專利名稱：電池再充電系統(tǒng)的電池溫度補償裝置的制作方法
過去的幾年中，電池生產(chǎn)廠家已為電信工業(yè)中的電話交換系統(tǒng)及類似的系統(tǒng)以及計算機工業(yè)中的不間斷電源開發(fā)了作為電源或原動力的不用維護的密封酸鉛電池;它們已經(jīng)被用作汽車電池并將作為電動汽車未來的電源。不用維護的酸鉛電池生產(chǎn)廠家建議電池最長壽命的最佳工作溫度應(yīng)保持在25℃。如果在電池的充電周期或點滴式充電周期過程中設(shè)有保持合適的電池溫度，那么電池的壽命就會大大地縮短(并且在某些情況下會小于期望壽命的一半)。
大家知道，由于額外電流通過電池或者周圍(室內(nèi))溫度升高，導(dǎo)致電池溫度升高，從而引起這種電池內(nèi)部阻抗降低。阻抗降低會允許更大的電流通過電池，從而產(chǎn)生更多的熱量。如果不去制止，這種情況會導(dǎo)致熱量逸出。大家知道，熱量逸出也是用于電源后備系統(tǒng)的電池的主要問題，如前所述。
相反地，過度充電或溫度過度升高會引起這種密封電池“漏氣”，并且在極端情況下，會使電池的密封層爆炸、凸起或破裂，因此結(jié)束電池的壽命。電池完整性的丟失事實上通常會對設(shè)備及人員造成損害。
茵格(ENG)在1989年7月11日發(fā)布的第4，663，580號美國專利中，發(fā)明了一種具有Vb溫度補償電路的電池充電器，該溫度補償電路與電池充電系統(tǒng)本身是一體的。它補償周圍溫度的變化而不是電池溫度變化。
相似地，沃特曼(WORTMAN)在1987年5月5日發(fā)布的第4，663，580號美國專利中，發(fā)明了一種密封酸鉛電池的浮式充電及提供了預(yù)先設(shè)定的非線性溫度系數(shù)的電源，該電源通過混合使用線性溫度系數(shù)部件(前偏硅二極管)和非線性溫度系數(shù)部件(熱敏電阻)來提供預(yù)先設(shè)定的非線性溫度系數(shù)。
庫柏(COOPER)等于1987年5月17日發(fā)布的第4，667，143號美國專利中，發(fā)明了一處具有溫度補償充電比值的電池充電器。發(fā)明的電路是一個電池充電器，它裝有一個根據(jù)電流、電壓及溫度信號來切換調(diào)整類型的控制電路，但是溫度信號是周圍溫度的信號而不是電池溫度的信號。僅在電池溫度在再充電周期過程中影響電池內(nèi)部阻抗。
因此本發(fā)明的目的就是根據(jù)電池溫度來調(diào)整電池的再充電電壓。
本發(fā)明的另一個目的是在整個再充電溫度范圍內(nèi)將再充電電壓的變化控制在1%內(nèi)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一個電池溫度補償裝置，該裝置可改裝在現(xiàn)有充電器中，從而無需對電池充電裝置進行昂貴的替換。
本發(fā)明使用溫度檢測部件來取得前述目的，該溫度檢測部件最好是一塊裝在電池上的集成電路，用來檢測電池的溫度。同樣通過相應(yīng)的電線將電池與監(jiān)測電路相連，根據(jù)電池的溫度，該監(jiān)測電路按比例地調(diào)整由電池充電器(其與電池電連接)施加的電壓，因此電壓調(diào)整，其作為電壓為2.5到-4.5毫伏/攝氏度/電池(60-108毫伏/攝氏度/電池串)時相應(yīng)溫度變化為0℃到50℃之間的最佳線性電壓補償，按照線性圖在最佳工作溫度范圍-40℃到+60℃之間進行調(diào)整;但是線性補償?shù)男甭士筛鶕?jù)要充電的電池類型及電池組串的整個電壓來改變。
從上述可知，實際上夏季白天到晚上的溫度變化大約在15℃左右，這將導(dǎo)致相當(dāng)于參數(shù)電壓(這里有時稱為“浮動電壓”)900-1620mv的變化，該變化在電池再充電過程中，隨著電池溫度的升高，會對電池產(chǎn)生(不好)的影響;并且如這里所述，這種影響甚至可通過連接在電池再充電系統(tǒng)上的現(xiàn)有電池充電單位(次標稱sub.nom.)整流器(R)施加。
本發(fā)明根據(jù)電池實際周圍溫度或當(dāng)前溫度，在電池再充電周期過程中通過改變充電參考電壓或“浮動電壓”來動態(tài)地改變施加在電池兩端的充電電壓，充電參考電壓或“浮動電壓”作為最佳或推薦充電電壓的偏差電壓，其變化范圍為-1.5伏到+1.5伏。為了再充電，對于任意給定的溫度(在充電參考電壓變化的零伏點)，充電參考電壓通常就是每個電池或電池串在電池的參考溫度即25℃時的實際再充電電壓。
現(xiàn)在將通過例子和附圖來說明本發(fā)明，附圖中

圖1A和圖1B是最佳實施例的框圖和電路圖。
圖2是一個典型的額定24伏電池串的“補償”或“浮動電壓”的電壓與溫度對比關(guān)系圖，額定24伏電池串包含24個工作的酸鉛電池。
圖3表示外置補償系統(tǒng)電路圖，該補償系統(tǒng)連在用于多個串聯(lián)電池(BAT)充電的電池架(BB)及用于相同電池充電的充電器(R)之間。
圖4是傳感器外殼及其部分剖視圖的俯視平面圖，表示粘接在電池(其位于圖3的電池架串內(nèi))一側(cè)的傳感器側(cè)視圖中的傳感器(S)及連接電纜。
參考圖2可知，有一條根據(jù)電池溫度(攝氏度)與最大電壓有偏差的電壓和對比而繪制的最佳所述電壓(V)參考線，這里最大電壓對于24個電池的酸鉛電池組來講，為額定48伏。若使用了其他電壓串或不同廠家的不同酸鉛電池時，或者當(dāng)使用不同類的電池如鎳鎘電池時，通過零點(NP)的直線斜率就需要改變，這種改變是通過圖1B中的開關(guān)(S1)將電阻(RN3)和(RN4)接入或不接入圖1B所示的電路來完成。
參考圖1可知，它是組合方框可變圖和詳細電路圖。
當(dāng)前設(shè)計的電路用于穩(wěn)壓整流器和24個電池組串。24伏電池組需要的補償系數(shù)大約為-72mv/℃并且在各種溫度下是恒值。原型的測量系數(shù)為71.49mv/℃。補償器與參考線相連并從電池中獲取電力，它的輸出驅(qū)動整流器的參考輸入。補償器將在輸入及輸出端之間形成一個與溫度成遞增比例的電壓。
參考圖1可知，JP2是一個連接器，一端與電池架(BB)(見圖3)相連，并且通過保險絲部件與方框A(振蕩器及輸出緩沖器)相連用以在JP2上產(chǎn)生電壓方波。方框A與電壓放大器和穩(wěn)壓器(方框B)相連，它們的混合輸出送入加法放大器方框D中，該加法放大器可部分地由具有參考裝置ref1的參考電壓生成器(C)控制。通過加法放大器和參考電壓生成器，某個電壓可送入斜率選擇電路(方框F)中。方框F通過選擇不同的開關(guān)(方框F中的S1到S4)來適應(yīng)需要不同的充電斜率的各類電池?？蔀榉答伀@得-60，-72，-84，-96或-108mv/℃的斜率，同如下面將要細詳描述的，可參看圖1B。加法放大器(方框D)的輸出可通過電壓放大器和輸出緩沖器(E)傳送，用來與參考線(JP3)相連，JP3最終與充電器(R，100)相連。當(dāng)電池充電器100根據(jù)圖3與電池架(BB)相連并與圖1A和圖1B的電路相連用來保持電池架(BB)兩端電壓以便遵守圖2所示線性圖的斜率時，遵循圖2所示線性圖的JP2和JP3的電壓差就維持了充電電壓。連接部分(JP3)與充電器(R，100)直接相連，如圖3所示，并且提供電壓反饋以便充電器(B/O+-)的輸出施加到電池架(BB)的正負兩端時，可以變化。
參考振蕩器及輸出緩沖器方框A可知，插頭(JP2)與電池串的負端相連并且保險絲(F1)通過電阻R4將電流送入該電池串的負端，然后流入晶體三極管Q3的集電極，該晶體三極管Q3與晶體三極管Q1一起作為不穩(wěn)多諧振蕩器的切換部件，這些切換部件還包括互連在這些晶體三極管基極與集電極之間的電路C1和C2。當(dāng)兩個晶體三極管的發(fā)射極按正常方式相連時，電阻R1，R2，R4和R5相應(yīng)地與基極或集電極相連以便建立多諧振蕩器電路。振蕩器的頻率主要由(C1，R5)，(C2，R1)的RC系數(shù)決定，這種配置下的振蕩器頻率最好是8KHZ左右。因為晶體三極管Q2和Q4的基極互連并且它們的發(fā)射極也互連，所以晶體三極管Q2和Q4形成互補推挽緩沖器，該緩沖器由前述的多諧振蕩器的Q1驅(qū)動。Q4的集電極與多諧振蕩器Q3的發(fā)射極相連并與集電極電阻R4相連。因此來自連接器JP2的-50伏電壓輸入通過8KHZ左右的頻率就被斬成0伏到-50伏之間的方波。
參考電壓放大器及穩(wěn)壓器方框B可知，有兩個電壓放大器，這兩個放大器由方框A中的振蕩器及Q2到Q4的緩沖器驅(qū)動。第一個倍壓器是包含電容C4和C6的反向倍壓器，并且它與二極管D5和D6串行連接。如前所述，電容C4有與振蕩器及緩沖器方框A輸出相連的其他引線。這個反向倍壓器的輸出包括+50伏，并且該輸出通過電阻R3傳送以便向反偏齊納二極管D2提供電流，這里該輸出為15伏時也用于固定參考電壓輸出，因為過濾電容C7與齊納二極管是并行的。因此反向倍壓器的輸出可作為圖1運算放大器的電源正極部分。
方框B中的第二個電壓放大器事實上是倍壓器，它的輸出參考電壓是電池電壓的兩倍或大約等于直流-100伏的電壓。它包括電容元件C3和C5以及串連二極管D4和D1，這里電容C3連接在二極管與振蕩器及輸出緩沖器方框A的會合處以及兩個二極管與電容C4的共線會合處之間。二極管D4的陰極通過串聯(lián)電阻R16與齊納二極管D3的陰極相連，齊納二極管D3的陰極串連地與齊納二極管D2相連并且與過濾電容C8并行，因此沿著齊納二極管D3的陽極側(cè)形成一個共同的-15伏的參考電壓，該參考電壓成為圖1電路其余部分的電源負極部分。電壓的翻倍是在二極管D1的陰極側(cè)形成，從而輸出電壓變?yōu)?100伏。100伏電壓用來向輸出放大器方框E提供電源。
方框C是參考電壓生成器。它包括一個穩(wěn)定參考電壓元件ref1，該元件向運算放大器U3提供2.5伏的電壓輸出。運算放大器U3的另一輸入通過串聯(lián)的電位器R23一端與電阻R21和地相連;該電位器的另一端通過電阻R22與運算放大器U3的輸出相連。電位器R23用來調(diào)整運算放大器6腳處的輸出電壓并“鏟出”由使用元件公差引起的任何錯誤。運算放大器U3的最佳輸出電壓為額定+2.98伏。在25℃時，通過連在點J1上的溫度檢測頭，運算放大器U3的輸出可通過R23來調(diào)整，使圖1中的輸入和輸出端JP2和JP3之間沒有電位差。
參考圖3可知，溫度檢測元件S，例如LM335是一塊裝在電池BAT的物理表面上的集成電路，這樣的話檢測元件S不易受到循環(huán)在電池BAT附近的氣流影響。檢測元件S的輸出對酸鉛電池的溫度成線性，其斜率為每攝氏度10毫伏。在溫度25℃時，輸出大約為2.98伏。檢測元件是由電壓放大器穩(wěn)壓器方框B的負電源-15伏，來驅(qū)動，這樣輸出相對圖1中的補償器的電路地來說總是負的。參考電壓生成器方框C的輸出送入加法放大器方框D中，該加法放大器有一個運算放大器U2。對于不同電池生產(chǎn)廠家公布的斜率規(guī)格說明，提供了可裝入多個(7個)電阻的電阻架RN1以便提供不同的斜率。加法輸入器有三個加權(quán)輸入，其中一個是來自U3的2.98伏參考電壓，該輸入與輸入電阻R6相連用來向U2提供一個1.2的向前放大系數(shù)。具有1.2放大系數(shù)的溫度檢測元件或溫度傳感器TSE的輸出通過電阻R7與外部輸入相連，該輸出在25℃時為-2.98伏。電池的負端與來自JP2的第三個輸入相連，該JP2與放大系數(shù)為1/6的電阻網(wǎng)RN1的8腳相連。參考REF1的放大系數(shù)1.2及溫度傳感器TSE將引起電池電壓以-72mv/℃的斜率變化并且該斜率一般將不會變化。然而某些電池由于生產(chǎn)廠家的不同，可能需要不同的斜率?？紤]到斜率的變化，溫度的參考偏移(圖2)以及包括部件RN3和RN4的任一個或全部的電阻網(wǎng)絡(luò)，斜率選擇電路，方框F，就可通過位于開關(guān)S1上的不同開關(guān)并行地與電阻R6相連，并且也可相應(yīng)地與電阻R7相連，這樣就可獲得下面范圍內(nèi)的斜率-60，-72，-84，-96和-108mv/℃。運算放大器U2的反饋電阻事實上與RN1的電阻1到電阻6并行，該RN1與運算放大器U2的輸出端6相連。由于電阻值和電阻元件的溫度系數(shù)相近，通過將RN1的電阻從電路中選入或選出，對于選定電壓等級即36伏，24伏或12伏的電池就可以選擇這個相當(dāng)精確且穩(wěn)定的運算放大器U2的放大系數(shù)。
參考電壓放大器及輸出緩沖器(方框E)可知，運算放大器U1具有相同的電路，并且作為“A”類放大器的晶體三極管Q5的基極通過電阻R13與運算放大器U1的輸出相連，用以向連接在JP3的電池充電器的參考端提供溫度補償電壓。這個電路的放大系數(shù)為6，該系數(shù)是通過使用單個電阻網(wǎng)RN2加以設(shè)置。U2屬于低偏類型運算放大器，因此正常情況下不需要連在運算放大器U1的端1、端8及端7之間的電位器R17的調(diào)節(jié)。
樣品元件表(圖1A，1B，3，4)C13 nFQ1MPSA92R14750 Ω,5WC23 nFQ2MJE350R1520K ΩC322 μFQ3MPSA92R162.4K Ω,3WC410 μFQ4MJE340R1720K ΩC522 μFQ5MJE340R201.87K ΩC610 μFR1390K ΩR2110K ΩC710 μFR22.2K ΩR221.87K ΩC810 μFR32.4K ΩR231K ΩC9 100 μF*R4 10K Ω RN1 120K ΩC10 10 μF*R5 390K Ω RN2 120K ΩC111 nFR620K ΩRN3100K ΩD11N4004R720K ΩRN4100K ΩD21N4744AR812K ΩU10P07D31N4744AR11120 ΩU20P07D41N4004R123.3K ΩU30P07D51N4004R132K ΩREF1MC1403D61N4004S1Grayhill開關(guān)F11A VAC7804(注單位nF-毫微法拉，KΩ-千歐姆，A-安培μF-微法拉，W-瓦，VAc-交流電壓)＊未使用
權(quán)利要求
1.在電池(BATBB)兩端(JP2-，JP2+)用充電電壓(V)來控制對電池(BAT，BB)的充電而且在再充電過程中監(jiān)測電池(BAT)溫度(T)的電池溫度補償裝置(TS)，其特征在于可檢測(S)正在充電電池(BAT)的溫度(T)并可控制電池兩端(JP2-，JP2+)的電壓，因此根據(jù)本明可改變電池(B)的充電電流。
2.當(dāng)電池(BAT)正在充電時，以任一浮動充電方式的完全再充電來調(diào)整施加在電池(BAT)上的電壓(V)并禁止再充電過程中電池(BAT)過熱的方法，其特征在于包括如下步驟a)在所述再充電過程中，測量了電池(B)的溫度(T);并且，b)根據(jù)電池(BAT)的溫度(T)，反向調(diào)整(TS，JP3，JP2，JP1)施加到電池充電器(R，100)參考端(B/O-，B/O+)上的電壓，從而引起施加到電池(BAT)上的電壓的預(yù)定變化，并且因此使得流過電池(BAT)的電流發(fā)生變化，而不用考慮電池的瞬間溫度(T)。
3.權(quán)利要求2中說明的方法，其所檢測的溫度(T)是電池(BAT)的表皮溫度(T)。
4.權(quán)利要求1中說明的電池補償裝置(TS)，其中溫度補償裝置還包括a)以提供輸出的電池連接器(JP2)作為輸入的振蕩器和緩沖器部件(A);b)提供工作電壓的電壓放大器和穩(wěn)壓器組件(B);c)裝有參考分組件(REF1)的參考電壓生成器組件(C)和生成工作電壓的運算放大器(U3);d)裝有電阻組(RN1)的加法放大器(D)和相連的運算放大器(U2);e)電壓放大器和輸出緩沖器組件(E)，該組件(E)從加法放大器組件(D)輸入信號，然后將信號傳給運算放大器(U1)，該放大器(U1)根據(jù)并連在其輸入(U1-3，2)上的電阻提供一個給定放大系數(shù)，該放大器(U1)的輸出通過一個晶體三極管(Q5)向與電池充電裝置(R，100)的正負端分別相連的連接器(JP3)提供電壓。
5.權(quán)利要求4中說明的電池溫度補償裝置(TS)包括改變并聯(lián)在加法放大器組件(D)上的電阻的裝置(RN3，RN4)，并且因此根據(jù)所使用的、從酸鉛電池和鎳鎘電池中挑選出來的電池類型以及再充電電池架(BB)中的電池(BAT)個數(shù)，按預(yù)定量選擇地改變補償電壓的斜率。
6.權(quán)利要求5中說明的電池溫度補充裝置(TS)，其中斜率系數(shù) 大約為-3毫伏/攝氏度/電池。
7.權(quán)利要求1及權(quán)利要求4到6中說明的電池充電裝置(TS)，其特征在于裝置(TS)一方面是與電壓源(R)分開的并具有用于連接電池兩端(JP2-和JP2+)的引線，另一方面對直流電壓源(R)來說，電池兩端(JP2-和JP2+)分別與電壓源的輸出電壓(B/O-，B/O+)平行。
8.權(quán)利要求1及權(quán)利要求4至7中說明的電池補償裝置(TS)，其溫度檢測裝置(S)是固定在電池(BAT)外表上。
全文摘要
改進的溫度補償裝置(T.S.，JP3，JP2，JP1，S)對于與串連電池架(BAT)相連的整流器(R)或“充電器”的輸出電壓進行調(diào)節(jié)。檢測電池(BAT)的溫度而且溫度補償裝置(TS)根據(jù)預(yù)先選定的斜率來對由整流器或充電器(R)施加到電池兩端(JP2，JP1)上的有效電壓進行調(diào)節(jié)。
文檔編號H02J7/04GK1108822SQ94102938
公開日1995年9月20日 申請日期1994年3月16日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月16日
發(fā)明者艾伯特·A·麥克法登, 馬克·諾威金 申請人:加拿大獨立電動產(chǎn)品公司