专利名称：一种铅酸电池智能充电系统及充电方法
技术领域：
本发明涉及一种铅酸电池快速充电方法及充电系统。属于铅酸电池领域。
背景技术：
铅酸蓄电池是一种化学电源，是低廉动力电源的首选，其原材料易于获得，使用可靠，适用于大电流放电及广泛的应用环境温度等。常用的铅酸蓄电池有阀控式密封铅酸蓄电池，由于阀控式铅酸蓄电池的“免维护”性，使得一些用户产生误解认为这种电池完全不需要维护，甚至从装上电池后就不再进行维护和管理。实际上，阀控式铅酸蓄电池的“免维护”只是避免了开口式电池挥发的酸气对设备、人员造成的伤害，同时也方便了安装和运输，不再人工加液而己。但是由长时间的实验发现阀控式密封铅酸蓄电池在使用中存在着很多安全隐患，即
1、由于充电电流过大，使得汇流排和板栅遭到腐蚀，造成金属路径变窄而使电池的内阻增加。2、由于浮充电压过高，加速正极板栅腐蚀速率和电池内气体的排放，导致干涸。3、由于受周围环境温度过高的影响，使得电池内部温度升高，导致浮充电流增加， 浮充电流增加，又加速电池内部温度升高，形成恶性循环，引起热失控。4、由于受单体电池电压和电流的限制，铅酸电池储能系统一般都是将多个电池并联后再串联组成高压高容量后使用，即使组成前经过筛选，电池的一致性较好，经过一段时间的使用后也会出现差异。经过多次“浮充一放电一均充一放电一浮充”的恶性循环，致使整个电池组容量不断下降。5、传统方法是采用浮冲法采集电池端电压，但是浮充状态下的电池端电压测量本身并不能真实反映电池的性能状况，即使性能变差的电池在浮充时也能测得合格的端电压；而一旦供电系统停电、蓄电池放电时，就可能无法保证事故状态下的放电要求，从而扩大事故范围，因此，需要对蓄电池充放电进行在线监控。
发明内容
本发明为克服上述阀控式密封铅酸蓄电池充放电存在的不足、为延长铅酸电池的使用寿命，降低使用成本而提出一种铅酸电池智能充电系统，本发明同时还提出采用该充电系统进行充电时的充电方法。本发明铅酸电池智能充电系统采用的技术方案是由控制器和主电路构成，控制器包括PWM控制信号模块、电流、电压检测模块和温度检测模块，主电路包括220V交流市电与变压器Wl相连成的降压电路，变压器Wl与整流器Dl的两个输入端相连，整流器Dl两输出端的一端与电解电容Cl阳极相连、另一端与电解电容Cl阴极相连成直流充电电源；电解电容Cl阳极与场效应管Ql输入端相连，场效应管Ql输出端与续流二极管D2输出端及电感Ll 一端相连，电感Ll另一端与电解电容C2阳极相连；续流二极管D2输入端、电解电容 C2阴极、电解电容Cl阴极并接于公共端；场效应管Ql控制端连接PWM控制信号模块；电解电容C2阳极与电感L2 —端相连，电感L2另一端与铅酸电池E阳极相连，铅酸电池E阴极与电流互感器P—输入端相连，电流互感器P另一输入端接公共端；电流互感器P输出端连接电流检测模块，电压检测模块连接铅酸电池E阳极，温度检测模块连接铅酸电池E的温度传感器。本发明铅酸电池智能充电方法是采用如下步骤
1)在(Ttl充电时段，控制器通过电压、电流检测模块和电流互感器P检测铅酸电池E 的端电压及内阻并判断是否有损伤的铅酸电池E，若铅酸电池E部分损伤，以直流充电电源对其预充电进行修复，若铅酸电池E全部损伤或不能修复，控制器封锁PWM信号并报警；
2)在tl、2快速变恒流充电时段，控制器控制PWM信号高电平，场效应管Ql导通，电感 Ll电流增大，直流充电电源对电解电容C2充电，电感L2对铅酸电池E充电，续流二极管D2 截止；PWM高电平脉冲持续时间后变低，续流二极管D2导通，电感Ll和电解电容C2同时向铅酸电池E充电；PWM信号低电平持续时间后又一高电平，再次使场效应管Ql导通，如此重复；控制器适时检测铅酸电池E的端电压和温度；
3)在t2、3充电中期，控制器定期检测铅酸电池E的端电压、温度和内阻，确定下一刻最好的恒流，以变化的恒流II，12，13……h对铅酸电池E充电；
4)在t3、4充电末期，控制器判断每节铅酸电池E的好坏，当确定每节铅酸电池E均性能良好且电压接近充电上限电压时，改为恒压充电；
5)控制器根据铅酸电池E容量参数，进入t4、5时段的涓流充电；
6)当涓流充电达到控制器设置的时间后，若没有拔插电源，在t5后的t6时刻控制器切断场效应管Ql以切断主电路。本发明具有的有益效果是
1、由于本发明完全按照铅酸电池的最佳充电曲线设置参数的，所以有效地解决了汇流排和板栅遭到腐蚀的问题、
2、由于在充电过程中，控制器时刻都在对电池的问题进行监测，所以减少了温度对电池性能的影响，避免了由于温度而引起的事故的发生。3、在快速充电过程中，由于时刻在检测电池的端电压，并对端电压有问题的电池进行均衡，有效地保护了电池组容量。4、在铅酸电池端电压检测过程中，由于引入了铅酸的内阻、温度等参数，使得端电压更接近于实际参数。
图1为本发明的充电系统连接图； 图2为图1控制的充电曲线。
具体实施例方式参照图1，本发明的充电系统由控制器(MCU)和主电路连接构成，主电路由降压电路、整形电路，平滑电路、BUCK电路和电流互感器P连接组成。控制器包括PWM控制信号模块、电流检测模块、电压检测模块和温度检测模块。其中，降压电路是由220V交流市电与变压器Wl相连接构成；变压器Wl与整流器Dl的两个输入端相连，构成整形电路；整流器Dl的两个输出端的一端与电解电容Cl的阳极相连，另一端与电解电容Cl的阴极相连构成平滑电路，作为直流充电电源。电解电容Cl的阳极与场效应管Ql的输入端相连，场效应管Ql 的输出端与续流二极管D2的输出端以及电感Ll的一端相连，电感Ll的另一端与电解电容 C2的阳极相连，构成BUCK电路；且续流二极管D2的输入端、电解电容C2的阴极、电解电容 Cl的阴极都并接在一起，构成公共端(地线);场效应管Ql的控制端通过导线连接控制器的 PWM控制信号模块，PWM控制信号由控制器控制输出。电解电容C2的阳极与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与待充电的铅酸电池E的阳极相连，铅酸电池E的阴极与电流互感器P的一输入端相连，电流互感器P的另一输入端与公共端(地线)连接；电流互感器P的输出端通过导线连接控制器的电流检测模块，控制器的电压检测模块通过导线接到铅酸电池E的阳极，控制器的温度检测模块通过导线接到铅酸电池E的温度传感器。参照图1-2，本发明随着充电时间的变化，依次采用“预充电一快速变恒流充电 —恒压充电一涓流充电”的充电步骤，由控制器控制其整个过程在充电初期，控制器根据采集到的铅酸电池E端电压、内阻等参数对有部分损伤的电池进行修复，并进行预充电； 然后，在充电中期，定期检测电池的端电压、温度、内阻等参数，采取变恒流措施使充电曲线逼近最佳充电曲线，并对铅酸电池E进行均衡，使其达到较好的一致性；在充电末期，控制器根据铅酸电池E端电压和内阻等参数，当铅酸电池E电压接近充电上限电压时，铅酸电池 E快速充电结束，电池充改为恒压充电，在涓流充电一段时间后，自动切断充电电源，达到节能的目的。具体的充电步骤如下
1、充电初期，即图2的(Ttl时段，控制器首先通过电压、电流检测模块以及电流互感器 P对铅酸电池E的端电压、内阻等参数进行检测并加以判断，判断出是否有损伤的电池。若整流后的直流充电电源不能充电，检测出是全部损伤的铅酸电池E，控制器便封锁PWM信号并报警。对于局部损伤的铅酸电池E，以直流充电电源对其进行预充电，预充电过程是可以修复部分损伤的铅酸电池E，直流充电电源以最快的速度对其有损伤的局部进行修复，如果系统对部分损伤的蓄电池E不能修复，控制器同样封锁PWM信号并报警。2、快速变恒流充电时期，即图2的tft2时段，控制器控制PWM信号高电平出现， 场效应管Ql导通，电感Ll的电流不断增大，直流电源对电解电容C2充电，不断存储能量， 同时通过电感L2也对铅酸电池E充电；此时，续流二极管D2因反向偏置而截止。经过PWM 高电平脉冲持续时间后，PWM信号变低时，场效应管Ql截止，电感Ll中的电流减小，Ll两端的感应电动势使续流二极管D2导通，电感Ll中的存储电流和电容C2存储电荷同时向铅酸电池E充电。经过PWM信号的低电平持续时间后，PWM信号的又一高电平脉冲到来，再度使场效应管Ql导通，上述过程重复发生。为逼近最佳充电曲线，铅酸电池E的恒流较大且变化较快，使得控制器发出的PWM信号变化较快且变化较大，这就要求控制器通过电压检测模块适时检测铅酸电池E的端电压，以及通过温度检测模块适时检测铅酸电池E的温度，防止大电流损伤铅酸电池E的寿命。3、充电中期，即图2的t2、3时段，此时铅酸电池E的恒流变换比较缓慢，这是铅酸电池E充电需要最多的时间，此时要定期检测铅酸电池E的端电压、温度、内阻等参数，确定下一刻最好的恒流，以变化的恒流II，12，13……h对铅酸电池E充电，逼近最佳曲线， 并根据检测的铅酸电池E两端电压值对电压较高的和较低的电池进行均衡控制。4、充电末期，即图2的t3、4时期，把铅酸电池E的端电压和内阻等参数传送给控制器，要判断每节铅酸电池E的好坏，当确定每节铅酸电池E均性能良好且铅酸电池E电压接近充电上限电压时，铅酸电池E快速充电结束，此时对铅酸电池E充电改为恒压充电。5、控制器检测并判断铅酸电池E容量等参数，根据铅酸电池E容量等参数，在恒压充电一个阶段后，铅酸电池E进行t4、5时间段的涓流充电。6、当涓流充电达到控制器设置好的一定时间后，如果没有拔插电源，在t5后的t6 时刻，控制器切断图1中的场效应管Q1，使PWM控制信号输出为0，便自动切断充电主电路， 达到节约电源的目的。
权利要求
1.一种铅酸电池智能充电系统，由控制器和主电路构成，控制器包括PWM控制信号模块、电流、电压检测模块和温度检测模块，主电路包括220V交流市电与变压器Wl相连成的降压电路，其特征是所述变压器Wl与整流器Dl的两个输入端相连，整流器Dl两输出端的一端与电解电容Cl阳极相连、另一端与电解电容Cl阴极相连成直流充电电源；电解电容 Cl阳极与场效应管Ql输入端相连，场效应管Ql输出端与续流二极管D2输出端及电感Ll 一端相连，电感Ll另一端与电解电容C2阳极相连；续流二极管D2输入端、电解电容C2阴极、电解电容Cl阴极并接于公共端；场效应管Ql控制端连接PWM控制信号模块；电解电容 C2阳极与电感L2 —端相连，电感L2另一端与铅酸电池E阳极相连，铅酸电池E阴极与电流互感器P—输入端相连，电流互感器P另一输入端接公共端；电流互感器P输出端连接电流检测模块，电压检测模块连接铅酸电池E阳极，温度检测模块连接铅酸电池E的温度传感器。
2.一种采用权利要求1所述充电系统的充电方法，其特征是具有如下步骤1)在(Ttl充电时段，控制器通过电压、电流检测模块和电流互感器P检测铅酸电池E 的端电压及内阻并判断是否有损伤的铅酸电池E，若铅酸电池E部分损伤，以直流充电电源对其预充电进行修复，若铅酸电池E全部损伤或不能修复，控制器封锁PWM信号并报警；2)在tl、2快速变恒流充电时段，控制器控制PWM信号高电平，场效应管Ql导通，电感 Ll电流增大，直流充电电源对电解电容C2充电，电感L2对铅酸电池E充电，续流二极管D2 截止；PWM高电平脉冲持续时间后变低，续流二极管D2导通，电感Ll和电解电容C2同时向铅酸电池E充电；PWM信号低电平持续时间后又一高电平，再次使场效应管Ql导通，如此重复；控制器适时检测铅酸电池E的端电压和温度；3)在t2、3充电中期，控制器定期检测铅酸电池E的端电压、温度和内阻，确定下一刻最好的恒流，以变化的恒流II，12，13……h对铅酸电池E充电；4)在t3、4充电末期，控制器判断每节铅酸电池E的好坏，当确定每节铅酸电池E均性能良好且电压接近充电上限电压时，改为恒压充电；5)控制器根据铅酸电池E容量参数，进入t4、5时段的涓流充电；6)当涓流充电达到控制器设置的时间后，若没有拔插电源，在t5后的t6时刻控制器切断场效应管Ql以切断主电路。
全文摘要
本发明公开一种铅酸电池智能充电系统及充电方法，充电系统由控制器和主电路构成，控制器先根据采集到的铅酸电池端电压、内阻对有部分损伤的电池进行修复并进行预充电；然后采取变恒流充电并对铅酸电池进行均衡，当铅酸电池电压接近充电上限电压时充电结束，改为恒压充电，再根据铅酸电池容量参数进入涓流充电，最后自动切断充电电源；本发明能有效解决汇流排和板栅遭到腐蚀的问题，避免由于温度引起的事故的发生；能有效保护电池组容量，达到节能的目的。
文档编号H02J7/10GK102157975SQ20111007971
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月31日 优先权日2011年3月31日
发明者张好明, 李正明, 潘天红, 王应海 申请人:江苏大学