CN101917045A

CN101917045A - 带过压保护电路的城轨车辆铅酸蓄电池及其过压保护方法

Info

Publication number: CN101917045A
Application number: CN 201010282731
Authority: CN
Inventors: 刘东广; 刘健平
Original assignee: CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co Ltd
Current assignee: CRRC Zhuzhou Locomotive Co Ltd
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: CN101917045B

Abstract

本发明公开了一种带过压保护电路的城轨车辆铅酸蓄电池，包括铅酸蓄电池和位于铅酸蓄电池箱内的温度传感器，所述铅酸蓄电池的正极端连接有相互并联的接触器和充电电阻；所述铅酸蓄电池还并联接入电压比较放大器，所述电压比较放大器的输出端接入控制器，所述控制器的信号输出端与所述接触器的控制线圈连接。同时，还提供了与上述装置对应的过压保护方法，以解决城轨车辆因充电机电压过高而铅酸蓄电池可接受的浮充电压范围窄造成蓄电池充电过压，降低蓄电池的使用性能、缩短蓄电池的使用寿命甚至造成蓄电池热失控烧损等问题，从而保障了车辆的正常运营，降低了成本。

Description

带过压保护电路的城轨车辆铅酸蓄电池及其过压保护方法

技术领域

本发明属于铅酸蓄电池领域，具体是指带过压保护装置的城轨车辆铅酸蓄电池及其过压保护方法。

背景技术

我国城轨车辆牵引系统充电机输出的额定直流电压在120V左右，最高输出直流电压可达130V。碱性电池允许的最高浮充电压高于充电机输出的最高电压，不存在过压问题。自2009年以来已经开始批量应用铅酸蓄电池，而充电机的电压参数没有改变。一般根据铅酸蓄电池的适宜浮充电压范围，一组蓄电池配置52～54节2V单体电池，当充电机输出的电压为最高值130V时，平均每节电池的浮充电压超过2.4V，该电压使铅酸蓄电池容易产生过热甚至烧损。一旦发生烧损现象，势必造成蓄电池产品的报废，影响车辆的正常运营。

因此，蓄电池的过压保护对于车辆的正常运营尤为重要。目前涉及铅酸蓄电池的过压保护是将蓄电池切除。

传统的蓄电池保护电路设有欠压保护和蓄电池高温保护，没有蓄电池充电过压保护。如图1所示，为我国现有城轨车辆具有最全面的保护功能的蓄电池电路示意图，图中充电机1同时给蓄电池和控制回路主要负载R2、永久负载R1供电。在现有城轨车辆110V回路中的蓄电池箱内设有一个蓄电池温度传感器3，当蓄电池箱内温度达到极限值自动切除充电机1的电压输出，该保护方式属于过热保护。对于碱性电池来讲，它允许的最高浮充电压高于充电机输出的最高电压，不存在过压问题，有过热保护就可满足使用条件。对于铅酸蓄电池，它允许的最高浮充电压低于充电机输出的最高电压，一旦充电机的输出电压高于铅酸电池允许的最高浮充电压，就会使电池过热甚至热失控导致烧损。一组蓄电池2由多个电池盒安装，而温度传感器3装在蓄电池组中某一节电池的上方，它只能监测该电池盒内的近似平均温度，存在的盲区太大，甚至某个电池已经烧损它也可能监测不到具体电池的温度变化。因此，对于铅酸蓄电池，蓄电池的高温保护不能代替过压保护。另外，在蓄电池浮充电压过高的情况下，不能有效的减缓电池温度的升高而只是在蓄电池温度达到极限值时充电机切除电压输出，从而会影响车辆的正常运营。该现有电路对蓄电池的保护主要有四个方面：

1、蓄电池的充电电流限制保护电路，在充电机1内设有蓄电池充电电流检测装置LH用于检测蓄电池的充电电流信号传输给充电机1，当蓄电池2的充电电流超过规定值，充电机1通过降低输出电压来减少蓄电池2的充电电流，避免蓄电池2造成电流过充损伤。

2、蓄电池超温保护电路，温度传感器3设置在蓄电池箱内某一节蓄电池的电连接片上，检测该处的温度信号传输给充电机1，充电机1根据蓄电池的温度特性曲线调整输出电压使蓄电池2的浮充电压在合适的范围内。当该处的温度超过蓄电池所允许的最高工作环境温度，充电机1将切除对蓄电池2的充电。由于温度传感器3只设在蓄电池箱内某一个点，当所有蓄电池都处在正常状态时，蓄电池箱内的整体温度处于稳定平衡状态，温度传感器3检测的温度值近似代表蓄电池箱整体的温度，当存在某一个远离温度传感器3的单体电池因浮充过压导致过热时，温度传感器3不处在该位置便不能准确测量该电池的温度，充电机1不能及时对蓄电池进行有效保护。

3、蓄电池短路保护电路，当蓄电池负载发生短路或接地现象，熔断器4在短路电流超过规定值时快速熔断，保护蓄电池2避免因负载发生短路或接地烧损。

4、蓄电池欠压保护电路，当蓄电池放电至接近终止电压达到整定值时，欠压继电器8控制接触器6断开，切除蓄电池主要负载7，保留永久负载5，保护蓄电池2避免过放。

由以上说明可知，该电路没有蓄电池浮充电过压保护功能，虽然蓄电池温度保护环节中具有根据蓄电池的温度特性曲线调整输出电压的功能，但是，蓄电池单体的浮充电压是由充电机的输出电压与整组蓄电池的单体数量配置所决定的，在蓄电池浮充电压出现过压的情况下不能调整电压进行过压保护。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种带过压保护电路的城轨车辆铅酸蓄电池及过压保护方法，以解决城轨车辆因充电机电压过高而铅酸蓄电池可接受的浮充电压范围窄造成蓄电池充电过压，降低蓄电池的使用性能、缩短蓄电池的使用寿命甚至造成蓄电池热失控烧损等问题。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是：

一种带过压保护电路的城轨车辆铅酸蓄电池，包括铅酸蓄电池和位于铅酸蓄电池箱内的温度传感器，本发明的特征是，所述铅酸蓄电池的正极端连接有相互并联的接触器和充电电阻；所述铅酸蓄电池还并联接入电压比较放大器，所述电压比较放大器的输出端接入控制器，所述控制器的信号输出端与所述接触器的控制线圈连接。

为便于操作者实时便捷的了解蓄电池过压状况，作为优选方案，所述控制器的信号输出端还连接有显示模块。

为了使得城轨车辆的铅酸蓄电池实现上述新的过压保护功能，并同时具备现有技术中的多种保护功能，所述铅酸蓄电池还分别与蓄电池的充电电流限制保护电路、蓄电池超温保护电路、蓄电池短路保护电路和蓄电池欠压保护电路电连接。

同时，本发明还提供了一种与上述带过压保护电路的城轨车辆铅酸蓄电池相应的过压保护方法，其包括如下步骤：

首先根据蓄电池箱内的温度，设定第一过压保护基准值U_L和第二过压保护基准值U_H；其中：

第一过压保护基准值U_L的取值是：[25℃时蓄电池的恒流均充电压值+（25-T）×K]×N.

第二过压保护基准值U_H的取值是：[25℃时蓄电池的浮充电过热危险电压最小值-0.02V+（25-T）×K]×N.

上述公式中，T表示温度传感器测量的实际摄氏温度值，K表示单体电池浮充电压温度补偿系数，N表示整组蓄电池所包括的电池单体数量；

当蓄电池的浮充电压U₂满足条件: U_L< U₂< U_H,并维持设定的时延h后，在蓄电池正极串入充电电阻，产生压降，降低蓄电池组的浮充电压使其达到合适状态；当蓄电池的浮充电压达到第二基准值U_H时，立即在蓄电池正极串入充电电阻，产生压降，降低蓄电池组的浮充电压使其达到合适状态；当蓄电池过压消失,即蓄电池的浮充电压恢复正常时，由充电机直接对蓄电池充电。

上述时延h的设定为：h=2×(U_H-U₂)/（U_H- U_L），其中U_L为第一过压保护基准值, U_H为第二过压保护基准值, U₂为蓄电池的浮充电压。

本发明的设计原理描述如下：

所述城轨车辆铅酸蓄电池与传统的蓄电池回路相比，增加了过压保护电路，具体包括以下五部分：

1）电压比较放大器；通过温度传感器监测蓄电池箱内温度，在电压比较放大器内设有随该温度变化进行调整的过压保护第一基准值U_L和过压保护第二基准值U_H。当电池的浮充电压U₂为: U_L< U₂< U_H，超过第一过压保护基准值小于第二过压保护基准值时，电压比较放大器内的延时电路开始计时，在过压信号的维持时间没有达到设定的延时，即不到延时定值所规定的时间h发生过压消失现象时，电压比较放大器的输出端则无过压信号输出给控制器；当达到延时设定值h时，电压比较器有过压信号输出给控制器。当电池的浮充电压达到或超过第二基准值U_H时，电压比较放大器立即输出过压信号给控制器。

2）控制器；控制器无过压信号输入时，输出可靠稳定的控制电压U4给开关或接触器K的控制线圈，使开关或接触器K处于导通状态。控制器输入端接收到过压信号时，输出端的控制电压U4为0，开关或接触器K断开，充电电阻投入工作。开关或接触器K断开的同时，控制器将充电机的输出电压U1与蓄电池的浮充电压U2进行比较，当U1 ＞U2，说明过压保持，控制器的输出信号U4为0；当U2=U1，说明过压消失，控制器输出可靠稳定的控制电压给开关或接触器K的控制线圈使开关或接触器K导通。另外，在输出信号U4为0时，控制器输出“过压”信号U5给司机室及其他设备，提示蓄电池充电过压。

3）蓄电池充电电阻；充电电阻的电阻值取值方法是：在蓄电池允许的最高工作温度、系统设定的最大浮充电流以及产生最高浮充电压时串入充电电阻R，使蓄电池的浮充电压降至可承受的最高浮充电压值以下。同时兼顾在常温状态、系统设定的最大浮充电流以及产生最高浮充电压时串入电阻R，蓄电池的浮充电压降至接近其合适的中间值。

4）在蓄电池的正极输出端增加一个由线圈控制的开关或接触器K;

当开关或接触器K的控制线圈输入端有电压U4使开关或接触器K闭合，蓄电池处于正常工作状态，与开关或接触器K并联的充电电阻由于两端电压为0，没有电流流过充电电阻，充电电阻不发生作用，不产生能量消耗。当开关或接触器K的控制线圈输入端的电压U4为0使开关或接触器K断开，电流从充电电阻R流过并在电阻R两端产生压降，降低蓄电池组的浮充电压使其达到合适状态，同时也减少了蓄电池组的浮充电流，使蓄电池不致过热。对蓄电池浮充过压起到了保护。开关或接触器K无论闭合与断开，由于两端并联了充电电阻R，既不会产生过电压冲击也不会断开蓄电池，对车辆的正常运营不发生影响。当蓄电池处于放电状态，蓄电池组两端电压U2=充电机输出线两端电压U1，充电电阻R不会投入工作，不产生能量消耗。

5）上述电器部件与回路之间的联接装置——电缆组件。

本发明所述方法中过压保护基准值随蓄电池的温度变化而调整，其中，第一过压保护基准值略高于设定在当前工作温度下铅酸蓄电池的电池组总电压适合的恒流均充电压值，该值大于电池组浮充电压的最高值，第二过压保护基准值设定在当前工作温度下蓄电池组中各电池的浮充电过热危险电压最小值-0.02V之和。该值高于略高于铅酸蓄电池的电池组适合的恒流均充电压的最高值但小于过热危险值。当电池组的浮充电压超过第一过压保护基准值（即轻度过压）经过一定时间的延时进行保护动作，既避免了浮充电压出现扰动时产生的误动作，又能及时地保护电池组。当电池组的浮充电压超过第二过压保护基准值（即严重过压），本装置立即进行保护。因此，本装置是二次过压保护装置，能及时可靠地保护电池组。

同时，本发明所述过压保护装置采用在电池组的正极端串接电阻并将切换开关或接触器与充电电阻并联，在电池的浮充电压发生过压的情况下不对蓄电池进行隔离，既可对电池组浮充电过压进行保护，又不影响车辆的正常运营。

综上所述，本发明中过压保护电路及方法保护了蓄电池的正常使用寿命，避免了蓄电池因严重过压充电造成损伤甚至烧损报废的现象，同时也保障了车辆的正常运营，降低了成本。

附图说明

图1是传统的蓄电池保护装置的应用示意图；

图2是本发明在应用时的电气原理示意图；

在上述附图中：

1-充电机； 2-铅酸蓄电池（GB）；3-温度传感器(R_θ)；4-熔断器（Q）；5-蓄电池永久负载（R1）；6-由欠压继电器控制的接触器(K1)；7-蓄电池主要负载（R2）；8-欠压继电器； 9-充电电阻(R)； 10-接触器（K）； 11-电缆组件；12-电压比较放大器； 13-控制器；14-接触器（K）的控制线圈； U1-充电机输出的电压值；U2-蓄电池组两端的电压值；U3-比较放大器输出给控制器的表示有无过压的电压信号值；U4-控制器输出的控制电压，用于控制开关（或接触器）的闭合与断开；U5-控制器输出的充电过压信号电压；U6-给电压比较放大器的蓄电池箱温度信号电压。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述:

如图2所示，所述带过压保护装置的城轨车辆铅酸蓄电池中铅酸蓄电池2接入充电机1，该充电机1包含设在充电机内的蓄电池充电电流检测装置。蓄电池箱内安装有温度传感器3，所述铅酸蓄电池通过熔断器4连接有相互并联的蓄电池永久负载5和由受欠压继电器8控制的接触器6和蓄电池主要负载7串联而成的主要负载支路，在铅酸蓄电池2的正极输出端设有相互并联的由线圈控制的接触器10和蓄电池充电电阻9；所述铅酸蓄电池2还并联接入电压比较放大器12，所述电压比较放大器12的输出端接入控制器13，所述控制器的输出端连接有接触器的控制线圈14；上述各个元器件均采用电缆组件11连接。

首先通过温度传感器3监测蓄电池箱内温度，在电压比较放大器12内设定该温度下的第一过压保护基准值和第二过压保护基准值，其中基准值均随温度的升高而降低。当电池的浮充电压超过第一基准值小于第二基准值维持一定时间h由控制器控制接触器K断开，充电电阻自动投入工作；当电池电压超过第二基准值接触器K立即断开由充电电阻投入工作。降低电池的浮充电压和充电电流以保护蓄电池。接触器K断开的同时，控制器对充电机的输出电压U1与蓄电池组的浮充电压U2进行比较，当U1 ＞U2，说明过压保持，控制器的输出信号U4为0，接触器K维持断开；当U2=U1，说明过压消失，控制器输出控制电压给接触器K的控制线圈使接触器K吸合，充电电阻两端电压为零并处于待工作状态。另外，在控制器输出信号U4为0时，控制器输出“过压”信号U5给司机室及其他设备以显示起到监测的作用。蓄电池在放电过程中U2=U1，接触器K吸合，充电电阻不投入工作，不消耗能量。

以下结合具体实施例作详细描述：

某地铁车辆的蓄电池回路中，一组蓄电池共使用53个2V单体某型号160Ah容量的铅酸蓄电池，该电路的电池充电电流限制值为32A,充电机的最高输出电压为130V,该电池的浮充电压温度补偿系数为0.004 V/℃，电池充电的最高允许温度为+40℃，25℃时蓄电池合适的浮充电压值为2.25～2.29V,恒流均充电压值为2.35V, 25℃时蓄电池的浮充电过热危险值最小值为2.4V。40℃时蓄电池合适的浮充电压值为2.19～2.23[2.25-(40-25)×0.004～2.29-（40-25）×0.004]V,恒流均充电压值为2.32V[2.35-（40-25）×0.004]。 25℃时蓄电池的浮充电过热危险值最小值为2.4V。

车辆在运用过程中由温度传感器测量的蓄电池箱内温度为40℃时，电压比较放大器接收到温度为40℃的电压信号后，设定此时的第一过压保护基准值U_L=[2.35+（25-40）×0.004]×53=121.37V；第二过压保护基准值U_H= [2.4-0.02+（25-40）×0.004]×53=122.96V。

当蓄电池的浮充电压U₂为： 121.37V < U₂< 122.96V，电压比较放大器内的延时电路开始计时，状态维持时间达到h=2×(122.96-U₂)/（122.96- 121.37）=2×(122.96-U₂)/1.59小时，电压比较器输出给过压信号U3给控制器, 控制器输出端的控制电压U4为0，使接触器K的控制线圈14失电，断开接触器K，充电电阻投入工作，从而将蓄电池的浮充电压U₂降低。充电电阻R取值为：R≥130V-[2.29+（25-40）×0.004]×53=0.369Ω，取R=0.37Ω。同时，控制器对充电机的输出电压U1与蓄电池组的浮充电压U2进行比较，当U1 ＞U2，说明过压保持，控制器的输出信号U4为0，接触器K维持断开；当U2=U1，说明过压消失，控制器输出控制电压给接触器K的控制线圈使接触器K吸合，充电电阻两端电压为零并处于待工作状态。另外，在控制器输出信号U4为0时，控制器输出“过压”信号U5给司机室及其他设备。

当充电机发生突发情况，使蓄电池的浮充电压U₂≥122.96V，电压比较放大器立即输出过压信号给控制器，U4=0，接触器K的控制线圈失电，断开接触器K，充电电阻R投入工作。

蓄电池在放电过程中U2=U1，接触器K吸合，充电电阻不投入工作，不消耗能量。

综上所述，基于上述结构的车辆蓄电池在运行过程中能得到有效的保护，避免了铅酸蓄电池的烧损，延长了铅酸蓄电池的使用寿命。

Claims

1.一种带过压保护电路的城轨车辆铅酸蓄电池，包括铅酸蓄电池2和位于铅酸蓄电池箱内的温度传感器3，其特征是，所述铅酸蓄电池的正极端连接有相互并联的接触器10和充电电阻9；所述铅酸蓄电池还并联接入电压比较放大器12，所述电压比较放大器12的输出端接入控制器13，所述控制器13的信号输出端与所述接触器10的控制线圈14连接。

2.根据权利要求1所述带过压保护电路的城轨车辆铅酸蓄电池，其特征是，所述控制器13的信号输出端还连接有显示模块。

3.根据权利要求1所述带过压保护电路的城轨车辆铅酸蓄电池，其特征是，还包括与所述铅酸蓄电池2电连接的蓄电池的充电电流限制保护电路、蓄电池超温保护电路、蓄电池短路保护电路和蓄电池欠压保护电路。

4.一种与权利要求1所述带过压保护电路的城轨车辆铅酸蓄电池相应的过压保护方法，其特征是，包括如下步骤：

首先根据铅酸蓄电池箱内的温度，设定第一过压保护基准值U_L和第二过压保护基准值U_H；其中：

第一过压保护基准值U_L的取值是：[25℃时蓄电池的恒流均充电压值+（25-T）×K]×N；

第二过压保护基准值U_H的取值是：[25℃时蓄电池的浮充电过热危险电压最小值-0.02V+（25-T）×K]×N；

当蓄电池的浮充电压U₂满足条件: U_L< U₂< U_H,并维持设定的时延h后，在蓄电池正极串入充电电阻，产生压降，降低蓄电池组的浮充电压使其达到合适状态；当蓄电池的浮充电压达到第二基准值U_H时，立即在蓄电池正极串入充电电阻，产生压降，降低蓄电池组的浮充电压使其达到合适状态；当蓄电池组的过压消失时，由充电机直接对蓄电池充电。

5.根据权利要求4所述过压保护方法，其特征是，所述时延h的设定为：h=2×(U_H-U₂)/（U_H- U_L），其中U_L为第一过压保护基准值, U_H为第二过压保护基准值, U₂为蓄电池的浮充电压。