专利名称：一种阀控式铅酸蓄电池的充电装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及蓄电池充电的技术领域，具体是一种阀控式铅酸蓄电池的充电装置。
背景技术：
铅酸蓄电池是由多个单格电池串联组成。阀控式铅酸蓄电池寿命提前终止的两个最主要的因素是正板栅的软化腐蚀和电解液过度失水。对于免维护型阀控式铅酸蓄电池失水10%容量减少20%，失水25%寿命即终止。因此，该类蓄电池如何在充电过程中减少失水量成为延长阀控式铅酸蓄电池寿命的关键。阀控式铅酸蓄电池失水的主要形式是在充电电压上升到单个栅格电压2. 35V，正极发生水分解副反应析出氧气，充电电压上升到单格2. 42V负极析出氢气，也就是达到充满电电压的70%从正极开始析出氧气，达到充满电压的90%开始析出氢气，正常情况下充电由于正负极之间氧通道的存在，氧气会被负极活化物反应吸收而不会形成失水，即使到达充满电的电压数值，铅酸蓄电池栅格内部温度不高时，氧气和氢气所形成的压力也不足以顶破并冲出阀帽而形成大量失水(只有轻微失水)。但是，在室温(25°C)以下的春秋冬季节，温度偏低，有时甚至达到-20°C以下充电(铅酸蓄电池的电解液的冰点适于达到_25°C 以下，有的可达-40°C)，此时由于正负极液体相对粘稠，化学反应速度和离子移动速度比较缓慢，外在表现为内阻值增加，充电接电能力大大下降，正极降为正常室温的70%以下，负极更是达到40%以下，如果在初始充电阶段不加预热地仍然使用大电流充电，则会导致电化学极化电压的急速上升和电池综合阻抗的快速增加，同时充电产生的热量(Q=PRt)快速增多、各栅格两端的电压非正常地在初始充电阶段快速上升。图1为室温(即25°C)条件下的阀控式铅酸蓄电池在充电时的蓄电池电压曲线。其中，在恒流充电阶段(即上述曲线的a_b段)，蓄电池电压上升的速度较慢，蓄电池接受充电也主要在这个阶段，一般可接受整个充电量的70%-85%。上述恒流充电阶段结束后，依次采用恒压充电(即上述曲线的b-f段)和浮充充电(即上述曲线的g_h段)。电解液内阻随温度的降低而增大，随温度的升高而减小。以25°C为基准，每降低 10°C，则内阻增大1 15% ；温度趋于越低，内阻增大的幅度加大。这主要是由于硫酸溶液的比电阻与粘度增大的缘故。若在低温条件以下充电，由于没有预热，将导致电池电压上升速度较快，从而使电池电压从所述曲线上的a点到达析气电压b点的时间被大幅缩短，并使得整个充电过程的安时数少于电池标称放电容量所需的安时数(电池容量的110%_130%)，即在低温条件下，采用图1的先恒流、后恒压(即通常在恒压充电至析气点后进行恒压充电，如果始终恒流充电将导致大量失水)的充电方法，将使得电池充不饱；同时，由于初期发热大，导致充电后期栅格内部压力较大，氧气和氢气顶破并冲出阀帽形成大量失水，使用恒流定时充电方式时失水量更大。如何解决在低温下充电失水的问题，是本领域的技术难题。
发明内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种适于避免低温下充电失水的阀控式铅酸蓄电池的充电装置。为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种阀控式铅酸蓄电池的充电装置，其包括整流供电电路；脉冲功率放大及变压电路，与该整流供电电路的电源输出端相连，用于向蓄电池提供充电电源；充电取样回路，设于所述脉冲功率放大及变压电路的输出端和蓄电池之间，用于检测充电电流和电压；充电控制电路，用于控制所述脉冲功率放大及变压电路的输出电压，并通过所述充电取样回路测得的充电电流和电压计算出蓄电池的实时内
PlRtO进一步，所述脉冲功率放大及变压电路包括开关管VMOS和变压器T ；开关管 VMOS的电流输入端和电流输出端分别与整流电路的输出端和变压器T的初级线圈连接，开关管VMOS的控制端与充电控制电路的控制信号输出端连接；变压器T的次级与作为输出端与充电取样回路的输入端连接，充电取样回路的电源输出端与蓄电池相连；充电控制电路通过控制所述控制信号输出端的PWM脉冲信号的脉宽，来控制充电电压。本实用新型具有积极的效果本实用新型的阀控式铅酸蓄电池的预热充电方法， 在低温时采用小电流对蓄电池充电，直至蓄电池中的电解液温度达到最佳值(一般为25 °C ) 时，采用正常的充电电流先恒流、后恒压充电，最后进行浮充充电，直至充满；该方法避免了 “电化学极化电压的急速上升和电池综合阻抗的快速增加，同时充电产生的热量(Q=PRt) 快速增多、各栅格两端的电压非正常地在初始充电阶段快速上升”的情况，从而解决了低温充电易失水的问题，确保了铅酸蓄电池的使用寿命，并使得整个充电过程的安时数满足电池标称放电容量所需的安时数(电池容量的110%-130%)。本实用新型在初始充电期采用多阶段小电流充电的方法，不仅完全在正负电极低温情况下的接电能力范围之内，而且利用了小电流产生的热量Q (Q=PRt),使得栅格温度逐步升高后，再逐步加大电流，蓄电池电压上升得非常缓慢，且在阀控电池内部温度发热到正常充电所需的温度(此时内阻已在正常范围内)再转为大电流充电，因此不会产生大量的热量而失水。
为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中图1为现有技术中的蓄电池在充电时的蓄电池电压曲线图；图2为实施例中的蓄电池小电流充电预热曲线图；图3为实施例中的阀控式铅酸蓄电池的预热充电装置的电路框图；图4为实施例中的阀控式铅酸蓄电池的预热充电装置的电路原理图；图5为实施例中的阀控式铅酸蓄电池的预热充电装置中的单片机的主程序框图；图6为图5中的主程序的中断子程序图。
具体实施方式
(实施例1)本实施例的阀控式铅酸蓄电池的预热充电方法包括[0021]A 若蓄电池中的电解液在温度为25°C时蓄电池的内阻为RT，充电初期当测得蓄电池的实时内阻Rt彡RT，即所述电解液的温度不低于25°C时，对该蓄电池进行恒流充电，且充电电流的大小为0. IC ；直至该蓄电池的电压到达该蓄电池的析气电压值时，进行恒压充电；当该蓄电池的电压到达额定饱和电压时，经浮充充电一段时间后结束充电；该一段时间为I-M小时，浮充充电的电流为0.01-0. 02C;由于浮充充电电流较小，因此，浮充充电的电压一般在蓄电池析气点电压以下。在浮充充电过程中，测得所述电解液的温度升高时，立即停止浮充充电。具体可通过检测浮充充电过程中的充电电压和电流测出蓄电池的实时内阻Rt是否明显变小。B:充电初期当测得Rt>RT，且Rt处于电解液的温度为小于25°C而大于15°C时的内阻之间时，则以0. 05C的充电电流对该蓄电池恒流充电；若Rt处于电解液的温度为小于 15°C而大于10°C时的内阻之间时，则以0. 04C的充电电流对该蓄恒流电池充电；即若电解液的温度越低，初始的充电电流就越小；直至Rt ( Rt,即所述电解液的温度不低于25°C时， 采用0. IC的充电电流进行恒流充电，直至蓄电池的电压到达该蓄电池的析气电压值时，进行恒压充电；当该蓄电池的电压到达额定饱和电压时，经浮充充电一段时间后结束充电。当充电初期测得蓄电池的实时内阻Rt处于电解液的温度为0-10°C时的内阻之间时，分别以0. 02C、0. 04C和0. 06C的充电电流对该蓄电池充电各20分钟，或依次充电25分钟、15分钟和10分钟，若在该过程中测得( &，则立即采用0. IC的充电电流进行恒流充电。若在该过程结束时Rt仍然大于&，则采用0. 06-0. 08C的充电电流对该蓄电池持续恒流充电，直至测得艮^ Rt时，采用0. IC的充电电流进行恒流充电，直至蓄电池的电压到达所述析气电压值时，进行恒压充电；当该蓄电池的电压到达额定饱和电压时，经浮充充电一段时间后结束充电。见图2，充电初期当测得蓄电池的实时内阻Rt处于电解液的温度为-15°C至0°C时的内阻之间时，分别以I1=O. Oica2=O. 02C、i3=0. 04C和i4=0. 06C的充电电流对该蓄电池充电各30分钟(即T=30分钟)，若在该过程(即图2中的“充电初期”)中测得Rt ( RT，则立即采用0. IC的充电电流进行恒流充电(即进入图2中的“正常充电阶段”)，直至蓄电池的电压到达所述析气电压值时，进行恒压充电；当该蓄电池的电压到达额定饱和电压时，进行浮充充电一段时间后结束充电。若在该过程结束时艮仍然大于&，则采用0. 06-0. 08C的充电电流对该蓄电池持续恒流充电，直至测得艮(&，则立即采用0. IC的充电电流进行恒流充电，直至蓄电池的电压到达所述析气电压值时，进行恒压充电；当该蓄电池的电压到达额定饱和电压时，进行浮充充电一段时间后结束充电。充电初期当测得蓄电池的实时内阻Rt大于电解液的温度为_15°C的内阻时，分别以0. 01C,0. 02C、0. 03C、0. 04C、0. 05C禾口 0. 06C的充电电流对该蓄电池充电各30分钟，或依次充电40分钟、35分钟、30分钟、观分钟、25分钟和20分钟，即电解液的温度越低，对该蓄电池充电的时段数可适当增加，且各时段内充电电流依次逐渐小幅增加；若在该过程中测得Rt ^ Rt，则立即采用0. IC的充电电流进行恒流充电。若在该过程结束时Rt仍然大于 Rt,则采用0. 06-0. 08C的充电电流对该蓄电池持续恒流充电，直至测得^ Rt,则立即采用 0. IC的充电电流进行恒流充电，直至蓄电池的电压到达所述析气电压值时，进行恒压充电； 当该蓄电池的电压到达额定饱和电压时，浮充充电一段时间后结束充电。本实用新型在初始充电期采用多阶段小电流充电的方法，不仅完全在正负电极低温情况下的接电能力范围之内，而且利用了小电流产生的热量Q (Q=i2Rt)，使得栅格温度逐步升高后，再逐步加大电流，蓄电池电压上升得非常缓慢，且在阀控电池内部温度发热到正常充电所需的温度(，该温度一般为25°C，此时内阻已在正常范围内)再转为大电流充电 (一般为0. 1C，也可采用0. 1C-0. 25C之间的任意值)，因此不会产生大量的热量而失水。开始充电时，采用固定大小的直流电对蓄电池充电并预热电解液，在固定PWM脉宽的情况下检测当前充电电流的大小，就可以得到当前被充电蓄电池的内阻(R=V/I)。在开始充电时，首先由单片机检测当前蓄电池内阻的大小，从而决定在充电初期各个小电流阶段时间T的长短，以100AH阀控铅酸蓄电池为例，若每只蓄电池内阻低于 8m Ω (Rl)，则T为零；若每只蓄电池内阻高于11 m Ω (R2)，则T为30分钟；80ΑΗ阀控铅酸蓄电池为例，每只蓄电池内阻低于ΙΟπιΩ，则T为零；高于13 πιΩ，贝Ij T为30分钟；20ΑΗ阀控铅酸蓄电池为例，每只蓄电池内阻低于35mΩ，则T为零；高于48 πιΩ，则T为30分钟等； 前述各例充电电流il、i2、i3、i4、I均分别为0. 01C,0. 02C、0. 04C、0. 06C、0. IC(C为蓄电池标称容量)大小的充电电流。蓄电池在充电过程中，析氧和析氢电压与蓄电池电解液的温度有关，即V析氧=ηΧ2· 35—0. 004XnX ( Ta_25)(1)Vffa= nX2. 42—0. 004XnX ( Ta_25)(2)式中n为串行连接的电池栅格的数量，Ta为蓄电池电解液的温度；即在25 ！环境下，当η = 18时，析氧电压Vffft= 42. 3 V ,析氢电压Vm = 43. 56 V，且随着温度升高而减小，温度降低而增大。初始充电阶段对电池进行固定脉冲宽度后形成的固定电压充电，根据蓄电池的充电电压和电流得出蓄电池实时的内阻，然后根据该蓄电池内阻值与温度的关系曲线(该曲线可通过实验得出)得出该蓄电池中的电解液的温度，当测得蓄电池的电压值达到析气电压值(析气电压值为蓄电池的常数，可通过实验测量)时，恒流充电结束。然后进行恒压充电；当该蓄电池的电压到达额定饱和电压时，进行浮充充电一段时间后结束充电。由于恒流充电到恒压充电的过渡根据实测电压决定，这样可根据不同电池的放电深度，决定恒流充电阶段的时间，防止放电深度较浅的电池过充电。另外，为了防止某些品质已受影响的电池(即已失效或即将失效的蓄电池)无法达到规定的电压值，恒流充电阶段设置最长充电时间(如16个小时)。如果已到达最长充电时间，还未达到指定的电量，则停止充电。(实施例2)见图3-6，应用上述阀控式铅酸蓄电池的预热充电方法的充电装置，包括整流供电电路1、与该整流供电电路1的电源输出端相连的用于向蓄电池提供充电电源的脉冲功率放大及变压电路4、用于检测充电电流和电压的充电取样回路3和用于控制所述脉冲功率放大及变压电路4的输出电压的充电控制电路2 ；充电控制电路2适于通过所述充电取样回路3测得的充电电流和固定的充电电压计算出蓄电池的实时内阻艮，以根据艮与&的大小关系，采用实施例1中相应的充电步骤。整流电路1的输入端与交流电网连接，整流电路1的第一直流输出端与脉冲功率放大及变压电路4的电源输入端相连，脉冲功率放大及变压电路4的电源输出端与充电取样回路3的电源输入端连接，充电取样回路3的电源输出端用于与蓄电池相连，充电取样回路3的电压采样信号输出端和电流采样信号输出端分别与充电控制电路2的电压采样信号输入端和电流采样信号输入端相连；充电控制电路2的脉冲信号输出端与脉冲功率放大及变压电路4的控制信号输入端相连4。见图4，充电控制电路2包括有单片机IC1、稳压集成块IC2、直流运放器IC3、缓冲放大器IC4、电阻R4 R6、R8 RlO和电容C2，单片机ICl是内部具有FLASH程序存储器和4路A/D转换器的P87LPC767单片机，直流运放器是型号为LM358的集成电路，缓冲放大器是型号为4050集成电路；稳压集成块IC2的输入端通过电阻R4与整流电路1的一输出端连接，稳压集成块IC2的输出端与单片机ICl的电源VCC端连接，稳压集成块IC2的输出端还与电解电容C2的正极连接，电解电容C2的正极接地；电阻Rl与变压器T的连接处作为电压信号采样端通过电阻R5与直流运放器IC3的正输入端连接，直流运放器IC3的负输入端通过电阻R6接地，直流运放器IC3的输出端通过电阻R8与单片机ICl的信号输入端 ADl连接，直流运放器IC3的输出端还通过电阻R7与其负输入端连接；电阻R2、R3的连接处作为信号采样端与单片机ICl的信号端ADO连接；单片机ICl的控制信号输出端通过电阻R9与缓冲放大器IC4的输入端连接，缓冲放大器IC4的输出端通过电阻RlO与脉冲功率放大及变压电路4的控制信号输入端连接。脉冲功率放大及变压电路4包括开关管VMOS和变压器T ；开关管VMOS的电流输入端和电流输出端分别与整流电路1的输出端和变压器T的初级线圈连接，开关管VMOS的控制端与充电控制电路2的控制信号输出端连接；变压器T的次级与作为输出端与充电取样回路3的输入端连接。电取样回路3包括有整流二极管D1、电解电容Cl、采样电阻Rl和分压电阻R2、R3 ； 所述的整流二极管Dl的正极与变压器T的次级线圈的一端连接，整流二极管Dl的负极与继电器KA的常开触点的一端相连，该常开触点的另一端与待充电的蓄电池的正极相连；电解电容Cl的正极与整流二极管Dl的负极连接，电解电容Cl的负极接地；分压电阻R2、R3 串联后一端与整流二极管Dl的负极连接，另一端接地；采样电阻Rl的一端与变压器T的次级线圈的另一端连接，采样电阻Rl的另一端和蓄电池的负极接地。图4中的接头X3、X4分别接蓄电池的正、负极。由于检测蓄电池内阻的前提是在固定电压下检测充电电流大小，而开关电源式的充电装置输出的充电电流、电压是由单片机产生的PWM脉冲来控制的，脉冲开启和关闭变压器T的初级上的电源，形成初级励磁再耦合到次级，然后经整流形成充电电压和充电电流。由于PWM脉冲经过了放大、变压、整流等环节，即使被充电的蓄电池的内阻相同，空载时，同样占空比的PWM脉冲，不一定能产生同样的充电电压和充电电流。因此，为了较准确地检测蓄电池的实时内阻Rt，采用的优选方案如下首先在空载不充电的情况下(即采用继电器KA先断开蓄电池和充电装置)，使用单片机产生脉宽由零逐渐增加的PWM脉冲信号，以探测在该脉冲下充电装置输出的充电电压的高低，若该充电电压到达设定的标准电压(该电压比待充电蓄电池的电压高1-2V)，则停止PWM脉冲宽度的变化，然后再控制继电器KA接通蓄电池，并在该PWM脉冲宽度下充电； 此时，根据充电电流，即可得出蓄电池的实时内阻Rt。然后根据Rt与&的大小关系，采用相应的充电程序。探测所述标准电压的方法是采用继电器KA先断开蓄电池和充电装置，充电装置的空载输出电压经过分压电阻R2、R3分压后作为比较器IC5的负输入，固定标准电压由 2. 5V精密基准电压源IC6 (型号为MC1403)作为比较器IC5的正输入，逐渐增加PWM宽度， 使比较器IC5的负端电压逐渐升高，直到比较器IC5的负输入电压超过固定标准电压后，比较器IC5有输出，使得单片机ICl的INTO (PL 3)中断口产生中断后停止PWM宽度的变化， IC7与IC4是同相缓冲放大器，IC7将单片机ICl的P0. 2 口输出的高低电平放大后驱动继电器KA的线圈，以控制继电器KA的通断，从而控制本充电装置连接或断开蓄电池。该方法为初始充电电压的标定。得到标准电压后，通过所述P0. 2 口接通继电器KA并检测出该标准电压下电流的大小即可得出蓄电池的内阻，再根据内阻大小，采用实施例1中相应的充电程序。首先由交流市电通过整流和滤波提供恒稳直流电压进行电路供电；PWM脉冲产生及定时控制电路则控制初始充电电流大小、时间长短和正常充电电流的大小；充电及温度、 电流、电压取样回路用来产生充电电流、采样初始充电期环境温度、采样充电电流大小和充电期间当前电压高低；脉冲功率放大及变压电路，将单片机并行口输出的PWM脉冲放大后推动大功率VMOS管工作，开关高频变压器将整流后高压变压为充电所需电压和电流。单片机ICl的并行口 P0. 1发出PWM脉冲，脉冲频率约为20KHz。PWM脉冲提供开关电源脉冲变压器T所需的激励脉冲频率，使充电器产生充电所需脉冲峰值电流，在每个 PWM脉冲频率不变的情况下，脉冲宽度窄、脉间宽度宽则产生充电电流小，否则充电电流大。 脉宽脉间长度大小，由P0. 1 口的PWM发生器软件赋值改变，但脉冲频率不变，即改变PWM脉冲脉宽和脉间大小就可以控制充电电流的大小。定时则由软件循环或单片机内部定时器完成。单片机产生20KHz脉冲，经过电阻R9隔离和IC4的同相缓冲放大后，经电阻RlO限流后直接驱动开关管VMOS进行开关通断，从而将经过交流220V整流得到的直流高压变换为开关电源所需的脉冲电压，开关电源脉冲变压器T的次级得到经过变压过的较低的脉冲电压，经整流二极管Dl整流及电解电容Cl滤波后，提供蓄电池充电所需电压。充电电流大小由采样电阻Rl —端(即图4中的接点Q)的电压，作为直流运放器 IC3的正端输入，经直流运放器IC3的放大后被单片机ICl的A/D1端采集。充电期间电压采样是将充电电压经过分压电阻R2、R3分压后由单片机ICl的A/D0端采集，以得到充电电压值，并根据此充电电压值及时转为恒压充电和浮充充电，到达设定电压值后，停止整个充电过程。单片机ICl还可使用内部具有FLASH程序存储器和4路A/D转换器和4路PWM脉冲发生器的P87LPC768芯片，运放器IC3可使用LM358集成电路，缓冲器IC4、IC7使用4050 集成电路，稳压器IC2使用7805集成电路。上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本实用新型的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。
权利要求1.一种阀控式铅酸蓄电池的充电装置，其特征在于包括整流供电电路(1)、与该整流供电电路(1)的电源输出端相连的用于向蓄电池提供充电电源的脉冲功率放大及变压电路 (4)、设于所述脉冲功率放大及变压电路(4)的输出端和蓄电池之间的用于检测充电电流和电压的充电取样回路(3)、以及用于控制所述脉冲功率放大及变压电路(4)的输出电压的充电控制电路(2)。
2.根据权利要求1所述的阀控式铅酸蓄电池的充电装置，其特征在于所述脉冲功率放大及变压电路(4)包括开关管(VMOS)和变压器(T)；开关管(VMOS)的电流输入端和电流输出端分别与整流电路(1)的输出端和变压器(T)的初级线圈连接，开关管(VMOS)的控制端与充电控制电路(2)的控制信号输出端连接；变压器(T)的次级与作为输出端与充电取样回路(3)的输入端连接，充电取样回路(3)的电源输出端与蓄电池相连。
专利摘要本实用新型涉及一种适于避免低温下充电失水的阀控式铅酸蓄电池的充电装置，其包括整流供电电路；脉冲功率放大及变压电路，与该整流供电电路的电源输出端相连，用于向蓄电池提供充电电源；充电取样回路，设于所述脉冲功率放大及变压电路的输出端和蓄电池之间，用于检测充电电流和电压；充电控制电路，用于控制所述脉冲功率放大及变压电路的输出电压，并通过所述充电取样回路测得的充电电流和电压计算出蓄电池的实时内阻Rt。
文档编号H02J7/06GK201947037SQ20112004024
公开日2011年8月24日 申请日期2011年2月16日 优先权日2011年2月16日
发明者杨龙兴 申请人:江苏技术师范学院