一种蓄电池开路保护器的制作方法

本发明涉及一种蓄电池开路保护装置，尤其是涉及一种蓄电池开路保护器。

背景技术：

蓄电池组作为变电站、发电厂等电力系统中广泛应用的直流系统重要应急后备电源，作为重要部门或机构的usp不间断应急电源，具有极其重要的作用，一旦出现故障可能会酿成重大事故。特别以变电站为例，变电站中需要蓄电池组做后备电源的都是重要负荷。而蓄电池组的众多故障类型中，蓄电池开路故障是最为严重的故障之一，可直接导致整组蓄电池组无法正常对外输出电压电流。

所谓蓄电池“开路”现象，是指当蓄电池运行时间较长时，内阻不断增大，超过一定值后，蓄电池就无法正常对外输出，蓄电池电压骤降，甚至出现反向电压，内部相当于“开路”，类似于断开回路。一组蓄电池组中，如果有一节或者几节蓄电池出现“开路”现象，那么在需要对外供电时，整组蓄电池组会出现电压骤降，无法正常工作。以下，以一个实验模拟蓄电池“开路”现象来具体就某一个典型参数解释此现象。设定实验环境为52节2v的蓄电池组成的蓄电池组中有一节开路的蓄电池，外界负载电流为30a，交直流供电，实验测试：在交流突然失电，蓄电池组需要对外供电瞬间，蓄电池组的电压变化情况。图1给出了在1.8秒时交流突然失电，整组蓄电池组的电压变化情况。由图1可知，有一节蓄电池存在“开路”现象时，整组蓄电池组电压瞬间骤降40v，此实验现象如果是发生在变电站，那么变电站内的重要负荷已经瞬间无法正常工作。

目前，对于蓄电池开路的保护在实际应用中并没有得到足够重视，没有形成自动化的应急保护方法。传统的方法是通过人工定期检修蓄电池组以发现故障，或者蓄电池组对外供电时供电电压严重不足导致产生重要负载无法正常工作事故后，才进行人工抢修。其中，人工定期检修的方法的过程为：每三个月或半年，切断蓄电池组所接所有负载，对蓄电池进行核对性放电，从而了解蓄电池性能。此方法费时费力，时间和过程都不可控。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、接线简单的蓄电池开路保护器，其能够自动检测到开路故障的蓄电池，并能够自动应急处理蓄电池开路故障，且动作时间短。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种蓄电池开路保护器，其特征在于：一组蓄电池组中的每节蓄电池并联连接有一个蓄电池开路保护器，该蓄电池开路保护器包括一组二极管组，所述的二级管组由一个肖特基二极管组成或由多个肖特基二极管并联连接组成，所述的二级管组的负极与所述的蓄电池的正极接线端子连接，所述的二级管组的正极与所述的蓄电池的负极接线端子连接。

该蓄电池开路保护器还包括一个用于防止所述的肖特基二极管接反的保险丝，所述的保险丝与所述的二级管组串联连接，即保险丝串接于二级管组的负极与蓄电池的正极接线端子之间，或保险丝串接于二级管组的正极与蓄电池的负极接线端子之间。当肖特基二极管的正极和负极接反时，通过熔断保险丝来保护蓄电池和该蓄电池开路保护器。

该蓄电池开路保护器还包括一个用于检测所述的蓄电池是否开路的开路检测器，所述的开路检测器由一个续流检测线圈和一块控制电路板组成，所述的续流检测线圈与所述的二级管组串联连接，即续流检测线圈串接于二级管组的正极与蓄电池的负极接线端子之间，或续流检测线圈串接于二级管组的负极与蓄电池的正极接线端子之间，所述的控制电路板上设置有用于检测所述的续流检测线圈产生的磁场的霍尔位置传感器、用于感知所述的肖特基二极管的温度的第一感温元器件、用于感知环境温度的第二感温元器件、通断由所述的蓄电池是否开路确定的信号继电器、单片机，所述的霍尔位置传感器的输出端、所述的第一感温元器件的输出端、所述的第二感温元器件的输出端分别与所述的单片机连接，所述的信号继电器的线圈通电回路由所述的单片机控制，所述的信号继电器的触点输出端与外部上位机连接。设置的续流检测线圈除了提供控制电路板所需的磁场外，其也是一个电感阻尼，在受到偶发的反向电压干扰时，能够阻止电压电流突变，从而能够防止肖特基二极管误动作；设置的控制电路板作为辅助，主要是告警和对上发送信息，即通过信号继电器与外部上位机连接，自动上报告警信息，让远程人员了解蓄电池开路情况，其与主回路（肖特基二极管和续流检测线圈构成）大电流回路完全在物理上和电气上隔离，保证了控制电路板与主回路之间除磁场外，无任何影响，从而保证了即使控制电路板出现故障，也不会影响主回路正常检测与动作，做到了最大限度的保证了主回路的可靠性和稳定性。在肖特基二极管导通的同时，续流检测线圈中流过电流，产生磁场，肖特基二极管工作发热，散热器升温，电流越大，磁场越强，也温升越大；控制电路板中的关键元器件即霍尔位置传感器检测感应到续流检测线圈中产生的磁场，另两个关键元器件即第一感温元器件和第二感温元器件对应检测到肖特基二极管的温度和环境温度；霍尔位置传感器及第一感温元器件和第二感温元器件把信号传输到单片机，当磁场强度超过限定值，温升（肖特基二极管的温度与环境温度之差）超过限定值这两个条件同时满足时，单片机就可以判断此蓄电池开路保护器动作，通过信号继电器对上输出告警信号。

所述的续流检测线圈由磁棒及绕设于所述的磁棒外的导丝组成，所述的导丝的一端与所述的二级管组的正极连接，所述的导丝的另一端与所述的蓄电池的负极接线端子连接，所述的霍尔位置传感器位于所述的磁棒的正上方且靠近所述的磁棒；或所述的续流检测线圈由磁棒及绕设于所述的磁棒外的导丝组成，所述的导丝的一端与所述的二级管组的负极连接，所述的导丝的另一端与所述的蓄电池的正极接线端子连接，所述的霍尔位置传感器位于所述的磁棒的正上方且靠近所述的磁棒。

所述的导丝的线径为2～5毫米。一般情况下，可以选取线径为3毫米的导丝，大线径的导丝可以通过大电流。

所述的控制电路板上还设置有为所述的控制电路板供电的电源模块。

所述的控制电路板上还设置有用于指示所述的蓄电池是否开路的指示灯，所述的指示灯与所述的单片机连接。通过设置指示灯，当蓄电池发生开路故障时，单片机控制指示灯闪烁以提示蓄电池开路故障告警，使巡检人员能够一目了然的了解到蓄电池发生了开路故障。

该蓄电池开路保护器还包括一个散热器，所述的肖特基二极管安装于所述的散热器上。通过增加散热器，能够有效对肖特基二极管进行散热，因此能够大大增加肖特基二极管的通电电流，保证了有足够长的时间去处理开路的蓄电池的开路故障；散热器可以采用铝散热器。

该蓄电池开路保护器还包括一个导热塑料外壳，所述的导热塑料外壳由壳体和与所述的壳体相配合的盖体组成，所述的散热器安装于所述的壳体的内腔中，所述的续流检测线圈以所述的磁棒竖直放置的方式安装于所述的壳体的内腔中，所述的控制电路板安装于所述的壳体的内腔中且所述的控制电路板位于所述的续流检测线圈的上方，使所述的霍尔位置传感器位于所述的磁棒的正上方且靠近所述的磁棒的顶端，所述的第一感温元器件置于所述的散热器上或所述的肖特基二极管上，所述的第二感温元器件悬于所述的壳体的内腔中。采用导热塑料外壳，为肖特基二极管、控制电路板及设置于控制电路板上的各元器件的散热提供了保障；第一感温元器件用于感知肖特基二极管的温度，因此其可以置于散热器上或肖特基二极管上，一般情况下选择置于散热器上；第二感温元器件用于感知环境温度，因此其悬于壳体的内腔中。

所述的壳体的外壁上形成有多个散热槽，所述的壳体上开设有多个散热通孔。设置散热槽和散热通孔，可以有效增加散热效果。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）当蓄电池组处于充电状态，或者在对外供电状态但所有蓄电池都正常时，所有肖特基二极管处于截止状态，蓄电池开路保护器对于整个蓄电池组回路来说是断开脱离状态，不会对蓄电池组产生任何影响；当蓄电池组处于对外供电状态，但是某一节蓄电池的性能极差，甚至导致“开路”现象产生，其他蓄电池为开路的蓄电池所接的肖特基二极管提供了正向电压，肖特基二极管处于导通状态，短接开路的蓄电池，产生续流作用，其他正常的蓄电池通过肖特二极管回路继续对外向负载供电，能够自动准确获知存在开路现象的蓄电池，同时能够自动应急解决蓄电池开路故障，提供大容量大电流的续流通道。

2）某一节蓄电池发生开路故障时，其他蓄电池为开路的蓄电池所接的肖特基二极管提供了正向电压，肖特基二极管处于导通状态，由于肖特基二极管本身的导通电压很小，导通动作时间极短，因此该蓄电池开路保护器保护动作时间也是极短的，一般为1～3毫秒，小于变电站重要负荷允许的电压暂降持续时间5毫秒，实际可行。

3）该蓄电池开路保护器针对蓄电池开路故障能够自动应急解决，能够给检修人员有足够的时间进行检修。

4）针对一组蓄电池组中的每节蓄电池的蓄电池开路保护器仅包括若干个肖特基二极管，不仅结构简单，而且接线简单。

5）肖特基二极管、续流检测线圈与控制电路板相互配合，能够做到保护开路的蓄电池的同时，可靠检测与判断蓄电池是否存在开路故障，并提供醒目的指示灯提示现场巡检人员清晰判断哪节蓄电池存在开路故障，给上位机发送告警指示，远程人员亦可以不用到达现场即可知晓故障信息；续流检测线圈与控制电路板配合，主要检测手段是磁场和温度，大电流高电压的主回路与小电流低电压的控制回路在电气和物理上做到了隔离，可靠性和安全性高。

附图说明

图1为未设置蓄电池开路保护器，在1.8秒时交流突然失电时整组蓄电池组的电压变化情况示意图；

图2为实施例一的蓄电池开路保护器的组成及连接示意图；

图3为实施例二的蓄电池开路保护器的组成及连接示意图；

图4为实施例三的蓄电池开路保护器的组成及连接示意图；

图5为实施例三的蓄电池开路保护器中的控制电路板的组成及连接示意图；

图6为实施例四的蓄电池开路保护器的整体结构的剖视示意图；

图7为实施例四的蓄电池开路保护器的整体结构的侧视图；

图8为一组蓄电池组加装了该蓄电池开路保护器和未装有该蓄电池开路保护器的电压对比曲线示意图；

图9为蓄电池开路保护器中的肖特基二极管动作的导通时间示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本实施例提出的一种蓄电池开路保护器，如图2所示，一组蓄电池组中的每节蓄电池并联连接有一个蓄电池开路保护器，该蓄电池开路保护器包括一组二极管组和一个保险丝1，二级管组由一个肖特基二极管2组成，保险丝1与肖特基二极管2串联连接，即肖特基二极管2的负极与保险丝1的一端连接，且保险丝1的另一端与蓄电池的正极接线端子连接，肖特基二极管2的正极与蓄电池的负极接线端子连接，保险丝1用于防止肖特基二极管2接反，当肖特基二极管2的正极和负极接反时，通过熔断保险丝1来保护蓄电池和该蓄电池开路保护器。

在本实施例中，对于小容量负载，一组二级管组可仅由一个小功率的肖特基二极管2组成；对于大容量负载，一组二级管组可仅由一个大功率的肖特基二极管2组成。

在本实施例中，保险丝1采用现有技术；肖特基二极管2采用现有技术，其也可由现有的或后续研发的具有正向导通反向截止特性、能够承受大电流（0～100a）、正向导通电压小、动作时间短的其它元器件替代。

实施例二：

本实施例提出的一种蓄电池开路保护器，如图3所示，一组蓄电池组中的每节蓄电池并联连接有一个蓄电池开路保护器，该蓄电池开路保护器包括一组二极管组和一个保险丝1，二级管组由两个肖特基二极管2并联连接组成，保险丝1与二级管组串联连接，即二级管组的负极与保险丝1的一端连接，且保险丝1的另一端与蓄电池的正极接线端子连接，二级管组的正极与蓄电池的负极接线端子连接，保险丝1用于防止肖特基二极管2接反，当肖特基二极管2的正极和负极接反时，通过熔断保险丝1来保护蓄电池和该蓄电池开路保护器。

在本实施例中，对于大容量负载，一组二级管组可由多个小功率的肖特基二极管2并联连接组成。

实施例三：

本实施例提出的一种蓄电池开路保护器，如图4和图5所示，其是在实施例一提出的蓄电池开路保护器的基础上增加了一个用于检测蓄电池是否开路的开路检测器，开路检测器由一个续流检测线圈3和一块控制电路板4组成，续流检测线圈3与二级管组串联连接，具体为续流检测线圈3串接于二级管组的正极与蓄电池的负极接线端子之间，控制电路板4上设置有用于检测续流检测线圈3产生的磁场的霍尔位置传感器41、用于感知肖特基二极管2的温度的第一感温元器件42、用于感知环境温度的第二感温元器件43、通断由蓄电池是否开路确定的信号继电器44、单片机45、为控制电路板4供电的电源模块（图中未示出）、用于指示蓄电池是否开路的指示灯46，霍尔位置传感器41的输出端、第一感温元器件42的输出端、第二感温元器件43的输出端分别与单片机45连接，信号继电器44的线圈通电回路由单片机45控制，信号继电器44的触点输出端与外部上位机（图中未示出）连接。设置的续流检测线圈3除了提供控制电路板4所需的磁场外，其也是一个电感阻尼，在受到偶发的反向电压干扰时，能够阻止电压电流突变，从而能够防止肖特基二极管2误动作；设置的控制电路板4作为辅助，主要是告警和对上发送信息，即通过信号继电器44与外部上位机连接，自动上报告警信息，让远程人员了解蓄电池开路情况，其与主回路（肖特基二极管2和续流检测线圈3构成）大电流回路完全在物理上和电气上隔离，保证了控制电路板4与主回路之间除磁场外，无任何影响，从而保证了即使控制电路板4出现故障，也不会影响主回路正常检测与动作，做到了最大限度的保证了主回路的可靠性和稳定性。在肖特基二极管2导通的同时，续流检测线圈3中流过电流，产生磁场，肖特基二极管2工作发热，散热器升温，电流越大，磁场越强，也温升越大；控制电路板4中的关键元器件即霍尔位置传感器41检测感应到续流检测线圈3中产生的磁场，另两个关键元器件即第一感温元器件42和第二感温元器件43对应检测到肖特基二极管2的温度和环境温度；霍尔位置传感器41及第一感温元器件42和第二感温元器件43把信号传输到单片机45，当磁场强度超过限定值，温升（肖特基二极管2的温度与环境温度之差）超过限定值这两个条件同时满足时，单片机45就可以判断此蓄电池开路保护器动作，通过信号继电器44对上输出告警信号。通过设置指示灯46，当蓄电池发生开路故障时，单片机45控制指示灯46闪烁以提示蓄电池开路故障告警，使巡检人员能够一目了然的了解到蓄电池发生了开路故障。

在本实施例中，续流检测线圈3如图6所示，其由磁棒31及绕设于磁棒31外的导丝32组成，导丝32的一端与二级管组的正极连接，导丝32的另一端与蓄电池的负极接线端子连接，霍尔位置传感器41位于磁棒31的正上方且靠近磁棒31。

在本实施例中，导丝32的线径为2～5毫米。一般情况下，可以选取线径为3毫米的导丝，大线径的导丝可以通过大电流。

在本实施例中，续流检测线圈3采用常规的线圈，如漆包线绕制线圈或普通导线绕制线圈，其可由现有的或后续研发的任何通过电流能产生磁场的元器件替代；霍尔位置传感器41采用现有技术；第一感温元器件42和第二感温元器件43均可采用热敏电阻；信号继电器44采用现有的继电器；单片机45可采用常规的单片机，如采用型号为stc5w404as的单片机，其根据霍尔位置传感器41、第一感温元器件42和第二感温元器件43的输出信号来判断该蓄电池开路保护器是否动作的技术为常规技术。

实施例四：

本实施例提出的一种蓄电池开路保护器，如图6和图7所示，其是在实施例三提出的蓄电池开路保护器的基础上增加了散热器5和导热塑料外壳6，导热塑料外壳6由壳体61和与壳体61相配合的盖体62组成，散热器5安装于壳体61的内腔中，肖特基二极管2安装于散热器5上，续流检测线圈3以磁棒31竖直放置的方式安装于壳体61的内腔中，控制电路板4安装于壳体61的内腔中且控制电路板4位于续流检测线圈3的上方，使霍尔位置传感器41位于磁棒31的正上方且靠近磁棒31的顶端，第一感温元器件42置于散热器5上或肖特基二极管2上，第二感温元器件43悬于壳体61的内腔中。通过增加散热器5，能够有效对肖特基二极管2进行散热，因此能够大大增加肖特基二极管2的通电电流，保证了有足够长的时间去处理开路的蓄电池的开路故障；散热器5可以采用铝散热器。采用导热塑料外壳6，为肖特基二极管2、控制电路板4及设置于控制电路板4上的各元器件的散热提供了保障；第一感温元器件42用于感知肖特基二极管2的温度，因此其可以置于散热器5上或肖特基二极管2上，一般情况下选择置于散热器5上；第二感温元器件43用于感知环境温度，因此其悬于壳体61的内腔中。

在本实施例中，壳体61的外壁上形成有多个散热槽63，壳体61上开设有多个散热通孔64。设置散热槽63和散热通孔64，可以有效增加散热效果。

上述各个实施例的蓄电池开路保护器，当蓄电池组处于充电状态，或者在对外供电状态但所有蓄电池都正常时，因蓄电池的电压大于零，即蓄电池开路保护器内的肖特基二极管2的两端存在蓄电池电压，此电压对于肖特基二极管2来说是反向电压，因此肖特基二极管2处于截止状态，蓄电池开路保护器对于整个蓄电池组回路来说是断开脱离状态，不会对蓄电池组产生任何影响。

当蓄电池组处于对外供电状态，但是某一节蓄电池的性能极差，甚至导致“开路”现象产生，此时，这节开路的蓄电池不能对外输出，相当于内部“开路”，而蓄电池组对外供电，外部电流为从正流出，从负流进，而在蓄电池组内电流从负流向正，由于开路的蓄电池相当于“开路”，电流不通，此时开路的蓄电池两端电压不为零，并且方向与蓄电池本身原有电压相反，即其他蓄电池为开路的蓄电池所接的蓄电池开路保护器内的肖特基二极管2提供了正向电压，肖特基二极管2处于导通状态，短接开路的蓄电池，产生续流作用，其他正常的蓄电池通过肖特二极管回路继续对外向负载供电，能够自动准确检测到存在开路现象的蓄电池，同时能够自动应急解决蓄电池开路故障，提供大容量大电流的续流通道；另一方面，由于肖特基二极管2本身的导通电压很小，导通动作时间极短，因此蓄电池开路保护器保护动作时间也是极短的，一般为1～3毫秒，小于变电站重要负荷允许的电压暂降持续时间5毫秒，实际可行。即该蓄电池开路保护器利用了蓄电池正常时具备正常电压而开路时两端会出现与原蓄电池电压相反方向的电压的特性、肖特基二极管2本身的正向导通反向截止这一固有特性和能长时间承受大电流特性，做到自动检测蓄电池是否开路，自动短接开路的蓄电池，极短时间内应急解决了蓄电池的开路故障，无需依赖于电路板、电子元器件和芯片等对参数的测量和间接运算判断，只利用肖特基二极管2的固有特性，真正做到了自动检测，自动处理，瞬间响应动作，并稳定可靠，大大减少了误动作的可能性。图8给出了一组蓄电池组加装了该蓄电池开路保护器和未装有该蓄电池开路保护器的电压对比曲线示意图，图8中虚线表示加装了该蓄电池开路保护器的电压变化情况，实线表示未装有该蓄电池开路保护器的电压变化情况，从图8中可以看出，在加装了该蓄电池开路保护器的情况下，在1.8秒发生交流失电，蓄电池对外供电，蓄电池开路保护器瞬间动作，短接开路的蓄电池，因此整组蓄电池组的电压只是从116v降到112v而已，充分说明了该蓄电池开路保护器在保持蓄电池组电压、续流供电方面有明显作用。图9给出了该蓄电池开路保护器中的肖特基二极管动作的导通时间，在1～3毫秒。

该蓄电池开路保护器作为蓄电池组的辅助保护装置，很好地解决了自动化、快速处理蓄电池开路故障的难题，是蓄电池组最后一道保护屏障，以最小的损失最大限度的保证了蓄电池组在存在开路故障时还能可靠的为重要设备提供后备的直流电源，保证了在交流失电时重要设备的正常运行。

该蓄电池开路保护器是一种电池开路保护器，其适用于蓄电池组，也适用于其它电池组，只要满足多于1节电池串联使用的场合；该蓄电池开路保护器中的保险丝1、二极管组、续流检测线圈3三者是串联连接的，具体的连接位置并不限定。