CN101847861A - 用于铅酸蓄电池的保护修复电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电源管理电路领域，尤其涉及用于铅酸蓄电池的管理电路。本发明的用于铅酸蓄电池的保护修复电路，在于对铅酸蓄电池充电时进行保护和修复。其是在多个电池串联而成的电池组中的其中任意一个电池连接该保护修复电路，保护修复电路的正、负极分别与该电池的正、负极并联，该电池的负极串联于该保护修复电路中的电子开关后的输出端成为电池的负极，上述保护修复电路对电池的电压值和温度值实时监测，当电压值或温度值达到或超过设定值时，控制上述电子开关关断充电回路，当电压值或温度值小于设定值时，控制上述电子开关重新导通充电回路，如此循环。本发明通过一个简单可靠的电路实现了对铅酸蓄电池的综合保护和修复功能，填补了技术空白。
Description
技术领域
本发明涉及电源管理电路领域，尤其涉及用于铅酸蓄电池的管理电路，特别针对轻型电动车用铅酸蓄电池进行综合保护及修复，在IPC国际分类表中主要归属于H02J小类。
背景技术
问题的提出：
目前轻型电动车主要包括电动自行车、电动摩托车、电动三轮车、电动小货车等等，在国内的保有量已经达到1.2亿部以上，每部轻型电动车上的电池有36V、48V、60V、72V等等。按照平均每部轻型电动车配置4只额定电压为12V的电池来计算，全国运用在轻型电动车上的铅酸蓄电池将近达到5亿只。
申请人对轻型电动车用铅酸电池的使用寿命和失效模式进行多年的调查分析后发现：除了电池本身的制造缺陷以外，80%以上的电池失效模式是过充电损坏、欠充电损坏和少部分的大电流放电损坏。设计寿命达到3年以上的电动车铅酸蓄电池，实际使用寿命平均不到1.6年，且在这个过程中一大部分都需要拆下来维护或维修。
铅酸电池具有较高的性价比和制造工艺比较简单成熟的特点，自发明到现在156年来一直被广泛使用。由于轻型电动车的主要消费团体是低收入的人群为主，因此，铅酸电池成为轻型电动车的首选储能设备，占轻型电动车电池标准配置的93%以上。
铅酸电池的电解质是稀硫酸和少量的添加剂组成，为了让全密闭免维护的铅酸电池适用于电动车的牵引使用场合，在极板的正极板栅当中普遍添加金属锑。锑可以延长牵引型电池的深循环寿命，但电池使用几个月后锑从正极迁移到负极后会导致负极析氢过电位的下降而让电池失水加速，电池失水后，AGM隔离板的饱和度降低，氧气的复合通道增加，过度的氧复合会造成充电末期的电池温度升高，电池的温度升高可能导致热失控，热失控导致电池发热严重甚至外壳鼓胀结束寿命，严重失水的电池或者外壳鼓胀的电池连维护的机会都没有。
全国5亿只电池的饱有使用量，且每年以1亿只的用量在增加，大部分电池寿命终止都是电解质被充干、酸雾挥发到大气中，这将会带来不可忽略的大气污染和环境的酸化，酸雾也会增加阴霾天气发生的频次。
给铅酸电池配置保护和修复板，可以大大延长电动车电池的实际使用寿命，制止电池被过度充电造成酸雾析出污染大气。
但是到目前为止，铅酸蓄电池基本上都没有配置保护修复电路。很多人疑惑，电动车电池一组数百元，而且也很脆弱，为什么没有保护电路和修复电路？而锂离子电池，一块十多元的都有保护板。原因之一是，锂离子电池如果没有保护，可能产生爆炸的危险。其次是由于电动车用铅酸蓄电池组的工作电压高，额定电压可能高达72V，甚至更高；工作时放电电流大，甚至达到50A以上，在实施对电池组的保护和修复的电路成本高、工艺难度大，因此市场上使用的轻型电动车铅酸蓄电池绝大多数都处于无保护状态。
问题的分析：
在没有保护电路的铅酸蓄电池组在使用中的损坏原因主要是：
（1）因轻型电动车电池的通用充电器的因素而导致损坏。
市场上通用的充电器以“三段式”充电器为主，约占市场总用量的80%以上，也有部分充电器是六段或多段定时来完成充电的定时充电器，还有部分是单片机控制的智能充电器。以使用最广泛的三段式充电器48V12Ah电池组专用的为例进行说明。充电的三个阶段：第一阶段是恒流阶段，这个阶段不管电池的电压和饱和度，都以恒流大约1.8A连续进行充电，电池组的电压随着充电饱和度的增加而提高，当电池组的电压到达充电器设置的恒压值大约为59.2V以后，充电器就自动转为第二个充电阶段：恒压充电阶段，恒压充电过程电池组的端电压保持不变，随着饱和度提高，充电的电流会自动减小，当电流小于充电器的设定值大约0.4A之后，充电器转为浮充阶段，这个过程充电器的“红灯”转“绿灯”，俗称“转灯”，进入浮充阶段的电压大致为55.6V,这个过程充电电流很小，电池组基本上不析出气体，可以长时间小电流充电，有利于电池组的均衡。
如果充电器不出现异常，电池组本身也没有老化，三段式的充电器能满足充电饱和的目的。可是市场上的充电器出现异常的概率很高，电池组也会老化，常见有以下的几种情况。
（1.1）充电器的过充电问题：
（1.1.1）充电器出厂设置电压偏高、转灯电流偏小。充电器的生产厂家很多，质量参差不齐，参数设置不准确的情况比较普遍。可能是由于激烈的价格竞争很多充电器厂家迫于成本压力导致劣质充电器的产生，再则充电器厂家不需要对电池的三包负责，也是导致充电器不负责任的主要原因。
（1.1.2）充电器故障造成高压。充电器中的开关电源的光耦反馈电路故障可能导致充电器的输出电压过高甚至翻倍。
（1.1.3）充电器的电子原器件的参数离散性和元件的老化等原因都可能造成参数漂移以至高电压输出。
免维护铅酸蓄电池过充电损坏机理：铅酸电池被过度充电之后，充电末期多余的电流用于分解水，生产氧气和氢气，如果充电电压能够控制合适，产生的氧气可以被阴极（负极）吸收之后被还原成水，这个过程称之为“阴极吸收原理”，如果充电电压超过析氢过电位，水分解成氢气析出之后，氢气在常温常压下无法还原成水。电解质中水分的缺失造成电池的内阻增大和氧复合通道的增加，充电末期电池发热，电池发热后会造成充电过程电压不上升反而下降的现象称之为“热失控”，产生热失控的电池越充电，电压越下降，充电电流就越大，大到充电器的输出最大电流为限制。热失控将导致电池严重损坏，因为铅酸蓄电池外壳使用ABS工程孰料或PP塑料，软化点一般为78℃-85℃，当电池超过塑料外壳的软化点后就产生塑性变形，外壳变形鼓胀俗称“鼓包”。
（1.2）充电器的欠充电问题：
（1.2.1）充电器出厂设置电压偏低、转灯电流偏大。由于市场的规则，充电器厂家为了逃避把电池充坏可能被索赔的风险，一般都把充电器的参数设置为负偏差，导致电池充电不饱和，由于充电不饱和导致的电池损坏，电池厂家没有明显的理由向充电器厂家索赔。这就是市场上大部分充电器充不饱电池的主要原因。
（1.2.2）充电器故障和老化造成充电不足。
（1.2.3）充电器内的电子元件参数漂移造成充电不足。
（1.2.4）用户充电时间不够，造成充电不足。
欠充电损坏：电池长时间充电不足造成电池组的损坏。长时间的充电不足会导致大颗粒硫酸铅的形成，大颗粒硫酸铅如果没有得到及时的还原，将无法还原或还原困难，称之为“硫化”，硫化后电池容量下降可能无法达到正常的使用需求。
（1.3）充电器的“过充电”和“欠充电”问题同时存在：
（1.3.1）热天过充，冷天欠充。铅酸蓄电池的充电环境温度越高，充电接受能力越强，反之则越弱。大部分充电器都是没有合适的温度补偿功能。
（1.3.2）充电器电压设置高，输出电流小。充电时间长就容易造成过充，充电时间不足就容易造成欠充。这是廉价的充电器输出功率小而电压设置高导致的结果。
（1.3.3）还有一部分充电器因为设计或原器件的原因有正温度特性：也就是说环境温度越高，充电电压也越高，环境温度下降充电的电压也下降。这是与铅酸电池的充电接受能力相反的设计，会造成夏天过充电和冬天欠充电的现象。对电池的实际使用和寿命大为不利。
（2）因电池组当中电池局部单体的损坏导致整组电池损坏。
电动车电池是串联使用，一组48V的电池需要24个2V的单体组成，其中一个单体故障可能导致整组电池在充电过程中被过度充电而损坏，主要表现在以下几个方面：
（2.1）电池硫化没有及时修复；
（2.2）电池失水没有及时补充；
（2.3）技晶短路造成整组电池的额定电压偏低；
（2.4）单格短路造成局部的损坏造成整组电池的损坏；
（2.5）电池组因为电化学的特性导致一致性的误差，没有均衡充电会导致差异化的距离变大，充电过程中电压高的单体容易被过度充电，而电压低的单体充电不足导致硫化。
（2.6）电池单体因为焊接不良，部分极板脱离汇流排，造成单体的容量比其他单体小，充电过程容易造成单体的失水。
（3）因高低温环境造成电池的损坏。
（3.1）高温充电容易失水甚至鼓包造成电池的损坏。充电过程是放热反应，如果环境温度高，且整组电池还被密封在塑料外壳（电池箱）当中，散热不良会造成电池充电末期的温度超过60度。电池的温度达到或超过60度，将造成热失控的发生。
（3.2）低温环境的低温会造成电池充电接受能力下降，电池长时间处于不饱和的状态会造成硫化，硫化的累积导致电池电动势下降，电动势下降造成充电不转灯，充电不转灯造成失水或鼓包。
（4）因电池组的老化导致充电过程无法自动终止，使得电池组因为过度充电而损坏。
铅酸蓄电池老化后，会发生“老年综合症”：失水、内阻增加、硫化、容量不均衡、技晶短路、极耳腐蚀掉落、单体机械短路、掉粉造成容量下降、极板表面钝化、极板收缩造成断裂、板栅腐蚀造成掉片等等。老化的电池组使用者能看到的是容量不足，充电不转灯，外壳鼓包。电池组老化发生后，会使充电器对其过度充电而进一步加剧老化损坏。最后，大部分的铅酸蓄电池到了寿命终止，都以电解质干涸硫酸挥发，外壳鼓包而结束。
因此，综上所述，其实电动车电池更需要全面的保护和适时的修复，才能让电池组的实际使用寿命尽量接近设计寿命。
在专利文献中能找到的基本上都是锂电的保护电路和保护芯片，对于铅酸蓄电池目前还没有专用的芯片。很多人理解为锂电的保护芯片经过简单的改进或增加外围电路可以用在铅酸电池上。申请人经过全面的研究发现，锂电的特性和铅酸蓄电池组虽然同属于蓄电池领域，但两者的差异太大，不是等比例的关系，在技术上两者的保护板和保护IC根本无法通用，保护内容和工作原理也不一样。
在蓄电池领域的锂电保护板电路中，以专利公开号为CN101267122A的技术方案为例，对多个单体串联的电池组进行保护，电路需要单独对每个单体的电压进行分别采样，再集中进行逻辑处理后才能实现对整个电池组的总回路控制。
如果把这样的保护方法应用在72V的电池铅酸蓄电池组当中，就需要对36个单体，用36片IC和复杂的连接电路进行控制，在实际的应用中的比较困难且实现的成本很高，36个独立的单元电路本身的不良概率也高。
另外，在蓄电池领域的锂电保护板电路和锂电保护专用IC设计中，都没有找到可以对电池组进行修复的功能，如文献《一种单节锂电池保护IC设计》介绍锂电保护IC的原理和功能，查询目前使用的锂电保护IC和电路只涉及对电池进行保护，而并没有对电池进行修复的功能电路。
在铅酸电池组的失效模式中，以硫化导致的各种故障为主，修复是铅酸蓄电池很重要的还原手段，非常重要。目前市场上出现很多专业的修复设备，价格由数百元到数万元不等。修复设备均需要将铅酸电池组拆卸下来后再置于修复设备中进行修复，操作上十分麻烦且成本较高。
发明内容
针对上述的问题，本发明设计一种简单实用的具备保护功能和修复功能的铅酸蓄电池的全面管理电路。其创造性在于把这个电路与电池组当中的任意一只电池连接，只需要在其中的任何一只装上保护修复电路，其他电池不需要做任何的更改，甚至不需要多出任何的一根导线连接，也不需要改变任何外接电路的前提下，就能够实现对电池组进行保护和修复，以及均衡充电等功能。
本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明用于铅酸蓄电池的保护修复电路，在于对铅酸蓄电池充电时进行保护和修复。在多个电池串联而成的电池组中的任意一个电池连接该保护修复电路，保护修复电路的正、负极分别与该电池的正、负极并联，该电池的负极串联于该保护修复电路中的电子开关后的输出端成为电池的负极，上述保护修复电路对电池的电压值和温度值实时监测，当电压值或温度值达到或超过设定值时，控制电子开关关断充电回路，当电压值或温度值小于设定值后，控制电子开关重新导通充电回路，如此循环，充电模式就变成由保护修复电路控制的“慢脉冲”或“热脉冲”模式。
进一步说明，所述的保护修复电路包括分压电路Rc、温度传感器Kt、电压检测监控电路Ku和控制电池组总回路的电子开关K，分压电路Rc连接于一个电池的正、负极，用于对其按照初始设定值进行分压采样，温度传感器Kt并接于分压电路Rc，用于输出信号改变分压电路Rc的分压比例，电压检测监控电路Ku连接于分压电路Rc的一电压采样端，用于对采样电压进行检测监控，并输出翻转电平信号控制电子开关K的关断或导通状态的切换。
更进一步说明，所述的分压电路Rc由串联的多个精密电阻组成分压采样电路单元。
更进一步说明，所述的温度传感器Kt是由功率管驱动工作的温度开关芯片组成的温度检测单元。或者，所述的温度传感器Kt是机械的温度开关组成的温度检测单元。
更进一步说明，所述的电子开关K是光电耦合器控制驱动大功率开关管组成的电子开关电路单元。或者，所述的电子开关K是脉动触发电路控制驱动大功率开关管组成的电子开关电路单元。
优选的实施例一：（如附图4）所述的保护修复电路是一个电池BT4的正极连接极性二极管D2后至由串联的电阻R13、R10、R11、R12组成分压电路至电池BT4的负极,电阻R11、R12两端并联电容C2，电阻R13串联一功率三级管Q4、电阻R14和温度开关芯片IC3至电池BT4的负极，功率三级管Q4的控制极接于电阻R10、R11之间，温度开关芯片IC3的OUT端接于电阻R11、R12之间，温度开关芯片IC3的VCC端和GND端并联一电容C3，功率三级管Q4的发射极与电阻R14之间连接一电阻R16至电压检测芯片IC4,电压检测芯片IC4的VCC端和GND端并联一电容C4,电压检测芯片IC4的V-端连接一电阻R15至电池BT4的负极，电阻R13、R10之间连接电阻R18、光耦管U2输入端、开关管Q5至电池BT4的负极，电压检测芯片IC4的OUT端连接于开关管Q5的控制极及并接一电阻R17至电池BT4的负极，极性二极管D2还连接一电阻R20后并接光耦管U2输出端、稳压二极管ZD1、电阻R21至开关管Q6的输出端，电阻R20后连接于开关管Q6的控制端，开关管Q6的输入端连接至电池BT4的负极，开关管Q6的输入端和输出端之间并接一电阻R19。其中，所述的开关管Q6是MOS管或者IGBT复合管。
优选的实施例二：（如附图5）所述的保护修复电路是一个电池BT7的正极连接极性二极管D3后至由串联的电阻R22、R23、R24组成分压电路至电池BT7的负极,电阻R23、R24两端并联电容C5和电压检测芯片IC5至电池BT7的负极，电阻R23、R24之间连接一机械的温度开关TR1至电池BT7的负极，电压检测芯片IC5的V-端连接一电阻R25至电池BT7的负极，极性二极管D3后连接一电阻R27、电阻R28、三极管Q7至电池BT7的负极，电压检测芯片IC5的OUT端连接一电阻R26后至三极管Q7的基极，极性二极管D3后还连接一三极管Q9、电阻R29、极性二极管D4至开关管Q8的控制极，开关管Q8的输入极连接于电池BT7的负极，电阻R27、R28之间连接于三极管Q9的基极，电阻R29与极性二极管D4之间并联电阻R30和稳压二极管ZD2至开关管Q8的输出极，电阻R29与极性二极管D4之间还连接于一三极管Q10的基极，三极管Q10的发射极和集电极分别连接于开关管Q8的控制极和输出极。其中，所述的开关管Q8是MOS管或者IGBT复合管。
进一步的，所述的保护修复电路镶嵌于电池组的任意一个电池壳体内部。
或者，所述的保护修复电路设置于电池组上的任意一个电池外部，但其温度检测模块设置于电池易发热的位置。
本发明采用如上技术方案，具有以下优点：
1. 实现铅酸蓄电池的综合保护，包括了过充保护、过热保护、热失控和老化保护等综合性电性保护，实现均衡充电保护，填补了铅酸蓄电池综合保护电路的技术空白。
2. 实现了铅酸蓄电池的低成本保护，仅通过一个保护修复电路即可实现整个电池组的保护，大大降低硬件成本，该电路的保护原理的提出同时也是一个实质性的技术突破，填补了相关技术空白。
实现了铅酸蓄电池的老化修复，该保护修复电路不仅用于铅酸蓄电池综合性保护的同时，也能够用于对铅酸蓄电池进行老化修复，提出了简单有效的“热脉冲修复”和“慢脉冲修复”模式进行老化修复，大大延长铅酸蓄电池的使用寿命，从而降低环境污染。
附图说明
图1是本发明的应用原理示意图；
图2是本发明的保护修复电路的原理框图；
图3是本发明的保护修复电路的“软绳原理”的说明示意图；
图4是本发明的优选实施例1的电路原理图；
图5是本发明的优选实施例2的电路原理图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
以轻型电动车使用的铅酸蓄电池组（以下简称“电池组”）为例进行说明。一般铅酸蓄电池组由每只12V、16V、6V或2V等以2V的倍数串联成单只电池，然后单只电池再串联成更高电压的电池组。由于市场上多数是以12V的单只电池为主，为了便于说明，以下均以12V的单只电池串联成的电池组为例进行说明，其他电压的电池组类似，不影响本发明的广泛使用范围。
参阅图1所示，电池组的正负极连接于充电器和负载。本发明的创造性在于，把本发明的主体电路与电池组当中的任意一只电池进行连接，把保护修复电路的正负极分别与该电池的正负极并联，电池的负极串联于保护修复电路当中的电子开关后的输出成为电池的负极，从而实现对整个电池组总回路的控制。本电路可以镶嵌在该电池的壳体内部并与电池内的电解质隔离，或者安装于电池外部并与该电池构成一个整体，实现对电池组的保护和修复的全部功能。
下面对本发明的保护修复电路的各项功能和工作原理进行详细说明：
参阅图2所示，图中电池组由BT1、BT2……BTn串联成一个电池组，我们以4个12V电池串联成的48V电池组为例进行说明。上述48V的电池组正负极与充电器的正负极进行并联，电池组的正负极与负载连接，共同构成电动车电池组的充电和放电系统。
附图2中的虚框内的电路就是本发明的主体电路——保护修复电路。本保护修复电路主要包括：分压电路Rc、温度传感器KT、电压检测监控电路Ku、三极管Q、控制电池组总回路电子开关K组成。图中，BC为充电器，BDC为负载。
保护修复电路的各项功能和工作原理进行说明：
（一）对电池组进行过充电保护的原理：
分压电路Rc将额定电压12V的电池的电压通过常规的高精度串联电阻先按照设定值进行分压采样，采样电压由电压检测监控电路Ku进行监控，三极管Q用于放大电流驱动温度传感器KT和电压检测监控电路Ku工作。
在充电过程中，当电池的电压高于设定值U，假设设定的设定值U为14.9V，如果充电器BC无法进行过电压保护，当电池Bt1的电压超过14.9V以后，电压检测监控电路Ku输出电平翻转，电子开关K切断电池组的充电总回路，充电电流为0A，通用的电动车电池充电器都有电流检测功能，当充电器BC检测到充电电流为0时，充电器BC转灯进入浮充。当充电器BC的充电电压下降后，电压检测监控电路Ku检测到的电压跟着下降，电子开关K恢复导通，电池组进入浮充状态。这是过充电保护的过程。过充电保护功能实现充电器无法转灯的问题，对电池组实行有效的保护。
这个过充电的保护方式和锂电保护板的方式不同，锂电保护板过压检测后，直接停止充电并所存，等待充电器撤除后解锁，充电回路恢复导通。而本发明是利用电动车电池充电器的特点，只要给充电回路中断信号，就能让充电器转灯进入浮充。电路中断以后立即恢复导通，有利于充电器对电池组进行安全的小电流充电，能把电池尽量充饱，但不充坏。
（二）保护修复电路对电池组的热失控进行保护和过热保护的原理：
关于电池组的“热失控”现象分析详见本说明书的“背景技术”部分说明。当电池组出现热失控或者发热可能导致电池损坏但还没达到热失控的程度时，本保护修复电电路的温度传感器Kt检测到实际温度超过设定值，温度传感器Kt输出信号改变分压电路Rc的分压比例，让电压监控电路Ku输出电平翻转，控制电子开关K关闭充电总回路，充电停止后，电池组的温度下降，当温度下降到设定值之下，温度传感器Kt恢复分压电路Rc原来的分压值，电压检测监控电路Ku重新翻转，电子开关K导通，继续充电。如此循环可以让电池组的温度始终不高于温度传感器Kt设置的温度值，从而实现对电池的热失控保护和过热保护。
本电路的特点是通过温度传感器Kt取得的环境温度信号改变分压电路Rc的分压值，结合已有的电压检测监控电路Ku可以实现温度的保护和温度的补偿。实现在不同的温度下进行不同的恒压充电和限压保护。
本发明的温度保护和控制方式和锂电保护IC不同，锂电保护IC是芯片内部具备过热保护功能，保护的主体是IC和保护板本身，不是用于电池组的热失控防护和处理。本专利的温度保护是让电池组的温度始终控制在设定的安全值之内，既保护电池组不被过度充电，又能在较高的温度下进行硫酸铅的溶解还原。
（三）保护修复电路的慢脉冲修复的实现原理：
当电池组使用一段时间后，由于充电不足或者电池组硫化的累积，电池的容量下降，当电池的容量下降到影响用户的使用时，用户就可以很简单地进行对电池组的修复。修复的方法就是使用更高电压的充电器对电池组进行充电，例如：用48V的充电器对36V的电池组进行充电或用60V的充电器对48V的电池组进行充电，以此类推。只要充电的时间足够，就能有效消除电池组的硫化，消除微短路，达到还原容量的目的。
当使用更高电压的充电器对电池组进行充电时，电池组的电压不断提高，当电压检测监控电路Ku检测到电池电压高于电压设定值U之后，输出电平翻转，回路的电子开关K关断充电回路，当充电回路关断之后，电池内部的浓度极化和欧姆极化消失，电池电压自然下降，电池电压下降之后，电压检测监控电路Ku检测到下降的电压小于设定值U，输出翻转，控制回路控制电子开关K导通，如此循环，充电电流变成脉冲形式的间歇充电，由于使用更高电压的充电器，回路开关导通瞬间，电池组得到高电压大电流的瞬间脉冲，这样的脉冲能很有效地修复铅酸蓄电池的硫化，而电池的端电压始终保持在电压检测监控电路Ku设定的范围内。实际效果就是电池组得到有效的修复又不会因为电池电压过高导致失水。
（四）保护修复电路的热脉冲修复的工作原理：
电动车电池组一般都是整组电池同时装在一个塑料外壳内，当其中的一只或多只电池发热后在塑料容器内通过热传递能让其他电池或者电池盒内空气的温度上升。本保护修复电路镶嵌在其中的一只电池上或放置在电池容易发热的位置。当电池组的温度上升后，温度传感器Kt获取温度信号并转化为电信号，电信号改变分压电路Rc的分压值，从而让电压检测监控电路Ku翻转，控制电子开关，从而实现热脉冲修复，热脉冲就是以温度信号触发的充电脉冲形式，温度上升到设定值，充电停止，温度下降到设定值，充电继续，如此缓缓。热脉冲对硫化严重的电池组具有更好的修复效果，因为温度的提升，提高了硫酸铅在稀硫酸电解质中的溶解度，硫酸铅的溶解有利于充电被还原；对于产生阻挡层的铅酸蓄电池，热脉冲也是有利于阻挡层的溶解，从而被充电还原。
参阅图3所示，下面以三只12V的电池串联成的36V的电池组为例来说明为什么一组电池当中只要一个保护修复电路就能完成对整组电池的保护和修复。即本发明的保护修复电路的主要创造性的核心所在。本发明的在多个电池串联而成的电池组中的其中任意一个电池连接该保护修复电路即可实现综合保护和修复功能，是借助于申请人长期研究和发现的一个规律。申请人称之为“软绳原理”,即，一组电池的多只电池之间的电压和温度是相互传递。
在图3所示的三个电池中，保护修复电路装在“电池2”上，在充电过程中，串联回路的电流是完全相同的，在正常情况下，三只电池的端电压应该相等，约等于充电总电压的三分之一。当充电器的恒压值为44.4V时，恒压充电阶段三只电池的电压各为14.8V，而保护修复电路的最高限制电压为14.9V，充电过程“电池2”的电压始终没有超过14.9V，因此，保护修复电路不干预充电过程。
如果以上的三只电池中的某只电池出现异常，假设“电池1”出现单格短路，充电末期这只电池的电压无法达到14.8V，假设只达到13V，这时候，加在电池2和电池3上的电压和为：44.4V-13V=31.4V，平均到“电池2”和“电池3”上的电压为15.7V，超过保护修复电路的设定值14.9V，保护修复电路切断充电总回路，充电器的充电电压下降到每只电池平均13.8V的浮充电压，保护了整组电池。
如果“电池3”出现类似上述电池1的故障，充电末期，电池2的电压也会超过设定值，从而实现保护。
如果“电池2”出现上述故障，充电末期“电池1”和“电池3”的电压超过14.9V，而“电池2”的电压始终没有达到保护值，在这种情况下，“电池1”和“电池3”因为充电电压过高而发热，电池2当中，出了短路的单体以外，其他的5个单格也会因为过充电而发热，这时候，保护修复电路的温度传感器动作，切断充电总回路，从而达到保护电池组的目的。
通过以上的例子可以说明，电池组充电过程的异常，保护修复电路通过其中的一只电池的电压异常或温度异常来获取整个电池组的信息。因此，在整个电池组当中，保护修复电路只要装在任意的一个电池上，都能达到保护整组电池的目的。修复功能的原理也是一样，就不在重复说明。
本发明的用于铅酸蓄电池的保护修复电路正是基于上述电路原理实现的。优选的，本发明的保护修复电路可以采用如下两个优选实施例的电路原理图实现。
实施例1：
参阅图4所示，电压检测监控电路IC4采用高精度微功耗的电压检测集成电路芯片，温度传感器IC3采用微功耗的温度开关集成电路芯片，三极管Q4的作用是电流放大，提供给电压检测监控电路IC4和温度传感器IC3需要的短时间较大的启动电流。开关管Q5和光耦管U2构成控制开关管Q6的驱动电路，稳压二极管ZD1钳位保护开关管Q6，开关管Q6是大功率开关管，控制充电回路，放电电流经过开关管Q6，因此开关管Q6选择低内阻高耐压的MOS管或IGBT复合管。
电阻R13、R10、R11、R12组成分压电路，电池BT4的端电压经过分压后由电压检测监控电路IC4进行检测，电压检测监控电路IC4具有固定的检测电压值进行开关输出，当电压检测监控电路IC4检测到的电压超过内部固定值后，电压检测监控电路IC4的OUT端（1脚）输出高电平，开关管Q5导通，光耦管U2导通，开关管Q6的G极和S极短路，开关管Q6的N极和S极截止，电池组的回路断开。充电回路断开后，上述充电器由恒压充电阶段转灯进入浮充阶段，实现对电池组的保护。
上述的温度传感器IC3具有很高的温度精密度，一般选择固定55度的开关，当温度超过55度时，温度传感器IC3的OUT端（6脚）输出低电平，电阻R12对地短路，分压电阻变成由电阻R13、R10和R11组成，电压检测监控电路IC4得到的采样电压数值提升，相当于电池组电压更低就实现上述的充电保护原理。
扩展的，本实施例的保护修复电路的其他电子元件组成不变，把温度传感器IC3更改为线性的温度传感集成电路芯片就可以实现温度的补偿，温度补偿是随着温度的下降，充电保护电压提升，温度上升，充电最高限制电压下降。从而可以实现冬天的电池可以充得更饱，夏天不容易过充。
电阻R13是小阻值电阻，用于光耦管U2的复位，光耦管U2内部的发光二极管点亮的同时，流过电阻R13的电流增大，在电阻R13上的压降升高，相当于加在电阻R10、R11、R12上的总电压下降，电压检测监控电路IC4检测到电压下降后，OUT端（1脚）输出低电平，实现保护修复电路的复位，开关管Q6导通继续充电。
电池组在放电过程中，电池BT4的端电压低于13V，经过分压后温度传感器IC3的电源电压不足，温度传感器IC3处于关闭状态，其OUT端（6脚）输出处于高电平。因此，放电过程就算环境温度偏高，也不会造成开关管Q6的误关断而导致电流经过内部的寄生二极管而发热。
由于电动车电池的容量大，因此本保护修复电路不需要设置过流和短路保护，因为电池组的短路电流达到500A以上，连接的导线和保险丝都能够实现短路和过流保护。铅酸蓄电池偶尔的过放电亦有利于容量的恢复，故本保护修复电路不设置过放电欠压保护。
实施例2：
本实施例电路使用电源管理集成电路芯片（IC），有些电源管理IC的功能比较多，我们只选择电压监控这个功能来使用，本电路的电压检测监控电路也可以用微功耗的电压比较器电路来替代。为了方便说明，就以电源管理IC为例。
本实施例的温度传感器使用机械式的常开温度开关。本实施例的脉冲驱动电路不选用光耦，而使用图中所示的分立元件组成的脉冲触发电路和过热、过压中的开关管驱动电路。
本实施例的电路工作原理说明：分压电路元件包括电阻R22、R23、R24三个精密电阻，对电池BT7进行分压采样，当电池BT7的电压超过14.8V的时候，通过分压后电源管理集成电路芯片IC5得到监控的电压值，电源管理集成电路芯片IC5的OUT端（1脚）输出低电平，NPN三极管Q7由导通转为截止，PNP三极管Q9由导通也变为截止，由二极管D4、PNP三极管Q10、电阻R30组成的下拉电路将开关管Q8的G、S极短路，开关管Q8截止，充电回路断开，充电停止。充电停止的过程，充电器得到电流中断信号，充电器转灯进入浮充状态，电池组得到保护。当电池组的电压下降以后，电池BT7的电压也随着下降，经过分压后，电源管理集成电路芯片IC5监控到的电压也下降，OUT端（1脚）输出高电平，开关管Q8导通，充电电路就由截止转为导通。
当电池组的温度达到设定值时，机械的温度开关TR1由常开变成闭合，将电阻R24短路，分压比的变化让电源管理集成电路芯片IC5的电压超过设定值U，重复以上动作，开关管Q8截止，充电回路关闭。充电器转为低电压浮充，实现对电池组的过热保护和热失控保护。
假如使用的机械的温度开关TR1是常闭的温度开关，则需要增加反相电路达到以上的目的。这是本领域技术人员熟知的常识，在这里就不再详细说明。
当用户需要对电池组进行修复的时候，使用的充电器的电压提高一个档次（高12V）就可以了，上面说明已经详尽描述了，与此不再赘述。这时候充电器不会转灯，电池的充电由电源管理集成电路芯片IC5监控电压，由开关管Q8执行导通和截止的交替进行，形成电脉冲或热脉冲，只要给予足够的时间，就能实现对电池组的修复。
电池组的均衡充电和修复的过程是同时进行的，根据“长板封顶”的原则，在脉冲的修复过程中，每只电池以及每只电池内部的单体都会得到过量的充电，电池的饱和是有极限的，就是最大容量封顶，已经到达容量封顶的电池单体，容量不会再上升，而没有饱和的电池单体，继续接受充电，一直到达完全饱和的程度。这就是均衡充电的过程。均衡充电可以让电池组的每个单体都达到最饱和的状态，因为电池本身出厂时经过配组检测，每个单体的初始最大容量是接近的，当每个单体都恢复最大容量时，电池组的一致性就达到最高的限度，电池的容量和恢复最大值。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (13)
1.用于铅酸蓄电池的保护修复电路，在于对铅酸蓄电池充电时进行保护和修复，其特征在于：在多个电池串联而成的电池组中的其中任意一个电池连接该保护修复电路，保护修复电路的正、负极分别与该电池的正、负极并联，该电池的负极串联于该保护修复电路中的电子开关后的输出端成为电池的负极，上述保护修复电路对电池的电压值和温度值实时监测，当电压值或温度值达到或超过设定值时，控制上述电子开关关断充电回路，当电压值或温度值小于设定值时，控制上述电子开关重新导通充电回路，如此循环。
2.根据权利要求1所述的保护修复电路，其特征在于：所述的保护修复电路包括分压电路Rc、温度传感器Kt、电压检测监控电路Ku和控制电池组总回路的电子开关K，分压电路Rc连接于一个电池的正、负极，用于对其按照初始设定值进行分压采样，温度传感器Kt并接于分压电路Rc，用于输出信号改变分压电路Rc的分压比例，电压检测监控电路Ku连接于分压电路Rc的一电压采样端，用于对采样电压进行检测监控，并输出翻转电平信号控制电子开关K的关断或导通状态的切换。
3.根据权利要求2所述的保护修复电路，其特征在于：所述的分压电路Rc由串联的多个精密电阻组成分压采样电路单元。
4.根据权利要求2所述的保护修复电路，其特征在于：所述的温度传感器Kt是由功率管驱动工作的温度开关芯片组成的温度检测单元。
5.根据权利要求2所述的保护修复电路，其特征在于：所述的温度传感器Kt是机械的温度开关组成的温度检测单元。
6.根据权利要求2所述的保护修复电路，其特征在于：所述的电子开关K是光电耦合器控制驱动大功率开关管组成的电子开关电路单元。
7.根据权利要求2所述的保护修复电路，其特征在于：所述的电子开关K是脉动触发电路控制驱动大功率开关管组成的电子开关电路单元。
8.根据权利要求2所述的保护修复电路，其特征在于：所述的保护修复电路是一个电池BT4的正极连接极性二极管D2后至由串联的电阻R13、R10、R11、R12组成分压电路至电池BT4的负极,电阻R11、R12两端并联电容C2，电阻R13串联一功率三级管Q4、电阻R14和温度开关芯片IC3至电池BT4的负极，功率三级管Q4的控制极接于电阻R10、R11之间，温度开关芯片IC3的OUT端接于电阻R11、R12之间，温度开关芯片IC3的VCC端和GND端并联一电容C3，功率三级管Q4的发射极与电阻R14之间连接一电阻R16至电压检测芯片IC4,电压检测芯片IC4的VCC端和GND端并联一电容C4,电压检测芯片IC4的V-端连接一电阻R15至电池BT4的负极，电阻R13、R10之间连接电阻R18、光耦管U2输入端、开关管Q5至电池BT4的负极，电压检测芯片IC4的OUT端连接于开关管Q5的控制极及并接一电阻R17至电池BT4的负极，极性二极管D2还连接一电阻R20后并接光耦管U2输出端、稳压二极管ZD1、电阻R21至开关管Q6的输出端，电阻R20后连接于开关管Q6的控制端，开关管Q6的输入端连接至电池BT4的负极，开关管Q6的输入端和输出端之间并接一电阻R19。
9.根据权利要求8所述的保护修复电路，其特征在于：所述的开关管Q6是MOS管或者IGBT复合管。
10.根据权利要求2所述的保护修复电路，其特征在于：所述的保护修复电路是一个电池BT7的正极连接极性二极管D3后至由串联的电阻R22、R23、R24组成分压电路至电池BT7的负极,电阻R23、R24两端并联电容C5和电压检测芯片IC5至电池BT7的负极，电阻R23、R24之间连接一机械的温度开关TR1至电池BT7的负极，电压检测芯片IC5的V-端连接一电阻R25至电池BT7的负极，极性二极管D3后连接一电阻R27、电阻R28、三极管Q7至电池BT7的负极，电压检测芯片IC5的OUT端连接一电阻R26后至三极管Q7的基极，极性二极管D3后还连接一三极管Q9、电阻R29、极性二极管D4至开关管Q8的控制极，开关管Q8的输入极连接于电池BT7的负极，电阻R27、R28之间连接于三极管Q9的基极，电阻R29与极性二极管D4之间并联电阻R30和稳压二极管ZD2至开关管Q8的输出极，电阻R29与极性二极管D4之间还连接于一三极管Q10的基极，三极管Q10的发射极和集电极分别连接于开关管Q8的控制极和输出极。
11.根据权利要求10所述的保护修复电路，其特征在于：所述的开关管Q8是MOS管或者IGBT复合管。
12.根据权利要求1所述的保护修复电路，其特征在于：所述的保护修复电路镶嵌于电池组的任意一个电池壳体内部。
13.根据权利要求1所述的保护修复电路，其特征在于：所述的保护修复电路设置于电池组上的任意一个电池外部，但其温度检测模块设置于电池易发热的位置。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: XIAMEN MA TE HIGH-TECHNOLOGY NEW ENERGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: CHEN LAIRONG Effective date: 20150318 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
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