铅酸蓄电池组串并转换和智能充电系统的制作方法
【专利摘要】本发明公布了一种铅酸蓄电池组串并转换和智能充电系统，提出了智能分段脉冲充电技术，增加了蓄电池反向瞬时放电功能，减少电池的硫化现象，提高电池的接受率，加快了充电速度，延长电池使用寿命。系统由电源主电路、控制电路、简易键盘及显示电路、能量回馈电路、电池组串并转换电路及测温电路组成。电源主电路是以全桥整流电路、IGBT组成的全桥逆变电路及全波整流电路组成，控制电路是以C8051F020单片机为核心，简易键盘及显示电路能够实现峰谷时选择充电，能量回馈电路是以变压器为反馈通道，将放电能量存储到滤波电容。电池组串并转换电路是由三刀双掷开关和二极管组成，串联电池组转接为并联电池进行充电，避免了电池组中单节电池损坏而使所有电池无法充电的问题。本发明适用于工业生产及民用电动自行车的智能充电。
【专利说明】铅酸蓄电池组串并转换和智能充电系统
【技术领域】
[0001]本发明适用于工业生产及民用电动自行车的智能充电。
【背景技术】
[0002]铅酸电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，因此广泛应用于国防、通讯、铁路、交通、工农业生产部门。我国的电动车以及备用电源用动力蓄电池大多为铅酸蓄电池，它与一般蓄电池有所不同，一般工作在深度充放电状态，要求充电时间短，充电效率高以及对蓄电池寿命影响小的特点。而目前大部分该类铅酸蓄电池采用的是恒压或则恒流方式充电。这两种方式在实际中存在很大缺陷:恒压充电是初始电流很大，因而要降压，到了充电后期则因电压过低导致充电不足，长期欠充会使极板严重硫酸盐化；而恒流充电在充电初期小于蓄电池可接受最大电流，延长了充电周期，后期则超过蓄电池可接受电流的能力，电能不能有效转化为化学能，多变为热能消耗掉了。解决的办法之一是根据理想充电曲线综合两种充电方式的优点，采用智能分段脉冲充电技术，使充电过程更加科学化，以达到最短时间内充电效率最闻。
[0003]放完电的铅酸电池开始充电时，在保证电池不明显析气的条件下(即单格电池的电压不大于2.40V)，电池初始充电电流可以很大，然后以指数形式逐渐减小。这是由于充电过程在极板上进行的电化学反应，基本上是由表及里逐步深入进行的。越到充电后期，电化学反应要在电极深处进行，反应物和生成物的扩散过程速度就越慢，因而充电电流必须减小。由此可见，蓄电池在充电过程中用某一充电电流充电时，只能充到某一极限值Us，当蓄电池的电解液硫酸比重不同时，电池的浮充电压取值也在差异。当达到这一极限值后，必须减小充电电流。否则若用原电流继续充电，只能导致加速电解水反应析出氢和氧，提高温升，不能提高蓄电池充电程度和速度，甚至缩短蓄电池的寿命。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对电动自行车用铅酸动力电池的充电特性，提出了智能分段脉冲充电技术，增加了蓄电池反向瞬时放电功能，减少电池的硫化现象，提高电池的接受率，加快了充电速度，延长电池使用寿命。系统由电源主电路、控制电路、简易键盘及显示电路、能量回馈电路、电池组串并转换电路及测温电路组成。电源主电路是以全桥整流电路、IGBT组成的全桥逆变电路及全波整流电路组成，控制电路是以C8051F020单片机为核心，简易键盘及显示电路能够实现峰谷时选择充电，能量回馈电路是以变压器为反馈通道，将放电能量存储到滤波电容。电池组串并转换电路是以三刀双掷开关和二极管组成，串联电池组转接为并联电池进行充电，避免了电池组中单节电池损坏而使所有电池无法充电的问题。
[0005]本发明为实现上述目的，采用如下技术方案:
[0006]本发明公布了一种铅酸蓄电池组串并转换和智能充电系统，提出了智能分段脉冲充电技术，增加了蓄电池反向瞬时放电功能，减少电池的硫化现象，提高电池的接受率，加快了充电速度，延长电池使用寿命。系统由电源主电路、控制电路、能量回馈电路、电池组串并转换电路及测温电路组成。电源主电路是以全桥整流电路、IGBT组成的全桥逆变电路及全波整流电路组成，控制电路是以C8051F020单片机为核心，能量回馈电路是以变压器为反馈通道，将放电能量存储到滤波电容。电池组串并转换电路是以三刀双掷开关和二极管组成，串联电池组转接为并联电池进行充电，避免了电池组中单节电池损坏而使所有电池无法充电的问题。
[0007]本发明电池组串并转换电路是以三刀双掷开关和二极管组成，避免了电池组中单节电池损坏而使所有电池无法充电的问题，同时又可以降低充电电压，该电路和电池组安
装在一起。
[0008]智能充电系统的控制是以C8051F020为核心，外设简易键盘及显示电路、DS18B20温度传感器、控制电路、IGBT驱动保护电路等。简易键盘及显示电路利用单片机的I/O 口外扩的人机交换电路，能够设置充电的具体时间，如果用户不急需充电，可以设置选择在几个小时后，即谷时进行充电，可以降低充电成本，如果着急充电可不设置直接进入充电状态。
[0009]温度测量是利用DS18B20数字温度传感器，DS18B20通过一个单线接口发送或接受信息，因此在中央处理器和DS18B20之间仅需一条连接线(加上地线)。温度传感器安装在电池盒中，用3根引线将温度以数字量的形式直接传输到单片机，充电器外壳设有一个数据接口。测量的温度决定补偿量，并由单片机调整输出的PWM波形来实现，当温度为25°C时，无需补偿。
[0010]软件采用模块化设计，主要由简易键盘及显示电路程序设计、电池组电压电流测量软件设计、温度测量及补偿、PWM脉冲产生等部分组成。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]下面结合附图对本发明【具体实施方式】进行详细说明。
[0012]图1:智能充电系统的总框图；
[0013]图2:电源主电路；
[0014]图3:电池组串并转换电路；
[0015]图4:DS18B20与处理器接口电路；
【具体实施方式】
[0016]由图1系统框图可知，智能充电系统由电源主电路、控制电路、简易键盘及显示电路、能量回馈电路、电池组串并转换电路及测温电路组成。电源主电路是以全桥整流电路、IGBT组成的全桥逆变电路及全波整流电路组成，控制电路是以C8051F020单片机为核心，能量回馈电路是以变压器为反馈通道，将放电能量存储到滤波电容。电池组串并转换电路是以三刀双掷开关和二极管组成，串联电池组转接为并联电池进行充电，避免了电池组中单节电池损坏而使所有电池无法充电的问题。
[0017]电源主电路:是以全桥整流电路、IGBT组成的全桥逆变电路及全波整流电路组成，采用移相脉冲宽度调制技术控制的零电压软开关全桥变换器，由四个IGBT开关管构成，每个IGBT管都有一个内部寄生二极管和寄生电容，Tl为高频变压器部分，Lr表示电路中的谐振电感，包含高频变压器的漏感。4个IGBT管与变压器构成了变换器的逆变部分，负责将整流电路输出的直流电压变为高频交流电压；变压器的副边整流电路，则将变压器输出的交流电压再整流为直流电压，整个变换器实际是实现“DC-AC-DC”功能。工作时，Q1，Q2两个IGBT管组成超前桥臂，而Q3，Q4组成滞后桥臂。具体电路如附图2所示。
[0018]控制电路:是以C8051F020单片机为核心，对充电电源的电压和电流进行实时测量，从而可以控制充电的模式，即恒流充电、脉冲充电还是停止充电。恒流充电阶段:单片机根据测量的电压电流值，产生PWM脉冲波，以保证电池处于恒流充电阶段，电压快速上升；脉冲充电阶段:当电压上升到13.2V时，进入脉冲充电阶段，高电平时，对电池进行充电(0.875s)，低电平时放电管Q5导通，对电池进行放电(0.125s)，由此产生PWM脉冲控制波形，驱动逆变桥的IGBT管的导通和截止。当充电时间达到10小时后，不论电池是否已经充满电，即充电器的指示灯由红灯跳变为绿灯，充电电路都将停止工作，以免电池被过充。
[0019]温度测量:温度测量选择的是DS18B20数字传感计，此传感器提供9_12位摄氏温度测量，分别以0.5°C,0.25°C,0.125°C和0.0625°C增量递增。在上电状态下默认的精度为12位。DS18B20通过一个单线接口发送或接受信息，因此在中央处理器和DS18B20之间仅需一条连接线(加上地线)。它的测温范围为-55?+125°C，并且在-10?+85°C精度为±0.5°C，完全可以达到系统的要求。接口电路如图3所示，主板上有一个三线接口，只需将DS18B20的三根信号线直接引入即可。
[0020]串联电池组转接电路:为并联电池进行充电，电池组串并转换电路是以三刀双掷开关和二极管组成:如图4所示，当三刀双掷开关投掷到右侧时，4节电池并联，此时可以进行充电，充电正极和充电负极是用于充电；当三刀双掷开关投掷到左侧时，4节电池串联，构成48V电压，可以实现对电机供电；二极管是用于防止电池短路。开关无论是投到左侧，还是右侧都没有危险。
[0021]简易键盘及显示电路:设置2个按键，即:SET和UP，功能为设置和增加，显示电路的模为12，能够显示O?9，A，B共十二个代码，如果因无意设置的时间比预设置的时间多了，可以继续增加跳过B，重新开始置数。
[0022]软件系统设计:使用C51语言进行程序设计，程序设计为模块化设计，这样的结构调试比较方便。
【权利要求】
1.一种铅酸蓄电池组串并转换和智能充电系统，其特征在于提出了智能分段脉冲充电技术，增设了瞬时放电功能，减少电池的硫化现象，提高电池的接受率，可加快充电速度，延长电池使用寿命。该系统由电源主电路、控制电路、简易键盘及显示电路、回馈电路、电池组串并转换电路及测温电路组成。电源主电路是以全桥整流电路、IGBT组成的全桥逆变电路及全波整流电路组成，控制电路是以C8051R)20单片机为核心，简易键盘及显示电路能够实现峰谷时选择充电，回馈电路是以变压器为反馈通道。为提高电池组的有效充电，将使用中的串联电池组转接为并联电池进行充电，电池组串并转换电路是以三刀双掷开关和二极管组成，避免了电池组中单节电池损坏而使所有电池无法充电的问题。
2.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池组串并转换和智能充电系统，其特征在于所述控制电路由C8051R)20单片机及其外围电路构成，除产生PWM脉冲波形，实现对IGBT全桥逆变电路进行控制外，在脉冲充电阶段，产生频率为IHz，占空比为0.875的脉冲信号，0.875s用于对电池组进行充电，0.125s用于对蓄电池瞬时放电。
3.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池组串并转换和智能充电系统，其特征在于电池组串并转换电路，由三刀双掷开关和二极管组成，电动自行车蓄电池组是由4节电池串接而成，提供48V电压，在电池组连接时增加一个三刀双掷开关和4只二极管，可有效地实现充电时并接方式到驱动电机时为串接方式的转换。
4.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池组串并转换和智能充电系统，其特征在于温度测量电路由单片机和数字温度传感器DS18B20组成，数字温度传感器安放在电池盒内，用3根弓I线将温度以数字量的形式直接传输到单片机，充电器外壳设有一个数据接口。
5.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池组串并转换和智能充电系统，其特征在于简易键盘及显示电路由2个按键和I个显示数码管组成，显示代码为O?9，A，B共十二个，能够实现充电时间预置功能，使用户可以选择在谷时充电。
【文档编号】H02J7/00GK103812196SQ201410077461
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】孙宏国, 吴俊 , 周云龙, 姚志垒, 胡国文 申请人:盐城工学院