专利名称：对多组蓄电池充电方法和其控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种蓄电池的充电方法和装置，特别涉及具有多组蓄电池的 太阳能光伏电源系统、风能电源系统，或者太阳能和风能混合系统中的蓄电 池的控制方法。
背景技术：
独立式太阳能光伏发电系统，包括太阳能路灯，如图1所示，由做为能
量转换单元的光伏组件101、蓄电池103和控制单元102组成。其基本工作状 态是在白天利用阳光对蓄电池进行充电，晚间利用蓄电池对负载放电。充-放 电过程由控制单元来控制执行。在实际应用中，考虑到连阴天气的情况，蓄 电池需要配备较大的储备容量，以保证在连阴天气时，在白天电池组不能完 全充满电，而晚间还需要放电的要求，因此在独立式太阳能发电系统中，通 常的情况是蓄电池(组)在20-80%放电深度范围内循环使用，这种情况称之 "部分充电状态"。
太阳能光伏系统的充电问题，近年来公开的各种最大功率跟踪技术 (MPPT)可以提高太阳能光伏组件的输出效率。但是，蓄电池本身有充电接 受能力的问题，在充电初期可以接受大电流的充电，蓄电池达到析汽点电压 之后就伴随有副反应的发生，这时过大的充电电流不仅不能存储到蓄电池中， 反而造成蓄电池的大量析汽和失水，加速蓄电池的老化。蓄电池的充电接受 能力随着电池充满而逐步下降。阀控式密封铅酸蓄电池的析汽点电压在环境 温度25'C时一般为2.35V左右(与环境温度和蓄电池内电解液密度有关)。现 有的系统，为保证蓄电池能快速充满而需要较大输出功率的光伏组件，但是 在蓄电池到达析汽点电压之后，虽然太阳能光伏组件仍然有输出电量的能力， 但是蓄电池却不能接受，这时就浪费了光伏组件的资源。
严重的是，由于独立式太阳能光伏发电系统在目前的设计和使用条件下， 蓄电池经常是处于"部分充电状态"，在连阴天连续多日不能充满，长期"欠 充电"的电池会发生负板极不可逆转的硫酸盐化现象。之后即使在天气晴朗 太阳能光伏组件有足够的输出时，也难于再次充满。其结果是蓄电池"健康" 情况恶化、容量下降，使用寿命縮短。
太阳能光伏系统，以及在独立式风能电源和风光互补电源系统，即太阳能和风能混和系统中，由于原始能源的不稳定性，都存在类似的问题。
针对太阳能光伏充电系统所存在的问题，2008年2月的"电力电子技术" 中刊载了作者为吴波等的《多电池组太阳能光伏电源系统的设计和应用》一 文中提出了蓄电池分组的概念，但该文中提出对锂蓄电池^M进行充电，且 采用的是恒流恒压方式。
在第CN02282038.8名称为《太阳能脉冲式充电系统》的实新专利中，庄 佳璋提出了脉冲式充电系统，它的脉冲充电是在蓄电池充满之后，以脉冲的 充电方式取代浮充。
针对蓄电池使用寿命的问题，本案申请人在专利号为CN01117645.8,名 称为《有维护功能的充电方法及其装置》的发明专利中，提出了正负脉冲的 充电方法。它是稳定电源对一组蓄电池的充电方法，它提供了组合正负脉冲 电流充电、析汽点电压的判定、温度补偿及蓄电池充满判据等方法。本文也 将其一并引入，作为背景技术。
发明内容
本发明针对现有系统存在的能量转换单元效率低，特别是蓄电池使用寿 命短的问题，提出采用多组蓄电池的充电方法将现有系统中的一组蓄电池 改变为多组(两组及两组以上)蓄电池，并对蓄电池进行排序。
本发明提供的针对多组蓄电池的充电方法为在一个充电周期中，在第
一蓄电池的充电接收能力足够的条件下，由第一控制信号控制以能量转换单
元的全部能量向第一蓄电池充电；以及，实时检测第一蓄电池的充电接收能 力，当其逐渐减小并且小于该能量转换单元的全部输出能量时，同时用该能 量转换单元的剩余的能量通过第二控制信号向第二蓄电池充电。
所述能量转换单元可以是针对太阳能系统的光伏组件，也可以是针对风 能系统的风力发电机模块。
针对太阳能发电系统，所述充电周期可以设定为一个自然天。针对风能 或者风光互补发电系统，可以设定第一蓄电池组被充满或者蓄电池的一个充 放电使用周期。所述的充电周期，也可根据系统实际应用情况设定。
在下一个充电周期对蓄电池的排序进行轮换。在不同的周期里，各组蓄 电池轮流排序为第一蓄电池。
通过监测蓄电池的析汽点电压判断蓄电池的充电接收能力是否减小。在充电过程中，控制器通过电压、电流检测以及DV/Dt检测，判断被充 电池的析汽点电压和充电情况。
在充电过程中，控制器通过温度检测，对充电电压进行温度补偿。
一所述的第一控制信号和第二控制信号的强度，表征蓄电池平均充电电流 的幅度大小。
所述第一控制信号和第二控制信号为脉宽调制信号，所述第一控制信号 和第二控制信号包括在一主脉宽调制信号周期内，且分时有效。充电初期， 可令第一控制信号占空比最大化，它控制将能量转换单元的全部能量输入第 一蓄电池。
在第一蓄电池充电接受能力减小、能量转换单元的输出能力大于蓄电池 的充电接收能力时，启动第二控制信号；随着第一蓄电池充电接受能力减小 而逐步降低所述第一控制的占空比，同时增大第二控制信号的占空比。
所述的第一控制信号和第二控制信号的占空比，在充电过程中对应着蓄 电池充电脉冲电流的占空比。
进一步的，系统中可包含三组及更多的蓄电池，如果能量转换单元(如 光伏组件)还有多余的能量，则同时向第三蓄电池充电。
本发明提供了一种对多组蓄电池进行充电的控制系统，包括用于控制第 一蓄电池的充电的第一控制信号的装置，用于控制第二蓄电池的充电的第二 控制信号的装置，用于实时检测蓄电池的充电接受能力的检测装置，和根据 检测到的蓄电池的充电接受能力调整第一控制信号和第二控制信号的调整装 置。充电初期第一蓄电池的充电接受能力强时，第一控制信号占空比最大化， 使控制能量转换单元的全部能量对第一蓄电池进行充电。充电过程中随着第 一蓄电池充电接受能力逐渐减小、能量转换单元的输出能力大于第一蓄电池 的充电接受能力时，在逐步降低所述第一控制信号的占空比的同时，启动第 二控制信号并逐步增大第二控制信号的占空比。
对充电情况进行记录，并保存到存储器中。
进一步的，为了抑制蓄电池的硫化，在控制系统中加有一个脉冲波发生 器，输出一个持续的脉冲电流加载到蓄电池上。
各组蓄电池通过二极管、三极管、MOSFET和可控硅等开关器件并行连 接到负载上。
进一步的是，还包括去极化放电电路，在蓄电池充电的脉冲充电过程中，加有去极化负脉冲。
进一步的是，系统中还包括一脉冲发生器电路，其输出的脉冲由控制器 控制，加载到蓄电池上。
本发明是针对现有太阳能/风能放电系统因原始能量转换单元的能源不稳 定、蓄电池会出现长期欠充的情况下，对蓄电池的充电方法。本发明的充电 方法是根据蓄电池充电接收能力的特点，充分利用能量转换器件(如光伏组件) 的输出能力对多个蓄电池同时用脉冲充电。
本发明的充电方式，在一个主脉宽信号周期里对多组蓄电池同时采用脉 冲方式充电，这样充分地利用了能量转换单元的输出能力。
在脉冲维护方面，本发明不单在蓄电池充满之后进行脉冲维护，而且在 蓄电池欠充及非充-放电状态时，也进行脉冲维护，强化了去硫化作用。
本发明的方法，因为系统中蓄电池分为较小的多组蓄电池，所以在一个 充电周期内即使能量转换单元的能量不很充足(如光伏组件在阴天)时，第 一充蓄电池被优先充电，也容易被充满。
每次充电的情况由控制器存储在控制器内置的存储器中。当一组蓄电池 被充满之后，下一个充电周期里重新排序的另外一组蓄电池将作为第一蓄电 池被优先充满。这样使得即使在连阴季节里时，太阳能光伏充电系统中的各 组蓄电池也能被轮流充满，不会处于长期"欠充电"的状态，因而避免了负 极板失效，提高了蓄电池的使用寿命。
这样的方法，当第一充蓄电池达到析汽点后，即其充电接受能力逐步减 少时，第二蓄电池仍然可接受光伏组件的能量，从而提高了能量转换单元的 利用率。因此可选用较小功率的光伏组件，从而可以节省系统光伏组件的成 本。
本发明的方法可以解决太阳能光伏系统中蓄电池使用寿命短的问题，同 时提高光伏组件的效率，降低了成本。以上主要是以光伏组件进行的说明， 风能组件，以及风光互补组件的应用情况也类似。
图1—现有的技术的框图。
图2是本发明的方法和系统所应用的电源系统的结构框图。图3指出了控制系统的一种可行的电路实现。
图4为图3中控制单元的作为第一种实施方式的电路原理图。
图5为去极化电路的原理框图。
图6是脉冲发生器原理框图。
图7是控制器输出的一种PWM波形的示意图。
图8是实现PWM输出的一个充电周期的程序流程框图。
图9是脉冲维护的程序框图。
图IO为图3中控制单元的作为第二种实施方式的电路原理图。 图11是第二种实施方式的控制器输出的PWM波形的示意图。
具体实施例方式
本发明的控制系统以及方法适用于这样的蓄电池电源，即该蓄电池电源 包含了至少有2组蓄电池。蓄电池数量的选择要针对具体情况，例如对需要 100AH的蓄电池的光伏系统，可采用2组50AH的蓄电池合，通过特定设计 的控制单元，对每一组蓄电池进行独立的控制充电，包括充电电压、电流、 以及温度的独立检测等。
下面参照实施例以一包含两组的电源为例，对本发明作出说明。但应当 理解的是，本发明所述的方法和系统也可应用于包含三个或三个以上电池组 的电源。
在太阳能光伏系统中，可以设定为每一昼夜的自然天为一个充电周期， 当然也可根据实际情况将其他不同的时间段设置为一个充电周期。
图2是本发明的方法和系统所应用的电源系统的结构框图。由图2所示， 它由光伏组件201、控制器300及2组蓄电池202-l、 202-2组成。
控制器300的可行电路实现如图3所示，两组蓄电池202-1、 202-2分别 通过充电回路中的开关器件302-1、 302-2进行充电控制。2组蓄电池分别通 过开关器件303-1 、303-2并行连接到负载304上；图中的开关器件303-1、303-2 为二极管开关，也可用可控开关器件如MOSFET等器件。充放电回路中包含 给出Isen信号的电流检测装置306。控制器300包括控制单元400，该控制单元用于实现脉宽调制充电、系统控制，脉冲输出，以及去极化放电电路。
在本实施例中，参照图4，控制单元400包括微处理器(401)、脉冲输出 电路600和去极化放电电路500。每组蓄电池202-1、202-2的正端BAT1、BAT2 经过分压电路405-1、 405-2给到微处理器401的ADC端口电压检测回路，电 流检测信号Isen通过运放403等电路给到微处理器401的ADC端口做电流检 测。微处理器401有2路PWM输出Pl和P2，它们分别经过驱动电路406-1 和406-2得到开关器件302-1和302-2的控制信号302-1-G和302-2-G,从而 微处理器的输出端口 Pl和P2分别控制蓄电池202-1、 202-2的充电。微处理 器在输出端P1和P2分别输出PWM1和PWM2信号。微处理器401为有ADC、 PWM输出的微处理器。
图5是去极化负脉冲放电电路。它包括驱动电路502-1、 502-2，开关器 件501-1， 502-1和放电电阻503。微处理器401的程序产生负脉冲驱动信号， 该信号经微处理器401的端口D1、 D2、驱动电路502-1、 502-2，驱动开关器 件501-1， 502-1的导通和关闭，使得蓄电池在放电电阻503上产生所需的去 极化负脉冲。
图6是脉冲发生器原理框图，它采用微处理器401的I/0端口C2-l、C2-2， 脉冲信号由微处理器401的程序产生。它产生的脉冲信号经由开关管603-1、 603-2、变压器601-1、 601-2和二极管602-1、 602-2分别加载到蓄电池202-1、 202-2上。
当蓄电池在非充-放电的状态，控制器将这个脉冲加载到所有蓄电池上。 这个脉冲发生器的电源，在白天太阳能光伏组件有输出能量时，由太阳能光 伏组件供电；在晚间无阳光时，由蓄电池本身供电。由控制器控制，除非蓄 电池在充电和放电的时间内，脉冲电流一直加载到蓄电池上。这样，无论蓄 电池是否充满时，特别是当蓄电池欠充时，都有脉冲维护，减少了硫化现象。 除微处理器软件产生信号源，脉冲波发生器可以是任一种多谐振荡器，频率 从若干分之一 Hz直到lOOKHz。较佳值为100Hz到lOKHz。
图7是控制器输出的PWM波形的示意图。横坐标为时间轴，竖坐标为 PWM信号及充电电流幅度轴，其中PWM1是第一控制信号，PWM2是第二 控制信号，它们包含在一个主脉宽调制PWM信号周期T内，且分时有效。 PWM1/T=K1是第一充蓄电池的充电占空比，它是由控制器根据光伏组件的最 大输出功率和被充电池的最大充电接受能力设定的。PWM2/T-K2是第二蓄电 池的充电占空比。当第一充蓄电池初始充电时，令Kl接近或者等于1、 K2 接近或者等于0，使得光伏组件的电量全部或者接近全部充入第一充蓄电池。 随着第一充蓄电池逐步被充满，其充电接受能力逐步下降，令K1的数值开始 下降，直至第一充蓄电池被充满时K1等于或者接近0。随着K1逐步下降、第一蓄电池的充电电流逐步减少到0, K2逐步上升、第二蓄电池的充电电流 逐步增加，直至第二蓄电池充满或者光伏组件因天气情况无输出能力时停止 充电。K1+K2S1。
图中pnl， pn2为可选的去极化脉冲，分别为第一充蓄电池和第二蓄电池 脉冲充电过程中的负脉冲信号，表示在该时间内蓄电池在实施去极化放电。 在充电过程中，在一个主脉宽调制充电周期中，当某个蓄电池的充电控制脉 宽调制信号给出脉冲电流充电完成后，微处理器通过放电电路加载到该蓄电 池上一个去极化负脉冲。使用脉冲电流和去极化负脉冲对蓄电池充电，可减 少析汽和硫化现象，有利于提高蓄电池的使用寿命。
图IO所示为本发明的，制系统的第二实施例，即不包括去极化负脉冲放 电电路的情况，由图10所示，每组蓄电池202-1、 202-2的正端BAT1、 BAT2 有经过分压电路405-1、 405-2给到微处理器401的ADC端口电压检测回路， 其充电回路中有取样电阻图3中306、运放403等电流检测电路，给到微处理 器401的ADC端口做电流检测。微处理器401有2路PWM输出Pl和P2， 它们分别经过驱动电路406-1和406-2得到开关器件302-1和302-2的控制信 号302-1-G和302-2-G，从而微处理器的输出端口 Pl和P2分别控制蓄电池 202-1、 202-2的充电。微处理器在输出端Pl和P2分别输出PWM1和PWM2 信号。
图11是图IO控制器输出的PWM波形的示意图。横坐标为时间轴，竖坐 标为PWM信号及充电电流幅度轴，T为主脉宽调制信号的周期。PWM1/T-K1 是第一充蓄电池的充电占空比，它是由控制器根据光伏组件的最大输出功率 和被充电池的最大充电接受能力设定的。PWM2/T二K2是第二蓄电池的充电占 空比。当第一充蓄电池初始充电时，可令K1接近或者等于1、 K2接近或者 等于O,使得光伏组件输出的全部电量充入第一充蓄电池。随着第一充蓄电池 逐步被充满，其充电接受能力逐步下降，令K1的数值下降，直至第一充蓄电 池被充满时Kl-O。随着K1逐步下降到O、第一蓄电池的充电电流逐步减少 到0， K2逐步上升，第二蓄电池的充电电流逐步增加，直至第二蓄电池充满 或者光伏组件因天气情况无输出能力时停止充电。K1+K25 1。
图8是实现PWM输出的一个充电周期的程序流程框图。在下一个充电周 期时，如果前次第一蓄电池未充满，则继续充电；如果前次第一蓄电池已经 充满，则前次的第二蓄电池重新排序为第一充蓄电池，前次第一充蓄电池重 新排序为第二蓄电池。
在充电过程中，控制系统协调多组蓄电池的充电控制信号，它实时检测 被充蓄电池的充电接受能力和光伏组件的输出能量。所述的同时充电，指在 一个有m个蓄电池的系统中，控制器有一个主PWM周期T,每个蓄电池有PWMi(Xi^m充电控制信号。如第一充蓄电池的充电控制信号为PWM1，第 二蓄电池的充电控制信号为PWM2，依此类推。当某个被充蓄电池的PWMiO 〈iSm信号有效时，由开关器件控制此蓄电池被充电。控制器在一个主PWM 周期内，令PWMl, PWM2， ...PWMm分时有效。既在一个主PWM周期内， 被充蓄电池是分时轮流充电的。主PWM周期的长度可以任选，比如可以从毫 秒ms到分钟min数量级。
以主PWM周期为基数T，设PWM1/T=K1 ， PWM2/T-K2，.... PWMm/T-Km分别为各个被充蓄电池的充电占空比，ZKiSl。当Kl=l时， 只有第一充蓄电池被充电。当Kl-0时，第一充蓄电池不被充电。
初始充电时，控制器的程序指令为Khl，使得光伏组件的能量全部充入 第一充蓄电池。充电过程中，控制器实时检测蓄电池的充电情况，当第一充 蓄电池到达析汽点电压、充电接受能力逐步减弱而光伏组件的输出能力大于 该蓄电池的充电接收能力时，逐步减少K1的数值，同时将K2从0开始增加， 这时光伏组件的部分能量开始给第二蓄电池充电。
K2随着K1的逐步减少而增加，它决定了第二蓄电池的充电电流。当第 一充蓄电池被充满时，控制器的程序指令使K^0，停止对第一充蓄电池的充 电。在有三组蓄电池的情况下，在对第二蓄电池充电时，同样监测被充蓄电 池的充电情况，当其达到析汽点电压、充电接受能力减少时，转而向第三蓄 电池充电。有更多组蓄电池的情况可以类推。
以上所说的充电电流，是指平均充电电流。采用所述的充电方式，充电 电流形成脉冲波形。
图9是脉冲维护的程序框图。它表明，当蓄电池除非在充-放电状态时， 都有脉冲维护电流加载到蓄电池上。
每次充电的情况由控制器存储在控制器内置的存储器中。在后一个充电 周期开始时，如果根据存储器存储的充电情况记录，前次周期中的充电池已 经完全充满，则控制器选择另外的一组蓄电池、例如将原来的第二蓄电池组 作为本次充电的第一充蓄电池组。使得即使在连阴季节里时，各蓄电池组也 能被轮流充满，不会处于长期"欠充电"的状态，因而避免了负极板失效。
权利要求
1.一种针对多组蓄电池的充电方法为在一个充电周期中，在第一蓄电池的充电接收能力足够的条件下，由第一控制信号控制以能量转换单元的全部能量向第一蓄电池充电；以及，实时检测第一蓄电池的充电接收能力，当其逐渐减小并且小于该能量转换单元的全部输出能量时，同时用该能量转换单元剩余的能量通过第二控制信号向第二蓄电池充电。
2. 根据权利要求1所述的针对多组蓄电池的充电方法，其特征是每个充 电周期对多组蓄电池重新进行排序，各组蓄电池在不同的充电周期轮流排 序做为第 一蓄电池。
3. 根据权利要求l所述的对多组蓄电池的充电方法，其特征是它提供一 主脉宽调制信号，所述第一控制信号和第二控制信号为脉宽调制信号并包 括在所述的主脉宽调制信号周期内，且分时有效。
4. 根据权利要求1或3所述的对多组蓄电池的充电方法，其特征是所述 的第一控制信号和第二控制信号的占空比为蓄电池脉冲充电电流的占空 比。
5. 根据权利要求l所述的对多组蓄电池的充电方法，其特征在于在充电 初期第一蓄电池充电接受能量较强时，第一控制信号占空比最大化，随着 第一蓄电池充电接受能力逐渐减小、能量转换单元的输出能力大于蓄电池 的充电接受能力时，逐步降低所述第一控制信号的占空比，同时，启动第 二控制信号并逐步增大第二控制信号的占空比。
6. 根据权利要求1或5所述的针对多组蓄电池的充电方法，其特征在于通过监测蓄电池的析汽点电压判断蓄电池的充电接收能力是否减小。
7. —种对多组蓄电池进行充电的控制系统，其特征在于包括用于控制第 一蓄电池充电的第一控制信号的装置，用于控制第二蓄电池充电的第二控 制信号的装置，用于实时检测蓄电池充电接受能力的检测装置，和根据检 测到的蓄电池充电接受能力调整第一控制信号和第二控制信号的调整装 置。
8. 根据权利要求7所述的对多组蓄电池进行充电的控制系统，其特征在于: 还包括一脉冲发生器电路，其输出的脉冲由控制器控制，加载到蓄电池上。
9. 根据权利要求7所述的对多组蓄电池进行充电的控制系统，其特征在于: 还包括去极化放电电路，在蓄电池充电的充电过程中，加有去极化负脉冲。
10. 根据权利要求7所述的对多组蓄电池进行充电的控制系统,其特征在于: 各组蓄电池通过开关器件并行连接到负载。
全文摘要
本发明公开了一种针对多组蓄电池的充电方法，其包括在一个充电周期中，在第一蓄电池的充电接收能力足够的条件下，由第一控制信号控制以能量转换单元的全部能量向第一蓄电池充电；以及，实时检测第一蓄电池的充电接收能力，当其逐渐减小并且小于该能量转换单元的全部输出能量时，同时用该能量转换单元剩余的能量通过第二控制信号向第二蓄电池充电的步骤。本发明的方法可以解决太阳能光伏系统中蓄电池使用寿命短的问题，同时提高光伏组件的效率，降低了成本。本发明还公开了一种对多组蓄电池进行充电的控制系统。
文档编号H01M10/44GK101651239SQ200910092550
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月17日 优先权日2009年9月17日
发明者石 钟 申请人:钟 阳