CN109462269B - 矿用镍氢电池脉冲充电装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用镍氢电池脉冲充电装置及控制方法，包括整流模块、磁保持继电器、STC单片机、红外遥控接收模块、镍氢电池组、充电继电器、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、运算放大器Q8、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、二极管D1、二极管D2、场效应管D。本发明根据电池状态包括电压、电流、温度，以及交流电源状态生成充电脉冲，控制电池充电，并根据电池电压、电池温度情况，动态调整充电脉冲密集度，补偿充电电压值。最大限度消除和减弱镍氢电池“记忆效应”，使镍氢电池充得满，保持应有容量。

Description

矿用镍氢电池脉冲充电装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种矿用镍氢电池脉冲充电装置及控制方法，属于矿用设备技术领域。

背景技术

煤矿井下开采设备过去使用铅酸电瓶，后期升级为镍氢电池。镍氢电池用恒流充电，时间长了会产生“记忆效应”，使电池容量“缩水”。同时缩短了电池使用寿命，频繁更换新电池将增加煤矿生产成本，而且更换电池操作需要断电，这对煤矿生产秩序产生一定影响。因此，研制一种镍氢电池脉冲充电电路，把镍氢电池“记忆效应”降低到极限，以提高镍氢电池使用寿命，使电池处于最佳工作状态，提高设备可靠性，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿用镍氢电池脉冲充电装置及控制方法，解决目前煤矿井下监控设备用镍氢电池产生“记忆效应”，导致电池容量下降，电池寿命减少的技术问题，本发明的镍氢电池脉冲充电电路采用温度补偿方式，使镍氢电池充得饱，把镍氢电池“记忆效应”降低到极限。通过合理维护，使电池保持合格电池容量(AH)数，保持最佳工作状态。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种矿用镍氢电池脉冲充电装置，包括整流模块1、磁保持继电器2、STC单片机3、红外遥控接收模块4、镍氢电池组5、充电继电器6、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、运算放大器Q8、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、二极管D1、二极管D2、场效应管D，所述整流模块1的输入端接交流电源，整流模块1的输出端经磁保持继电器2的触点后输出本安电源，所述红外遥控接收模块4接收红外遥控信号并与STC单片机3相连，所述整流模块1的输出端与STC单片机3相连为其供电，所述STC单片机3输出磁保持继电器断开信号与三极管Q7的基极相连，STC单片机3输出磁保持继电器吸合信号与三极管Q6的基极相连，所述三极管Q6、三极管Q7的集电极分别与磁保持继电器2的吸合线圈、断开线圈相连，三极管Q6、三极管Q7的发射极接地，所述电阻R2的一端接磁保持继电器触点的2号端，电阻R2的另一端串联电阻R4后接地，所述电阻R1的一端接磁保持继电器触点的2号端，电阻R1的另一端依次串联电阻R3、电阻R5后接地，所述运算放大器Q8的正向输入端连接于电阻R2、电阻R4之间，运算放大器Q8的反向输入端连接于电阻R3、电阻R5之间，所述运算放大器Q8的输出端接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极与场效应管D的栅极连接，所述场效应管D的源极连接于电阻R1、电阻R3之间，所述电阻R6连接于场效应管D的栅极和源极之间，所述电阻R7一端与场效应管D的栅极连接，电阻R7另一端与三极管Q5的集电极相连，三极管Q5的发射极接地，三极管Q5的基极与STC单片机3相连，接收STC单片机3发出的充电脉冲，所述场效应管D的漏极与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与充电继电器6的触点1号端相连，STC单片机3发出的电池充电/供电切换信号与三极管Q4的基极相连，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的集电极与充电继电器6的线圈相连，充电继电器6的触点2号端与磁保持继电器触点的2号端相连，充电继电器6的触点3号端与镍氢电池组5的阳极相连，镍氢电池组5的电压信号、温度信号输送至STC单片机3。

一种矿用镍氢电池脉冲充电控制方法，包括以下步骤：

1)判断是否有开机信号，如果有则开始对电池进行充电；

2)对电池电压进行采集并存储；

3)对电池温度进行采集并存储；

4)对电池电流进行采集并存储；

5)判断电池电流是否小于等于6A，如果大于6A则停止充电并返回步骤1)，如果电池电流小于等于6A则执行步骤6)；

6)判断电池温度是否小于等于60度，如果大于60度，则停止充电并返回步骤1)，如果电池温度小于等于60度，则执行步骤7)；

7)判断电池电压是否小于充电截止电压，如果电池电压大于充电截止电压，则打开涓流标志，进入涓流充电，充电脉冲为充电2毫秒，然后停止200毫秒，并循环进行；如果电池电压小于充电截止电压，则执行步骤8)；

8)判断电池电压是否小于等于启动充电电压，如果是小于等于启动充电电压则执行步骤9)；如果大于启动充电电压则判断是否有涓流标志，在有涓流标志的情况下进入涓流充电，充电脉冲为充电2毫秒，然后停止200毫秒，并循环进行，在没有涓流标志的情况下执行步骤9)；

9)判断是否有交流电源，如果交流电源正常，则关闭涓流标志并启动充电脉冲，充电脉冲为充电2毫秒，然后停止20毫秒，并循环进行；如果交流电源不正常，则返回步骤1)。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

前述矿用镍氢电池脉冲充电控制方法，其中充电截止电压、启动充电电压根据电池温度进行补偿，充电截止电压＝充电截止电压初值+补偿电压值，启动充电电压＝启动充电电压初值+补偿电压值；充电截止电压初值为27.01V，启动充电电压初值为23.41V；各电池温度下补偿电压值如下表：

电池温度(℃)	补偿电压值(V)
		55～≥45	1.07
＜45～≥35	1.11
		＜35～≥25	1.15
＜25～≥15	1.19
		＜15～≥5	1.23
＜5～≥-5	1.27
		＜-5～≥-15	1.31
＜-15～≥-25	1.35
		＜-25～≥-35	1.39

与现有技术相比，本发明的有益效果是：根据电池状态(包括电压、电流、温度)以及交流电源状态生成充电脉冲，控制电池充电，并根据电池电压、电池温度情况，动态调整充电脉冲密集度，补偿充电电压值。最大限度消除和减弱镍氢电池“记忆效应”，使镍氢电池充得满，保持应有容量。

附图说明

图1是本发明的矿用镍氢电池脉冲充电装置电路结构图；

图2是本发明实施例单片机程序流程图；

图3是本发明实施例单片机相应中断流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，矿用镍氢电池脉冲充电装置，包括整流模块1、磁保持继电器2、STC单片机3、红外遥控接收模块4、镍氢电池组5、充电继电器6、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、运算放大器Q8、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、二极管D1、二极管D2、场效应管D，运算放大器Q8为LM385。所述整流模块1的输入端接交流电源，整流模块1的输出端经磁保持继电器2的触点后输出本安电源，所述红外遥控接收模块4接收红外遥控信号并与STC单片机3相连，所述整流模块1的输出端与STC单片机3相连为其供电，所述STC单片机3输出磁保持继电器断开信号与三极管Q7的基极相连，STC单片机3输出磁保持继电器吸合信号与三极管Q6的基极相连，所述三极管Q6、三极管Q7的集电极分别与磁保持继电器2的吸合线圈、断开线圈相连，三极管Q6、三极管Q7的发射极接地，所述电阻R2的一端接磁保持继电器触点的2号端，电阻R2的另一端串联电阻R4后接地，所述电阻R1的一端接磁保持继电器触点的2号端，电阻R1的另一端依次串联电阻R3、电阻R5后接地，所述运算放大器Q8的正向输入端连接于电阻R2、电阻R4之间，运算放大器Q8的反向输入端连接于电阻R3、电阻R5之间，所述运算放大器Q8的输出端接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极与场效应管D的栅极连接，所述场效应管D的源极连接于电阻R1、电阻R3之间，所述电阻R6连接于场效应管D的栅极和源极之间，所述电阻R7一端与场效应管D的栅极连接，电阻R7另一端与三极管Q5的集电极相连，三极管Q5的发射极接地，三极管Q5的基极与STC单片机3相连，接收STC单片机3发出的充电脉冲，所述场效应管D的漏极与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与充电继电器6的触点1号端相连，STC单片机3发出的电池充电/供电切换信号与三极管Q4的基极相连，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的集电极与充电继电器6的线圈相连，充电继电器6的触点2号端与磁保持继电器触点的2号端相连，充电继电器6的触点3号端与镍氢电池组5的阳极相连，镍氢电池组5的电压信号、温度信号输送至STC单片机3。

上述电路中三极管Q5驱动MOS场效应管D，运算放大器Q8与取样电阻R1共同完成限流作用。三极管Q5相当于开关，运算放大器Q8限制充电流量。电流增大时，则取样电阻R1上的压降增大。被运算放大器Q8放大后，输出正电压，送给MOS场效应管D，MOS管的G极特性是：低电平(电压)导通，高电平(电压)截止。所以有高电平输出则趋于截止，趋于关闭，则MOS管导通电阻变大，压降变大，则通过的充电电流变小。反之，电流较小时，取样电阻R1压降小，则运放输出电压低，被二极管D1隔离，不会影响三极管Q5，则MOS管处于完全导通状态，导通电阻极小，则通过的充电电流不受限制。

基于上述矿用镍氢电池脉冲充电装置，对额定电压为24V的矿用镍氢电池脉冲充电控制方法包括以下步骤：

10)判断是否有开机信号，如果有则开始对电池进行充电；

11)对电池电压进行采集并存储；

12)对电池温度进行采集并存储；

13)对电池电流进行采集并存储；

14)判断电池电流是否小于等于6A，如果大于6A则停止充电并返回步骤1)，如果电池电流小于等于6A则执行步骤6)；

15)判断电池温度是否小于等于60度，如果大于60度，则停止充电并返回步骤1)，如果电池温度小于等于60度，则执行步骤7)；

16)判断电池电压是否小于充电截止电压，如果电池电压大于充电截止电压，则打开涓流标志，进入涓流充电，充电脉冲为充电2毫秒，然后停止200毫秒，并循环进行；如果电池电压小于充电截止电压，则执行步骤8)；

17)判断电池电压是否小于等于启动充电电压，如果是小于等于启动充电电压则执行步骤9)；如果大于启动充电电压则判断是否有涓流标志，在有涓流标志的情况下进入涓流充电，充电脉冲为充电2毫秒，然后停止200毫秒，并循环进行，在没有涓流标志的情况下执行步骤9)；

18)判断是否有交流电源，如果交流电源正常，则关闭涓流标志并启动充电脉冲，充电脉冲为充电2毫秒，然后停止20毫秒，并循环进行；如果交流电源不正常，则返回步骤1)。

上述充电截止电压、启动充电电压根据电池温度进行补偿，温度越低，充电截止电压、启动充电电压越高，采用温度补偿技术和脉冲充电方式，可以最大限度消除和减弱镍氢电池“记忆效应”，使镍氢电池充得满，保持应有容量。所述充电截止电压＝充电截止电压初值+补偿电压值，启动充电电压＝启动充电电压初值+补偿电压值；充电截止电压初值为27.01V，启动充电电压初值为23.41V；各电池温度下补偿电压值如下表：

电池温度(℃)	补偿电压值(V)
		55～≥45	1.07
＜45～≥35	1.11
		＜35～≥25	1.15
＜25～≥15	1.19
		＜15～≥5	1.23
＜5～≥-5	1.27
		＜-5～≥-15	1.31
＜-15～≥-25	1.35
		＜-25～≥-35	1.39

在上述控制过程中，矿用无线基站对后备电池进行监控，可以下发指令将后备电池电压、电流、温度状态信息上传至矿用无线基站；进行电池管理，可以下发指令关闭交流电源，切换至电池供电，由电池向负载放电。

如图2所示，分站供交流电后，STC单片机启动，等待红外线遥控器开机指令。得到开机指令后，控制磁保持继电器吸合、充电继电器吸合；然后对电池进行电压采样、计算、存储值；接着对电池温度采样、计算、存储；再对电池电池采样、计算、存储。

电池充电条件要满足电池电流小于6A，电池温度小于60度。不满足则触发关机保护。60度就是个温度开关，一旦断开就触发保护。同样道理，电流保护也是个开关(电流过载保护或电子保险)，一旦断开，就触发关机保护。如果满足电池电流小于6A，电池温度小于60度且电池电压小于24.6V时启动充电脉冲2毫秒，然后停止20毫秒，循环充电。充电到28.2V停止充电，进入涓流状态，涓流状态时充电脉冲为2毫秒，然后停止200毫秒，循环进行。当电池电压降到24.6V以下时再次启动充电，充电脉冲2毫秒，然后停止20毫秒，循环充电充到28.2V时停止。

如果充足电后，电压下降到24.6V以前，因处于涓流状态，不充电。电压低于24.6V则自动开始充电。当充电电压超过24.6V，不会停止，一直充电到截止电压28.2V为止。

充电截止电压、启动充电电压应根据电池温度进行补偿，本实施例温度为20度时，充电截止电压＝(充电截止电压初值+补偿电压)＝(27.01V+1.19V)＝28.2V。20度时充电启动电压＝(充电启动电压初值+补偿电压)＝(23.41V+1.19V)＝24.6V。

如图3所示为本发明实施例单片机相应中断流程图。图中三条指令使用约定的代码，比如：收到2301表示开机启动；收到2302表示切换到电池供电；收到2303表示关机。在关闭矿用无线基站前，将矿用无线基站切换回交流供电。其中230用来抗干扰，意思是：若开头不是230则不执行。若是，才开始分析是什么指令，然后执行相应动作。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种矿用镍氢电池脉冲充电装置的控制方法，矿用镍氢电池脉冲充电装置包括整流模块、磁保持继电器、STC单片机、红外遥控接收模块、镍氢电池组、充电继电器、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、运算放大器Q8、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、二极管D1、二极管D2、场效应管D，所述整流模块的输入端接交流电源，整流模块的输出端经磁保持继电器的触点1号端、2号端后输出本安电源，所述红外遥控接收模块接收红外遥控信号并与STC单片机相连，所述整流模块的输出端与STC单片机相连为其供电，所述STC单片机输出磁保持继电器断开信号与三极管Q7的基极相连，STC单片机输出磁保持继电器吸合信号与三极管Q6的基极相连，所述三极管Q6、三极管Q7的集电极分别与磁保持继电器的吸合线圈、断开线圈相连，三极管Q6、三极管Q7的发射极接地，所述电阻R2的一端接磁保持继电器触点的2号端，电阻R2的另一端串联电阻R4后接地，所述电阻R1的一端接磁保持继电器触点的2号端，电阻R1的另一端依次串联电阻R3、电阻R5后接地，所述运算放大器Q8的正向输入端连接于电阻R2、电阻R4之间，运算放大器Q8的反向输入端连接于电阻R3、电阻R5之间，所述运算放大器Q8的输出端接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极与场效应管D的栅极连接，所述场效应管D的源极连接于电阻R1、电阻R3之间，所述电阻R6连接于场效应管D的栅极和源极之间，所述电阻R7一端与场效应管D的栅极连接，电阻R7另一端与三极管Q5的集电极相连，三极管Q5的发射极接地，三极管Q5的基极与STC单片机相连，接收STC单片机发出的充电脉冲，所述场效应管D的漏极与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与充电继电器的触点1号端相连，STC单片机发出的电池充电/供电切换信号与三极管Q4的基极相连，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的集电极与充电继电器的线圈相连，充电继电器的触点2号端与磁保持继电器触点的2号端相连，充电继电器的触点3号端与镍氢电池组的阳极相连，镍氢电池组的电压信号、温度信号输送至STC单片机；其特征在于，矿用镍氢电池脉冲充电装置的控制方法包括以下步骤：

1)判断是否有开机信号，如果有则开始对电池进行充电；

2)对电池电压进行采集并存储；

3)对电池温度进行采集并存储；

4)对电池电流进行采集并存储；

5)判断电池电流是否小于等于6A，如果大于6A则停止充电并返回步骤1)，如果电池电流小于等于6A则执行步骤6)；

6)判断电池温度是否小于等于60度，如果大于60度，则停止充电并返回步骤1)，如果电池温度小于等于60度，则执行步骤7)；

7)判断电池电压是否小于充电截止电压，如果电池电压大于充电截止电压，则打开涓流标志，进入涓流充电，充电脉冲为充电2毫秒，然后停止200毫秒，并循环进行；如果电池电压小于充电截止电压，则执行步骤8)；

8)判断电池电压是否小于等于启动充电电压，如果是小于等于启动充电电压则执行步骤9)；如果大于启动充电电压则判断是否有涓流标志，在有涓流标志的情况下进入涓流充电，充电脉冲为充电2毫秒，然后停止200毫秒，并循环进行，在没有涓流标志的情况下执行步骤9)；

9)判断是否有交流电源，如果交流电源正常，则关闭涓流标志并启动充电脉冲，充电脉冲为充电2毫秒，然后停止20毫秒，并循环进行；如果交流电源不正常，则返回步骤1)。

2.如权利要求1所述的矿用镍氢电池脉冲充电装置的控制方法，其特征在于，充电截止电压、启动充电电压根据电池温度进行补偿，充电截止电压＝充电截止电压初值+补偿电压值，启动充电电压＝启动充电电压初值+补偿电压值；充电截止电压初值为27.01V，启动充电电压初值为23.41V；各电池温度下补偿电压值如下表：

电池温度(℃) 补偿电压值(V) 55～≥45 1.07 <45～≥35 1.11 <35～≥25 1.15 <25～≥15 1.19 <15～≥5 1.23 <5～≥-5 1.27 <-5～≥-15 1.31 <-15～≥-25 1.35 <-25～≥-35 1.39

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