知道何时停止：找到表示充满的峰值

**US 5,196,780**，David R. Pacholok，申请日为 **1991年9月10日**，授权日为 **1993年3月23日**，已失效。本页图示为其自身的图1：FIG。图1是电压随时间变化的曲线，并标出了峰值，且FIG。图2是方框图——FAST CHARGE和SLOW CHARGE方块，RC网络接入比较器，沿底部为**TH**和**TIMER**。 在构建任何装置之前，先写出三种终止方式，因为其发明之处在于这种组合安排，而非其中任何单一方式： 1. **−ΔV**，通过经电阻从电池端子充电的电容器进行检测。 电容器存在滞后。当它*超过*电池电压时，说明电池已经转向。没有微分器，也就没有噪声问题。 2. **定时器**，快速充电约十八分钟。若电压信号始终未出现，充电仍会结束。 3. **温度开关**，设定在**40 °C至60 °C**之间，直接安装在电芯上。若电芯因任何原因变热，充电即结束。 然后注意终止之后会发生什么：电路并不会切断电源，而是转为**涓流充电**，以补偿自放电而不致过充。仅仅停止充电的充电器，会让电池组到周四又变得没电。 本案的来源可靠，数字也已核实。若后面某一级称某个数字无法确定，那是针对该级的陈述，而非一种习惯。

您无法为从未见过的信号合理地构建检测器。先记录下这个信号。 将一节已放电的镍氢电池放入电池座。将实验电源设置为恒流模式，电流为**1C**，即 2,000 mAh 电池对应 2 A，并将电压上限设为 1.8 V，以免接触不良时产生意外。将热电偶用胶带固定在电池外壳上。 以**四位有效数字**记录端电压，并每分钟记录一次电池外壳温度。使用四位有效数字并非吹毛求疵：您要寻找的整个信号约为 10 mV，因此三位数的仪表读数 1.48 V 根本无法反映它。 在大约一小时内，预计会出现以下情况： - 开始几分钟内电压快速上升，电池开始极化； - 中段较长时间内电压缓慢上升； - 出现**峰值**，随后电压下降，单节电池的降幅约为 5–15 mV； - 大约在同一时刻，**温度急剧上升**。 在峰值出现或温度达到 45 °C 时停止，以先到者为准。请在记录中标注峰值出现的位置以及下降的毫伏数。这就是您的电路必须能够分辨的数值；而在十二节串联的电池组中，该数值会大十二倍，这也是为什么 −ΔV 终止法在电池组上的效果远优于单节电池。

现在在面包板上搭建Pacholok的检测器。它由四个部分组成。 1. **RC电路。** 一个电阻从电池正极接入一个电容，电容另一端接地。选择R和C使R×C等于步骤4中你选定的时间常数——470 kΩ配470 µF大约得到220秒，接近四分钟。使用薄膜电容或低漏电电解电容；漏电的电容相当于一个你没有计划的电阻，它会永久地把副本电压压低。 2. **比较器。** 使用一个LM393，一个输入接电池电压，另一个输入接电容。当电容电压超过电池电压时，其输出翻转。 3. **少量迟滞。** 从输出端经一个高阻值电阻（约一兆欧）回接到同相输入端，使输出快速翻转，而不是在交叉点附近抖动。没有它，你会因毫伏级噪声而反复触发。 4. **开关。** 比较器输出驱动逻辑电平MOSFET的栅极，该MOSFET承载充电电流。逻辑电平很重要：普通的MOSFET在5 V栅压下无法完全导通，会以热量形式耗散多余的能量。 先不接电池进行测试。将函数发生器接到输入端，输入非常缓慢的三角波——每个周期几分钟，峰峰值一到两伏——并检查输出是否在每个峰值之后不久翻转，而不是之前。一个可以随意调节方向的信号发生器，远比一节每小时才翻转一次的电池更适合作为测试手段。 然后将你记录的电池曲线真正输入电路。用示波器一个通道观察电容电压，另一个通道观察电池电压；交叉点清晰可见，这正是电路的核心所在。

单独的 −ΔV 检测器是一个可能无声失效的电路，其失效模式是充电永不停止。再添加另外两个。 **温度保护。** 如果您有第 3 级中的 TH 引脚，就使用电池组自带的热敏电阻；否则将一个 10 kΩ NTC 贴在电芯上。将其与一个固定电阻组成分压器，并把分压点接入 LM393 的第二部分；用电位器设定参考电压，使比较器在约 **45 °C** 时翻转。务必校准，不要假设：用热风枪以最低档加热热敏电阻，同时观察红外测温仪，并调整直到翻转点落在您想要的位置。将此比较器的输出接入，使其能够切断 MOSFET 栅极，**无论** −ΔV 部分的信号如何。 **定时器。** 将 555 置于单稳态模式并使用较长的 RC 时间常数，即可得到 Pacholok 所用的十八分钟。请根据您自己的充电速率计算 R 和 C，而不要照抄他的参数：十八分钟仅适用于他的充电器所用的速率，而设定速率错误的定时器比没有更糟，因为它会截断每一次正常充电。 现在分别测试每一个**单独**的保护。断开 −ΔV 部分，证明温度保护能够停止充电；断开温度保护，证明定时器能够停止充电。从未单独测试过的冗余不是冗余，而只是三个电路加上一份希望。 最后，添加慢充通路：一个电阻，在终止后维持涓流电流，取值约为 C/40。用万用表测量它，并将其与电芯自身的自放电速率进行核对。

**归属。** 美国专利 US 5,196,780，David R. Pacholok，申请日 1991 年 9 月 10 日，授权日 1993 年 3 月 23 日，已失效。本页图示为该专利原图。 **为什么是 1991 年而不是 1961 年。** −ΔV 效应在这项专利出现之前就已为人所知；电池制造商多年来一直在应用笔记中对其加以描述。缺少的是一种方法：在电压超过 1 伏的信号上，廉价地检测出仅几毫伏的*下降*，并且廉价到可以装入消费类充电器中，而无需微控制器。RC 延迟技巧正是对“廉价”这一要求的回答，而且它确实相当巧妙——它用延迟取代了会放大噪声的微分器，用延迟来抑制噪声。 **它为制作者带来的改变。** 在可靠的终止检测出现之前，安全的充电速率是隔夜 C/10，因为复合循环可以无限期地吸收这一电流。此后，快速充电成为常规操作，而快速充电器正是让双电池组工作流程得以实现的关键：一组在工具中使用，另一组在充电器上充电，无需等待。第 3 级的电池组与本级的充电器只有结合在一起才有意义。 **诚实的局限。** −ΔV 是镍化学体系的信号，在锂离子电池中并不存在，因为锂离子电池的电压只会上升；锂电池通过恒流转恒压充电，然后依据电流下降来终止，这是一种完全不同的方法。随着电池组老化，−ΔV 也会变得更难检测，因为峰值会变平；而且出于第 2 步所给出的原因，它在单节电池上几乎无法使用。此外，整个方案建立在这样一个假设之上：电池组中的各节电池会同时充满——而正如第 7 级所示，实际上它们并不会。