热现象。当电池组的电量充到额定容量的75％左右时，充电器便自动进入(2)快脉冲充电阶段。快脉冲充电能使电荷在整个极板上均匀、密实，达到极板的深层和边角处，并能自动修复受损的极板，消除极化现象。当电池量达到90％时，充电器便自动进入(3)快、慢脉冲交替进行的充电阶段。能使电荷在整个极板上更加均匀、密实，进一步修复受损的极板。当电池电量达到95％时，充电器自动进入(4)慢脉冲，小电流的均衡充电阶段。充电器的输电流在0到0.1cmA之间脉动，而且越来越小。这种慢脉冲小电流的充电方式，一则可以使电池电量完全充足，二则可以补充因自放电而损失的电量；更重要的是可以使串联电池组内每个单体电池的端电压得到均衡而趋向一致，改善了电池组的性能延长了电池的使用寿命。当电池电量完全充足(＞98％)，受损的极板得到修复，每个单体电池的端电压均衡一致后，充电器便进入(5)自动关机阶段。充电器自动关断充电电流后，仅消耗交流2W左右的监控功率，所以长时间不拔掉电源插头也不会发生意外。
该充电器内装有与输出功率同步变化的散热风机，即使是炎热的夏天，机壳温升也不会超过35℃，安全可靠。
该充电器内装有两个充电指示灯一个是红一绿双色发光二极管，红色用作充电器与被充电池组连接正确和正常充电指示，绿色为充电完成并自动关断充电电流的指示；另一个是黄色发光二极管，有两个指示作用一是当被充电池与充电器连接时，若黄色指示灯亮，说明该电池为“疲劳电池”，充电器在开始充电时，先对电池进行“激活充电”，当电池被激活、唤醒，电压回升到“允许充电电压”时，黄灯灭，充电器亦自动转入正常的“恒功率充电”阶段；二是脉冲充电阶段，黄色指示灯将随脉冲频率同步闪亮，当充电完成，自动关断充电电流后，红、黄灯同时熄灭，绿灯微微闪亮，风机亦停转。
因此，高效率安全型全自动充电器不但解决传统的“恒流转恒压”模式充电器存在的问题，而且解决传统的“恒流转恒压”模式充电器无法解决的问题。
以下将结合附图对本实用新型作进一步说明。
图1是高效率安全型全自动充电器外观结构示意图。
图2是高效率安全型全自动充电器的电气原理图。
具体实施方式
参照附图1、2，高效率安全型全自动充电器具有充电器机壳，充电器机壳上装置有电源线6、充电输出线3、指示灯4，充电器机壳内设置有充电器电子线路板、散热风机5，充电器电子线路板上装置有充电器电子线路及电子元器件。充电器机壳具有充电器上机壳1、充电器下机壳2。
充电器电子线路包括电源电路、隔离式开关电源功率转换电路、自动控制电路部分、充电指示和自动关机电路。
电源电路包括交流220V电源、保险丝F，抗干扰电容C101、共扼滤波器T101、整流桥RD，滤波电容C102。
隔离式开关电源功率转换电路包括开关变压器T201、功率场效应管Q1、脉宽调制集成电路IC1、散热风机FD、电阻R201～R209、电容C201～C209、二极管D201～D209、稳压二极管DZ201。脉宽调制集成电路IC1可采用UC3842或UC3843集成电路。
自动控制电路部分包括自动控制模块ACU、光耦IC2、精密稳压集成电路IC3、黄色发光二极管Y、电阻R301～R307、二极管D301～D304、稳压二极管DZ301、可调电阻RP。自动控制模块ACU内设置有双线性集成电路、电阻、电容、二极管、稳压管，双线性集成电路可采用358或158等双线性集成芯片。精密稳压集成电路IC3采用TL431集成芯片等。
充电指示和自动关机电路包括时基电路IC4、精密稳压集成电路IC5、NPN三极管Q2、双色发光二极管R-G、电阻R401～R410、电容C401、C402、二极管D401、微调电阻ROFF。时基电路IC4可采用555时基电路。精密稳压集成电路IC5采用TL431集成芯片等。
充电器电子线路中电源电路的交流220V电源经保险丝F、抗干扰电容C101、共扼滤波器T101到整流桥RD，整流后经C102滤波获得主电源B+。
隔离式开关电源功率转换电路中，主电源B+连接到开关变压器T201的主振线圈L1上端，L1下端与功率场效应Q1的漏极相连，Q1的源极经R205到地，栅极经R203到脉宽调制电器IC1的6脚；R205上端经R204与IC13脚相连。IC1的1脚与光耦IC2的输出端相连，2脚接地，4脚经R209与8脚相连，5脚接地，7脚是工作电源输入端，与启动电阻R201和整流输出R206相连。开关电源的振荡电容器C204接在IC1的4脚和地之间；连接IC1的1脚的C206、3脚的C205和8脚的C203均为抗干扰电容器，其另一端都与地相连。主振回路的漏感吸收电路中，D201正极接Q1漏极，负极接C201、R202，C201、R202的另一端都接到L1的上端。L3的上端接D203正极，D203负极接R207，R207的另一端接C207和风机FD的正极，负极都接低压地，L3的下端亦接低压地。L4的上端接D204正极，D204负极接C208和D205正极，C208负极和L4下端都接低压地；D204的负极为充电器的输出电压V0，经R208接DZ201负极获得ACU的工作电压Vcc；C209与DZ201并联后，负极接低压地。D205负极的VE端和低压地用充电输出线引出与被充电池组Battry连接。
自动控制部分的自动控制模块ACU的1脚是激活充电脉冲输出端，经R304连接到IC3的1脚和R302，IC3的2脚和R302另一端都接到低压地；ACU的2脚接Vcc和D304负极，D304正极与R306、DZ301负极相连，DZ301正极接低压地，R306另一端接被充电池VE端；ACU的3脚接R305，R305另一端和ACU的4脚都接低压地；ACU的5脚接VE6脚接V0；ACU的7脚接D303，8脚接D302后一起接到R307，R307与Y正极相连，Y负极接低压地；ACU的9脚、10脚分别接到RP的滑动端和固定端；ACU的11脚经D301、R303接到IC3的1脚；IC3的3脚接IC2的2脚，IC2的1脚经R301接到Vcc；IC2的3脚接高压地，4脚接到IC1的1脚。
充电指示和自动关机电路中，VE经R401接到R402、IC5的3脚和C401的正极，R402与R403连接后接到IC5的1脚，R403的另一端、IC5的2脚和C401的负极都接到低压地；V0经R404和ROFF连接后接R405，R405另一端接到IC4的2、6脚和C402的正极，ROFF的另一端、C402的负极和IC4的1脚都接低压地；IC4的4、8脚与IC5的3脚相接；IC4的3脚一路经R406接双色发光二极管R，另一路经R409接Q2基极，Q2基极接R407到低压地，发射极直接接低压地；V0经R408接Q2集电极，Q2的集电极一路经D401接到IC3的1脚，另一路经R410接双色发光二极管G；双色发光二极管G和R的共阴极接低压地。电容C00为交流提供通路，分别接到高压地和低压地。
参照附图1、2，高效率安全型全自动充电器工作原理电源电路是带有抗干扰电容C101和共扼滤器T101的AC220V桥式整流电路，经C102滤波后，获得主电源B+。
隔离式开关电源功率转换电路，采用反激式单端输出形式。开关变压器T201的L1为主振回路，L2上激励电压经D202整流、C202滤波后，为IC1提供工作电源。IC1为用途广泛的脉宽调制集成电路，型号为UC3842/3843，通常都是用来制作输出电压比较稳定的开关稳压电源，在这里却是用来调整开关电源输出功率之用。该集成电路第3脚的功能是检测功率场效应管Q1在发生过流时立即关掉6脚的脉冲输出而使得Q1得以保护。利用这一特性，在充电器的恒功率充电阶段，选择合适的R204和R205，将Q1的脉冲电流最大值限制在一个恒定值上。由于集成电路1脚与输出电压没有任何联系，所以，开关电源就向外电提供了一个恒定的输出功率。
很明显，开关变压器T201的L3、D203、R207、C207为散热风机FD提供了所需功率，而散热风机获得的功率与开关电源所输出的功率将同步变化。同样，开关变压器T201的L4、D204、C208组成的主充电回路也获得了与开关电源同步变化充电功率。经过隔离二极管D205对电池组进行充电，。这里的V0是充电器的输出电压，VE则为被充电池的端电压。主充电回路的输出电压V0经R208降压后，产生一个与DZ201稳压值相同的稳压电压VCC，以供自动控制模块ACU正常工作之用。
自动控制电路部分的自动控制模块ACU的工作原理当充电器的输出插头与被充电池组正确连接时，充电器还未接入交流供电电源，被充电池电压VE经R306和DZ301经隔离二极管D304向ACU的2脚提供一个工作电源，同时经5脚进入ACU的“电池电压检测”电路，3脚的外接R305是“允许充电电压”取样电阻，不同的R305值可检测不同端电压的被充电池组的不同允许充电电压值，经ACU内部比较后，能自动鉴别被充电池是否属于“疲劳电池”，若是，就自动打开“激活充电脉冲发生器”，产生激活充电脉冲，由1脚输出，同时在7脚送出“疲劳电池”指示信号，经D303和R307点亮黄色指示灯Y；当充电器插上交流电源时，便自动对“疲劳电池”进行激活充电，由R304控制激活充电电流的大小；当电池电压VE上升到“允许充电电压”时，黄灯灭，充电器进入正常的全自动充电程序，充电器的输出电压V0经ACU的6脚进入“输出电压检测”电路，ACU的9、10脚外接的RP，用来调节不同端电压和不同容量电池组的充入电量转换电压之用，当“充入电量检测”电路检测到电池组的充入电量达到75％时，自动打开“三重脉冲发生器”，ACU的11脚将脉冲输出D301、R303，去控制IC3的负载电阻R302上的电压变化，这个变化的电压经光耦IC2引入IC1的1脚，使开关电源产生脉冲充电电流，对电池组进行脉冲充电，脉冲充电功率由R303进行调整。在脉冲充电同时，ACU的8脚将脉冲充电信号经D302和R307点亮黄色指示灯，使其与脉冲同频率闪亮。至于脉冲的频率高低，除了选用元器值有关外，与电池内阻和电池充入的电量都有关联，为了使电荷在报板上顺利地扩散，深入、均匀和密实将快脉冲频率选在20HZ到40HZ之间，而慢脉冲频率，则为快脉冲频率的1/4左右。
充电指示和自动关机电路中被充电池的电压VE经R401和IC5给IC4(NE555)提供一个稳定的供电电压。当充电器输出与被充电池连接时，IC4输出高电位，经R406点亮充电红色指示灯R，Q2导通而绿灯G不亮，由于D401的隔离作用，对开关电源的正常工作毫无影响。IC4接成双稳电路，在电池未充足之前，2.6脚电位低于供电电压的2/3；当电池充足电后，电池电压达到VH时，调整ROFF，使2.6脚电位刚好达到2/3的供电电压而电路翻转，输出低电位。红灯灭；Q2截止，集电极输出高电位，而Q2的供电是由开关电源的充电输出V0提供，当V0升高时，Q2的VC亦升高，经D401作用于IC3，V0就下降，VC亦随之下降，VC的下降又使V0升高…，V0就形成了一个振荡输出，选取适当的R408和R410，将V0维持在15V左右，由于D205的隔离作用，充电电流被关断，而绿色指示灯G将微闪发光。调整ROFF可以适应不同电压的电池组的自动关机电压。R405和C402的延时作用，可以起到抗干扰作用。
权利要求1.一种高效率安全型全自动充电器，其特征在于具有充电器机壳，充电器机壳上装置有电源线、充电输出线、指示灯，充电器机壳内设置有充电器电子线路板、散热风机，充电器电子线路板上装置有充电器电子线路及电子元器件；充电器电子线路包括电源电路、隔离式开关电源功率转换电路、自动控制电路部分、充电指示和自动关机电路；电源电路包括交流220V电源、保险丝(F)，抗干扰电容(C101)、共扼滤波器(T101)、整流桥(RD)，滤波电容(C102)；隔离式开关电源功率转换电路包括开关变压器(T201)、功率场效应管(Q1)、脉宽调制集成电路(IC1)、散热风机(FD)、电阻(R201～R209)、电容(C201～C209)、二极管(D201～D209)、稳压二极管(DZ201)；自动控制电路部分包括自动控制模块(ACU)、光耦(IC2)、精密稳压集成电路(IC3)、黄色发光二极管(Y)、电阻(R301～307)、二极管(D301～D304)、稳压二极管(DZ301)、可调电阻(RP)；充电指示和自动关机电路包括时基电路(IC4)、精密稳压集成电路(IC5)、NPN三极管(Q2)、双色发光二极管(R-G)、电阻(R401～R410)、电容(C401、C402)、二极管(D401)、微调电阻(ROFF)。充电器电子线路中，电源电路的交流220V电源经保险丝(F)、抗干扰电容(C101)、共扼滤波器(T101)、到整流桥(RD)，整流后经C102滤波获得主电源B+；隔离式开关电源功率转换电路中，主电源B+连接到开关变压器(T201)的主振线圈(L1)上端，L1下端与功率场效应(Q1)的漏极相连，Q1的源极经R205到地，栅极经R203到脉宽调制电路(IC1)的6脚；R205上端经R204与IC1的3脚相连，IC1的1脚与光耦(IC2)的输出端相连，2脚接地，4脚经R209与8脚相连，5脚接地，7脚是工作电源输入端，与启动电阻(R201)和整流输出R206相连，开关电源的振荡电容器(C204)接在IC1的4脚和地之间；连接IC的1脚的C206、3脚的C205和8脚的C203均为抗干扰电容器，其另一端都与地相连，主振回路的漏感吸收电路中，D201正极接Q1漏极，负极接C201、R202，C201、R202的另一端都接到L1的上端，L3的上端接D203正极，D203负极接R207，R207的另一端接C207和风机FD的正极，负极都接低压地，L3的下端亦接低压地，L4的上端接D204正极，D204负极接C208和D205正极，C208负极和L4下端都接低压地；D204的负极为充电器的输出电压V0，经R208接DZ201负极获得Acu的工作电压Vcc；C209与DZ201并联后，负极接低压地，D205负极的VE端和低压地用充电输出线引出与被充电池组Battry连接；自动控制部分的自动控制模块(ACU)的1脚是激活充电脉冲输出端，经R304连接到IC3的1脚和R302，IC3的2脚和R302另一端都接到低压地；ACU的2脚接Vcc和D304负极，D304正极与R306、DZ301负极相连，DZ301正极接低压地，R306另一端接被充电池(VE)端；ACU的3脚接R305，R305另一端和ACU的4脚都接低压地；ACU的5脚接VE，6脚接V0；ACU的7脚接D303、8脚接D302后一起接到R307，R307与Y正极相连，Y负极接低压地；ACU的9脚、10脚分别接到RP的滑动端和固定端；ACU的11脚经D301、R303接到IC3的1脚；IC3的3脚接IC2的2脚，IC2的1脚经R301接到Vcc；IC2的3脚接高压地，4脚接到IC1的1脚；充电指示和自动关机电路中，VE经R401接到R402，IC5的3脚和C401的正极，R402与R403连接后接到IC5的1脚，R403的另一端、IC5的2脚和C401的负极都接到低压地；V0经R404和ROFF连接后接R405，R405另一端接到IC4的2、6脚和C402的正极，ROFF的另一端、C402的负极和IC4的1脚都接低压地；IC4的4、8脚与IC5的3脚相接；IC4的3脚一路经R406接双色发光二极管R，另一路R409接Q2基极，Q2基极接R407到低压地，发射极直接接低压地；V0经R408接Q2集电极，Q2的集电极一路经D401接到IC3的1脚，另一路经R410接双色发光二极管(G)；双色发光二极管(G)和R的共阴极接低压地；电容(C00)为交流提供通路，分别接到高压地和低压地。
2.根据权利要求1所述的高效率安全型全自动充电器，其特征在于充电器机壳具有充电器上机壳、充电器下机壳。
专利摘要本实用新型高效率安全型全自动充电器涉及的是一种二次电池、电池组充电器，适用于各种二次电池、串联电池组的全自动充电。其具有充电器机壳，充电器机壳上装置有电源线、充电输出线、指示灯，充电器机壳内设置有充电器电子线路板、散热风机，电子线路板上装置有充电器电子线路；充电器电子线路包括电源电路、隔离式开关电源功率转换电路、自动控制电路部分、充电指示和自动关机电路；电源电路包括交流220V电源、整流桥RD等；隔离式开关电源功率转换电路包括开关变压器T201、脉宽调制集成电路IC1等；自动控制电路部分包括自动控制模块ACU、光耦IC2、精密稳压集成电路IC3等；充电指示和自动关机电路包括时基电路IC4、稳压集成电路IC5等。
文档编号H02J7/10GK2833986SQ200520074610
公开日2006年11月1日 申请日期2005年8月18日 优先权日2005年8月18日
发明者高林生 申请人:高林生