CN2491996Y - 有维护功能的充电装置 - Google Patents

Abstract

一种有维护功能的蓄电池充电装置中,其电路包括有限压功能的稳流电源电路、电子开关电路、去极化电路、微控制器电路、电压检测电路、温度检测电路及A/D转换电路、键盘显示电路、以及可开关恒流源电路;电子开关电路和可开关恒流源电路后并联后再串联到稳流电源电路对被充电电池的充电回路中,并且分别通过线路与微控制器口线连接。本实用新型能延长电池的使用寿命、能用于电池化成,并能对已硫化失效的蓄电池进行维护、使硫化失效蓄电池能够恢复正常使用。

Description

有维护功能的充电装置

本实用新型涉及一种用于铅酸电池、特别是阀控密封铅酸蓄电池的充电装置，它能延长电池的使用寿命、能够快速充电、能用于电池化成，并能对已硫化失效的蓄电池进行维护、使硫化失效蓄电池能够恢复正常使用。

电池，均指铅酸电池、特别是阀控密封铅酸蓄电池。电池除一直广泛用于汽车、轮船等使用的启动电池外，还广泛用作移动设施如电动车辆、电动船只等设施的动力电源，也广泛用作如UPS、通信交换机、电力开关屏等设备的备用电源。电池的使用寿命，由电池使用情况和电池本身的设计结构决定，对移动设施使用的动力型电池来讲，一般以可循环充放电的次数衡量，更确切地说，是以电池在一定的放电程度下包括放电电流和放电深度的充放电循环次数来衡量；对于备用电池来讲，一般以在浮充条件下的使用时间长度(年)来衡量。近年来的研究结果表明电池的使用寿命除电池制造本身的因素外，充电方法对电池使用寿命有极大的影响，不完善的充电方法会使电池析气失水或硫化、加速电极板栅的腐蚀，会极大地缩短电池的使用寿命。有相当多数量的电池在实际使用中，由于运输搁置、存贮搁置、使用中的搁置及使用不当会产生硫化现象，虽然还没有达到其应有的使用寿命，但用传统的充电办法对硫化的电池充电，电池只能充入和放出远远小于电池容量的电量，这时电池只能做报废处理。

目前的充电技术包括的直流充电法和脉冲充电法，直流充电包括恒压、恒流、恒流限压、恒压限流等及其多种组合，脉冲充电开始于探讨快速充电方法，主要用于动力电池充电，近年来的研究涉及脉冲充电对电池寿命的影响，采用适当的脉冲充电技术可以提高电池的使用寿命。脉冲充电有采用只有正脉冲和有正负脉冲组合的多种方法，其中负脉冲是在充电过程中的去极化脉冲。在充电过程中，为防止过充造成损坏电池，必须要根据电池的充电状态，对充电电流、充电电压进行调整和判断充电终止条件。

US4,829,225 Pdarzhansky等公开了一种组合正负脉冲电流充电的方法，它在负脉冲期间检测电池电压，在充电过程中调整正负脉冲电流幅度和判断充电终止。

US5,694,023 Pdarzhansky等公开了一种采用在正脉冲后加连续多个负脉冲，测量负脉冲间隔的电池电压，根据上述电压的变化判断电池的充电状态，调整充电平均电流和终止充电。

US5,680,031 VladAmAr S等公开了一种采用控制电流幅度和波形变化的正脉冲电流充电的方法。

US6,514,011 Lam等)公开了一种采用正脉冲的充电方法，它采用检测最大电池开路电压检测，并控制减小脉冲电流、或增加脉冲关断时间、或减小脉冲导通时间、或以上三种办法的组合减少平均充电电流。

CN98120663(钟阳)公开了一种正负脉冲电流充电方法，它采用检测开路电压和极值判定法判断充电状态，用调整脉冲电流强度和改变脉冲占空比的方法减小充电电流，用极值判定充电终止条件。

以上现有技术中均未涉及对充电电流脉冲的上升沿和下降沿的时间速率要求，而试验表明，脉冲充电电流的快速前后沿对防止电池硫化和去除电池硫化有重要作用。

以上现有技术中均未对电池的析气判定给出可靠准确的方法，因此在充电时可能会出现严重析气失水或欠充造成电池硫化而损害电池。

以上现有技术对在充电过程中减小平均充电电流提出了多种方法选择，没有涉及其方法对电池内压和温度的影响，实际上用减小充电电流幅度的办法，既增加电路的复杂性、又相对于用不改变充电电流幅度而改变占空比的办法，使电池内压和温度更高，会产生更多的析气失水现象。

以上现有技术均无可实用的即可对电池充电、又能修复已硫化的电池的功能，在实际使用中将无法对已硫化的电池进行修复并充电。

以上现有技术都需要电流幅度连续控制部件和(或)电流检测电路，电路结构相对复杂，而大电流连续控制功能的实现还需要成本较高的大功率器件。

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种有维护功能的充电装置，它以通过特定的充电方法避免充电过程中的析气失水和抑制硫化为主要目的，从而延长蓄电池的寿命。

本实用新型又提供一种新型的有维护功能的充电装置，它在对电池充满电之后，采用本实用新型的脉冲电流对电池进行涓流充电和维护，可以防止电池在搁置期间产生硫化。

本实用新型的又一目的在于提供一种特定的脉冲电流进行维护的有维护功能的充电装置，它可以修复未达到应有使用寿命的硫化电池，延长蓄电池的寿命。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型有至少两种工作过程：充电过程A和充电过程B，所述的两种工作过程采用各自不同脉冲电流峰值以及不同脉冲波形参数的脉冲电流对电池进行充电；两种充电过程中的正脉冲电流都带有快速上升前沿和(或)快速下降后沿。在充电过程A中，有析气电压判定、减小平均充电电流、充电终止条件判定、停止充电或转入充电过程B等步骤。充电过程A是以充入电量为主的充电过程，充电过程A结束后，电池已经充满可以使用；充电过程B可以作为充电过程A结束后的涓流充电和维护充电，也可以作为单独的修复硫化电池的过程。

为实现充电过程A和充电过程B，所述的有维护功能的蓄电池充电装置中，其电路包括有限压功能的稳流电源电路、电子开关电路、去极化电路、微控制器电路、电压检测电路、温度检测电路及A/D转换电路、键盘显示电路、以及可开关恒流源电路；所述的电子开关电路串入一个保护二极管后和所述的可开关恒流源电路串入一个保护二极管后并联后再串联到所述的稳流电源电路对所述的被充电电池的充电回路中，由所述的微控制器进行控制，在充电过程A中，可开关恒流源电路总被关断，由电子开关电路的通断，在充电回路产生充电过程A所要求的充电脉冲的正脉冲电流；在充电过程B中，电子开关电路总被关断，由可开关恒流源电路的通断，在充电回路产生充电过程B所需要的充电脉冲的正脉冲电流。

带限压功能的稳流电源电路，可为开关型交直流变换电源电路，它主要包括一次整流电路、逆变器、PWM控制电路、二次整流平滑电路和取样反馈电路等；它有电流反馈和电压反馈等两个反馈功能。它的电流反馈与通用的稳流电源电路一致，用输出电流取样信号与预定稳流的基准值比较后得到电流反馈信号，它还有一个输出电压取样和预定限压的基准值进行比较的电路，得出电压反馈信号。电压反馈信号和电流反馈信号按着“或”的关系反馈到PWM控制电路。电流反馈用于稳定输出电流，而电压反馈用于限制输出电压过高。其负载在预定范围内的变化时(即当输出电压小于限定值时)，电流取样反馈环路起作用，这时电压反馈不起作用，所述的带限压功能的稳流电源电路输出稳定的电流；当负载阻抗增大到超出稳流电路可以稳流的范围以及负载开路时，输出电压会上升，当输出电压升高达到所设计的限压值时，电压取样比较的反馈环路起作用，限制电压的进一步升高，起限压作用，这时电流反馈不起作用。

带有快速上升前沿和(或)快速下降后沿的正脉冲电流，其快速上升的前沿和(或)快速下降后沿主要由电路设计时对电子开关电路中及可开关恒流源电路中的开关器件选择来确定，足够开关速度的开关器件可以满足所述的快速前后沿的要求。

本实用新型适用于蓄电池，特别是阀控密闭铅酸电池。可用于电池的充电和化成。

本实用新型采用有严格、明确的快速上升和下降的前后沿的正脉冲电流充电，使电池板极生成细小并且均匀的结晶，可防止极板硫化，并对已硫化的电池有修复作用。

在充电过程中的中期和后期，由于电化学反应，电池内部的温度和压力逐渐上升，这时需要减小平均充电电流，以防止温升过高和内压过大对电池造成损坏。本实用新型在充电过程的中后期采用调整占空比的办法来减小平均充电电流、而不是采用减少脉冲电流幅度的方式减少平均充电电流进行充电。试验表明，采用本实用新型，电池温度和内压升幅小于用减小脉冲电流幅度的减小充电电流的充电方法，因而减小了电池的析气失水现象。另外，它在充电过程的中后期、平均充电电流减小时仍然具有足够的脉冲扰动，保证了去硫化的条件，延长了电池寿命。

本实用新型的充电过程B，它有两种功能：

1)使用中的电池如有比较长期的搁置期间(如北方的电动船只在冬季无法使用而搁置)，电池极易产生硫化，甚至因此报废。而采用本实用新型的方法在电池充满电量后(充电过程A完成后)，可长期用充电过程B对搁置中的电池进行涓流浮充和维护充电，不仅可以补充电池的自放电、还能避免电池在搁置中出现电池硫化现象，保持电池“新鲜”，保证电池可随时使用，延长了电池的使用寿命。

2)对生产、运输、销售和使用过程中因无法维护的搁置而产生硫化的电池，可直接采用充电过程B进行维修(需要一定时间，如几天)，使已硫化的电池恢复其原有的充放电能力。

本实用新型的电路结构简单，无需连续调节电流幅度的电路和充电电流检测电路，降低了成本，并易于实施。

本实用新型主要针对铅酸阀控密闭蓄电池，但其充电方法也可用于其它蓄电池，如开口铅酸蓄电池、镍氢电池和其它蓄电池。

下面结合附图和具体实施方案对本实用新型做进一步的详细说明。

图1A为本实用新型充电过程A的充电脉冲电流波形图；

图1B和图1C为本实用新型充电过程B的充电脉冲波形图；

图2为本实用新型的一种电路实施例的原理方框图；

图3为图2实施例中的有限压功能的稳流电源的电路原理方框图；

图4为本实用新型一种实施例的电路原理图；

图5为本实用新型又一种实施例的电路原理图；

图6为本实用新型再一种实施例的电路原理图。

参见图1，本实用新型的充电过程包括采用正负脉冲电流充电、析气电压判定、减小平均充电电流、判定充电终止条件等步骤，充电过程有至少两个充电过程，充电过程A和充电过程B；充电过程A和充电过程B有不同的充电电流的峰值幅度；两个充电过程所采用的正脉冲电流带有快速上升前沿和(或)快速下降后沿。在充电过程A中，复合脉冲电流充电。复合脉冲由带有快速上升前沿和(或)快速下降后沿的正脉冲电流、负脉冲电流(去极化脉冲)和间歇时间组成。

正脉冲电流所带有的快速上升前沿和(或)快速下降后沿，其时间参数要求为该电流在阻性负载上的电压降的上升沿或下降沿不小于每微秒6伏特。正脉冲电流的宽度为10毫秒至2分钟，负脉冲的宽度为正脉冲宽度的0.1％至5％，间歇时间的宽度为1毫秒至正脉冲电流的宽度的200倍。充电过程A的充电脉冲电流，其脉冲电流峰值可为被充电电池10小时放电率额定电流I₁₀的0.1倍至20倍，负脉冲电流幅度应大于或等于正脉冲电流幅度，负脉冲电流幅度最大可为正脉冲电流幅度的3倍。

本实用新型有至少两种工作过程：充电过程A和充电过程B，所述的两种工作过程采用各自不同脉冲电流峰值以及不同脉冲波形参数的脉冲电流对电池进行充电；所述的两种充电过程中的正脉冲电流都带有快速上升前沿和(或)快速下降后沿。在所述的充电过程A中，有析气电压判定、减小平均充电电流、充电终止条件判定、停止充电或转入充电过程B等步骤。充电过程A是以充入电量为主的充电过程，充电过程A结束后，电池已经充满可以使用；充电过程B可以作为充电过程A结束后的涓流充电和维护充电，也可以作为单独的修复硫化电池的过程。

充电过程B的充电脉冲由连续的带有快速上升前沿和(或)快速下降后沿的正脉冲电流组成，正脉冲电流的电流峰值强度为1毫安至1000毫安，正脉冲的宽度为5微秒至500毫秒，间歇时间的宽度为5微秒至500毫秒。所述的充电过程B中的正脉冲电流所带的有快速上升前沿和(或)快速下降后沿，其时间参数要求为该脉冲电流在阻性负载上的电压降的上升沿和(或)下降沿的速率不小于每微秒6伏特。

充电过程B的充电脉冲由连续的带有快速上升前沿和(或)快速下降后沿的正脉冲电流串和一个负脉冲组成；正脉冲电流的电流峰值强度为1毫安至1000毫安，正脉冲的宽度为5微秒至500毫秒，间歇时间的宽度为5微秒至500毫秒，负脉冲电流幅度大于或等于正脉冲电流的幅度、最大可为正脉冲电流幅度的10倍。负脉冲电流的宽度为前一个负脉冲后的正脉冲电流串中所有正脉冲的时间宽度总和的0.1％至2％。

充电过程B的正脉冲电流的峰值强度根据被充电电池容量选择，应保证长期按充电过程B对电池充电时，对电池没有损害。可以按用此峰值和所设计的脉冲参数脉冲的电流对被充电电池充电时，1-6个月时间可充满电池容量计算。

参见图2、3、4，为本实用新型充电装置的一种实施例构成框图以及电路原理图。其中有限压功能的稳流电源电路1，去极化电路3，微控制器电路4，温度检测电路5，电压检测电路6，电流检测电路7及A/D转换电路8，键盘和显示电路9，基本与现有技术的相同或相近似。具体的：

1为有限压功能的稳流电源电路。其内部结构的方框图参见图3。它可为采用TL494，SG3525，UC3824及类似的PWM控制器的开关电源，图中Vr1、Vr2为基准电压，R1为负载阻抗，比较放大电路1和比较放大电路2可采用PWM控制器内部的或外部的比较放大电路，比较放大电路1从稳流电源输出端的r1、r2分压电阻上对输出电压取样，比较放大电路1对电压取样信号和基准电压Vr1进行比较，输出电压反馈信号；比较放大电路2从电流取样电阻ri上取出电流信号，比较放大电路2对电流取样信号和基准电压Vr2进行比较，输出电流反馈信号。比较放大电路2输出的电流反馈信号和比较放大电路1输出的电压反馈信号通过“或”门电路施加到PWM的控制输入端，电流信号反馈到PWM控制电路以稳定电流输出，电流的稳定值设计在充电过程A所需的正脉冲电流的峰值；电压信号反馈到PWM控制电路以限制电压升高，电压的限制值(或稳定值)取值的原则为：当直流输出端Vo通过一个恒流源电路(如本实施例的电路11)连接到被充电电池上，被充电电池在最劣条件下(电池电压最高时)，这个电压值可以保证恒流源电路能正常工作的电压、使有限压功能的稳流电源1能通过可开关恒流源电路11输出充电过程B所需的有正脉冲电流峰值的电流。

2为电子开关电路，为采用双级型三极管、VMOS、TMOS，IGBT等器件组成的电子开关电路，应选择其开关特性以满足所述的快速前后沿的条件；为防止反向电压对电路的损坏，电子开关的输出端串联一个保护二极管2D2；

3为去极化电路，可为由电子开关器件串联的去极化负载电阻或去极化电子负载电路组成。具体可由三极管2V5、2V6以及电阻2R11组成，三极管2V6的基极通过线路22与微控制器4的口线POD连接；

4为68HC05，8051，ABT551等系列微处理器；

5为温度检测电路，由温度传感器及相关器件组成；温度检测电路5用于检测环境温度；具体可由电阻3R4和温度传感器3R5串联组成，并且输出接微控制器4的Tsense口线。

6为电压检测电路；电压检测电路6用于检测被充电电池12的两端的电压；由电阻2R9、2R10串联组成，并且输出接微控制器4的Vsense口线。

8为A/D转换电路，可为独立的A/D转换接口器件，也可为微控制器4中内置的A/D转换电路；

9为键盘和显示电路；键盘显示电路9用于输入指令和显示充电状态，指令可包括选择充电过程和停止充电等，具体可连接微控制器4的LED1-3、I/01-2、0SC1-2等口线。

11为可开关恒流源电路，它是在恒流源电路中加一个控制端，在控制端所加的信号可以启动或关断恒流源电路。为防止反向电压对电路的损害，可开关恒流源电路的输出端要串联保护一个二极管4D2。

12为被充电电池。

在充电过程A中，可开关恒流源电路11由微控制器4通过线路21控制而处于关闭状态，有限压功能的稳流电源电路1的输出电流需通过电子开关电路2流入到被充电电池12，由微控制器4通过线路20控制电子开关电路2的导通和关断形成充电过程A所需的正脉冲电流，其脉冲电流峰值由有限压功能的稳流电路1的稳流输出电流值确定，其快速前后沿的要求由电子开关电路2中所选择的开关器件的开关时间参数保证。

在充电过程B中，此时电子开关电路2的三极管2V4的基极接微控制器4的PWMC，也就是微控制器4通过线路20控制电子开关电路2而处于关闭状态，有限压功能的稳流电源电路1的输出电流通过可开关恒流源电路11流入到被充电电池12，由微控制器4通过线路21，也就是通过微控制器4的口线POS控制可开关恒流源电路11的三极管4V2的基极，以便控制开关恒流源电路11的导通和关断形成充电过程B所需的正脉冲电流，其脉冲电流峰值由可开关恒流源电路11中的恒流源电路确定，其快速前后沿的要求由可开关恒流源电路11中所选择的开关器件的开关时间参数保证。

去极化电路3并联于被充电电池12的两端，去极化电路3的控制端——三极管2V6的基极通过线路22与微控制器4的口线POD连接并受其控制产生去极化脉冲，即负脉冲。

当微控制器4通过口线PWMC、POS以及POD关断电子开关电路2、可开关恒流源电路11和去极化电路3时，可形成充电脉冲电流的间歇时间。

图5、图6，分别是针对不同的恒流限压电源具体的外部电路结构，本实用新型所具有的不同连接方式的具体电路原理图。整个电路基本构成和工作机理与上述的实施例基本一致。

Claims (6)

1、一种有维护功能的充电装置，其电路包括有限压功能的稳流电源电路(1)，去极化电路(3)，微控制器电路(4)，温度检测电路(5)，电压检测电路(6)，电流检测电路(7)及A/D转换电路(8)，键盘和显示电路(9)，其特征在于：所述的装置中至少包含电子开关电路(2)和可开关的恒流源电路(11)，所述的电子开关电路(2)和可开关的恒流源电路(11)并联后，再串联到有限压功能的稳流电源电路(1)与被充电电池(12)的充电回路中；所述的电子开关电路(2)和可开关的恒流源电路(11)分别通过线路与微控制器(4)连接。

2、根据权利要求1所述的有维护功能的充电装置，其特征在于：所述的电子开关电路(2)可为双级型三极管以及IGBT组成的电子开关电路。

3、根据权利要求1所述的有维护功能的充电装置，其特征在于：所述的电子开关电路(2)的输出串接一个保护二极管。

4、根据权利要求1所述的有维护功能的充电装置，其特征在于：所述的可开关的恒流源电路为在恒流源电路中加可启动或关断恒流源电路的开关控制电路，该控制电路接微控制器(4)。

5、根据权利要求1所述的有维护功能的充电装置，其特征在于：所述的可开关的恒流源电路的输出串接一个保护二极管。

6、根据权利要求1所述的有维护功能的充电装置，其特征在于：所述的有限压功能的稳流电源电路为开关型交直流变换电源电路。

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