专利名称：后备电源用阀控铅酸蓄电池组电压监测和主动均衡装置的制作方法
技术领域：
本实用新型专利涉及一种后备电源用阀控铅酸电池组电池电压的监测和主动均
衡装置
背景技术：
近十几年来，随着高频开关电源的普及，阀控铅酸蓄电池已在各行业广泛应用。如 电力、通讯、UPS等。由于其全密封、无须加水及调酸等维护，俗称为“免维护”蓄电池。但在 实际使用中，许多电池远未达到设计寿命，甚至一年左右就报废的也有。造成电池不能达到 额定使用寿命的原因除了电池本身的质量问题，没有正确充电是其主要原因。因此，正确使 用和维护阀控铅酸蓄电池，提高其使用寿命，具有十分重要的意义。1、浮充电压对电池寿命的影响电池在充电时的端电压等于电池的开路电压加极板的极化电压，对阀控铅酸电 池，在浮充状态下主要是正极板极化电压。图1为J. J. Lander在1951-1956年间在美国海 军研究中心的研究成果。图中表明极板的极化电压与腐蚀系数之间的关系。正常的腐蚀系 数为1，随着极化电压的增高和降低都会加速极板的腐蚀。最佳的极化电压应限制在方框之 内，即极化电压应在50-120mV之间。图2表明浮充电压与极化电压的关系。随着浮充电压的提高极化电压也增高，因 此浮充电压必须限制在一定范围之内，应在2. 23-2. 27V之间。除了极板腐蚀外，过高的浮充电压也会造成电池的失水，过低的浮充电压会造成 电池硫化。因此，极板腐蚀、电池失水、电池硫化是电池失效的主要模式。因此对电池设定 精确的浮充电压对保证使用寿命是十分必要的。2、目前充电方法存在的问题目前的充电采用三段式，先以0. ICA的电流恒流均充电，当电池电压上升到均充 电压(2. 35*N)时，变为恒压充电，充电电流逐渐下降，当降到0.01CA时开始计时，三小时后 转浮充电。所谓均充电，就是均衡电池特性的充电，是指在电池的使用过程中，因为电池的个 体差异、温度差异等原因造成电池端电压不平衡，为了避免这种不平衡趋势的恶化，需要提 高电池组的充电电压，对电池进行均衡充电，达到各个单只电池的端电压相等。事实上，均衡充电电压，对于大多数电池来说，都是较高的浮充电压。在这种情况 下，对于大多数正常的电池来说，无疑是处于过充电状态。这将产生大量的o2、H2。理论上讲， 阀控密封电池是不失水的，但事实是不可避免的首先，再化反应效率是不可能达到100% 的，不能复合的气体在电池内部形成一定的压力，压力超过安全控制阀阀值时，阀门打开， 气体从控制阀中排出。其次，电池是不可能完全密封的，电池失水是一个缓慢的过程。采用传统的提高充电电压进行电池均衡的方法并不能使电池达到平衡。通过均 衡充电试验表明均衡充电85小时后电池并未达到电压均衡。在实际运行的变电站电池组 中，同样存在类似情况，电池之间存在较大的电压差，最高电池与最低电池电压差甚至超高IV。所以传统的均衡方式并不能解决免维护电池的均衡问题，很多供电部门已取消了均衡 充电。3、电池不均衡现状及对电池产生的影响图3为根据美国对有线电视用12V铅酸电池组所做的统计作出的电压偏差分布 图。共检测846组，总共2538只电池。图4为电池电压偏差对电池寿命的影响。从中可以看出，12V电池偏离标准电压 IOOmV以上就会对电池寿命产生明显影响。4、主动均衡4. 1主动均衡器的原理及采用主动均衡后的充电方法如上所述，传统的均衡充电不能使阀控电池达到电压均衡的目的，必须使用主动 均衡的方式使电池电压达到平衡。本装置不需对现有直流电源做任何改动，将均衡器与电池电压巡检仪集成在一 起，接线方式与电压巡检仪相同，同时兼有电池电压均衡和电压巡检的功能。采用主动均衡后，充电机无需均衡充电，最高充电电压由原来的2. 35*N的均充电 压降为2. 25*N的浮充电压，也无需定期对电池进行均衡充电，从而避免了电池失水、热失 控等问题。
发明内容要增加阀控铅酸电池组的安全可靠性，提高使用寿命，正确充电是非常重要的。由 于备用直流电源长期处于浮充状态，所以，精确的浮充电压对阀控电池寿命至关重要。要有 精确的浮充电压，必须使充电机浮充电压准确，并随环境温度的变化调节，最后要使各单电 池的电压一致，才能保证正确的充电电压。目前的高频开关电源充电机可以达到很高的稳 压精度并具有温度补偿的功能。传统的均衡充电方法通过抬高充电电压达到电池均衡的目 的，这种方法适合老式开口式铅酸电池，并不适合阀控式铅酸电池。因此必须采用主动均衡 的方法使电池达到均衡状态。我公司通过对各种均衡方法的深入研究，开发了适合阀控铅 酸电池的均衡器，达到了 12V电池组最大压差在IOOmV之内，2V电池组最大压差在20mV之 内。满足了电池均衡的要求，能过提高电池组的安全可靠性和使用寿命。本系统首次在大容量阀控铅酸电池组上采用主动均衡的方法，使各个单体电池的 浮充电压趋于一致，最大可能延长了电池的使用寿命。系统的原理框图如图5所示系统由主控单元和几个电压检测及均衡单元组成。主控单元由单片机系统组成，具有液晶显示屏、键盘和通讯接口。液晶显示屏可显 示检测电压和设定参数；通讯接口有下行接口和上行接口，通过下行通讯接口控制检测均 衡模块，通过上行通讯接口可将数据传到上位机；通过自带键盘可设定电池的过压报警值、 欠压报警值和设备参数等。主控单元通过通讯总线向电压检测及均衡单元发送指令，检测单元将检测的数据 上发到主控单元，主控单元计算电压的平均值、最大值、最小值。根据上述值给各个电压检 测及均衡单元发布平均电压信息。检测、均衡单元根据主控单元发布的电池平均电压确定 是否启动均衡电路。根据电池组中电池个数可配置电压检测及均衡单元的数量，最多每组电池中可包括250只电池。电压检测及均衡单元与主控单元间通过通讯总线相连。由于各电压检测及均衡单元检测的是串联电池组中不同的电池，它们之间有一定 的电压差，故通讯线需要隔离。本系统通过光偶实现隔离。每个电压检测及均衡单元负责检测、均衡8个相邻的串联电池。图6为电压检测 及均衡单元中电压检测部分的原理图，图7为电池均衡原理图。电压检测由运放组成减法 器组成，通过调整电阻的阻值可得到不同的放大倍数，获得每只电池的实际电压，经过阻容 滤波器滤波后再通过多路模拟开关分别输入单片机的A/D转换口获得每路电池的电压。电 压均衡采用电容转换能量的方式将电压高的电池能量转换到电压低的电池中。单刀双掷开 关交替接通上接点和下接点，当所有开关同时接通上接点时，电容与相邻两只电池的高位 电池并联，电流在电池与电容间流动，使电池与电容的电压相等；然后再使所有开关同时接 通下接点，电容与相邻电池的低位电池并联，低位电池与电容的电压又达到平衡，通过驱动 电路使电容交替接通相邻的电池使能量在电池间流动，达到电压均衡的目的。通过上述过程的运行，使电池组中各单电池的能量由电压高的电池向电压低的电 池流动，使整组电池电压趋于一致。图8到图11为均衡原理图的具体实现方法，在具体实施方法中详细叙述。
[0030]附图1为正极板充电极化电压与极板腐蚀加速系数的关系[0031]附图2为浮充电压与正极板极化电压的关系；[0032]附图3为电池电压偏差分布图；[0033]附图4为电池浮充电压偏差对电池寿命的影响；[0034]附图5为系统原理图；[0035]附图6为电压检测单元原理图；[0036]附图7为均衡原理图；[0037]附图8为均衡单元总图；[0038]附图9为均衡单元2型原理图；[0039]附图10为均衡单元1型原理图；[0040]附图11为驱动脉冲单元原理具体实施方式
如图5所示，每个电压检测及均衡单元负责检测、均衡8个相邻的串联电池。对于 多于8只电池的电池组，通过模块级联的方式扩展。各个电压检测及均衡单元与主控模块 间通过隔离的RS-422通讯总线相连，通过通讯总线，电压检测及均衡单元向主控单元返回 检测的电池电压，主控单元向电压检测及均衡单元发送指令。主控单元由单片机、液晶显示屏、按键、通讯接口组成。通过主控单元可设定系统 参数，如电池组中电池个数，报警电压等。主控单元负责协调整个系统的工作，通过与电压 检测及均衡单元的串口通讯，取得全部电池的电压，并计算电压的平均值、最大值、最小值。 根据上述值给各个子单元发布电压信息。检测、均衡单元根据主控单元发布的电池电压确 定是否启动均衡电路。
5[0043]具体控制流程如下主控单元向所有电压检测及均衡单元发出电压检测指令，各个单元开始检测电 压，这样可以保证电池电压是同时检测的。延时0. 3秒后，主控单元分别向每个电压检测及 均衡单元发出传送检测电压的指令，分别得到各个模块的电压。主控模块计算所有电池的 平均电压，最高电压、最低电压，然后将这些数据发送给每个电压检测及均衡单元，每个单 元将检测的电压值与这些接收的数值比较，如果与平均值差异超过设定的启动值则启动均 衡模块进行均衡。每个电压检测及均衡单元检测8只相邻的串联电池，因为整个电池组是串联的， 每个单元的地电位有很大差异，因此通讯总线与单元之间必须通过通讯光隔隔离。图6为电压检测及均衡单元中电压检测的原理图。要检测串联电池组中单电池的 电压，并要保证足够的检测精度，本装置采用精密运算放大器组成减法器实现单个电池的 电压检测。每个减法器的输入端输入一只电池的正负极，输出为电池电压。通过设定电阻 的比例可使输出电压等于R1/R2(V2-V1)。运放的输出通过阻容滤波器进行滤波，以消除高 频纹波对电压测量的影响，再通过模拟多路器将每个电池的电压输入到单片机的A/D转换 端进行A/D变换。单片机的I/O端口用来选通模拟多路器和控制均衡电路的启停。均衡方式采用飞渡电容的方式传递能量，使电压高的电池能量转移到电池低的电 池中。如图7所示，在时钟脉冲的驱动下(由本单元的单片机产生，频率20KHZ)，所有单刀 双掷开关同时在上下两个结点中切换，使电容在相邻两只电池间切换，使得能量在相邻电 池间流动，电压高的电池能量向电压低的电池流动，从而使整组电池电压趋于一致。每个检 测、均衡单元包含9只电池的均衡单元，第9个均衡单元与下一单元的第1个均衡单元对应 同一电池，以便通过该电池达到两个单元之间的能量流动。图8为检测、均衡单元的均衡原理框图。由驱动脉冲单元、1型均衡单元、2型均衡 单元组成。根据电池数量可以灵活级联2型均衡单元，达到灵活配置的目的。K为均衡启动 开关，闭合启动均衡，打开停止均衡，由单片机IO 口控制此开关。将上述三个电压检测及均衡单元和一个主控单元封装到一个机箱中，构成一个能 均衡24只2V电池的装置，正好适应48伏通讯电源的均衡需要。每组通讯电源安装一个机 箱即可。图9、图10为2型和1型均衡单元的原理图。1型和2型均衡单元通过Tl、T2两 个MOSFET组成一个单刀双掷开关，T1、T2的交替导通完成电容在相邻电池间的切换。RS1、 RPUCPl组成Tl管的驱动缓冲电路，RS2、RP2、CP2组成Τ2管的驱动缓冲电路。DZ稳压二极 管背对背连接形成对T1、T2管的驱动电压保护电路、防止驱动电压过高或过低损坏MOSFET 管。对于2型均衡单元，由于其要求的MOSFET驱动电压会随着电池电压逐渐提高，设计中 通过图9中Cl、C2两个电容将驱动电压提高到适当的高度。当驱动脉冲为低电平时，通过 D1、D2给C1、C2充电，充电电压为本单元连接电池的负极电位。当驱动脉冲为高电平时，利 用电容抬高电平、为级联的下一单元提供驱动电压。为Tl、T2M0SFET管提供的驱动电压为 士 12V左右，也就是说，Tl、T2管得驱动电压相对于基极的驱动电压为士 12V。P1D、P2D两 个脉冲交替产生，当PlD为高电平时，P2D为低电平，此时Tl导通，T2关闭，电容正极与本单 元连接电池的正极相连，电容负极通过前一单元与本单元连接电池的负极相连；当PlD变 低后，延迟一点时间，P2D变高，此时Tl关闭，T2导通，本单元电容与前一单元电池连接，这 均衡单元器件参数表驱动脉冲单元如图11所示，驱动脉冲由单片机产生，频率为20KHz，通过反相器产 生两个反相的驱动脉冲，通过驱动一对MOSFET管的交替导通使得Pl、P2驱动电压在地和驱 动电平之间转换，形成驱动脉冲。对于12V电池，Pl的驱动电压为0V-36V，P2的驱动电压 为0V-24V。通过P1、P2的驱动，使飞渡电容交替接通相邻的两只电池，达到电压均衡的目 的。
权利要求本实用新型后备电源用阀控铅酸蓄电池组电压监测和主动均衡装置，其特征在于由主控单元和电压检测、均衡模块组成，主控单元与电压检测、均衡模块通过隔离的通讯总线相连。
2 根据权利要求1所述后备电源用阀控铅酸蓄电池组电压监测和主动均衡装置，其特 征在于电压检测、均衡单元由一单片机控制，包括串联电池电压检测和均衡两部分，电压 检测采用精密运算放大器组成减法电路取得单只电池电压，均衡电路由飞渡电容和驱动电 路组成，实现电池间的能量转移。
3.根据权利要求1所述后备电源用阀控铅酸蓄电池组电压监测和主动均衡装置，其特 征在于主控单元具有液晶显示屏、键盘和通讯接口，液晶显示屏可显示检测电压和设定参 数，通过下行通讯接口控制检测均衡模块，通过上行通讯接口可将数据传到上位机。
4.根据权利要求1所述后备电源用阀控铅酸蓄电池组电压监测和主动均衡装置，其特 征在于主控单元分别与各个电压检测、均衡模块通信，取得所有电池电压数据，计算平均 电压、最低电压、最高电压，并将上述计算值发到电压检测、均衡模块，均衡模块将检测到的 电压值与接收的电压值比较，确定是否启动均衡模块。
专利摘要本实用新型专利涉及一种备用电源阀控铅酸电池组电压监测和主动均衡装置，构成如下由主控单元和电压检测、均衡模块组成。主控单元与电压检测、均衡模块通过隔离的通讯总线相连。电压检测、均衡单元由一单片机控制，包括串联电池电压检测和均衡两部分。电压检测方法采用精密运算放大器组成减法电路，均衡部分由飞渡电容实现电池间的能量转移，实现电压均衡。主控单元具有液晶显示屏、键盘和通讯接口。本装置解决了传统均衡方法的不足，使电池组中的各电池电压趋于一致，提高电池的可靠性和使用寿命。
文档编号H01M10/44GK201656500SQ20092000065
公开日2010年11月24日 申请日期2009年1月12日 优先权日2009年1月12日
发明者冉建国, 陈胜军, 陈良程 申请人:北京集能伟业电子科技有限公司