CN103457301A - 一种电池活化装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池活化装置，用实际负载做为电池的活化负载，通过测量电池的实际放电功率及供电时间，判断其性能好坏，并计算实际容量值。电池活化装置，包括执行单元，交流/直流变换单元，直流处理单元，蓄电池，电流测量单元，检测单元，主控单元，驱动控制电路和显示装置。本发明通过控制交流侧快速开关通断，来实现电池的放电/充电循环，从而实现定期对电池性能进行活化的效果，从而提高其性能、延长使用寿命。此外，还能在电池放电期间，通过检测电池的端电压、负载电流以及设定范围内的供电时间，通过计算即可获取电池的实际容量参数，由此判断电池性能的优劣。

Description

一种电池活化装置及其控制方法

 

技术领域

    本发明涉及电池活化装置，特别是涉及一种能够在线检测电池性能的活化装置。

背景技术

在关键性负载供电时，为了防止外部电力中断而造成生产损失、控制失灵、设备意外损坏等情况发生，往往需要配备蓄电池做为能量储存装置。在交流供电正常时，电能一部分供给后级负载，另一部分转换成直流电给蓄电池组进行充电，使其转换成化学能储存在电池内。当交流供电中断时，储存在电池内的化学能重新转换成电能，维持负载的一定时间的供电需要。

电池性能的好坏决定了系统的可靠性高低。长期处于浮充状态的电池，由于缺少充放电过程而造成电极钝化而导致容量降低；或者由于过充等原因而造成电池的损坏，由此导致系统的可靠性降低。由于电池储存的是化学能，无法通过直观的方法判断其性能好坏，当前最可靠的测量方法是为其施加一定负载电流，通过测量其实际带载能力判断其性能好坏，并计算其实际容量。

以往的检测方法一般将电池从系统中分离出来进行功能性测试，但此方法会导致系统安全性降低。测量期间，一旦发生交流供电故障，负载会由于缺少电池的能源后备而导致供电中断。而且传统的离线检测方法需要专用的检测设备，其造价高昂、投资大；设备参数多、操作复杂，非专业人士无法掌握其操作要领。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种电池活化装置，用实际负载做为电池的活化负载，通过测量电池的实际放电功率及供电时间，判断其性能好坏，并计算实际容量值。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电池活化装置，包括执行单元，交流/直流变换单元，直流处理单元，蓄电池，电流测量单元，检测单元，主控单元，驱动控制电路和显示装置；其中执行单元用于控制交流电源的通断，交流/直流变换单元与执行单元连接，直流处理单元与交流/直流变换单元连接，所述交流/直流变换单元与直流处理单元之间连接着蓄电池，所述电流测量单元与蓄电池相连以测量蓄电池输入或输出的电流，所述蓄电池和电流测量单元与检测单元连接，所述检测单元连接着主控单元，主控单元通过驱动控制电路与执行单元相连，所述显示装置与主控单元连接。

作为一种优选方案，所述直流处理单元为直流/交流变换单元。

作为一种优选方案，所述直流处理单元为直流电压变换单元。

作为一种改进方案，所述执行单元与输入电源之间设置有交流输入开关。

作为一种改进方案，所述电池组与直流处理单元之间设置有电池开关。

作为一种改进方案，所述主控单元还连接有存储单元。

作为一种优选方案，所述主控单元为PLC可编程控制器。

一种电池活化装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）    预先设定活化参数；

（2）    主控单元根据预设的参数及通过检测单元获得的测量数据，进行逻辑判断；

（3）    当未达到活化条件时，执行单元导通，交流电源经输入开关送达执行单元后进入交流/直流变换单元输出直流电，经过转换后的直流电分成两路，一路直流电通过电池开关为电池组充电；另一路直流电经直流处理单元处理之后供给后级负载；

（4）    当达到活化条件时，当主控单元判断到通过检测单元获得的参数达到预设的活化标准时，发出断开命令，该命令经驱动单元传送至执行单元，执行单元立即断开交流主回路；交流主回路断电后，蓄电池释放化学能，释放出的直流电经直流处理单元处理之后继续向负载供电；

（5）    当达到停止活化条件时，主控单元发出导通命令，该命令经驱动单元传送至执行单元后，执行单元导通，恢复至正常供电，主控单元计算电池组放电过程中的端电压、电流、放电时间，经过运算处理即可计算出电池放电容量并显示在显示装置上。

作为上述电池活化装置的控制方法的一种改进方案：

所述步骤（1）中还包括以下步骤：预先设定下降斜率警报值；

所述步骤（4）中还包括以下步骤：当电压下降斜率增大达到下降斜率警报值时，控制单元迅速发出导通信号通过驱动控制电路传输至执行单元，执行单元导通恢复交流供电。

作为上述电池活化装置的控制方法的一种改进方案：

所述步骤（1）中还包括以下步骤：预先设定电池端电压警报值和放电容量警报值；

所述步骤（5）中还包括以下步骤：主控单元测量并计算出电池端电压和电池放电容量并输出在显示装置上，当电池端电压或电池放电容量达到警报值时，主控单元通过显示装置进行警报提示。

本发明提供的电池活化装置，包括执行单元，检测单元，交流/直流变换单元，直流处理单元，主控单元，驱动控制电路，电流测量单元，显示装置。其中，执行单元与交流输入电源连接，直流处理单元连接有负载。输入电源通过执行单元、交流/直流变换单元和直流处理单元为负载提供工作电流，蓄电池通过直流处理单元为负载提供工作电流。交流/直流变换单元用于将交流电转换为直流电，直流处理单元用于对输入的直流电进行处理并向负载输出直流电或交流电。

本电池活化装置中的负载可以为直流负载或交流负载，输出至负载的电流可以是直流电或者是交流电。因此直流处理单元主要分为两种类型，一种是直流/交流变换单元，即将直流电转换为交流电；另一种为直流电压变换单元，即对输入的直流电进行电压的升降操作或稳压操作，并向负载输出稳定直流电流。

在电池活化装置运行前或运行中，可以设定进行活化的参数，如活化周期，蓄电池放电电压、放电电流，充电容量、充电时长，并可以设定停止活化进行充电时的参数，如蓄电池放电时长、放电容量，终止电压、终止电流等。

电池活化装置运行过程中，主控单元根据预设的参数及通过检测单元获得的测量数据，不断地进行逻辑判断。

在检测单元获得的各项参数未达到预设的活化标准时，不启用活化功能，执行单元导通，交流电源经输入开关送达执行单元后进入交流/直流变换单元完成电源的交/直流转换，经过转换后的直流电分成两路，一路直流电通过电池开关为电池组充电，转换成电池内部的化学能进行存储；另一路经直流处理单元将直流电处理后供给后级负载。

当主控单元判断到通过检测单元获得的参数达到预设的活化标准时，发出断开命令，该命令经驱动单元传送至执行单元，执行单元立即断开交流主回路。交流主回路断电后，蓄电池释放化学能，释放出的直流电经直流处理单元处理后继续向负载供电。在主控单元中还能够预先设定电压下降斜率警报值，在电池活化放电过程中若电池组性能严重下降，其电压下降斜率增大达到下降斜率警报值时，控制单元迅速发出导通信号通过驱动控制电路传输至执行单元，执行单元迅速导通，恢复交流供电。因此即使在电池性能最为恶劣的情况亦不会影响系统原有安全性。

当检测单元获得的参数达到停止活化标准时，主控单元发出导通命令，该命令经驱动单元传送至执行单元后，执行单元重新导通，恢复至正常供电。

主控单元通过运算处理电池组放电过程中的端电压、电流、放电时间等参数，即可计算出电池放电容量并由此判断出电池性能优劣，其运算处理结果可通过显示装置进行显示。作为优选，可以预先设定电池的端电压警报值和放电容量警报值，当电池的端电压或电池放电容量达到警报值，即电池性能无法达到正常使用的标准时，主控单元通过显示装置进行警报提示。

与现有技术相比，本发明提供的电池活化装置及其控制方法具有以下优点和有益效果：

1.      通过控制交流侧快速开关通断，来实现电池的放电/充电循环，从而实现定期对电池性能进行活化的效果，从而提高其性能、延长使用寿命。当快速开关断开时，交流供电中断，电池进入放电循环，其内部储存的化学能开始释放，供给后级负载。控制电路不断检测电池端电压及电流，一旦电池电压或放电容量低于设定值时，交流侧快速开关立即导通，恢复交流供电，同时进入电池充电循环。

2.      在电池放电期间，通过检测电池的端电压、负载电流以及设定范围内的供电时间，通过计算即可获取电池的实际容量参数，由此判断电池性能的优劣。

3.      在电池放电时，性能大幅下降时，能够及时切换回正常交流供电，保证系统安全性。

4.      通过交流输入开关和电池开关能够灵活控制输入电源和蓄电池的连接和断开。

5.      采用电路检测及电子控制交流输入侧的通断，检测精确、响应速度快，在电池活化/检测时，不会对后级负载的供电造成中断，安全性高。

6.    结构简单，成本低，操作简便，便于批量生产。

附图说明

图1为实施例一中电池活化装置的电路结构框图；

图2为实施例一中电池活化装置运行过程中各关键参数的变化曲线图。

图3为实施例二中电池活化装置的电路结构框图。

图4为实施例二中电池活化装置运行过程中各关键参数的变化曲线图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例一：

如图1所示，本发明提供的电池活化装置，包括执行单元，检测单元，交流/直流变换单元，直流/交流变换单元，主控单元，驱动控制电路，电流测量单元，显示装置。其中，执行单元与交流输入电源连接，直流/交流变换单元连接有负载，本例中的负载为交流负载。输入电源通过执行单元、交流/直流变换单元和直流/交流变换单元为负载提供工作电流，蓄电池通过直流/交流变换单元为负载提供工作电流。交流/直流变换单元用于将交流电转换为直流电，直流/交流变换单元用于将直流电转换为交流电。

执行单元与输入电源连接，实现交流侧电源的快速通断控制，检测单元与电池两端相连以检测电池电压；电流测量单元与电池连接从而对电池输入或输出的直流电流进行取样，并将电流参数传输给检测单元。检测单元将获取的电流，电压参数传输给主控单元，所述主控单元对所获取的参数进行逻辑运算、判断，形成指令后传输给驱动控制电路；驱动控制电路将主控单元形成的控制信号放大、隔离，并控制执行机构实现所需的控制功能。主控单元还可将计算、测量结果通过显示装置输出。显示装置优选为触摸显示屏，这样直接在显示装置上操作，就能够实现参数设定、功能控制、结果显示、警报、数据远传等功能。作为优选，主控单元还可连接存储单元，以存储计算、测量结果。

执行单元可采用接触器、继电器、可控硅、晶闸管等能够控制通断的常规元件。电流测量单元可采用分流器、霍尔电流传感器等能够实现电流取样的常规元件。主控单元可以采用单片机，PLC可编程控制器等能够实现运算和逻辑判断的数据处理元件。

为了使本电池活化装置操控性更强，还可以在执行单元与输入电源之间设置交流输入开关。可以通过操作该交流输入开关以控制输入电源的连接和断开。作为优选，在电池组与直流/交流变换单元之间还可以设置电池开关，通过操作该电池开关的开闭,从而控制蓄电池的连接和断开。

图2中展示出了电池活化装置运行过程中各关键参数的变化曲线，该图中①“交流电源”为交流侧接入电源的电压值、②“交流输入”为输入交流/直流变换单元的交流电压，③“电池电压”为通过检测机构获得的蓄电池两端的电压值，④“电池电流”为电流测量单元取样获得的蓄电池输入电流或输出电流。⑤“输出电压”为输出至负载的电压。以上各曲线图形中x轴表示时间，y轴表示各参数值，各图中x轴相同。图2中一开始电池即已充满，假设时间为0～t1时，未达到活化条件，此时执行单元导通，交流电源经输入开关送达执行单元后进入交流输入侧交流/直流变换单元完成电源的交/直流转换，经过转换后的直流电分成两路，一路直流电通过电池开关为电池组充电，转换成电池内部的化学能进行存储；另一路经直流/交流变换单元将直流电压逆变为交流电压，供给后级负载。在该段时间中，“交流电源”值、“交流输入”值和“输出电压”稳定不变，电池电压恒定，此时电池两端无“电池电流”输出。

当时间为t1时，主控单元判断到通过检测单元获得的参数达到预设的活化标准，发出断开指令，该指令经驱动单元传送至执行单元，执行单元立即断开交流主回路。此时，蓄电池释放化学能，释放出的直流电经直流/交流变换单元后转换为交流电，继续向负载供电。因此，自t1开始，“交流电源”值依然不变，由于执行单元断开，“交流输入”值为零。蓄电池输出恒定直流电流，蓄电池电压稳定下降，由于负载得到蓄电池的输出供给，因此“输出电压”稳定不变。

在电池活化放电过程中，即时间为t1～t2时若电池组性能严重下降，其电压下降斜率增大达到下降斜率警报值时，控制单元迅速发出导通信号通过驱动控制电路传输至执行单元，执行单元迅速导通，恢复交流供电。因此即使在电池性能最为恶劣的情况亦不会影响系统原有安全性。

当时间为t2时，蓄电池两端电压到达预先设定的终止电压，此时主控单元重新发出导通命令，该命令经驱动单元传送至执行单元后，执行单元重新导通，恢复至交流电源正常供电。此时，“交流电源”值依然不变， “交流输入”值恢复至t1之前的数值；蓄电池进入充电状态，电池两端的电压逐渐上升至满电电压，在此过程中，电流测量单元监测到输入蓄电池的充电电流，蓄电池充满后，电池两端无“电池电流”输出。自t2起，“输出电压”一直稳定不变。

自电池放电完成后，即时间为t2时，主控单元通过运算处理电池组放电过程中的端电压、电流、放电时间等参数，计算出电池放电容量和端电压，其运算处理结果可通过显示装置进行显示。此外，当电池的端电压或电池放电容量达到警报值时，主控单元通过显示装置进行警报提示。

实施例二：

如图3所示，本发明提供的电池活化装置，包括执行单元，检测单元，交流/直流变换单元，直流电压变换单元，主控单元，驱动控制电路，电流测量单元，显示装置。其中，执行单元与交流输入电源连接，直流电压变换单元连接有负载。输入电源通过执行单元、交流/直流变换单元和直流电压变换单元为负载提供工作电流，蓄电池通过直流电压变换单元为负载提供工作电流，本例中的负载为交流负载。交流/直流变换单元用于将交流电转换为直流电，直流电压变换单元，即对输入的直流电进行电压的升降操作或稳压操作，根据实际输入电压和实际负载使用电压的具体要求，本例中，直流电压变化单元为稳压器，使输出至负载的直流电压稳定在设定值范围内。直流电压变换单元也可以采用BOOST电路、BUCK电路等常规升降压电路对电压进行升压或降压操作，使得直流电压变换单元输出的电压符合负载正常工作需求。

执行单元与输入电源连接，实现交流侧电源的快速通断控制，检测单元与电池两端相连以检测电池电压；电流测量单元与电池连接从而对电池输入或输出的直流电流进行取样，并将电流参数传输给检测单元。检测单元将获取的电流，电压参数传输给主控单元，所述主控单元对所获取的参数进行逻辑运算、判断，形成指令后传输给驱动控制电路；驱动控制电路将主控单元形成的控制信号放大、隔离，并控制执行机构实现所需的控制功能。主控单元还可将计算、测量结果通过显示装置输出。显示装置优选为触摸显示屏，这样直接在显示装置上操作，就能够实现参数设定、功能控制、结果显示、警报、数据远传等功能。作为优选，主控单元还可连接存储单元，以存储计算、测量结果。

执行单元可采用接触器、继电器、可控硅、晶闸管等能够控制通断的常规元件。电流测量单元可采用分流器、霍尔电流传感器等能够实现电流取样的常规元件。主控单元可以采用单片机，PLC可编程控制器等能够实现运算和逻辑判断的数据处理元件。

为了使本电池活化装置操控性更强，还可以在执行单元与输入电源之间设置交流输入开关。可以通过操作该交流输入开关以控制输入电源的连接和断开。作为优选，在电池组与直流电压变换单元之间还可以设置电池开关，通过操作该电池开关的开闭,从而控制蓄电池的连接和断开。

图4中展示出了电池活化装置运行过程中各关键参数的变化曲线，该图中①“交流电源”为交流侧接入电源的电压值、②“交流输入”为输入交流/直流变换单元的交流电压，③“电池电压”为通过检测机构获得的蓄电池两端的电压值，④“电池电流”为电流测量单元取样获得的蓄电池输入电流或输出电流。⑤“输出电压”为输出至负载的电压。以上各曲线图形中x轴表示时间，y轴表示各参数值，各图中x轴相同。图4中一开始电池即已充满，假设时间为0～t1时，未达到活化条件，此时执行单元导通，交流电源经输入开关送达执行单元后进入交流输入侧交流/直流变换单元完成电源的交/直流转换，经过转换后的直流电分成两路，一路直流电通过电池开关为电池组充电，转换成电池内部的化学能进行存储；另一路直流电通过稳压器转变为额定工作电压，供给后级负载。在该段时间中，“交流电源”值、“交流输入”值和“输出电压”稳定不变，电池电压恒定，此时电池两端无“电池电流”输出。

当时间为t1时，主控单元判断到通过检测单元获得的参数达到预设的活化标准，发出断开指令，该指令经驱动单元传送至执行单元，执行单元立即断开交流主回路。此时，蓄电池释放化学能，释放出的直流电通过稳压器转变为额定工作电压继续向负载供电。因此，自t1开始，“交流电源”值依然不变，由于执行单元断开，“交流输入”值为零。蓄电池输出恒定直流电流，蓄电池电压稳定下降，由于负载得到蓄电池的输出供给，因此“输出电压”稳定不变。

在电池活化放电过程中，即时间为t1～t2时若电池组性能严重下降，其电压下降斜率增大达到下降斜率警报值时，控制单元迅速发出导通信号通过驱动控制电路传输至执行单元，执行单元迅速导通，恢复交流供电。因此即使在电池性能最为恶劣的情况亦不会影响系统原有安全性。

当时间为t2时，蓄电池两端电压到达预先设定的终止电压，此时主控单元重新发出导通命令，该命令经驱动单元传送至执行单元后，执行单元重新导通，恢复至交流电源正常供电。此时，“交流电源”值依然不变， “交流输入”值恢复至t1之前的数值；蓄电池进入充电状态，电池两端的电压逐渐上升至满电电压，在此过程中，电流测量单元监测到输入蓄电池的充电电流，蓄电池充满后，电池两端无“电池电流”输出。自t2起，“输出电压”一直稳定不变。

自电池放电完成后，即时间为t2时，主控单元通过运算处理电池组放电过程中的端电压、电流、放电时间等参数，计算出电池放电容量和端电压，其运算处理结果可通过显示装置进行显示。此外，当电池的端电压或电池放电容量达到警报值时，主控单元通过显示装置进行警报提示。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (10)

1.一种电池活化装置，其特征在于：包括执行单元，交流/直流变换单元，直流处理单元，蓄电池，电流测量单元，检测单元，主控单元，驱动控制电路和显示装置；其中执行单元用于控制交流电源的通断，交流/直流变换单元与执行单元连接，直流处理单元与交流/直流变换单元连接，所述交流/直流变换单元与直流处理单元之间连接着蓄电池，所述电流测量单元与蓄电池相连以测量蓄电池输入或输出的电流，所述蓄电池和电流测量单元与检测单元连接，所述检测单元连接着主控单元，主控单元通过驱动控制电路与执行单元相连，所述显示装置与主控单元连接。

2.根据权利要求1所述的电池活化装置，其特征在于：所述直流处理单元为直流/交流变换单元。

3.根据权利要求1所述的电池活化装置，其特征在于：所述直流处理单元为直流电压变换单元。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的电池活化装置，其特征在于：所述执行单元与输入电源之间设置有交流输入开关。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的电池活化装置，其特征在于：所述电池组与直流处理单元之间设置有电池开关。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述的电池活化装置，其特征在于：所述主控单元还连接有存储单元。

7.根据权利要求1～3中任意一项所述的电池活化装置，其特征在于：所述主控单元为PLC可编程控制器。

8.一种根据权利要求1～7中任意一项所述的电池活化装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

预先设定活化参数；

主控单元根据预设的参数及通过检测单元获得的测量数据，进行逻辑判断；

当未达到活化条件时，执行单元导通，交流电源经输入开关送达执行单元后进入交流/直流变换单元输出直流电，经过转换后的直流电分成两路，一路直流电通过电池开关为电池组充电；另一路直流电经直流处理单元处理之后供给后级负载；

当达到活化条件时，当主控单元判断到通过检测单元获得的参数达到预设的活化标准时，发出断开命令，该命令经驱动单元传送至执行单元，执行单元立即断开交流主回路；交流主回路断电后，蓄电池释放化学能，释放出的直流电经直流处理单元处理之后继续向负载供电；

当达到停止活化条件时，主控单元发出导通命令，该命令经驱动单元传送至执行单元后，执行单元导通，恢复至正常供电，主控单元计算电池组放电过程中的端电压、电流、放电时间，经过运算处理即可计算出电池放电容量并显示在显示装置上。

9.根据权利要求8所述的电池活化装置的控制方法，其特征在于：

所述步骤（1）中还包括以下步骤：预先设定下降斜率警报值；

所述步骤（4）中还包括以下操作：当电压下降斜率增大达到下降斜率警报值时，控制单元迅速发出导通信号通过驱动控制电路传输至执行单元，执行单元导通恢复交流供电。

10.根据权利要求8所述的电池活化装置的控制方法，其特征在于：

所述步骤（1）中还包括以下步骤：预先设定电池端电压警报值和放电容量警报值；

所述步骤（5）中还包括以下步骤：主控单元测量并计算出电池端电压和电池放电容量并输出在显示装置上，当电池端电压或电池放电容量达到警报值时，主控单元通过显示装置进行警报提示。

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