CN103812196B - 铅酸蓄电池组串并转换和智能充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种铅酸蓄电池组串并转换和智能充电系统，提出了智能分段脉冲充电技术，增加了蓄电池反向瞬时放电功能，减少电池的硫化现象，提高电池的接受率，加快了充电速度，延长电池使用寿命，系统由电源主电路、控制电路、简易键盘及显示电路、能量回馈电路、电池组串并转换电路及温度测量电路组成，电源主电路是以全桥整流电路、IGBT组成的全桥逆变电路及全波整流电路组成，控制电路是以C8051F020单片机为核心，简易键盘及显示电路能够实现峰谷时选择充电，能量回馈电路是以变压器为反馈通道，将放电能量存储到滤波电容，电池组串并转换电路是由三刀双掷开关和二极管组成，串联电池组转接为并联电池进行充电，避免了电池组中单节电池损坏而使所有电池无法充电的问题。本发明适用于工业生产及民用电动自行车的智能充电。

Description

铅酸蓄电池组串并转换和智能充电系统

技术领域

本发明适用于工业生产及民用电动自行车的智能充电。

背景技术

铅酸电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，因此广泛应用于国防、通讯、铁路、交通、工农业生产部门。我国的电动车以及备用电源用动力蓄电池大多为铅酸蓄电池，它与一般蓄电池有所不同，一般工作在深度充放电状态，要求充电时间短，充电效率高以及对蓄电池寿命影响小的特点。而目前大部分该类铅酸蓄电池采用的是恒压或则恒流方式充电。这两种方式在实际中存在很大缺陷：恒压充电是初始电流很大，因而要降压，到了充电后期则因电压过低导致充电不足，长期欠充会使极板严重硫酸盐化；而恒流充电在充电初期小于蓄电池可接受最大电流，延长了充电周期，后期则超过蓄电池可接受电流的能力，电能不能有效转化为化学能，多变为热能消耗掉了。解决的办法之一是根据理想充电曲线综合两种充电方式的优点，采用智能分段脉冲充电技术，使充电过程更加科学化，以达到最短时间内充电效率最高。

放完电的铅酸电池开始充电时，在保证电池不明显析气的条件下(即单格电池的电压不大于2.40V)，电池初始充电电流可以很大，然后以指数形式逐渐减小。这是由于充电过程在极板上进行的电化学反应，基本上是由表及里逐步深入进行的。越到充电后期，电化学反应要在电极深处进行，反应物和生成物的扩散过程速度就越慢，因而充电电流必须减小。由此可见，蓄电池在充电过程中用某一充电电流充电时，只能充到某一极限值Us，当蓄电池的电解液硫酸比重不同时，电池的浮充电压取值也在差异。当达到这一极限值后，必须减小充电电流。否则若用原电流继续充电，只能导致加速电解水反应析出氢和氧，提高温升，不能提高蓄电池充电程度和速度，甚至缩短蓄电池的寿命。

发明内容

本发明的目的在于针对电动自行车用铅酸动力电池的充电特性，提出了智能分段脉冲充电技术，增加了蓄电池反向瞬时放电功能，减少电池的硫化现象，提高电池的接受率，加快了充电速度，延长电池使用寿命，系统由电源主电路、控制电路、简易键盘及显示电路、能量回馈电路、电池组串并转换电路及温度测量电路组成，电源主电路是以全桥整流电路、IGBT组成的全桥逆变电路及全波整流电路组成，控制电路是以C8051F020单片机为核心，简易键盘及显示电路能够实现峰谷时选择充电，能量回馈电路是以变压器为反馈通道，将放电能量存储到滤波电容，电池组串并转换电路是由一个三刀双掷开关和4只二极管组成，串联电池组转接为并联电池进行充电，避免了电池组中单节电池损坏而使所有电池无法充电的问题。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明公布了一种铅酸蓄电池组串并转换和智能充电系统，提出了智能分段脉冲充电技术，增加了蓄电池反向瞬时放电功能，减少电池的硫化现象，提高电池的接受率，加快了充电速度，延长电池使用寿命。系统由电源主电路、控制电路、能量回馈电路、电池组串并转换电路及温度测量电路组成。电源主电路是以全桥整流电路、IGBT组成的全桥逆变电路及全波整流电路组成，控制电路是以C8051F020单片机为核心，能量回馈电路是以变压器为反馈通道，将放电能量存储到滤波电容。电池组串并转换电路是由一个三刀双掷开关和4只二极管组成，串联电池组转接为并联电池进行充电，避免了电池组中单节电池损坏而使所有电池无法充电的问题。

本发明电池组串并转换电路是由一个三刀双掷开关和4只二极管组成，避免了电池组中单节电池损坏而使所有电池无法充电的问题，同时又可以降低充电电压，该电路和电池组安装在一起。

智能充电系统的控制是以C8051F020为核心，外设简易键盘及显示电路、DS18B20温度传感器、控制电路、IGBT驱动保护电路等。简易键盘及显示电路利用单片机的I/O口外扩的人机交换电路，能够设置充电的具体时间，如果用户不急需充电，可以设置选择在几个小时后，即谷时进行充电，可以降低充电成本，如果着急充电可不设置直接进入充电状态。

温度测量是利用DS18B20数字温度传感器，DS18B20通过一个单线接口发送或接受信息，因此在中央处理器和DS18B20之间仅需一条连接线(加上地线)。温度传感器安装在电池盒中，用3根引线将温度以数字量的形式直接传输到单片机，充电器外壳设有一个数据接口。测量的温度决定补偿量，并由单片机调整输出的PWM波形来实现，当温度为25℃时，无需补偿。

软件采用模块化设计，主要由简易键盘及显示电路程序设计、电池组电压电流测量软件设计、温度测量及补偿、PWM脉冲产生等部分组成。

附图说明

下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。

图1：智能充电系统的总框图；

图2：电源主电路；

图3：DS18B20与处理器接口电路；

图4：电池组串并转换电路；

具体实施方式

由图1系统框图可知，智能充电系统由电源主电路、控制电路、简易键盘及显示电路、能量回馈电路、电池组串并转换电路及温度测量电路组成。电源主电路是以全桥整流电路、IGBT组成的全桥逆变电路及全波整流电路组成，控制电路是以C8051F020单片机为核心，能量回馈电路是以变压器为反馈通道，将放电能量存储到滤波电容。电池组串并转换电路是由一个三刀双掷开关和4只二极管组成，串联电池组转接为并联电池进行充电，避免了电池组中单节电池损坏而使所有电池无法充电的问题。

电源主电路：是以全桥整流电路、IGBT组成的全桥逆变电路及全波整流电路组成，采用移相脉冲宽度调制技术控制的零电压软开关全桥变换器，由四个IGBT开关管构成，每个IGBT管都有一个内部寄生二极管和寄生电容，T1为高频变压器部分，Lr表示电路中的谐振电感，包含高频变压器的漏感。4个IGBT管与变压器构成了变换器的逆变部分，负责将整流电路输出的直流电压变为高频交流电压；变压器的副边整流电路，则将变压器输出的交流电压再整流为直流电压，整个变换器实际是实现“DC-AC-DC”功能。工作时，Q1，Q2两个IGBT管组成超前桥臂，而Q3，Q4组成滞后桥臂。具体电路如附图2所示。

控制电路：是以C8051F020单片机为核心，对充电电源的电压和电流进行实时测量，从而可以控制充电的模式，即恒流充电、脉冲充电还是停止充电。恒流充电阶段：单片机根据测量的电压电流值，产生PWM脉冲波，以保证电池处于恒流充电阶段，电压快速上升；脉冲充电阶段：当电压上升到13.2V时，进入脉冲充电阶段，高电平时，对电池进行充电(0.875s)，低电平时放电管Q5导通，对电池进行放电(0.125s)，由此产生PWM脉冲控制波形，驱动逆变桥的IGBT管的导通和截止。当充电时间达到10小时后，不论电池是否已经充满电，即充电器的指示灯由红灯跳变为绿灯，充电电路都将停止工作，以免电池被过充。

温度测量：温度测量选择的是DS18B20数字传感计，此传感器提供9-12位摄氏温度测量，分别以0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃增量递增。在上电状态下默认的精度为12位。DS18B20通过一个单线接口发送或接受信息，因此在中央处理器和DS18B20之间仅需一条连接线(加上地线)。它的温度测量范围为-55～+125℃，并且在-10～+85℃精度为±0.5℃，完全可以达到系统的要求。接口电路如图3所示，主板上有一个三线接口，只需将DS18B20的三根信号线直接引入即可。

串联电池组转接电路：为并联电池进行充电，电池组串并转换电路是由一个三刀双掷开关和4只二极管组成：如图4所示，当三刀双掷开关投掷到右侧时，4节电池并联，此时可以进行充电，充电正极和充电负极是用于充电；当三刀双掷开关投掷到左侧时，4节电池串联，构成48V电压，可以实现对电机供电；二极管是用于防止电池短路。开关无论是投到左侧，还是右侧都没有危险。

简易键盘及显示电路：设置2个按键，即：SET和UP，功能为设置和增加，显示电路的模为12，能够显示0～9，A，B共十二个代码，如果因无意设置的时间比预设置的时间多了，可以继续增加跳过B，重新开始置数。

软件系统设计：使用C51语言进行程序设计，程序设计为模块化设计，这样的结构调试比较方便。

Claims (4)

1.一种铅酸蓄电池组串并转换和智能充电系统，其特征在于提出了智能分段脉冲充电技术，增设了瞬时放电功能，减少电池的硫化现象，提高电池的接受率，可加快充电速度，延长电池使用寿命，该系统由电源主电路、控制电路、简易键盘及显示电路、回馈电路、电池组串并转换电路及温度测量电路组成，电源主电路是以全桥整流电路、IGBT组成的全桥逆变电路及全波整流电路组成，控制电路是以C8051F020单片机为核心，简易键盘及显示电路能够实现峰谷时选择充电，回馈电路是以变压器为反馈通道，为提高电池组的有效充电，将使用中的串联电池组转接为并联电池进行充电，电池组串并转换电路是由一个三刀双掷开关和4只二极管组成，三刀分别接电池组的第2，3，4节电池的正极，三刀的一个方向是第1，2，3节电池的负极，可以实现4节电池相串，提供48V电压，另一个方向是把4节电池的正极连在一起，作为充电时的正极，4只二极管的每个阳极和4节电池的负极相连，4只二极管的阴极连在一起作为充电时的负极，避免了电池组中单节电池损坏而使所有电池无法充电的问题。

2.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池组串并转换和智能充电系统，其特征在于所述控制电路由C8051F020单片机及其外围电路构成，除产生PWM脉冲波形，实现对IGBT全桥逆变电路进行控制外，在脉冲充电阶段，产生频率为1Hz，占空比为0.875的脉冲信号，0.875s用于对电池组进行充电，0.125s用于对蓄电池瞬时放电。

3.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池组串并转换和智能充电系统，其特征在于电池组串并转换电路，由三刀双掷开关和二极管组成，铅酸蓄电池组应用于电动自行车中，提供48V电压，串并转换电路可有效地实现充电时并接方式到驱动电机时为串接方式的转换。

4.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池组串并转换和智能充电系统，其特征在于简易键盘及显示电路由2个按键和1个显示数码管组成，显示代码为0～9，A，B共十二个，能够实现充电时间预置功能，使用户可以选择在谷时充电。