铅酸电池再生器和微电流充电器 相关申请
本发明是1993年5月28日提交的08/068,159申请的后续申请。
【发明领域】
本发明一般涉及电池充电器，特别是涉及铅酸电池复合再生器和可以在日光下或黑暗中操作的微电流充电器。
背景技术
在铅酸电池使用期间，硫酸铅沉积物逐渐累积在平板上面，覆盖了一部分疏松多孔的铅和氧化铅平板表面。经过一段时间后，硫化物沉积结晶化并对例子流动形成高阻抗，从而降低了电池效率。要去除硫化物沉积利用小直流电流重新充电是无效的。经过数年的努力，已经发展了利用快速充电技术去除这些沉积的方法，快速充电技术一般会在电池内产生过多的热量并使平板变弯。虽然电池仍可充电并且电介质经检查也是正常的，但是由于平板严重短路，所以电池无法保持电荷。利用多次快速上升时间的电压脉冲去除了电池平板表面上的硫化物，清除地硫化物或者被溶液溶解，或者剥落并落在电池箱的底部。在授权给C.E.盖利的题为“太阳能铅酸电池再生器与微电流充电器”的美国专利5,084,664中对该技术作了描述。
虽然本发明具有前述专利中所述的某些特点，但是它是一种效率更高、更为灵活的和更为有效的技术，能够去除电池平板上的硫化物沉积，从而延长了前述电池的使用寿命和可靠性。
【发明内容】
本发明提供一种在作为电压源、多个太阳能电池组的铅酸电池实施例中使用的组合式再生器和微电流充电器。在另一个实施例中，利用将交流转换为直流的转换器提供了电压输出。在利用太阳能电池的实施例中，4块电池串联连接，每块产生大约0.5伏的电压。4块电池产生大约2伏的电压。太阳能电池组的输出加载到电容器上，而电容器的输出连接在变压器初级上。在较佳实施例中，变压器为自耦变压器。包括晶体管在内的开关电路将初级线圈连接和断开于所述电容器的以在变压器次级线圈内产生施加在电池上的快速上升时间电流脉冲。与开关电路联系在一起的变压器连接成回扫电路。根据再生器和微电流充电器处理电池时工作电压的不同(可以是12伏、24伏和36伏)，变压器匝数比可在6-18范围内取值不等。再生器的输出通过插入运输工具上香烟点火器的插头或者通过直接与电池连接的外部电缆线和夹子加载到电池接线端。具有正系数特性的电阻与一个接线端串联以在输出端不慎或意外地与电池接线端极性相反地连接时保护再生器。
当电池不工作时(例如汽车长时间停在车库内或者船舶长期靠在码头上)，硫化物积累速度最快。在这种入射光最弱的情况下，再生器和微电流充电器被插入直流电源(它可以是插在当地交流电源上转换器)。因此本发明的再生器和微电流充电器可以工作在日光和黑暗两种环境下。
附图的简要说明
图1是表示本发明再生器和微电流充电器细节的电路图。
图2表示图1电路的电流波形输出。
图3表示图1电路的电压波形输出。
实施发明的较佳方式
现在参见附图，用于电池再生器和微电流充电器10的电源10包括由4块串联的太阳能电池12A，12B，12C和12D组成的太阳能电池组12。每块电池能够产生大约0.5伏的输出电压，因此太阳能电池组的输出电压为2伏。
在图中示出了另一个电源50，当电池在黑暗环境下时它与太阳能电池组并联在一起。
太阳能电池的电流输出取决于入射至电池上的光强。在给定的入射光强下，太阳能电池输出250毫安的电流。高于250毫安时，输出电压迅速下跌。在250毫安以下，输出电压基本保持不变。
太阳能电池组12的输出通过导线14和16加载到由电容器18和开关晶体管20组成的回扫网络上。当开关晶体管20处于导通状态时，电流从电容器流过变压器19的初级线圈以磁化变压器的芯体。电流不断地从太阳能电池组流入电容器18直到电容器电压达到太阳能电池组12的最大输出电压。电容器18两端的电压由包括开关晶体管24、开关二极管26和电阻28在内的网络检测。当检测电压达到VOn时开关晶体管24导通。电压值Von可以表示为：
VOn≈Vbe+Vf+Ib2×R28 (1)这里：Vbe＝三极管24的基极-发射极电压
Vf＝二极管26正向压降
Ib2＝三极管24的基极驱动电流
R28＝电阻R28的阻值
开关晶体管24的导通使得开关晶体管20也导通并且当能量从电容器18传递到变压器19初级时仍然处于导通状态。
当电容器18的电压跌至低于维持晶体管20最小基极电流所需的数值时，晶体管20和24都关断。晶体管关断时电压值Voff可以如下表示为：
Voff≈2×Vsat+Ib1×R30 (2)这里：Vsat＝晶体管20或24的饱和电压
Ib1＝晶体管20或24的基极驱动电流
R30＝电阻R30的阻值
当电压Voff达到时，开关晶体管20关断，变压器19次级32的电压回扫至某一数值，该数值在一定程度上由包括电池(未画出)和二极管34在内的负载以及变压器次级线圈对初级线圈的匝数比确定。
通过选择合适的匝数比，可以利用回扫电压来对12伏、24伏或36伏的电池进行充电。
回扫电压使二极管34处于正向偏压状态并将变压器19次级感应产生的电流输送至与电路10接线端36和38连接的电池。所产生的电流为图2所示的高频脉冲形式。图2所示电流脉冲的波形是在10欧姆电阻负载下获得的。显然电流的上升时间相当快速，随后在大约84微秒的时间内衰减为0。电流脉冲的峰值为60毫安并且周期为8.333千赫。图3示出了所产生的电压脉冲的特性，当开关晶体管20关断时电压迅速上升至14伏左右。电压脉冲跌落得及其缓慢直到电流为零，在这里电压以指数形式下降并最终在约52微秒之后取值为零。
电路10产生的峰值电流远远大于汽车电池的泄漏放电电流。这样较小的平均充电电流就能够有效减少或去除长期累积在铅酸蓄电池平板上的硫化物。因此电池提供的电流能够长时间地保持不变并且可以用强电流充电器来充电。利用本发明能够使电池平板上的硫化物沉积逐渐地剥落，从而可对旧而无用的电池加以再利用。
提供了与正向接线端36串联的发光二极管(LED)40来直观指示电路的运行状态。
电路10的各个元件都得到保护以免在接线端36和38与电池接线端误接成极性相反时受到损坏。当发生误连接时，二极管34会有大的浪涌电流通过并损坏再生器10的元件。所提供的电阻42使得再生器的元件免受接线端36和38与电池极性误连时产生的大浪涌电流的损害。电阻42与二极管34和正向接线端36串联。正温度系数电阻的特点是在相对较低的温度下电阻明显增加。电阻的这种变化非常快并使电流跌落至电路10各种元件可以承受的水平。元件标称的承受电流强度为1安培。
保护LED40免受大电流浪涌损害的是多个串联在一起的二极管44，它们与LED40并联在一起。这些二极管对流经的电流提供了非常小的阻抗。当接线端错接时，大多数电流经二极管44流至正温度系数电阻42。对太阳能电池组12进一步的保护是提供二极管46以防止在接线端36和38与电池接线端相反连接时电流流入太阳能电池。
再生器10的输出可以通过插入运输工具上香烟点火器的插头加载到电池接线端。在另一种方式下，再生器10的输出也可以通过直接与电池连接的外部电缆线和夹子加载到电池接线端。后一种连接方式可能会使再生器输出错接到待处理电池上。
本发明中采用的一些元件的原型如下：
晶体管20是得州仪器公司的T1P41A功率晶体管。
晶体管24是摩托来拉公司的2N4403PNP晶体管。
二极管34、44和46是摩托来拉公司的1N4001硅整流管。
二极管26是摩托来拉公司的1N4148开关二极管。
电阻42是菲利普的2322-661-11211正向温度系数电阻。
如图所示，当电池处于黑暗环境下时所连的其它电源50包括交流-直流转换器52。转换器52可以利用插头54连接至通常为115伏的本地交流电源上以在输出端56产生直流电压。利用与太阳能电池组12通过导线60和62并联的插头58可以将再生器和微电流充电器10与直流电压连通。
转换器52已经商用化，典型的用途是用于袖珍收音机、手持计算器等。在本发明构造的原型中，转换器52的输出为7.5伏和300毫安。在再生器和微电流充电器10的参数下，需要提供2伏的直流电源，所以阻值为18欧姆的电阻64串联在导体62上以使电压降低至2伏而电流强度为300毫安。随着采用上述的场效应晶体管元件，改变再生器和微电流充电器10参数，电源50的电压输出也可以改变。
以上对本发明作了描述。对于本领域普通技术人员来说，很容易对本发明作出各种修改和改进。因此本发明的范围和精神由后面所附权利要求限定。例如，通过采用较低电压工作(例如1/2伏)的场效应晶体管，太阳能电池组的数目可以减少至1个。
19条修改的声明 修改权利要求的目的是使本发明与国际检索报告引用的已有技术相比更符合专利性的要求。例如权利要求1描述电流脉冲以8.33Khs的频率产生。Gali揭示了最大达到10000Khs的频率范围。该范围包含了铅共振频率8.4Khs。如果采用8.4Khs的频率，则会产生损坏电池的效应。申请人将所用的频率限定在铅共振频率之下从而避免了这种效应。该特征在已有技术中没有被提及过。 权利要求2、7和8描述了第二直流电源。这里描述的电源与已有技术中描述的替换电源是不同的，后者只有在第一电源，即太阳能电池无法向电池提供能量时才工作。这种情况发生于黑暗环境下电池的充电。本技术揭示的第二电源用来当负载变化时补充太阳能电池的输出。为此，正如本发明所述的那样，该设备始终与太阳能电池的输出相连而不是代替该太阳能电池。 权利要求3和8将晶体管限定为基本上同时开启和关闭。在提交的说明书中可以找到对该功能的支持。已有技术没有揭示这种技术特征。 权利要求4和8限定了一个具有台阶函数的正温度系数电阻。该电阻在说明书中特别被限定为Philips 2322-661-11211正系数电阻。接下来将该Philips元件作为开关元件来描述，即一个操作起来显而易见是台阶函数的开启或闭合器件。这样的器件在已有技术中没有被提及过。 权利要求9限定了与LED并联的多个串联二极管以提供保护LED的低阻抗路径。
权利要求书
按照条约第19条的修改
1.一种铅酸电池用组合式再生器和微电流充电器，其特征在于包括：
第一直流电源；
与所述电源跨接的电容器；
包括与所述电容器相连的初级线圈以及次级线圈的变压器；以及
包括一个晶体管的开关电路，所述晶体管连接和断开所述初级线圈与所述电容器的连接以在所述次级线圈内产生一个加载在电池上的频率为8.33千赫的快速上升时间电流脉冲。
2.如权利要求1所述的再生器，其特征在于包括用于将所述第一电源与第二直流电源并联连接起来的装置。
3.如权利要求1所述的再生器，其特征在于对所述电容器两端的电压作出响应的第二晶体管，它用于导通或关断所述第一晶体管，这两个晶体管几乎同时导通或关断。
4.如权利要求1所述的再生器，其特征在于包括输出接线端和与所述接线端串联并具有台阶函数特性的固态正向温度系数电阻以当所述接线端与电池接线端极性万一被反接时保护再生器免遭损坏。
5.如权利要求3所述的再生器，其特征在于包括一个与所述正向温度系数电阻相连的发光二极管以直观表示再生器的工作状态。
6.如权利要求1所述的再生器，其特征在于至少包括4块串联在一起的太阳能电池。
7.如权利要求2所述的再生器，其特征在于所述第二电源是交流-直流转换器，当电池在黑暗环境下时代替所述第一电源使用。
8.一种铅酸电池用太阳能组合式再生器和微电流充电器，其特征在于包括：
4块串联在一起的太阳能电池组；
与所述太阳能电池并联的交流-直流转换器；
与所述太阳能电池组跨接的电容器；
包括与所述电容器相连的初级线圈以及次级线圈的变压器；
包括第一晶体管和第二晶体管的开关电路，所述第一晶体管包括一个与所述初级线圈连接的连接器和接地的发射极以连接和断开所述初级线圈与所述电容器的连接，从而在所述次级线圈内产生一个加载在电池上的快速上升时间电流脉冲，所述第二晶体管包括一个与所述电容器相连的发射极和与所述第一晶体管相连的基极以检测所述电容器的电压，从而导通和断开所述第一晶体管，所述第一晶体管和所述第二晶体管几乎同时导通和关断；
一对与电池接线端相连的输出接线端；
与所述其中一个接线端相连的发光二极管以直观表示再生器的工作状态；以及
与所述其中一个接线端和所述发光二极管串联并具有台阶函数特性的正向温度系数电阻以当所述输出接线端与电池接线端极性万一被反接时保护再生器免遭损坏。
9.如权利要求8所述的再生器，其特征在于与所述发光二极管并联的多个串联二极管以提供低阻抗路径从而当所述输出接线端与电池接线端极性万一被反接时保护发光二极管免遭损坏。