CN104242412A - 一种蓄电池的充电状态检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄电池的充电状态检测装置及方法，其检测装置包括电流互感器和逻辑控制电路，逻辑控制电路与电流互感器连接；所述电流互感器用于检测蓄电池充电电流，将充电电流的信号输入到逻辑控制电路；所述逻辑控制电路将电流互感器输入的信号进行测量和处理，根据充电电流的变化判定蓄电池是否充电满，蓄电池充电满后逻辑控制电路输出驱动信号，切断充电回路的电流。本发明通过检测充电电流变化率的变化，就可正确识别蓄电池充满电的状态，能适应各种常用充电器负载的蓄电池充电保护，解决了现有技术只能适用某种特定的充电器和蓄电池负载的技术问题。

Description

一种蓄电池的充电状态检测装置及方法

技术领域

本发明涉及检测蓄电池是否充满电的装置及方法。

背景技术

目前国内市场电动自行车产品使用的蓄电池主要有：铅酸电池、镍氢电池、锂电池和锂铁电池等，电池组额定电压为12v、36v或48v，容量大约在300～1000wH之间，一般配备大约为100～300w的充电器。市场上的充电器比较杂乱，根据不同的标准或参数，可分为连续和间断(脉冲)型充电器，也可分为恒流限压型充电器和电压型简易充电器。市场主流充电器产品大多是采用先电流控、后电压控的二段或三段充电方式。

目前充电保护方法主要是采用定时停止充电、直接检测电池电压、检测充电过电流保护等；还有比较特别的方法：监测充电电流低于设置的最小保持电流(比如：100mA)时，则认为电池已充满电了。

上述这些已有的充电保护方法只能适用某种特定的充电器和蓄电池负载，无法适用于不同类型的充电器或不同容量的蓄电池；而且必须在充电器能正常控制或充满电即停的功能没有失效的情况下，才能实现自动断电；或者不能通过间接测量电流来识别蓄电池充电完成的状态。

发明内容

本发明提供蓄电池的充电状态检测装置及方法：采用检测充电电流变化率的变化，就可正确识别蓄电池充满电的状态，能适应各种常用充电器负载的蓄电池充电保护，解决了现有技术只能适用某种特定的充电器和蓄电池负载的技术问题。

本发明充电状态检测装置采用如下技术方案：蓄电池的充电状态检测装置，包括电流互感器和逻辑控制电路，逻辑控制电路与电流互感器连接；所述电流互感器用于检测蓄电池充电电流，将充电电流的信号输入到逻辑控制电路；所述逻辑控制电路将电流互感器输入的信号进行测量和处理，根据充电电流的变化判定蓄电池是否充电满，蓄电池充电满后逻辑控制电路输出驱动信号，切断充电回路的电流。

优选的，所述充电状态检测装置还包括与逻辑控制电路连接的继电器；所述继电器受控于逻辑控制电路，用于执行充电控制，在蓄电池充电满后在逻辑控制电路的驱动下切断充电回路的电流。

本发明的充电状态检测方法采用如下技术方案：蓄电池的充电状态检测方法基于所述充电状态检测装置，包括如下步骤：

a1、标记当前时间点的电流值和对应的时间，准备进入第二阶段充电；

a2、选取某一固定时间点A，标记其对应的充电电流I_A、时间点t_A；

a3、将当前电流值与I_A比较，若当前电流值大于I_A，则标记当前电流值为电流最大值I_p，并把当前电流值及所对应的时间点置换所标记的充电电流I_A、时间点t_A；若当前电流值不大于I_A，则转入a4；

a4、记录当前时间点的电流值I₀和对应的时间t₀；同时每间隔周期T，标记当前时间点为更新的时间点B电流值I_B和对应的时间t_B；

a5、计算电流变化率的当前值与平均值，比较电流变化率的当前值与平均值，若差异明显则转入a6，否则返回a3；

a6、进入第三阶段充电，重新选取固定时间点A，标记其对应的充电电流I_A、时间点t_A；

a7、记录当前时间点的电流值I₀和对应的时间t₀；同时每间隔周期T，标记当前时间点为更新的时间点B电流值I_B和对应的时间t_B；

a8、计算电流变化率的当前值与平均值，比较电流变化率的当前值与平均值，若差异明显则判断充电完成，逻辑控制电路输出驱动信号切断充电电源；否则返回a7。

本发明将蓄电池充电过程划分为三个阶段，标识第三阶段充电电流变化的两个重要的拐点，以第二个电流变化拐点作为蓄电池充满电的判据，从而能正确识别蓄电池充满状态。与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：

1、不需要直接测量被测蓄电池电压，可通过间接地测量充电电流就可以识别蓄电池充满时的状态。

2、不需要检测具体充电电流值的大小，只需检测充电电流的相对变化率的变化，就可以识别蓄电池充满电的状态，因此可以不受充电器的种类和具体蓄电池容量大小的影响，正确识别蓄电池充满状态。所以能适用各种充电器和蓄电池充电过程的保护。

附图说明

图1是本发明的电原理框图；

图2是蓄电池充电过程特性曲线图；

图3是第一、第二及第三阶段识别蓄电池充电状态的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不局限于此。

实施例：

参见图1，本发明蓄电池的充电状态检测装置，主要由电流互感器、逻辑控制电路和继电器组成，逻辑控制电路分别与电流互感器、继电器连接。图1电路中所采用的保险丝(fuse)和电压互感器不是本发明的必要部件，可用于其他安全保护功能之作用。其中：

(1)电流互感器用于检测蓄电池充电电流，将充电电流的信号输入到逻辑控制电路。本实例中电流互感器采用的是交流电流互感器；如果需要检测直流充电电流，则改用直流电流互感器。

(2)逻辑控制电路可以采用由单片机电路实现，也可以采用门阵列电路或者其他组合逻辑电路实现。逻辑控制电路将电流互感器输入的信号进行测量和处理，并从中提取识别蓄电池充电状态的信息，蓄电池充电满后向继电器输出驱动信号，通过继电器切断充电回路的电流。

(3)继电器受控于逻辑控制电路，用于执行充电控制，在蓄电池充电满后在逻辑控制电路的驱动下切断充电回路的电流，从而使蓄电池不会过充电。

本发明的检测原理是，将常用的各种类型和不同容量的蓄电池在充电过程中电流变化规律，划分为三个阶段，如图2所示。实验研究结果表明：各种不同的充电器和不同容量的蓄电池都具有三个阶段充电过程共同的特性，无论是铅酸电池、镍氢电池、锂电池和锂铁电池等种类，还是各种不同容量的蓄电池的充电过程都可划分为三个阶段。图2中细实线表示使用间断脉冲充电器的电池充电特性，粗实线表示为恒流限电压充电器的电池充电特性，点划线表示为简易电压型充电器的充电特性。

具体一点来描述，蓄电池充电过程特性曲线的三个阶段分别如下：

第一阶段：预充电过程。在这个过程中，充电电流的变化比较大，电流上升有快的，也有慢的，规律性比较不明显。预充电过程中电流变化较大的过程大约持续2～5分钟，然后充电电流会逐渐平稳下来。因此监测充电电流时，在第一阶段将不作处理，等待电流平稳阶段。

第二阶段：主要的充电过程。在这个过程中，充电器会以恒流、恒压或者加电压等方式进行充电，而充电电流的幅值都各有不同。这时可进行统计计算第二阶段电流变化率K₂。一般充电器为了保障充电安全，都要控制充电电流允许的最大值；而另一方面，为了提高充电效率则需要增大充电电流，因此充电器会采取恒流充电控制。

第三阶段：接近充电完成的阶段。在这个阶段中，由于充电的电化学物质已经大量减少，正常情况下充电电流将会逐渐减小。这个过程可进行统计计算第三阶段电流变化率K₃。一般充电器会采取限压充电控制。因为电流变化率所表示的是蓄电池充电过程中，电流值-时间曲线的斜率；因此其斜率变化比较明显时(比如：电流变化率的当前值与电流变化率的平均值比较相差10～50％以上)，将出现蓄电池充电过程电流值-时间曲线的拐点。由于第二阶段电流变化率K₂与第三阶段电流变化率K₃有比较大的变化，因此可以标定出电流变化的第一个拐点。这个拐点将表示蓄电池进入最后充电阶段。

在本实施例中，对充电电流变化率检测是通过逻辑控制电路不断地对充电电流进行测量来实现的。逻辑控制电路可以每隔固定的时间周期T标记充电电流值I₁、I₂….，以及对应的时间点t₁、t₂….，(其中T可以设定在5～10分钟之间)。逻辑控制电路再根据每两个时间点所对应的电流值，计算电流变化率K：

K＝(I₂-I₁)/(t₂-t₁)    即：K＝ΔI/Δt

在进入第三阶段后，本发明将会不断地检测第三阶段电流变化率K₃的当前值，并且与第三阶段电流变化率K₃的平均值进行比较，如果监测到K₃的当前值与平均值相比有明显变化，即出现了电流变化的第二个拐点，就可识别为蓄电池充电满的标志。这时可控制继电器切断充电电流，完成充电保护。

电流变化率的当前值定义为：最后一个周期T(标记为点B)到当前时间点之间的充电电流值变化率，即(I₀-I_B)/(t₀-t_B)，其中I_B为最后一个周期T所标记的充电电流值，I₀为当前时间点的充电电流值，t_B为最后一个周期T所对应的时间点，t₀为当前时间点。

电流变化率的平均值定义为：选择某一固定时间点A到最后一个周期T之间的充电电流值变化率，即(I_B-I_A)/(t_B-t_A)，其中I_B为最后一个周期T所标记的充电电流值，I_A为点A的充电电流值，t_B为最后一个周期T所对应的时间点，t_A为点A所对应的时间点。

如图3所示，本发明检测蓄电池是否充满电的步骤如下：

S1、给蓄电池上电，开始充电，进入预充电即第一阶段，延时等待5-10分钟。

S2、标记当前时间点的电流值和对应的时间，准备进入第二阶段充电。

S3、选取某一固定时间点A，标记其对应的充电电流I_A、时间点t_A。

S4、将当前电流值与I_A比较，若当前电流值大于I_A，则标记当前电流值为电流最大值I_p，并把当前电流值及所对应的时间点置换所标记的充电电流I_A、时间点t_A；若当前电流值不大于I_A，则转入S5。

S5、记录当前时间点的电流值I₀和对应的时间t₀；同时每间隔周期T，标记当前时间点为更新的时间点B电流值I_B和对应的时间t_B；

S6、计算电流变化率的当前值与平均值，比较电流变化率的当前值与平均值，若差异明显则转入S7，否则返回S4。若电流变化率的当前值与电流变化率的平均值相比，相差10～50％以上，则判断为差异明显。

S7、进入第三阶段充电，重新选取固定时间点A，标记其对应的充电电流I_A、时间点t_A。本步骤选取的时间点A实际上位于第二阶段充电过渡到第三阶段充电的时候，即充电过程从恒流充电阶段过渡到充电电流逐渐减小的阶段的时候。

S8、记录当前时间点的电流值I₀和对应的时间t₀；同时每间隔周期T，标记当前时间点为更新的时间点B电流值I_B和对应的时间t_B；

S9、计算电流变化率的当前值与平均值，比较电流变化率的当前值与平均值，若差异明显则判断充电完成，驱动继电器跳闸，切断充电电源；否则返回S8。

上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不限定与此，从事该领域技术人员在未背离本发明精神和原则下所做的任何修改、替换、改进，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种蓄电池的充电状态检测装置，其特征在于，包括电流互感器和逻辑控制电路，逻辑控制电路与电流互感器连接；所述电流互感器用于检测蓄电池充电电流，将充电电流的信号输入到逻辑控制电路；所述逻辑控制电路将电流互感器输入的信号进行测量和处理，根据充电电流的变化判定蓄电池是否充电满，蓄电池充电满后逻辑控制电路输出驱动信号，切断充电回路的电流。

2.根据权利要求1所述的充电状态检测装置，其特征在于，所述充电状态检测装置还包括与逻辑控制电路连接的继电器；所述继电器受控于逻辑控制电路，用于执行充电控制，在蓄电池充电满后在逻辑控制电路的驱动下切断充电回路的电流。

3.根据权利要求1所述的充电状态检测装置，其特征在于，所述逻辑控制电路为单片机电路或门阵列电路。

4.根据权利要求1所述的充电状态检测装置，其特征在于，所述电流互感器为交流电流互感器或直流电流互感器。

5.基于权利要求1所述充电状态检测装置的蓄电池的充电状态检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

a1、标记当前时间点的电流值和对应的时间；

a2、选取某一固定时间点A，标记其对应的充电电流I_A、时间点t_A；

a3、将当前电流值与I_A比较，若当前电流值大于I_A，则标记当前电流值为电流最大值I_p，并把当前电流值及所对应的时间点置换所标记的充电电流I_A、时间点t_A；若当前电流值不大于I_A，则转入a4；

a4、记录当前时间点的电流值I₀和对应的时间t₀；同时每间隔周期T，标记当前时间点为更新的时间点B电流值I_B和对应的时间t_B；

a5、计算电流变化率的当前值与平均值，比较电流变化率的当前值与平均值，若差异明显则转入a6，否则返回a3；

a6、重新选取固定时间点A，标记其对应的充电电流I_A、时间点t_A；

a7、记录当前时间点的电流值I₀和对应的时间t₀；同时每间隔周期T，标记当前时间点为更新的时间点B电流值I_B和对应的时间t_B；

a8、计算电流变化率的当前值与平均值，比较电流变化率的当前值与平均值，若差异明显则判断充电完成，逻辑控制电路输出驱动信号切断充电电源；否则返回a7。

6.根据权利要求5所述的充电状态检测方法，其特征在于，步骤a5及a8中，若电流变化率的当前值与电流变化率的平均值相比，相差10～50％，则判断为差异明显。

7.根据权利要求5所述的充电状态检测方法，其特征在于，步骤a6选取的时间点A位于充电过程从恒流充电阶段过渡到充电电流逐渐减小的阶段的时候。

8.根据权利要求5所述的充电状态检测方法，其特征在于，步骤a8判断充电完成时，逻辑控制电路的驱动信号输出到继电器，由继电器切断充电电源。