CN1527434A - 用于不间断电源的电池充电管理装置及充电方法 - Google Patents

用于不间断电源的电池充电管理装置及充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于不间断电源的电池充电管理装置及充电方法，旨在提供一种可靠性高，能提高蓄电池的使用寿命的电池充电装置及充电方法。具体技术方案是：微控器单元、脉宽调制控制单元、充电主回路单元、信号采集单元依次连接。微控器单元根据信号采集电路采集的信号控制脉宽调制控制单元首先提供较大但是限流的充电电流，随着电池电压的升高，将电压限制在均衡电压，电流慢慢减少，计时到或充电电流小于预定值后，转入间隙，之后以较低的电压和较小的电流进行浮充，浮充时间到预定值或充入容量到预定值后转入休眠关闭充电器。同时根据采集的温度信号，调节脉宽调制控制单元，改变脉冲宽度，从而使充电器提供需要的充电电压。

Description

用于不间断电源的电池充电管理装置及充电方法
                               技术领域
本发明涉及蓄电池的充放电管理，尤其涉及UPS(Uninterruptible Power Systems)即不间断电源中对蓄电池的智能充电的方法。
                               背景技术
蓄电池是UPS中的重要组成部分，在长延时UPS中蓄电池的成本几乎与UPS主机成本相当，而很多UPS故障是蓄电池故障或因电池管理使用不当引起，但传统的UPS中蓄电池管理的缺点：
长期浮充。传统的充电器在进行简单的限流或恒压充电到蓄电池容量的90％左右后，绝大部分时间是以一个恒定的电压进行长期的浮充。但是这充入的功率，并没有完全变成我们需要电能，而是变成了对蓄电池有害的电池水分的分解和热能耗掉了，造成电解液干涸；另外造成在蓄电池内部活性物质和板栅之间形成高电阻阻挡层，使电池的内阻增加、容量下降，容易使阀控式铅酸蓄电池的使用寿命过早失效。同时长期浮充使充电器一直处于充电状态，充电器中相关器件如滤波用的电解电容容易老化失效。
专利申请号为01209813，名称为“新型多模式充电装置”的专利提供了一种控制回路部分由带有内部数据比较器和计时器的CPU和充电关断、开通部分构成的新型多模式充电装置。在蓄电池充电达到设定均充电压，该装置能自动产生一充电间隔，让蓄电池消除充电疲劳；在蓄电池浮充达到预设条件，完成对蓄电池充电时，则自动进入休眠状态，直到激发条件出现。该装置有两个不足，一是在充电电压达到均充电压后即转入“充电间隔”，没有维持时间，这样造成电池充不满。特别是在长期休眠后电池急需一定时间的均充。二是该装置设定的均充电压和浮充电压是固定的，没有温度补偿，但是电池的实际工作温度(环境温度和电池本身的温度)是变化的，因此造成以温度低时充不饱，温度高时过充。
                               发明内容
本发明是为了克服现有技术中的蓄电池长期浮充状态容易造成电池内部水分损失、充电器充进的功率大部分转化为热量消耗掉，并且造成蓄电池极板容易老化，极板活性减少以及专利01209813中在达到均充电压点立即关闭充电器输出造成蓄电池充不饱等不足之处，提供一种可靠性高，能延长蓄电池的使用寿命，充电效果好的充电装置及充电方法。
本发明通过下述技术方案实现
一种用于不见断电源的电池充电管理装置，微控器单元103、脉宽调制控制单元102、充电主回路单元101依次连接，所述微控器单元与信号采集单元104连接，所述信号采集单元104对采集的充电电压、电流、市电信号、蓄电池温度进行处理，转换成微控器单元可以接受的电平
本发明还提供了一种充电方法，它包括下列步骤：
(1)设置浮充电压、均充电压、限流充电时间、恒压充电时间、间隙时间、浮充时间、休眠时间、电流预定值、电压预定值，存入存储器中；
(2)信号采集单元采集蓄电池的电压、电流、温度、市电信号转换成微控器单元可以接受的电平，送微控器单元；
(3)微控器单元接收到休眠时间到或蓄电池休眠自放电导致蓄电池容量低于预定值时或市电停电时蓄电池放电后再来电，或者UPS关机后重新开机时，微控器单元控制脉宽调制单元调制输出的脉宽，使主充电回路进入工作状态；
(4)信号采集单元采集到的蓄电池的电压、电流值送微控器单元比较，当检测值低于设定值时，改变脉宽调制单元的脉宽，控制充电主回路单元按限流充电模式充电，充电器工作在限流的充电电流下，同时计时器开始计时；当检测到蓄电池电压达到浮充电压时，同时计时器开始计时；
(5)当检测到限流时间到或达到均充电压时，微控器单元控制脉宽调制单元脉宽输出使主充电回路进入恒压均充模式，同时计时器开始计时；
(6)当恒压均充时间到时，进入间隙阶段，同时计时器开始计时；
(7)当间隙时间到，转入浮充阶段，同时计时器开始计时；
(8)当浮充时间到或充入容量到预定值后，转入休眠状态，关闭充电器，同时计时器开始计时；
(9)返回步骤(2)。
信号采集单元的温度采样信号可以转化为电信号后送微控器单元，微控器单元再发信号调节脉宽调制控制单元，改变脉冲宽度，从而使充电器提供需要的充电电压。
本发明具有下述有益效果：
(1)在均充阶段后给予一个短时间的间隙，让t0～t3时间的均充时期造成水分分解出的气体能及时复合还原成水，减少水分损失。
(2)市电正常情况下，蓄电池约有2/3的时间处于休眠状态，大大减少了充电器和蓄电池的疲劳，可以提高充电器的可靠性和延长蓄电池的使用寿命。
(3)本发明装置提供温度补偿。可以保证温度低时电池可以充饱，温度高时蓄电池不至于充坏。
                               附图说明
图1是一种用于UPS中蓄电池充电管理的电路框图；
图2是一个周期的电池“均充—间隙—浮充—休眠”充电时序图。
                               具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
在图1中，本发明装置包括充电主回路单元101，完成将输入源(直流或交流)进行变换成蓄电池需要的电压和电流，PWM(Pluse Width Modulation)控制单元即脉宽调制控制单元102对充电主回路单元101进行常规控制，即使没有微控器单元103即MCU参与也能完成充电主回路单元101基本的先限流后恒压的充电功能；MCU(Micro ControlUnit)即微控器单元103，具有程序存储、数据计算比较处理、计时等功能，根据信号采集单元104送来的信号，以及内部预先设定的参数，最后提供信号给脉宽调制控制单元102，改变脉冲宽度及是否提供脉冲；首先提供较大但是限流的充电电流，随着电池电压的升高，将电压限制在均衡电压，电流慢慢减少，计时到或充电电流小于预定值后，转入间隙，之后以较低的电压和较小的电流进行浮充，浮充时间到预定值或充入容量到预定值后转入休眠关闭充电器，休眠时间到后开始下一个循环。信号采集单元104，对采集的充电电压、电流、蓄电池温度进行处理，变成MCU可以接受的电平。充电主回路单元101：部件的组成根据UPS的电路拓扑整体要求及电池组电压及电池组是否与UPS输入输出隔离情况，决定采用充电器的主电路可以是以下电路：单端电路或BUCK电路或BOOST电路。脉宽调制控制单元102采用常规脉宽调制专用集成块可以是UC3842/3843/3844/3845等电流型的控制芯片。微控器单元103，一般含程序存储器ROM数十K(如64K)，数据存储器RAM数百(如512)，I/O口(如4个8位双向口，一个4位可编程口(双向I/O口、写选通、读选通、读写选通)，中断口(定时器中断、外部中断、串口中断、定时器)，以及模数转换A/D。信号采集单元104，能将电压、电流、温度等信号通过传感器、电阻、电容、变压器、运放等变换成A/D可以接受的信号。电池的充电电压通过电阻分压、运放等处理后送A/D，充电(放电)电流信号通过电阻或电流传感器以及运放处理后送A/D，电池温度信号通过热电偶采样以及运放处理后送A/D。市电采集通过信号变压器或电阻分压、比较器比较送A/D，用于判断市电是否正常。
将信号采集单元、微处理器单元、脉宽调制控制单元、充电主回路单元依次连接即组成一种电池充电管理装置。
在图2中t0是本充电周期的开始和上个充电周期结束时刻，t1充电电压达到浮充电压点时刻，t2是达到均充电压点时刻，t3是均充结束和停止充电时刻，t4充电间隙结束和开始浮充时刻，t5是浮充结束及开始休眠时刻，t6是本充电周期结束时刻。
t0～t3均充：
其中t0～t1处于限流充电阶段，达到浮充电压(2.28V左右/单体)点t1时，计时T13小时后(T13＝t3-t1，该时间可以根据不同的蓄电池和充电器容量设置，一般充电到充电电流小于0.01C(1％电池容量/小时)或计时10～24小时后为宜，)到t3时或达到均充电压(2.35V左右/单体)点t2时计时T23小时(T23＝t3-t2，该时间可以设置，该时间与T13相当，但是T13＞T23＞0)到t3时，t1和t2后分别计时以“或”的关系判别，是为了既保证蓄电池容量能及时得到补充，又防止充电电压过高的危险，有双重保护的作用。均充终止时刻t3也可以通过判定充电电流小于一定的预先设定值(I1)来决定，I1的设定是通过设定蓄电池容量来间接设置。
t3～t4间隙时间T34(T34＝t4-t3，为十几分钟至数十分钟，该时间根据电池型号确定、另外不同的温度稍有区别，)，给予一个短时间的间隙是为了让t0～t3时间的均充时期造成水分分解出的气体能及时复合还原成水，减少水分损失。
t4～t5是浮充阶段T45，(T45＝t5-t4，时间一般是数天，根据电池容量及充电电流可以设置，充电电流与时间(包括均充时间)的积分大于电池放出容量的20～30％为宜)。设置原则是保证蓄电池在该阶段充满。依据是当地电网状况(停电周期越短，则需要浮充时间越长)、蓄电池标称容量(容量越大则充电时间越长)、充电器容量(充电器容量越小则充电时间越长)、温度(温度越低，则充电时间越长)。
t5～t6休眠阶段T56，(T56＝t6-t5，数天至一月左右可设置，休眠时间以电池自放电容量不大于5％额定容量后终止或电池电压自放电达到预定值时终止。休眠时间与温度有关，温度越高，则休眠时间越短)，但是如果在T5后蓄电池休眠自放电导致蓄电池容量低于预定值时或市电停电时蓄电池放电后再来电，或者UPS关机后重新开机时，MCU激活充电器开始下一个t0～t6的循环。
以上由微控器单元根据蓄电池标称容量、蓄电池新旧度、蓄电池电压、市电状况提供充电器使能信号来控制PWM控制单元，从而控制充电主回路单元的开通与休眠，提供模拟电平信号调节PWM控制单元的脉冲宽度，从而决定充电器输出均充电压或浮充电压。市电正常情况下，蓄电池约有2/3的时间处于休眠状态，大大减少了充电器和蓄电池的疲劳，可以提高充电器的可靠性和延长蓄电池的使用寿命。
本发明装置还提供温度补偿。蓄电池厂家推荐的充电电压一般是25℃时的，温度每升高或降低一度，需要充电电压降低或升高几mV左右/单体.℃。这样与没有温度补偿的方法相比，可以保证温度低时电池可以充饱，温度高时蓄电池不至于充坏(温度高时，引起充电电流增加，由于发热与电流的平方成正比，这样易形成恶性循环，造成热失控，气体排除和电池单元干涸老化，使电池容易损坏或造成寿命降低)。该功能是通过图1中信号采集单元的温度采样信号转化为电信号后送MCU控制处理单元，MCU单元再发信号调节PWM控制器单元，改变脉冲宽度，从而使充电器提供需要的充电电压。

Claims (3)

1.一种用于不间断电源的电池充电管理装置，微控器单元(103)、脉宽调制控制单元(102)、充电主回路单元(101)依次连接，其特征在于，所述微控器单元与信号采集单元(104)连接，所述信号采集单元(104)对采集的充电电压、电流、市电信号、蓄电池温度进行处理，转换成微控器单元可以接受的电平。
2.一种用于不间断电源的电池充电方法，其特征在于，它包括下列步骤：
(1)设置浮充电压、均充电压、限流充电时间、恒压充电时间、间隙时间、浮充时间、休眠时间、电流预定值、电压预定值，存入存储器中；
(2)信号采集单元采集蓄电池的电压、电流、温度、市电信号转换成微控器单元可以接受的电平，送微控器单元；
(3)微控器单元接收到休眠时间到或蓄电池休眠自放电导致蓄电池容量低于预定值时或市电停电时蓄电池放电后再来电，或者不间断电源关机后重新开机时，微控器单元控制脉宽调制单元调制输出的脉宽，使主充电回路进入工作状态；
(4)信号采集单元采集到的蓄电池的电压、电流值送微控器单元比较，当检测值低于设定值时，改变脉宽调制单元的脉宽，控制充电主回路单元按限流充电模式充电，充电器工作在限流的充电电流下，同时计时器开始计时；当检测到蓄电池电压达到浮充电压时，同时计时器开始计时；
(5)当检测到限流时间到或达到均充电压时，微控器单元控制脉宽调制单元脉宽输出使主充电回路进入恒压均充模式，同时计时器开始计时；
(6)当恒压均充时间到时，进入间隙阶段，同时计时器开始计时；
(7)当间隙时间到，转入浮充阶段，同时计时器开始计时；
(8)当浮充时间到或充入容量到预定值后，转入休眠状态，关闭充电器，同时计时器开始计时；
(9)返回步骤(2)。
3.根据权利要求2所述的电池充电方法，其特征在于，所述信号采集单元采集的温度信号转化为电信号后送微控器单元，所述微控器单元再发信号调节脉宽调制控制单元，改变脉冲宽度，从而使主充电回路提供需要的充电电压。
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