专利名称：蓄电池充放电集成管理器及其管理方法
技术领域：
本发明涉及使用蓄电池进行低压直流供电的领域，特别是涉及一种对单组蓄电池或多组蓄电池进行充放电集成管理的管理器和应用该管理器进行控制的管理系统、管理方法。
背景技术：
蓄电池具有电压稳定、供电可靠，被广泛地应用于电厂、通信系统、电动汽车、航空航天、船舶交通等各个部门。在诸多领域中，蓄电池主要的作用一是作为启动电源使用；二是作为备用电源使用。例如舰船上有大量的用电设备必须由直流低压系统供电，当主发电机及应急发电机故障时，必须由低压供电系统向设备供电，因此由蓄电池组构成的低压系统是所有舰船上必须配备的设备。
在舰艇上既有启动用蓄电池组，又有作为备用电源使用的A、B蓄电池组。对蓄电池组进行充放电管理的充电设备通常是集中安装在船舱下面的，蓄电池组的安装比较分散，船舱下面和夹板上都有，对蓄电池组进行充电和放电的线路有长、有短。在船舱下有多台辅助发电机组，他们的启动是靠蓄电池来完成的。当启动用蓄电池组完成多次启动后，是否要对蓄电池组进行充电维护，目前是由操作人员先对蓄电池组进行检测(测量比重、测量蓄电池的开路电压等)后，再根据蓄电池组的状态，启动充电设备对蓄电池组进行补充充电。由于充电设备的充电电压是一定的，蓄电池组的位置不同，充电效果是不一样的。充电线路短的，线路损耗小，充电电压高，蓄电池组容易产生过充，而充电线路长的，线路损耗大，蓄电池组容易造成欠充电。这样直接影响到蓄电池组的使用寿命。
作为备用电源使用的A、B蓄电池组，其使用中A、B两组蓄电池是交替进行充电和放电的。当一组蓄电池处于放电状态时，另一组蓄电池处于备用状态。转换后备用蓄电池组进行放电，而已经放电的蓄电池需要进行补充充电。目前备用蓄电池组也是操作人员根据经验和测量的结果，定期或不定期地对其进行充电。由于各种原因，操作人员不能及时地对蓄电池组进行充电维护，造成蓄电池处于亏电状态的时间较长，蓄电池产生硫酸铅沉淀，导致极板硫酸化，容量下降，产生落后电池。缩短了蓄电池的使用寿命。
在船上由于空间狭窄，设备安装都非常紧凑，散热空间很小，蓄电池长期放在温度较高的地方，充电过程中各种转换电压必须随蓄电池电压的温度系数而变。阀控式蓄电池在环境温度为25℃时的容量为100％；超过25℃时，每升高10℃蓄电池的容量会减少一半；蓄电池的充电电压与温度有很大关系，温度每升高1℃，单格电池的电压将下降3mV。也就是说，铅酸电池的电压具有负温度系数，其值为-3mV/℃。由此可知，在环境温度为25℃时工作很理想的充电电压，当环境温度降到0℃时，电池就不能充足电，当环境温度升到50℃时，电池将因严重过充电而缩短寿命。
由于现有的蓄电池充放电系统只是完成对蓄电池组进行充电和备用蓄电池组的转换。不能起到对蓄电池组进行有效的管理，蓄电池组的管理和维护还需要靠操作人员来完成的，所以存在不足一、充放电设备采用集中控制，由于设备距蓄电池组的距离不等，充电时线路损耗造成充电电压的不一致，直接影响到对蓄电池组的充电质量；二、由于设备设定的过放点较低，转换后不能及时对蓄电池组进行充电，蓄电池处于亏电状态和深度放电状态的时间较长；三、设备不能动态跟踪蓄电池的使用状态，在人为的干预下，很难保证蓄电池的使用寿命；四、设备的体积和功耗过大，在船上有限的动力情况下，过高的损耗会加重动力系统的负担，浪费有限的动力资源。五、蓄电池是一种非常复杂的设备，对温度要求较高，对蓄电池的充电须进行温度补偿，保证在很宽的温度范围内，都能使蓄电池刚好充足电，而不产生欠充和过充。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种蓄电池充放电集成管理器，能对蓄电池组进行实时在线检测和监控蓄电池的使用状态，根据环境温度自动调整充电参数，对蓄电池组进行充放电管理。
本发明的技术方案是这样实现的一种蓄电池充放电集成管理器，包括充放电控制装置，在线动态监测至少两组蓄电池的充放电状态，输出放电控制信号，控制满足放电条件的蓄电池组执行放电动作，同时输出充电信号，对满足充电条件的蓄电池组执行充电动作；充电控制装置，接收充放电控制装置发出的充电信号，对满足充电条件的蓄电池组充电，并在线实时检测单组蓄电池的剩余电量变化，并根据检测的环境温度预设充电参数值。
所述充放电控制装置包括单片机和连接于单片机上的A/D转换电路、电源复位电路、蓄电池组放电控制电路、隔离电路，A/D转换电路连接有与蓄电池组连接的电压检测电路，隔离电路连接有信号发送电路。
所述充放电控制装置的单片机上连接有两个A/D转换电路，两个A/D转换电路分别连接一个电压检测电路，两个电压检测电路分别与蓄电池组A、蓄电池组B连接。
所述充电控制装置包括单片机和连接于单片机上的一个与电压检测电路连接的A/D转换电路、一个与电流检测电路连接的A/D转换电路、温度检测电路、电源复位电路、信号接收电路、隔离控制电路，电压检测电路和电流检测电路分别与一蓄电池组连接，隔离控制电路与电源充电模块连接，电源充电模块连接在所述蓄电池组上。
所述电源充电模块为直流/直流变换器模块，交流电压经桥式整流滤波后输出直流电压，该直流电压加到功率开关管和高频变压器组成的逆变电路，控制电路输出的脉宽调制脉冲电压，控制功率开关管导通和关断时间，从而使高频变压器初级电流按一定的频率流通与关断，高频变压器次级即产生方波电压，方波电压的频率与控制电路输出的脉宽调制脉冲频率一致，方波电压经高频整流和滤波后，输出稳定的直流电压。
本发明的另一发明目的是提供一种基于上述蓄电池组充放电集成管理器的管理方法。
本发明的技术方案是这样实现的一种所述蓄电池充放电集成管理器的管理方法，所述充放电控制装置的控制过程如下(1)对A、B两组蓄电池容量进行实时检测；(2)通过A组蓄电池的电压检测电路检测到A组蓄电池的电压，通过B组蓄电池的电压检测电路检测到B组蓄电池的电压，将检测到的电压与单片机存储的蓄电池电压参数进行比较；(3)如A组蓄电池电压大于24伏，电压满足转换条件且A组电压大于B组电压，则通过A组放电控制电路进行转换动作，A组蓄电池转换后对负载进行放电，同时充放电控制装置向充电控制装置发送信号，B组蓄电池由充电控制装置进行充电；(4)如B组蓄电池电压大于24伏，电压满足转换条件且B组电压大于A组电压，则通过B组放电控制电路进行转换动作，根据执行电路转换的动作，B组蓄电池转换后对负载进行放电，同时充放电控制装置向充电控制装置发送信号，A组蓄电池由充电控制装置进行充电；(5)放电状态下，电压检测电路实时检测放电蓄电池组的电压，蓄电池截止放电的电压一但达到蓄电池的转换电压，立即进行转换；(6)当两组蓄电池电压都低于24V时，两组蓄电池同时向负载供电，同时启动充电控制装置向负载供电并同时向两组蓄电池充电。
所述充电控制装置的控制过程如下(1)当辅助发电机组启动时，蓄电池组向启动电机提供电源，所述充电控制装置中的电压检测电路实时检测蓄电池组端电压，一但满足所设定的充电条件，立即启动电源充电模块；(2)当电源充电模块启动后，温度检测电路对环境温度进行检测，所述充电控制装置根据检测的温度进行充电电压的设定；(3)通过电压检测电路和电流检测电路检测充电状态，电压是否满足设定的条件，满足条件执行下一步的操作，否则，继续检测蓄电池组的充电电压；同样，充电电流是否满足设定条件，满足条件执行下一步操作，否则，继续检测蓄电池组的充电电流；(4)当充电过程满足了充电电压和充电电流的条件，充电过程转入充电、停止的循环间断式充电方式，一直到满足充电停止的所有条件后，充电过程结束；(5)充电结束后，转入正常的实时检测状态。
一种所述蓄电池充放电集成管理器的管理方法，所述管理方法的步骤如下(1)充电控制装置接收充放电控制装置发送的充电信号，启动电源充电模块对蓄电池组充电；(2)当电源充电模块启动后，温度检测电路对环境温度进行检测，所述充电控制装置根据检测的温度进行充电电压的设定；(3)通过电压检测电路和电流检测电路检测充电状态，电压是否满足设定的条件，满足条件执行下一步的操作，否则，继续检测蓄电池组的充电电压；同样，充电电流是否满足设定条件，满足条件执行下一步操作，否则，继续检测蓄电池组的充电电流；(4)当充电过程满足了充电电压和充电电流的条件，充电过程转入充电、停止的循环间断式充电方式，一直到满足充电停止的所有条件后，充电过程结束；(5)充电结束后，转入正常的实时检测状态。
本发明的优点如下1、本发明能在线长期连续工作，对蓄电池组实时进行检测，降低了管理成本，控制了蓄电池的放电深度，延长了蓄电池组的使用寿命，防止了蓄电池组的早期失效；2、本发明在充电后期采用间断式充电方式，充电后期不会出现过大的极化，基本保持了氧的析出和复合处于稳态平衡，降低了充电时蓄电池的温升，同时又能防止落后电池的产生，也加快了后期充电速度；3、本发明中充电电源模块设置了过压、过流、过热保护电路，能有效保护蓄电池组，同时还能保证管理器安全可靠地工作。
图1是本发明充电控制的流程图；图2是本发明充电控制装置的方框图；图3是本发明充放电控制的流程图；图4是本发明充放电控制装置的方框图；图5是本发明充电控制电路原理图；图6是本发明充放电控制电路原理图；图7是本发明充电电源模块方框图。
具体实施例方式
本发明的一种蓄电池充放电集成管理器，包括充放电控制装置，在线动态监测至少两组蓄电池的充放电状态，输出放电控制信号，控制满足放电条件的蓄电池组执行放电动作，同时输出充电信号，对满足充电条件的蓄电池组执行充电动作；充电控制装置，接收充放电控制装置发出的充电信号，对满足充电条件的蓄电池组充电，并在线实时检测单组蓄电池的剩余电量变化，并根据检测的环境温度预设充电参数值。
如图1所示，是本发明所述充电控制装置的充电控制流程图，其过程是1、当辅机启动时，蓄电池组向启动机提供电源，所述管理器实时检测蓄电池组端电压，一但满足所设定的充电条件，立即启动充电电路。
2、当电路启动后，温度检测电路首先对环境温度进行检测，所述管理器根据检测的温度进行充电电压的设定。
3、通过电压采样电路和电流采样电路检测充电状态，电压是否满足设定的条件，满足条件执行下一步的操作，否则，继续检测蓄电池组的充电电压。同样，充电电流是否满足设定条件，满足条件执行下一步操作，否则，继续检测蓄电池组的充电电流。
4、当充电过程满足了充电电压和充电电流的条件，充电过程转入后期，为减少落后电池的产生，采用间断式充电方式，一直到满足充电停止的所有条件后，充电过程结束。
5、充电结束后，转入正常的实时检测状态。
如图2所示，是图1所述充电控制装置的一个实施例电路方框图。该充电控制装置是用于舰船辅机启动用蓄电池组的充电控制装置。
所述充电控制装置包括单片机和连接于单片机上的一个与电压检测电路连接的A/D转换电路、一个与电流检测电路连接的A/D转换电路、温度检测电路、电源复位电路、信号接收电路、隔离控制电路，电压检测电路和电流检测电路分别与一蓄电池组连接，隔离控制电路与电源充电模块连接，电源充电模块连接在所述蓄电池组上。
所述充电控制装置上电后，充电启动前，先对蓄电池环境温度进行检测，并根据环境温度值确定充电电压值；由电压检测电路对蓄电池组实时进行检测，再由A/D转换电路将检测的信号变成数字信号，根据检测的蓄电池组端电压与管理器内存储的电压对照，决定是否对蓄电池组进行充电。在充电过程中，所述管理器实时对蓄电池组的充电电压和充电电流检测，并对照单片机所存的参数决定整个充电过程的控制方式。
该充电控制装置能保证蓄电池在运行过程中电量处于较高的剩余电量状态、控制蓄电池放电的深度，因为较高的剩余电量能有效降低蓄电池的内阻。这样，在蓄电池内阻较低时对其充电可以降低蓄电池在充电过程中的温升，特别是在高温气候下，不影响蓄电池的使用寿命。控制蓄电池的放电深度，在电量较高，电池内阻较小时采用小电流对其充电，对延长蓄电池的使用寿命，防止早期失效是非常有益的。
由于蓄电池组在实际应用中，蓄电池性能一致性差，充电后期蓄电池单体会出现不平衡，易产生落后电池。所以，该充电控制装置在充电后期采用间断式充电方式，解决了充电后期析气量大和容易产生落后电池现象。在充电后期，当电压逐渐增加时，蓄电池的极化也逐渐增大，在极化达到最大允许值时，充电控制装置控制充电过程立即停止；停止充电后，因离子快速迁移而浓差极化迅速消失，在极化基本消失后，充电控制装置又控制充电过程重新开始，一直达到规定的指标后，整个充电过程结束。同时该充电控制装置在充电的后期使用了dv/dt、di/dt检测，通过所述充电控制装置上的电压检测电路和电流检测电路将数据传送到单片机内，通过将其与单片机内所存储的电压值和电流值进行比较，作为充电控制装置停机的一个终止条件。蓄电池在充电后期单位时间内电压变化量是较明显的，随着充电不断加深，dv/dt值的变化越来越小，而确定dv/dt值，蓄电池的充电深度就可基本确定。
采用该充电控制装置及其充电方法，蓄电池的充电后期不会出现过大的极化，基本保持了氧的析出和复合处于稳态平衡，降低了充电时蓄电池的温升，同时又能防止落后电池的产生，也加快了后期充电速度。
参照图3，为所述管理器的一个A、B蓄电池组进行充放电管理的实施例流程图。其过程为1、对A、B两组蓄电池进行实时检测，为保证设备能安全可靠的运行，蓄电池供电系统采用A、B两组蓄电池互为备用的供电模式，对A、B两组蓄电池电压进行检测。
2、通过A组蓄电池的电压检测电路检测到A组蓄电池的电压，通过B组蓄电池的电压检测电路检测到B组蓄电池的电压，并与单片机内存储的蓄电池电压参数比较；如满足转换条件且A大于B，则执行电路进行转换动作。
3、根据执行电路转换的动作，A组蓄电池转换后进行放电(为用电设备提供低压电源)；由于B组蓄电池剩余电量小于A组，向充电控制装置发送信号，由充电控制装置对B组蓄电池进行充电；反之，则对A组蓄电池进行充电。
4、蓄电池组处于放电状态时，充放电控制装置实时检测放电蓄电池组的电压，为防止过放电，蓄电池截止放电的电压不易过低，一但达到蓄电池的转换电压，应立即进行转换。
5、当两组蓄电池电压都低于24V时，两组蓄电池同时向负载供电，同时启动充电控制装置向负载供电并同时向蓄电池组充电。
如图4所示，是图3所述充放电控制装置对A、B两组蓄电池进行充放电控制的方框图。其中包括单片机，本实施例中的控制装置；单片机上还连接有与A、B两组蓄电池连接的A/D转换电路与电压检测电路、对A、B两组蓄电池进行充放电转换的执行电路、隔离电路与信号发送电路。
当本发明所述的充放电集成管理器开始工作后，所述充放电控制装置对两组蓄电池进行在线检测，自动对端电压高的一组蓄电池发出放电信号，将该蓄电池组与低压母线接通，对用电设备进行放电；而对端电压较低的一组蓄电池则向充电控制装置发送充电信号，并将该蓄电池组与充电控制装置接通并由该装置自动进行补充充电，直到达到充电控制装置中预设的条件，自动停止充电并转入在线监控。由于蓄电池在深循环时其使用寿命会降低，所以与低压母线接通的蓄电池组放电量达到规定阀值时，充放电集成管理器会自动完成蓄电池组的交换。
如图5所示，是对应图1、图2所示充电控制装置的电路原理图，其中包括控制整个充电过程的单片机200、单片机外部振荡电路201、单片机复位电路202、用于电路显示的203和204、充电指示205、控制充电模块隔离电路206、用于对充电模块进行控制的输出端207、蓄电池电压检测隔离电路208、蓄电池电压检测A/D转换电路209、蓄电池电流检测隔离电路210、用于蓄电池电流检测A/D转换电路211、蓄电池充电电压取样点212、蓄电池充电电流取样点213。本发明中所用单片机的型号可以是AT89C2051。
如图6所示，是对应图3、图4所示充放电控制装置的电路原理图，其中包括用于控制A、B两组蓄电池的单片机316、对执行电路进行电压延时接通300、驱动电路301、控制A组蓄电池通/断302、控制B组蓄电池通/断303、单片机复位电路304、单片机外部振荡电路305、A组蓄电池供电隔离电路306、B组蓄电池供电隔离电路307、A组电压检测隔离电路308、B组电压检测隔离电路309、A组电压检测A/D转换电路310、B组电压检测A/D转换电路311、用于电路显示的312和313、A组蓄电池电压取样点314、B组蓄电池电压取样点315。
充放电控制装置在进行两组蓄电池转换的同时，由单片机通过I/O口向充电控制装置输出发送信号，该信号经隔离电路送到充电控制装置单片机的I/O口，充电控制装置收到信号后，充电过程开始。本发明充电控制装置和充放电控制装置中所用单片机的型号可以是AT89C2051。
如图7所示，是本发明电源充电模块的方框图。该电源充电模块为直流/直流(DC-DC)变换器模块，交流电压经桥式整流滤波后输出直流电压，此直流电压加到功率开关管和高频变压器组成的逆变电路，控制电路输出的脉宽调制(PWM)脉冲电压，控制功率开关管导通和关断，从而使高频变压器初级电流按一定的频率流通与关断，高频变压器次级即可产生方波电压，方波电压的频率与控制电路输出的PWM脉冲频率一致，方波电压的幅值决定于输入电压和变压器的初次级匝数比。方波电压经高频整流和滤波后，即可输出稳定的直流电压。为了设备能安全可靠地工作，有效保护蓄电池，该电源充电模块的电路中还设置了过压、过流、过热保护电路。
权利要求
1.一种蓄电池充放电集成管理器，其特征在于，包括充放电控制装置，在线动态监测至少两组蓄电池的充放电状态，输出放电控制信号，控制满足放电条件的蓄电池组执行放电动作，同时输出充电信号，对满足充电条件的蓄电池组执行充电动作；充电控制装置，接收充放电控制装置发出的充电信号，对满足充电条件的蓄电池组充电，并在线实时检测单组蓄电池的剩余电量变化，并根据检测的环境温度预设充电参数值。
2.根据权利要求1所述的蓄电池充放电集成管理器，其特征在于，所述充放电控制装置包括单片机和连接于单片机上的A/D转换电路、电源复位电路、蓄电池组放电控制电路、隔离电路，A/D转换电路连接有与蓄电池组连接的电压检测电路，隔离电路连接有信号发送电路。
3.根据权利要求2所述的蓄电池充放电集成管理器，其特征在于，所述充放电控制装置的单片机上连接有两个A/D转换电路，两个A/D转换电路分别连接一个电压检测电路，两个电压检测电路分别与蓄电池组A、蓄电池组B连接。
4.根据权利要求1所述的蓄电池充放电集成管理器，其特征在于，所述充电控制装置包括单片机和连接于单片机上的一个与电压检测电路连接的A/D转换电路、一个与电流检测电路连接的A/D转换电路、温度检测电路、电源复位电路、信号接收电路、隔离控制电路，电压检测电路和电流检测电路分别与一蓄电池组连接，隔离控制电路与电源充电模块连接，电源充电模块连接在所述蓄电池组上。
5.根据权利要求4所述的蓄电池充放电集成管理器，其特征在于，所述电源充电模块为直流/直流变换器模块，交流电压经桥式整流滤波后输出直流电压，该直流电压加到功率开关管和高频变压器组成的逆变电路，控制电路输出的脉宽调制脉冲电压，控制功率开关管导通和关断时间，从而使高频变压器初级电流按一定的频率流通与关断，高频变压器次级即产生方波电压，方波电压的频率与控制电路输出的脉宽调制脉冲频率一致，方波电压经高频整流和滤波后，输出稳定的直流电压。
6.一种如权利要求3所述蓄电池充放电集成管理器的管理方法，其特征在于，所述充放电控制装置的控制过程如下(1)对A、B两组蓄电池容量进行实时检测；(2)通过A组蓄电池的电压检测电路检测到A组蓄电池的电压，通过B组蓄电池的电压检测电路检测到B组蓄电池的电压，将检测到的电压与单片机存储的蓄电池电压参数进行比较；(3)如A组蓄电池电压大于24伏，电压满足转换条件且A组电压大于B组电压，则通过A组放电控制电路进行转换动作，A组蓄电池转换后对负载进行放电，同时充放电控制装置向充电控制装置发送信号，B组蓄电池由充电控制装置进行充电；(4)如B组蓄电池电压大于24伏，电压满足转换条件且B组电压大于A组电压，则通过B组放电控制电路进行转换动作，根据执行电路转换的动作，B组蓄电池转换后对负载进行放电，同时充放电控制装置向充电控制装置发送信号，A组蓄电池由充电控制装置进行充电；(5)放电状态下，电压检测电路实时检测放电蓄电池组的电压，蓄电池截止放电的电压一但达到蓄电池的转换电压，立即进行转换；(6)当两组蓄电池电压都低于24V时，两组蓄电池同时向负载供电，同时启动充电控制装置向负载供电并同时向两组蓄电池充电。
7.一种如权利要求4所述蓄电池充放电集成管理器的管理方法，其特征在于，所述充电控制装置的控制过程如下(1)当辅助发电机组启动时，蓄电池组向启动电机提供电源，所述充电控制装置中的电压检测电路实时检测蓄电池组端电压，一但满足所设定的充电条件，立即启动电源充电模块；(2)当电源充电模块启动后，温度检测电路对环境温度进行检测，所述充电控制装置根据检测的温度进行充电电压的设定；(3)通过电压检测电路和电流检测电路检测充电状态，电压是否满足设定的条件，满足条件执行下一步的操作，否则，继续检测蓄电池组的充电电压；同样，充电电流是否满足设定条件，满足条件执行下一步操作，否则，继续检测蓄电池组的充电电流；(4)当充电过程满足了充电电压和充电电流的条件，充电过程转入充电、停止的循环间断式充电方式，一直到满足充电停止的所有条件后，充电过程结束；(5)充电结束后，转入正常的实时检测状态。
8.一种如权利要求7所述蓄电池充放电集成管理器的管理方法，其特征在于，所述管理方法的步骤如下(1)充电控制装置接收充放电控制装置发送的充电信号，启动电源充电模块对蓄电池组充电；(2)当电源充电模块启动后，温度检测电路对环境温度进行检测，所述充电控制装置根据检测的温度进行充电电压的设定；(3)通过电压检测电路和电流检测电路检测充电状态，电压是否满足设定的条件，满足条件执行下一步的操作，否则，继续检测蓄电池组的充电电压；同样，充电电流是否满足设定条件，满足条件执行下一步操作，否则，继续检测蓄电池组的充电电流；(4)当充电过程满足了充电电压和充电电流的条件，充电过程转入充电、停止的循环间断式充电方式，一直到满足充电停止的所有条件后，充电过程结束；(5)充电结束后，转入正常的实时检测状态。
全文摘要
本发明公开了一种蓄电池充放电集成管理器，包括充放电控制装置，在线动态监测至少两组蓄电池的充放电状态，输出放电控制信号，控制满足放电条件的蓄电池组执行放电动作，同时输出充电信号，对满足充电条件的蓄电池组执行充电动作；充电控制装置，接收充放电控制装置发出的充电信号，对满足充电条件的蓄电池组充电，并在线实时检测单组蓄电池的剩余电量变化，并根据检测的环境温度预设充电参数值；本发明还公开了一种所述管理器的管理方法。本发明能在线长期连续工作，对蓄电池组实时进行检测，降低了管理成本，控制了蓄电池的放电深度，延长了蓄电池组的使用寿命，防止了蓄电池组的早期失效。
文档编号G05B19/04GK1858961SQ20061008363
公开日2006年11月8日 申请日期2006年5月31日 优先权日2006年5月31日
发明者杨长利 申请人:北京启润世纪电子技术有限公司