专利名称：车备镍隔电池快速充电装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种新式快速充电装置，特别适用于与车辆电源配套对移动通讯器材的镍镉电池进行快速充电的场合。
随着社会的发展，移动通讯器材越来越广泛地应用在各个行业和领域，特别是应用在野外或行进作业的场合。目前，这类通讯器材大多数使用镍镉电池做电源，镍镉电池价格比较昂贵，但体积小、容量大、反复充电次数多，仍然受到欢迎。但由于通讯器材工作电流较大使得电池的连续工作时间十分有限。为保证工作必须使电池得到及时而快速的充电。目前，为解决类似的技术问题人们设计有各种类型的快速充电机。但综合起来有以下几个明显的有待改进的缺陷。首先是目前快速充电机均利用交流电网电源。这样在行进中找不到交流电源时就会严重影响工作。再有目前快速充电机的直流大电流充电方式容易产生内部气体造成电池热损伤或者浮充，影响到正常使用和电池寿命。特别是充电引起的损坏往往是十分严重的。而如果设置复杂的自动控制充电电流措施往往使充电机的成本大大提高，从而影响到用户的使用承受能力。所以，对镍镉电池的快速充电设备改进已成为十分急迫的任务。
本实用新型的目的是设计一种可与车辆电源相配套应用的新式镍镉电池快速充电装置。使其以最简化的结构型式实现脉冲大电流充电和充电过程检测，自动完成切换充电电流等功能，最终实现行进中的高质量快速充电作业。
本实用新型的关键构思是在于首先要使装置能够利用车辆上的电源，这里所指的电源主要是指车辆配备的电瓶所供给的直流电源。这样就能保证在行进中执行通讯任务时随时完成对器材电池充电，这对于行进中作业，特别是公安、边防、巡回检测等工作部门特别重要。因而，在整体结构中首先设计有一个与车用电源配套的接口。通过该接口将电瓶电压转换装置所需的不同工作电压。本装置结构的另外一个关键是采用脉冲式大电流充电对镍镉电池实现快速充电而又防止充电过剩气体产生。因而，必须在结构中设计有一个脉冲式冲电电流发生器，由于过充电不但造成时间与电的浪费，更重要的是过充电会造成镍镉电池的严重损伤，必须在充电过程中加以监测和控制。因而，本装置中还包括有充电电流的控制电路。控制电路能准确地检测出充电电池的电压变化，并及时完成对电流的切换。所谓切换即是将大电流切换为小电流绢流充电。大多数镍镉电池均设有充电插口，但充电插口设置有限流电阻，无法实现大电流充电，因而本充电方式必须从放电接口上进行，所以在本装置的结构之中必须配置一专用的电池插座，以接通脉冲电流输出电池放电接口。根据以上所述，本实用新型的主要特点是具有车辆电源接口，脉冲式充电电流发生器，充电电流控制电路和充电电池专用插座四部分组成。充电电池置入专用插座后，接通车辆电源接口，即会以脉冲式大电流对镍镉电池进行充电，充电过程中定时检测充电电池，待电压至额定值后自动切换充电电流进入绢流状态，可随时装机使用。
以下结合附图进一步来说明本实用新型的目的是如何实现的。
图1为本装置结构逻辑框图。
图2为本装置的电原理图。
图3为充电电池专用插座结构示意图。
其中A代表为车用电源接口，K是与车用电源的插头，B代表控制电路，其中B1代表控制电路，B2代表检测冲发生器。C代表脉冲式充电电源，C1代表开关电路，C2代表脉冲方波发生器，D代表专用充电电池插座，BAT代表充电电池，J1－1为继电器的一组常闭触点，R9为绢流电阻。电原理图上的标号为常规电路标号，其中，L1、L2、L3、L4是四与非门中的四个独立单元，J为控制电流切换的继电器。F为电极片，P为卡簧。
从附图1、2可以看出，所谓车用电源接口A主要作用是将车配电并电源转换为适合于本装置需要的工作电源，它包括插头K，基准电压源，充电稳压器和线路工作时所需稳压电路三部分组成。线路工作的稳压电路，主要根据整机所选用的电子元器件额定工作电压而定，具体可由一个三端稳压集成块IC8组成，具体可采用7812，其输入端通过接插头K接至车辆电源上，由其输出端提供整机电子元器件的工作电压。稳压块输入端所跨接的大电容C1是削弱电并因车辆工作所需引起的电压波动。充电电流稳压器是用来提供脉冲电路所需的工作电压的，它取决于充电电池所需的电压峰值和所选脉冲开关元件的工作电压，附图中所给出的实施例由一个三端稳压集成块IC7具体可采用7809构成；输入端通过二极管组D5、D6、D7跨接在车辆电源上，输出端提供充电开关管T4的工作电压；基准电压源是控制电路中检测电池状态的标准比较电压，它的电压值要求准确无误才能保证本装置的技术可靠性。因此，虽然也可由一个三端稳压集成块IC6组成，但其输入端接在一次稳压之后，即接在三端稳压集成块IC5的输出端，且串联了一个校准电阻R8，利用R8校准输出电压为所需的标准电压值，基准电压源输出端接至电压比较器的一个输入端。车辆电源接口为本装置提供了稳定的工作电压和检测参数。
脉冲式充电电流发生器C是本实用新型的关键设计之一。其组成包括一个频率与占空比可调的方波发生器C2和受其调制的开关电路C1所组成。从图2给出的实施例电原理图可以看出，具体结构中方波发生器C2是由一个555集成块与可调电阻R2、R3，二极管D1、D2，电阻R1，电容C1所搭接而成的。经过反复实验而选定的频率可调范围为1－20Hz，占空比为21－81，在该频率与占空比的调节范围内可以适应一般移动通讯材镍镉电池的充电需要且能充分保证在大电流充电过程中不会产生气泡、过热能现象，保证电池不受损害。实施例中所给出的开关电路C1由大功率Vmos管T4来担任，例名如选用TCEV30A，其控制极G通过反相器L1接至方波发生器C2的输出端(图中为IC1的3脚)方波发生器C1中的555块(IC1)第四脚与检测脉冲发生器的输出端相连接，是为了保证检测时IC1无有输出，以防止干扰检测即时的电池电压真值。这样，随着IC1的脉冲输入开关管导通，从而形成一个脉冲电流加在被充电的电池BAT上。
充电电流控制电路B是本实用新型设计中的又一关键部分，这部分电路主要用来监测充电过程中电池电压的变化，防止过充电。同时还要避免因浮充而造成的误检。为实现以上的目的该电路包括比较器B2、检测脉冲发生器B3和电流切换控制电路B1所组成。切换控制电路B1中包括一个电流切换执行元件J和控制继电器J启闭的双路控制通道，电器J的一组常闭触点与绢流电阻R9并联后，串联在充电回路之中，一般情况下充电电流直接通过触点，当电池充足后或检测过程中常闭触点打开，形成R9限流，电路进入绢流充电状态。所说的继电器J两路控制通道即为实现两种状态下电流的切换。一路控制由三极管T1，电阻R6组成以J为负载的电流放大电路，它担负检测状态下电流的切换，一路由可控硅T5和自锁二极管D1组成的开关电路，担负在充电完成后将大电流切换为绢流，自锁三极管D11接在可控硅T5正极和检测脉冲输出端以实现切换后自锁。比较器B2可采用LM339一类的集成块担任，其输入端分别是接至标准电压源和充电电池，其输出端则通过电阻R12接控制电路B1中可控硅控制通道的与非门L3的一个输入端，当充电电池电压大于等于标准电源电压后比较器就由输出端通过R12在与非门L3的一输入端加上一个高电位(也可称为电路切换触发信号)。检测脉冲发生器B3实质上是控制电路的总指挥，它定时发出脉冲控制两个切换通道和脉冲充电流中的方波发生器C2，控制C2的目的是为了在实测充电电池电压时使脉冲电流转换为纯直流状态，以防止干扰信号进入比较器。实质上，检测脉冲发生器是一个方波发生器，图2给出的实施例中是由一个555集成块与电阻R4、R5，电容C6、C7搭成的电路，检测脉冲分三路输出，一路通过电阻R6加在三极管T1的基极上，控制三极管T1的导通，从而保证在检测脉冲发出后充电回路进入绢流状态以防止浮充造成的误检。一路输出反馈至充电电流发生器C中的集成块555(IC1)第四脚，当检测脉冲发出后555停止输出，Vmos管即处于导通状态。另一路输出通过反相器(L2)延时整形集成块IC8接至控制电路B1中的与非门L3的另一输出端。加入延时整形电路的作用是保证此路输出加在与非门L3上的时间比其它两路有一个滞后系数，从而保证检测电池电压的可靠成度，避免误检。根据反复实验筛选出来的参数，检测脉冲的宽度为3－5秒，脉冲间隔为3－6分钟，可以保证良好的检测精度和实现理想的电流切换。
实施例中给出的三极管T3、R10、D7是服务于充电状态显示的发光二极管LED1一样，在本实用新型的发明构思中不占有特殊地位和作用，不再赘述。复位按钮AN的作用是在完成充电后电路进入绢流自锁状态，按动AN才能使继电器J复位，以进入下一个充电过程。
综上所述可以看出，本装置在进入工作状态后立即由IC1产生脉冲控制大功率Vmos管T4产生一个脉动电流对电池BAT进行充电。由于合理占空比的应用使充电过程中的汽泡被吸收，与此同时，电池BAT的电压变化与标准电压通过IC3做监视比较。在检测过程中，为保证检测输出不为电池的浮充或脉冲源所干扰，在检测有效期间，检测脉冲截止脉冲源IC1的工作使Vmos管T4进入导通状态，同时导通T1使J1－1开启进入充电绢流系统状态，此时，比较器IC3的输出才成为有效输出(当然这是由于与非门L3的作用)，当输出表明电池BAT电压来充至额定值时，与非门L3输出无法启动可控硅T5，检测脉冲过后，T1截止J1－1重新闭合，IC1工作充电回路重新进入脉冲大电流充电状态。一旦充电电池BAT电压等于大于额定值，IC1输出与IC2的信号压加在L3上相与后导通可控硅T5。由于D11自锁作用，检测脉冲过后T5将无法截止从而使整机进入绢流状态。LED发光显示充电工作完成。在绢流状态下即使暂时不取下充电电池也无有任何损害，这种绢流状态保持到复位按钮AN的接下。由以上叙述可见本实用新型的基本构思和所给出的实施例可以圆满实现本发明目的并克服了以往快速充电的不足。
由于大多数镍镉电池均有充电接口和放电接口之分，而且充电口的充电电流受电池结构内部的限流电阻决定只能通过较小的电流，为了保证本实用新型的实用性，本装置的整体结构设计中没有专用电池插座，通过这个专用部件实现通过使用接口充电。图3即为专用电池插座的结构示意图，整体为一个代凹槽的盒体，凹槽可设置1－4个，根据生产的产品具有的充电通道而定，其凹环的尺寸根据镍镉电池的外形尺寸相匹配，正式产生可配套有不同型号电池插座，凹槽内设有卡簧P，它主要用来夹固电池防止松动，电极片F，通过导线与通电回路相连。应用时从通讯器材上抽出电池插入凹槽即可进行充电。
整机设计可以根据需要做成单路、双路、三路或四路充电装置，可以配套12V整流电源即可在有交流电源地方直接应用交流电实现充电作业。
根据本实用新型设计的制造出的样机、实测其充电时间可以在24－35分钟内完成，充电量放电实验表明，其充电量可超过普通电流充电20％，且过程中无气泡和温升现象，浮充误检率低于3％以下，特别是它可以随车辆行进完成机动充电，这对于公安、巡逻、边防等作业有特殊重要的意义，而其价格成本比国外类似质量的充电低60％以上，因而具有特殊的实用和推广价值，结构稍加改变还可以用于摄像，巡回检测仪器等应用镍镉电池的场合，是一种极有前途的充电专用设备。
权利要求1.一种可与车辆电源相配套的镍镉电池快速充电装置，其特征在于该装置由车用电源接口A、脉冲式冲电电流发生器B，充电电流控制电路C和镍镉电池专用插座D组成。
2.根据权利要求1所说的快速充电装置，其特征在于车用电源接口A结构中包括连接车辆电源的插头K，基准电压源，充电稳压器和线路稳压电路三部分组成，具体结构如下a、线路稳压电路由一个三端稳压集成块IC5构成，输入端接车辆电源输出端提供整机电子元器件工作电压，b、充电电流稳压器由一个三端稳压集成块IC7构成，输入通过二极管组D5、D6、D7接至车辆电源，输出端提供给充电开关管T4工作电压，c、基准电压源由一个三端稳压集成块IC6组成，输入端通过校准电阻R8接在IC5的输出端，输出端接至电压比较器的一个输入端。
3.根据权利要求1所说的快速充电装置，其特征在于脉冲式充电电流发生器C由一个频率与占空比可调的方波发生器C2和受其调控的开关电C1组成，具体结构如下a、方波发生器C2由一个555集成块与可调电阻R2、R3、二极管D1、D2，电阻R1与电容C5所搭成，频率范围1－20HZ，占空比21－81可调，b、开关电路C1采用大功率Vmos管T4来担任，其控制电极G通过一个反相器L2接方波发生器IC1的输出端，方波发生器C2中的555块IC4脚与充电电流控制电路中的检测脉冲输出端相连，以保证检测时无脉冲干扰。
4.根据权利要求1所述的快速充电装置，其特征在于充电电流控制电路B包括比较器B2、检测脉冲发生器B3、电流切换控制电路B1组成，其具体结构如下，a、电流切换控制电路B1包括执行元件继电器J和控制继电器J启闭的双路控制通道，一路由三极管T1、电阻R6组成电流放大电路，一路可控硅T5反向器L4与非门L3，电容C10和自锁二极管D11组成的开关电路组成，继电器J的一组常闭触点J1－1与绢流电阻R9并联后串接充电电流回路中，自锁二极管D11接在可控硅T5正极和检测脉冲输出端之间。b、比较器B2可采用LM339一类的集成电路但任，其比较输入端分别接至标准电压源和充电电池，其输出端通过电阻R12接到控制电路B2中可控硅控制通道中与非门L3的一个输入端相连，c、检测脉冲发生器B3可由一个555集成电路与电阻R4、R5电容，C6、C7搭成一个方波方生器，检波脉冲信号分三路输出，一路通过电阻R6接三极管T1的基极，一路反馈至充电电流发生器C中的集成电路555IC第四脚，另一路通过反向器L2，延时整形电路IC5接至与非门L3的另一个输入端，检测脉冲宽度为3－5秒，脉冲间隔为3－6分钟。
5.根据权利要求1所述的快速充电装置，其特征在于充电电池与专用插座由代凹槽的盒体、卡簧P、电极片F与连接导线组成，凹槽可设置1－4个，具体尺寸与镍镉电池外型相匹配。
专利摘要本实用新型涉及到一种可与车辆电源配套用的镍镉电池快速充电装置，可以实现在30分钟左右完成对电池快充电。它的结构包括车辆电源接口，脉冲式充电电流发生器，充电电流控制电路，专用电源插座几部分。采用脉动大电流充电，定时检测和电流自动切换技术，充电中可以防止出气、升温、浮充等现象发生，完成自动高质量充电过程，可以在执行任务行进中完成对移动通讯器材电池的快速充电，是公安、边防、军队及各种野外作业通讯理想的专用设备。
文档编号H02J7/10GK2069178SQ90204790
公开日1991年1月9日 申请日期1990年4月14日 优先权日1990年4月14日
发明者魏中, 徐超英, 魏立君 申请人:河北省公安厅科学技术研究所