CN102110863B - 蓄电池的测温充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适于避免低温下充电失水的蓄电池的测温充电方法，其包括：A.充电初期若蓄电池中的电解液的温度不低于25℃时，恒流充电；当蓄电池的电压到达该蓄电池的析气电压值时，先后进行恒压充电和浮充充电。B.充电初期当所述电解液的温度低于25℃时，先以小于0.1C的充电电流对该蓄电池充电一个或多个时段；其中，在以小于0.1C的充电电流对该蓄电池充电多个时段时，各时段的充电电流先后依次增大；直至所述电解液的温度不低于25℃时，采用0.1C的充电电流进行恒流充电，直至该蓄电池的电压到达该蓄电池的析气电压值时，先后进行恒压充电和浮充充电。
Description
技术领域
本发明涉及蓄电池充电的技术领域，具体是一种阀控式铅酸蓄电池的测温充电方法。
背景技术
铅酸蓄电池是由多个单格电池串联组成。阀控式铅酸蓄电池寿命提前终止的两个最主要的因素是正板栅的软化腐蚀和电解液过度失水。对于免维护型阀控式铅酸蓄电池失水10%容量减少20%，失水25%寿命即终止。因此，该类蓄电池如何在充电过程中减少失水量成为延长阀控式铅酸蓄电池寿命的关键。
阀控式铅酸蓄电池失水的主要形式是在充电电压上升到单格电压2.35V，正极发生水分解副反应析出氧气，充电电压上升到单格2.42V负极析出氢气，也就是达到充满电电压的70%从正极开始析出氧气，达到充满电压的90%开始析出氢气，正常情况下充电由于正负极之间氧通道的存在，氧气会被负极活化物反应吸收而不会形成失水，即使到达充满电的电压数值，铅酸蓄电池栅格内部温度不高时，氧气和氢气所形成的压力也不足以顶破并冲出阀帽而形成大量失水（只有轻微失水）。但是，在室温（25℃）以下的春秋冬季节，温度偏低，有时甚至达到-20℃以下充电（铅酸蓄电池的电解液的冰点适于达到-25℃以下，有的可达-40℃），此时由于正负极液体相对粘稠，化学反应速度和离子移动速度比较缓慢，外在表现为内阻值增加，充电接电能力大大下降，正极降为正常室温的70%以下，负极更是达到40%以下，如果在初始充电阶段不加预热地仍然使用大电流充电，则会导致电化学极化电压的急速上升和电池综合阻抗的快速增加，同时充电产生的热量（Q=I2Rt）快速增多、各栅格两端的电压非正常地在初始充电阶段快速上升。
图1为室温（即25℃）条件下的阀控式铅酸蓄电池在充电时的蓄电池电压曲线。其中，在恒流充电阶段（即上述曲线的a-b段），蓄电池电压上升的速度较慢，蓄电池接受充电也主要在这个阶段，一般可接受整个充电量的70%-85%。上述恒流充电阶段结束后，依次采用恒压充电（即上述曲线的b-f段）和浮充充电（即上述曲线的g-h段）。
电解液内阻随温度的降低而增大，随温度的升高而减小。以25℃为基准，每降低10℃，则内阻增大12%～15%；温度趋于越低，内阻增大的幅度加大。这主要是由于硫酸溶液的比电阻与粘度增大的缘故。
若在低温条件以下充电，由于没有预热，将导致电池电压上升速度较快，从而使电池电压从所述曲线上的a点到达析气电压b点的时间被大幅缩短，并使得整个充电过程的安时数少于电池标称放电容量所需的安时数（电池容量的110%-130%），即在低温条件下，采用先恒流、后恒压（即通常在恒压充电至析气点后进行恒压充电，如果始终恒流充电将导致大量失水）的充电方法，将使得电池充不饱；同时，由于初期发热大，导致充电后期栅格内部压力较大，氧气和氢气顶破并冲出阀帽形成大量失水，使用恒流定时充电方式时失水量更大。
如何解决在低温下充电失水的问题，是本领域的技术难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适于避免低温下充电失水的蓄电池的测温充电方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种蓄电池的测温充电方法，其包括：
A：充电初期若蓄电池中的电解液的温度不低于25℃时，对该蓄电池进行恒流充电，且充电电流的大小为0.1C(C为蓄电池的标称容量)；直至该蓄电池的电压到达该蓄电池的析气电压值时，进行恒压充电；当该蓄电池的电压到达额定饱和电压时，进行浮充充电一段时间后结束充电；若在浮充充电过程中，测得所述电解液的温度升高时，立即停止浮充充电。
B：充电初期当所述电解液的温度低于25℃时，先以小于0.1C的充电电流对该蓄电池充电一个或多个时段；其中，在以小于0.1C的充电电流对该蓄电池充电多个时段时，各时段的充电电流先后依次增大；直至所述电解液的温度不低于25℃时，采用0.1C的充电电流进行恒流充电，直至该蓄电池的电压到达该蓄电池的析气电压值时，进行恒压充电；当该蓄电池的电压到达额定饱和电压时，经浮充充电一段时间后结束充电。
进一步，在以小于0.1C的充电电流对该蓄电池充电多个时段时，各时段的长度一致。
进一步，在同一时段内的充电电流的大小不变，以方便检测蓄电池内阻大小。
进一步，当所述电解液的温度低于10℃时，以小于0.1C的充电电流对该蓄电池充电多个时段，且各时段的充电电流先后依次增大，以逐步采用固定大小的直流电对蓄电池充电并预热电解液，使电解液的温度逐渐到达适于充电的最佳温度。各时段的充电电流先后依次增大，可防止温度过快上升带来的失水问题。
应用上述蓄电池的测温充电方法的充电装置，包括:
整流供电电路；
脉冲功率放大及变压电路，与该整流供电电路的电源输出端相连，用于向蓄电池提供充电电源；
充电取样回路，设于所述脉冲功率放大及变压电路的输出端和蓄电池之间，用于检测充电电流和电压；
铂金温度传感器，设于蓄电池的电解液中；
充电控制电路，用于通过所述充电取样回路测得的反馈信号实时控制所述脉冲功率放大及变压电路的输出电压，并通过所述铂金温度传感器测得的蓄电池电解液的实际温度，采用相应的充电程序。
本发明具有积极的效果：本发明的蓄电池的测温充电方法，在低温时采用小电流对蓄电池充电，直至蓄电池中的电解液温度达到最佳值（一般为25℃）时，采用正常的充电电流先恒流、后恒压充电，最后进行浮充充电，直至充满；该方法避免了“电化学极化电压的急速上升和电池综合阻抗的快速增加，同时充电产生的热量（Q=I2Rt）快速增多、各栅格两端的电压非正常地在初始充电阶段快速上升”的情况，从而解决了低温充电易失水的问题，确保了铅酸蓄电池的使用寿命，并使得整个充电过程的安时数满足电池标称放电容量所需的安时数（电池容量的110%-130%）。本发明在初始充电期采用多阶段小电流充电的方法，不仅完全在正负电极低温情况下的接电能力范围之内，而且利用了小电流产生的热量Q（Q=i2Rt），使得栅格温度逐步升高后，再逐步加大电流，蓄电池电压上升得非常缓慢，且在阀控电池内部温度发热到正常充电所需的温度(此时内阻已在正常范围内)再转为大电流充电，因此不会产生大量的热量而失水。本发明采用铂金温度传感器检测蓄电池中的电解液的温度，铂金温度传感器具有防强酸腐蚀的特点，因此其可靠性和使用寿命有保障。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为现有技术中的蓄电池在充电时的蓄电池电压曲线图；
图2为实施例中的蓄电池小电流充电预热曲线图；
图3为实施例中的蓄电池的预热充电装置的电路框图；
图4为实施例中的蓄电池的预热充电装置的电路原理图；
图5为实施例中的蓄电池的预热充电装置的程序框图。
具体实施方式
（实施例1）
本实施例的蓄电池的测温充电方法包括：
A：充电初期若蓄电池中的电解液的温度不低于25℃时，对该蓄电池进行恒流充电，且充电电流的大小为0.1C；直至该蓄电池的电压到达该蓄电池的析气电压值时，进行恒压充电；当该蓄电池的电压到达额定饱和电压时，经浮充充电一段时间后结束充电；该一段时间为1-24小时，浮充充电的电流为0.01-0.02c；若在浮充充电过程中，测得所述电解液的温度升高时，立即停止浮充充电，以免蓄电池过热。由于浮充充电电流较小，因此，浮充充电的电压一般在蓄电池析气点电压以下。
B：充电初期当电解液的温度15-25℃之间时，则以0.05C的充电电流对该蓄电池恒流充电；若电解液的温度为小于15℃而大于10℃之间时，则以0.04C的充电电流对该蓄恒流电池充电；即：电解液的温度越低，初始的充电电流就越小；直至所述电解液的温度不低于25℃时，采用0.1C的充电电流进行恒流充电，当蓄电池的电压到达该蓄电池的析气电压值时，进行恒压充电；当该蓄电池的电压到达额定饱和电压时，进行浮充充电一段时间后结束充电。
充电初期当测得所述电解液的温度为0-10℃时，分别以0.02C、0.04C和0.06C的充电电流对该蓄电池充电各20分钟，或依次充电25分钟、15分钟和10分钟，若在该过程中测得所述电解液的温度不低于25℃时，则立即采用0.1C的充电电流进行恒流充电，直至蓄电池的电压到达所述析气电压值时，进行恒压充电；当该蓄电池的电压到达饱和电压时，进行浮充充电一段时间后结束充电。若在该过程结束时所述电解液的温度仍低于25℃时，则采用0.06-0.08C的充电电流对该蓄电池持续恒流充电，直至测得所述电解液的温度不低于25℃时，则立即采用0.1C的充电电流进行恒流充电，直至蓄电池的电压到达所述析气电压值时，进行恒压充电；当该蓄电池的电压到达额定饱和电压时，进行浮充充电一段时间后结束充电。
见图2，充电初期当测得蓄电池中的电解液的温度为-15℃至0℃时，分别以i1=0.01C、i2=0.02C、i3=0.04C和i4=0.06C的充电电流对该蓄电池充电各30分钟（即T=30分钟），若在该过程（即图2中的“充电初期”）中测得所述电解液的温度不低于25℃时，则立即采用0.1C的充电电流进行恒流充电（即进入图2中的“正常充电阶段”），直至蓄电池的电压到达所述析气电压值时，进行恒压充电；若在该过程结束时所述电解液的温度仍低于25℃时，则采用0.06-0.08C的充电电流对该蓄电池持续恒流充电，直至测得所述电解液的温度不低于25℃时，则立即采用0.1C的充电电流进行恒流充电，直至蓄电池的电压到达所述析气电压值时，进行恒压充电；当该蓄电池的电压到达额定饱和电压时，进行浮充充电一段时间后结束充电。
充电初期当测得所述电解液的温度低于-15℃时，分别以0.01C、0.02C、0.03C、0.04C、0.05C和0.06C的充电电流对该蓄电池充电各30分钟，或依次充电40分钟、35分钟、30分钟、28分钟、25分钟和20分钟，即：电解液的温度越低，对该蓄电池充电的时段数可适当增加，且各时段内充电电流依次逐渐小幅增加；若在该过程中测得所述电解液的温度不低于25℃时，则立即采用0.1C的充电电流进行恒流充电，直至蓄电池的电压到达所述析气电压值时，进行恒压充电，经一定时间后结束充电。若在该过程结束时所述电解液的温度仍低于25℃时，则采用0.06-0.08C的充电电流对该蓄电池持续恒流充电，直至测得所述电解液的温度不低于25℃时，则立即采用0.1C的充电电流进行恒流充电，直至蓄电池的电压到达所述析气电压值时，进行恒压充电；当该蓄电池的电压到达额定饱和电压时，浮充充电经一定时间后结束充电。
本发明在初始充电期采用多阶段小电流充电的方法，不仅完全在正负电极低温情况下的接电能力范围之内，而且利用了小电流产生的热量Q（Q=i2Rt），使得栅格温度逐步升高后，再逐步加大电流，蓄电池电压上升得非常缓慢，且在阀控电池内部温度发热到正常充电所需的温度(该温度一般为25℃，此时内阻已在正常范围内)再转为大电流充电，因此不会产生大量的热量而失水。
蓄电池在充电过程中，析氧和析氢电压与蓄电池电解液的温度有关,即：
V析氧= n×2. 35-0.004×n×( Ta-25) (1)
V析氢= n×2. 42-0.004×n×( Ta-25) (2)
式中：n为串行连接的电池栅格的数量，Ta为蓄电池电解液的温度；
即在25 ℃环境下,当n = 18 时,析氧电压V析氧= 42. 3 V ,析氢电压V析氢= 43. 56 V ,且V析氧和V析氢随着温度升高而减小,温度降低而增大。
充电开始前，根据实时检测得的蓄电池的电解液的温度采用上述相应的充电程序,当测得蓄电池的电压值达到析气电压值（即所述V析氧, 各蓄电池的析气电压一般为常数，可通过实验测量）时,恒流充电结束。然后进行恒压充电；当该蓄电池的电压到达额定饱和电压时，进行浮充充电一段时间后结束充电。
由于恒流充电到恒压充电的过渡根据析气电压决定,这样可根据不同电池的放电深度,决定恒流充电阶段的时间,防止放电深度较浅的电池过充电。 另外,为了防止某些品质已受影响的电池（即已失效或即将失效的蓄电池）无法达到规定的电压值,恒流充电阶段设置最长充电时间（如：12个小时）。如果已到达最长充电时间,还未达到指定的电量,则停止充电。
（实施例2）
见图3-5，应用上述蓄电池的测温充电方法的充电装置，包括:整流供电电路1、与该整流供电电路1的电源输出端相连的用于向蓄电池提供充电电源的脉冲功率放大及变压电路4、用于检测充电电流和电压的充电取样回路3、设于蓄电池的电解液中的铂金温度传感器Rt和用于通过所述充电取样回路测得的反馈信号实时控制所述脉冲功率放大及变压电路4的输出电压的充电控制电路2；充电控制电路2适于通过所述铂金温度传感器测得的蓄电池电解液的实际温度，采用实施例1中相应的充电程序。
整流电路1的输入端与交流电网连接，整流电路1的第一直流输出端与脉冲功率放大及变压电路4的电源输入端相连，脉冲功率放大及变压电路4的电源输出端与充电取样回路3的电源输入端连接，充电取样回路3的电源输出端用于与蓄电池相连，充电取样回路3的电压采样信号输出端和电流采样信号输出端分别与充电控制电路2的电压采样信号输入端和电流采样信号输入端相连；充电控制电路2的脉冲信号输出端与脉冲功率放大及变压电路4的控制信号输入端相连4。
见图4，充电控制电路2包括有单片机IC1、稳压集成块IC2、直流运放器IC3、缓冲放大器IC4、电阻R4～R6、R8～R10和电容C2，单片机IC1是内部具有FLASH程序存储器和4路A/D转换器的P87LPC767单片机，直流运放器是型号为LM358的集成电路，缓冲放大器是型号为4050集成电路；稳压集成块IC2的输入端通过电阻R4与整流电路1的一输出端连接，稳压集成块IC2的输出端与单片机IC1的电源VCC端连接，稳压集成块IC2的输出端还与电解电容C2的正极连接，电解电容C2的正极接地；电阻R1与变压器T的连接处作为电压信号采样端通过电阻R5与直流运放器IC3的正输入端连接，直流运放器IC3的负输入端通过电阻R6接地，直流运放器IC3的输出端通过电阻R8与单片机IC1的信号输入端AD1连接，直流运放器IC3的输出端还通过电阻R7与其负输入端连接；电阻R2、R3的连接处作为信号采样端与单片机IC1的信号端AD0连接；单片机IC1的控制信号输出端通过电阻R9与缓冲放大器IC4的输入端连接，缓冲放大器IC4的输出端通过电阻R10与脉冲功率放大及变压电路4的控制信号输入端连接。
脉冲功率放大及变压电路4包括：开关管VMOS和变压器T；开关管VMOS的电流输入端和电流输出端分别与整流电路1的输出端和变压器T的初级线圈连接，开关管VMOS的控制端与充电控制电路2的控制信号输出端连接；变压器T的次级与作为输出端与充电取样回路3的输入端连接。
电取样回路3包括有整流二极管D1、电解电容C1、采样电阻R1和分压电阻R2、R3；所述的整流二极管D1的正极与变压器T的次级线圈的一端连接，整流二极管D1的负极与继电器KA的常开触点的一端相连，该常开触点的另一端与待充电的蓄电池的正极相连；电解电容C1的正极与整流二极管D1的负极连接，电解电容C1的负极接地；分压电阻R2、R3串联后一端与整流二极管D1的负极连接，另一端接地；采样电阻R1的一端与变压器T的次级线圈的另一端连接，采样电阻R1的另一端和蓄电池的负极接地。图4中的接头X3、X4分别接蓄电池的正、负极。
首先由交流市电通过整流和滤波提供恒稳直流电压进行电路供电；PWM脉冲产生及定时控制电路则控制初始充电电流大小、时间长短和正常充电电流的大小；充电及温度、电流、电压取样回路用来产生充电电流、采样初始充电期环境温度、采样充电电流大小和充电期间当前电压高低；脉冲功率放大及变压电路，将单片机并行口输出的PWM脉冲放大后推动大功率VMOS管工作，开关高频变压器将整流后高压变压为充电所需电压和电流。
单片机IC1的并行口P0.1发出PWM脉冲，脉冲频率约为20KHz。PWM脉冲提供开关电源脉冲变压器T所需的激励脉冲频率，使充电器产生充电所需脉冲峰值电流，在每个PWM脉冲频率不变的情况下，脉冲宽度窄、脉间宽度宽则产生充电电流小，否则充电电流大。脉宽脉间长度大小，由P0.1口的PWM发生器软件赋值改变，但脉冲频率不变，即改变PWM脉冲脉宽和脉间大小就可以控制充电电流的大小。定时则由软件循环或单片机内部定时器完成。单片机产生20KHz脉冲，经过电阻R9隔离和IC4的同相缓冲放大后，经电阻R10限流后直接驱动开关管VMOS进行开关通断，从而将经过交流220V整流得到的直流高压变换为开关电源所需的脉冲电压，开关电源脉冲变压器T的次级得到经过变压过的较低的脉冲电压，经整流二极管D1整流及电解电容C1滤波后，提供蓄电池充电所需电压。
充电电流大小由采样电阻R1一端（即图4中的接点Q）的电压，作为直流运放器IC3的正端输入，经直流运放器IC3的放大后被单片机IC1的A/D1端采集。充电期间电压采样是将充电电压经过分压电阻R2、R3分压后由单片机IC1的A/D0端采集，以得到充电电压值，并根据此充电电压值及时转为恒压充电和浮充充电，到达设定电压值后，停止整个充电过程。
铂金温度传感器Rt与电阻R11分压后，供单片机A/D2端口采集获得，电流大小由采样电阻R1两端输出，作为直流运放器IC3的正端输入，经运放器放大后被单片机A/D1端采集。充电期间电压采样是将充电电压经过R2、R3分压和单片机A/D0采集，得到电压高低数值，并根据此数值及时转为恒压充电和浮充充电，到达设定电压值后，停止整个充电过程。
单片机IC1还可使用内部具有FLASH程序存储器和4路A/D转换器和4路PWM脉冲发生器的P87LPC768芯片，运放器IC3可使用LM358集成电路，缓冲器IC4使用4050集成电路，稳压器IC2使用7805集成电路。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种蓄电池的测温充电方法，其特征在于包括如下步骤：
A：充电初期若蓄电池中的电解液的温度不低于25℃时，对该蓄电池进行恒流充电，且充电电流的大小为0.1C；直至该蓄电池的电压到达该蓄电池的析气电压值时，进行恒压充电；当该蓄电池的电压到达额定饱和电压时，进行浮充充电一段时间后结束充电；
B：充电初期当所述电解液的温度低于25℃时，先以小于0.1C的充电电流对该蓄电池充电一个或多个时段；其中，在以小于0.1C的充电电流对该蓄电池充电多个时段时，各不同时段的充电电流先后依次增大；直至所述电解液的温度不低于25℃时，采用0.1C的充电电流进行恒流充电，直至该蓄电池的电压到达该蓄电池的析气电压值时，进行恒压充电；当该蓄电池的电压到达额定饱和电压时，经浮充充电一段时间后结束充电。
2.根据权利要求1所述的蓄电池的测温充电方法，其特征在于：在以小于0.1C的充电电流对该蓄电池充电多个时段时，各时段的长度一致。
3.根据权利要求1或2所述的蓄电池的测温充电方法，其特征在于：在同一时段内的充电电流的大小不变。
4.根据权利要求1或2所述的蓄电池的测温充电方法，其特征在于：当所述电解液的温度低于10℃时，以小于0.1C的充电电流对该蓄电池充电多个时段，且各不同时段的充电电流先后依次增大。
5.根据权利要求1或2所述的蓄电池的测温充电方法，其特征在于：若在浮充充电过程中，测得所述电解液的温度升高时，立即停止浮充充电。
6.一种应用上述权利要求1至5之一所述的蓄电池的测温充电方法的充电装置，其特征在于包括：
整流供电电路（1）；
脉冲功率放大及变压电路（4），与该整流供电电路（1）的电源输出端相连，用于向蓄电池提供充电电源；
充电取样回路（3），设于所述脉冲功率放大及变压电路（4）的输出端和蓄电池之间，用于检测充电电流和电压；
铂金温度传感器，设于蓄电池的电解液中；
充电控制电路（2），用于通过所述充电取样回路测得的反馈信号实时控制所述脉冲功率放大及变压电路（4）的输出电压，并通过所述铂金温度传感器测得的蓄电池电解液的实际温度，采用相应的充电程序。
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