CN100517859C - 一种密封铅酸蓄电池的在线无源维护装置 - Google Patents

一种密封铅酸蓄电池的在线无源维护装置 Download PDF

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Abstract

一种密封铅酸蓄电池的在线无源维护装置，其特征是：包括单片机电路(1)，欠压保护电路(2)，功率输出电路(3)互相连接而成；所述的单片机电路(1)包括单片机(U2)、时钟电路、电压基准电路、电压监测电路；所述的电压监测电路与电池的正极相连；所述的欠压保护电路(2)的输入端与电池的正极相连；所述的功率输出电路(3)的输出端与所述的欠压保护电路(2)相连；所述的时钟电路、电压基准电路、电压监测电路、欠压保护电路(2)和功率输出电路(3)还分别与所述的单片机(U2)的相应端口相连；所述的单片机(U2)的另一相应端口与所述的电池的负极相连。本发明具有保证电池在浮充过程中的电压均衡一致，并能逐渐恢复电池的容量，延长在线运行电池组的使用寿命等优点。

Description

一种密封铅酸蓄电池的在线无源维护装置
技术领域
本发明涉及一种用电子脉冲的方法抑制铅酸蓄电池极板内部生成硫酸铅结晶、逐渐恢复电池容量用的无源维护装置，特别是一种密封铅酸蓄电池的在线无源维护装置。
背景技术
目前各通信和电力系统的机房都需要一组或多组大容量密封式铅酸蓄电池作为后备电源，防止市电停电时通信中断和系统瘫痪。这些后备电池常年在浮充状态下使用，理论寿命都在10年以上。但是目前大多数基站或机房的大容量密封式铅酸蓄电池在投入运行3～5年后便因为容量下降或个别电池端电压不均衡而需要报废。现有的在线修复保护类产品例如中国专利ZL 200520036931.3及ZL200520146861.7所公开的在线无源维护装置，可抑止硫酸铅生长。但这些装置的功能比较单一，电压过高或过低的电池只能报警处理，未能对电池实现均衡充电管理，仍有改进的必要。
发明内容
本发明目的是提供一种大容量密封铅酸蓄电池的在线无源维护装置，本发明装置能保证电池在浮充过程的电压均衡，并能逐渐恢复电池的容量，延长在线运行电池组的使用寿命。本发明的目的是按如下的技术方案实现的。
本发明是一种大容量密封铅酸蓄电池的在线无源维护装置，其特征是：它包括单片机电路，欠压保护电路，功率输出电路连接而成，所述的单片机电路包括单片机、时钟电路、电压基准电路、电压监测电路；所述的电压监测电路与电池的正极相连；所述的欠压保护电路的输入端与电池的正极相连；所述的功率输出电路的输出端与所述的欠压保护电路相连；所述的时钟电路、电压基准电路、电压监测电路、欠压保护电路和功率输出电路还分别与所述的单片机的相应端口相连；所述的单片机的另一相应端口与所述的电池的负极相连。
所述的单片机电路还包括信号接收与发送电路与单片机的相应端口相连。
所述的单片机电路还包括状态显示电路与单片机U2的相应端口相连。
所述的时钟电路包括电容、石英晶振；
所述的电压基准电路包括电阻、电容C8和稳压器U1；
所述的电压监测电路包括电阻R1、R2、R3、RP2、电容C7。
所述的欠压保护电路2包括：电阻R20、R7、电解电容C9，三极管Q1，继电器K1和二极管D1，所述的欠压保护电路2的输入端与电池的正极相连，控制端与单片机U2的端口RC7相连。
所述的功率输出电路3包括电容C5、C6、电阻R4、R5、R6、R15、R16；电感L1、L2；二极管D2；所述的功率输出电路的输出端与所述的欠压保护电路相连，控制端与单片机的端口RC2相连。
所述的信号接收与发送电路包括电阻R11，R14、电容C10、光电耦合器U3、启动开关SW1和输出插座JK1、JK2。
所述的状态显示电路包括电阻R17、R18、R19、发光二极管LED2、LED3。
本发明的维护装置除了有脉冲维护功能外，还具有电池电压监控功能，当所连接的蓄电池端电压低于设定电压值时，会发出警示，并且本装置处于睡眠状态以降低能耗。当蓄电池电压恢复正常时又能自动正常工作。当所连接的蓄电池端电压高于设定电压值时也会发出警示，同时启动放电均衡电路，使升高的端电压逐渐下降，保证了整组电池在串联浮充过程的电压均衡和一致。本发明还可有单机工作和多机轮流工作二种方式，采用轮流工作方式时可以使维护装置的能耗降低到N分之一，(N为整组电池组所安装维护装置的总数量)是抑制在线浮充使用的大容量密封式铅酸蓄电池极板产生硫化，保证电池端电压一致性，延长电池使用寿命的有效方法。另外，现有技术的欠压过压检测采用的是稳压二极管的方式，误差很大；本发明的电压检测电路采用单片机的8bit精密A/D转换电路来实现，检测精度可以控制在100mV以内，完全可以满足通信、电力系统使用的大容量铅酸蓄电池在线使用精确控制浮充电压的要求。
本发明的工作过程是：当被保护的电池的电压在单片机电路设定的工作电压范围内时，从电池取得电能，单片机的端口RC7输出高电平，使欠压保护电路的控制管Q1导通，继电器线圈得电，触点闭合。同时从单片机的端口RC2输出振荡脉冲，经电阻R15和电容C5整形加速后，送到功率输出电路中的电子开关的控制端，使在电子开关的导通与截止期间，具有快速上升沿的开关脉冲反馈到电池，与电池内部粗大的硫酸铅结晶谐振，溶解与还原该粗大的硫酸铅结晶体。当所连接的蓄电池端电压高于设定电压值时，单片机的端口RC2输出高电平，使功率输出电路的电子开关完全导通，通过负载电阻R4，R5，R6对被保护的电池进行恒流放电。待蓄电池端电压逐渐降低，会自动恢复到脉冲维护模式。若蓄电池出现电压过低时，单片机的端口RC7输出低电平，使欠压保护电路的继电器的触点释放，断开功率输出电路的供电，同时单片机的端口RC2输出低电平，使功率输出电路的电子开关完全截止，无脉冲输到功率输出电路，则本在线无源维护装置处于待机状态，保护电池不会过放电。
本发明采用可单机工作和多机轮流工作。
综上所述，本发明的具有保证电池在浮充过程中的电压均衡一致，并能逐渐恢复电池的容量，延长电池使用寿命等优点。
附图说明
图1是本发明的电路方框图。
图2是本发明的电路原理图。
图中代号说明
1单片机电路     2欠压保护电路     3功率输出电路     4被维护的电池
C1～C11电容     D2快恢复二极管    D1、D3、二极管    F1热敏电阻
K1继电器        SW1、SW2轻触开关  JK1、JK2输出插座  XL1石英晶振
L1、L2磁心电感  L2色环电感        LED1、3、4发光二极管
LED2红绿双色发光二极管     Q1三极管      R1～20电阻      U1稳压器
U2单片机(PIC16F73)    U3光电耦合器    VT1开关管(场效应管)
Z1稳压管
具体实施方式：
如图1为本发明的电路方框图，包括单片机电路1，欠压保护电路2，功率输出电路3连接而成，所述的单片机电路1包括单片机U2、时钟电路、电压基准电路、电压监测电路；所述的电压监测电路与电池的正极相连；所述的欠压保护电路2的输入端与电池4的正极相连；所述的功率输出电路3的输出端与所述的欠压保护电路2相连；所述的各电路还分别与所述的单片机U2的相应端口相连。
所述的单片机电路1还包括信号接收与发送电路与单片机U2的相应端口相连。
所述的单片机电路1还包括状态显示电路与单片机U2的相应端口相连。
如图2为本发明的电路原理图，图中具有：
时钟电路，包括电容C1、C2、石英晶振XL1；
电压基准电路，包括电阻R10、R13、RP1、电容C8和稳压器U1；
电压监测电路，包括电阻R1、R2、R3、RP2、电容C7。电压监测电路与单片机U2的RA0端口相连，实时监测所连接的蓄电池的端电压，单片机U2根据电池电压作出欠压保护、过压放电均衡、以及正常的脉冲维护三种工作方式的自动切换。
欠压保护电路2包括：电阻R20、R7、电解电容C9，三极管Q1，继电器K1和二极管D1，所述的欠压保护电路2的输入端与电池的正极相连，控制端与单片机RC7端口相连。
功率输出电路3包括电容C5、C6、电阻R4、R5、R6、R15、R16；电感L1、L2；二极管D2；所述的功率输出电路的输出端与所述的欠压保护电路2相连，控制端与单片机的端口RC2相连。
信号接收与发送电路包括电阻R11，R14、电容C10、光电耦合器U3、启动开关SW1和输出插座JK1、JK2；负责控制本装置轮流工作时的触发信号接收与发送状态显示电路包括电阻R17、R18、R19、发光二极管LED2、LED3。
其工作过程为：将本维护装置的接线端子按极性接到电池4的两端，电池电压一路经由电感L4、L3滤波、电阻R8限流、稳压二极管Z1稳压、电容C4滤波后，到达单片机U2的供电脚Vdd及单片机的复位端MCLR；单片机U2自检后开始工作，此时电源指示灯LED1点亮，表示供电正常；另一路经由电阻R10、R13、RP1、电容C8和稳压器U1组成的电压基准电路；给予单片机U2的端口RA3精密的基准电压；另一路经电阻R11到达单片机U2的控制端口RA4，该端口高电平时为单机工作模式，当按下SW1或接收到另外一台在线无源维护装置发送的触发信号使该端口变为低电平时，本装置变为轮流启动工作模式。电池电压另外一路经电阻R1、R2、R3、RP2、电容C7组成的电压监测电路，送到单片机U2的A/D转换输入口RA0，以实时监测电池4的端电压，当电池端电压在正常范围时(本案例设置为6.00V～7.05V)单片机U2的端口RC5输出高电平，使LED2中的绿色发光二极管点亮；同时单片机U2的端口RC7输出高电平，经R20到达Q1基极，使Q1饱和导通，继电器K1线圈得电，触点吸合，电池4的电压经过触点、电阻R4、R5、R6电感L1、L2后到达开关管VT1的漏极，单片机U2的端口RC2输出一个周期为120uS、幅值5V的振荡脉冲，经R15和C5整形加速后，送到受控的功率输出电路3中的电子开关VT1的控制端，控制电子开关的通断。在电子开关导通期间，电源经电感L2给储能电容C6充电。电流经K1触点、电阻R4、R5、R6电感L2、L1后到负极，给电池一个急速的放电，由于电流较大，电感L1很快磁饱和，在开关管VT1截止期间，储能电容C6放电；在开关管VT1截止时，由于电感L1的自感作用，在电感L1上产生下正上负的自感电动势，因为电感L3的感抗很大，该自感电动势经二极管D2单向整流成频率8.33KHz、宽度小于5μS、前沿小于800nS和约3A(视电池容量有不同规格)的高压脉冲直流电，经F1加到电池4两端。在不断的脉冲扰动下，破坏了硫酸铅结晶形成的条件，并将已生成的硫酸铅结晶逐渐清除。当电池4的端电压高于单片机U2设定的电压7.05V时，单片机U2的端口RC5输出低电平，使LED2中的绿色发光二极管熄灭；同时单片机U2的端口RC4输出高低电平，使LED2中的红色发光二极管闪烁点亮，报警提示该电池电压已过高；同时单片机U2的端口RC2关闭振荡脉冲输出，改为高电平输出使受控的功率输出电路3的电子开关VT1呈现完全导通状态，通过负载电阻R4，R5，R6对所被保护的电池进行恒流放电。使升高的端电压逐渐下降，保证了整组电池在浮充过程的电压均衡和一致性。当电池4的端电压降低到6.75V时，自动退出放电状态转为正常的脉冲维护工作状态。在电池4向系统负载供电并且端电压低于6.00V时，单片机U2的RC4端口输出低电平，使LED2红色发光二极管点亮；报警提示该电池电压已过低，单片机U2的RC7端口输出低电平使欠压保护电路2的继电器K1触点释放，断开功率输出电路3的供电，同时单片机U2的端口RC2输出低电平，使受控的功率输出电路3的电子开关呈现完全截止状态，无脉冲输到功率输出电路3，则本在线无源维护装置处于待机状态，不再消耗电池4的电能。
需要将所安装的在线无源维护装置设置为轮流启动方式工作时，在安装好输出线后，再把信号线从第一个维护装置的JK1插孔连接到第二个维护装置的JK2插孔，第二个维护装置的JK1插孔连接到第三个维护装置的JK2插孔……把最后一个维护装置的JK1插孔连接到第一个维护装置的JK2插孔。信号线连接正确后，按下任意一个维护装置的SW1按钮，该维护装置工作一段时间后处于待机状态，同时单片机U2的端口RA5发出触发信号，通过电阻R14、插座JK2以及信号线传输到下一个维护装置的JK1使光电耦合器U3中的发光二极管LED4点亮，光电耦合器U3中的光敏三极管Q3接收到光信号后导通，把该维护装置中单片机U2的RA4端口拉低为低电位，转为轮流启动工作方式。依此类推，周而复始。

Claims (8)

1、一种密封铅酸蓄电池的在线无源维护装置，其特征是：它包括单片机电路(1)，欠压保护电路(2)，功率输出电路(3)相互连接而成；所述的单片机电路(1)包括单片机(U2)、时钟电路、电压基准电路、电压监测电路；所述的电压监测电路与电池的正极相连；所述的欠压保护电路(2)的输入端与电池的正极相连；所述的功率输出电路(3)的输出端与所述的欠压保护电路(2)相连；所述的时钟电路、电压基准电路、电压监测电路、欠压保护电路(2)和功率输出电路(3)还分别与所述的单片机(U2)的相应端口相连；所述的单片机(U2)的另一相应端口与所述的电池的负极相连。
2、根据权利要求1所述的密封铅酸蓄电池的在线无源维护装置，其特征是：所述的单片机电路(1)还包括信号接收与发送电路与单片机(U2)的相应端口相连。
3、根据权利要求1所述的密封铅酸蓄电池的在线无源维护装置，其特征在于：所述的单片机电路(1)还包括状态显示电路与单片机(U2)的相应端口相连。
4、根据权利要求1-3所述的任一项密封铅酸蓄电池的在线无源维护装置，其特征是：
所述的时钟电路包括电容(C1、C2)、石英晶振(XL1)；
所述的电压基准电路包括电阻(R10、R13、RP1)、电容(C8)和稳压器(U1)；
所述的电压监测电路包括电阻(R1、R2、R3、RP2)、电容(C7)。
5、根据权利要求1-3所述的任一项密封铅酸蓄电池的在线无源维护装置，其特征是：
所述的欠压保护电路(2)包括：电阻(R20、R7)、电解电容(C9)，三极管(Q1)，继电器(K1)和二极管(D1)，所述的欠压保护电路(2)的控制端与单片机的端口(RC7)相连。
6、根据权利要求1-3所述的任一项密封铅酸蓄电池的在线无源维护装置，其特征是：
所述的功率输出电路(3)包括电容(C5、C6)、电阻(R4、R5、R6、R15、R16)；电感(L1、L2)；二极管(D2)；所述的功率输出电路的控制端与单片机的端口(RC2)相连。
7、根据权利要求2所述的一种密封铅酸蓄电池的在线无源维护装置，其特征是：所述的信号接收与发送电路包括电阻(R11，R14)、电容(C10)、光电耦合器(U3)、启动开关(SW1)和输出插座(JK1、JK2)。
8、根据权利要求3所述一种密封铅酸蓄电池的在线无源维护装置，其特征是：所述的状态显示电路包括电阻(R17、R18、R19)、发光二极管(LED2、LED3)。
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