铅酸蓄电池的充电优化管理器的制作方法

专利名称：铅酸蓄电池的充电优化管理器的制作方法
技术领域：
本发明涉及蓄电池充电和蓄电池电源管理电路领域，尤其涉及用于铅酸蓄电 池的充电管理电路，特别针对轻型电动车用铅酸蓄电池进行综合的充电参数修正、保护 及自动修复，在IPC国际分类表中主要归属于H02J小类。
背景技术：
问题的提出
目前轻型电动车主要包括电动自行车、电动摩托车、电动三轮车、电动小货车等 等，在国内的保有量已经达到1.2亿部以上，每部轻型电动车上的电池有36V、48V、 60V、72V等等。按照平均每部轻型电动车配置4只额定电压为12V的电池来计算，全 国运用在轻型电动车上的铅酸蓄电池将近达到5亿只。申请人:对轻型电动车用铅酸电池的使用寿命和失效模式进行多年的调查分析后 发现除了电池本身的制造缺陷以外，80%以上的电池失效模式是过充电损坏、欠充电 损坏和少部分的大电流放电损坏。设计寿命达到3年以上的电动车铅酸蓄电池，实际使 用寿命平均不到1.6年，且在这个过程中一大部分都需要拆下来维护或维修。铅酸电池具有较高的性价比和制造工艺比较简单成熟的特点，自发明到现在156 年来一直被广泛使用。由于轻型电动车的主要消费团体是低收入的人群为主，因此，铅 酸电池成为轻型电动车的首选储能设备，占轻型电动车电池标准配置的93%以上。铅酸电池的电解质是稀硫酸和少量的添加剂组成，为了让全密闭免维护的铅酸 电池适用于电动车的牵引使用场合，在极板的正极板栅当中普遍添加金属锑。锑可以延 长牵引型电池的深循环寿命，但电池使用几个月后锑从正极迁移到负极后会导致负极析 氢过电位的下降而让电池失水加速，电池失水后，AGM隔离板的吸酸饱和度降低，氧气 的复合通道增加，过度的氧复合会造成充电末期的电池温度升高，电池的温度升高在散 热不良的环境下可能导致热失控，热失控导致电池严重发热甚至外壳鼓胀结束寿命，严 重失水的电池或者外壳鼓胀的电池连维护的机会都没有。全国5亿只电池的保有使用量，且每年以1亿只的用量在增加，大部分电池寿命 终止都是电解质被充干、酸雾挥发到大气中，这将会带来不可忽略的大气污染和环境的 酸化，酸雾也会增加阴霾天气发生的频次。但是到目前为止，轻型电动车用铅酸蓄电池的充电器基本上都是三段式的充电 器。很少有人使用“智能型”充电器，确实达到保护和养护电池的价格很高，市场比例 很少，大部分的所谓“智能型”充电器也都是不敢把电池充满而已。问题的分析
三段式充电器不适合铅酸蓄电池的充电造成电池损坏的原因分析 (1)因轻型电动车电池的通用充电器的因素而导致损坏。市场上通用的充电器以“三段式”充电器为主，约占市场总用量的80%以上， 也有部分充电器是六段或多段定时来完成充电的定时充电器，还有部分是单片机控制的
4智能充电器。以使用最广泛的三段式充电器48V12Ah电池组为例进行说明。充电的三个 阶段第一阶段是恒流阶段，这个阶段不管电池的电压和饱和度，都以恒流大约1.8A连 续进行充电，电池组的电压随着充电饱和度的增加而提高，当电池组的电压到达充电器 设置的恒压值大约为59.2V以后，充电器就自动转为第二个充电阶段恒压充电阶段， 恒压充电过程电池组的端电压保持不变，随着饱和度提高，充电的电流会自动减小，当 电流小于充电器的设定值大约0.4A之后，充电器转为浮充阶段，这个过程充电器的“红 灯”转“绿灯”，俗称“转灯”，进入浮充阶段的电压大致为55.6V,这个过程充电电流 很小，电池组基本上不析出气体，可以长时间小电流充电，有利于电池组的均衡。如果充电器不出现异常，电池组本身也没有老化，三段式的充电器能满足充电 饱和的目的。可是市场上的充电器出现异常的概率很高，电池组也会老化，常见有以下 的几种情况。(1.1)充电器的过充电问题
(1.1.1)充电器出厂设置电压偏高、转灯电流偏小。充电器的生产厂家很多，质量 参差不齐，参数设置不准确的情况比较普遍。可能是由于激烈的价格竞争很多充电器厂 家迫于成本压力导致劣质充电器的产生，再则充电器厂家不需要对电池的三包负责，也 是导致充电器不负责任的主要原因。(1.1.2)充电器故障造成高压。充电器中的开关电源的光耦反馈电路故障可能 导致充电器的输出电压过高甚至翻倍。(1.1.3)充电器的电子元器件的参数离散性和元件的老化等原因都可能造成参 数漂移以致高电压输出。免维护铅酸蓄电池过充电损坏机理铅酸电池被过度充电之后，充电末期多余 的电流用于分解水，生产氧气和氢气，如果充电电压能够控制合适，产生的氧气可以被 阴极(负极)吸收之后被还原成水，这个过程称之为“阴极吸收原理”，如果充电电压 超过析氢过电位，水分解成氢气析出之后，氢气在常温常压下无法还原成水。电解质 中水分的缺失造成电池的内阻增大和氧复合通道的增加，充电末期电池发热，电池发热 后会造成充电过程电压不上升反而下降的现象称之为“热失控”，产生热失控的电池越 充电，电压越下降，充电电流就越大，大到充电器的输出最大电流为限制。热失控将 导致电池严重损坏，因为铅酸蓄电池外壳使用ABS工程塑料或PP塑料，软化点一般为 780C-85当电池超过塑料外壳的软化点后就产生塑性变形，外壳变形鼓胀俗称“鼓 包”。(1.2)充电器的欠充电问题
(1.2.1)充电器出厂设置电压偏低、转灯电流偏大。由于市场的规则，充电器厂家 为了逃避把电池充坏可能被索赔的风险，一般都把充电器的参数设置为负偏差，导致电 池充电不饱和，由于充电不饱和导致的电池损坏，电池厂家没有明显的理由向充电器厂 家索赔。这就是市场上大部分充电器充不饱电池的主要原因。(1.2.2)充电器故障和老化造成充电不足。(1.2.3)充电器内的电子元件参数漂移造成充电不足。(1.2.4)用户充电时间不够，造成充电不足。
欠充电损坏电池长时间充电不足造成电池组的损坏。长时间的充电不足会导致大颗粒硫酸铅的形成，大颗粒硫酸铅如果没有得到及时的还原，将无法还原或还原困难， 称之为“硫化”，硫化后电池容量下降可能无法达到正常的使用需求。(1.3)充电器的“过充电”和“欠充电”问题同时存在
(1.3.1)热天过充，冷天欠充。铅酸蓄电池的充电环境温度越高，充电接受能力越 强，反之则越弱。大部分充电器都是没有合适的温度补偿功能。(1.3.2)充电器电压设置高，输出电流小。充电时间长就容易造成过充，充电 时间不足就容易造成欠充。这是廉价的充电器输出功率小而电压设置高导致的结果。(1.3.3)还有一部分充电器因为设计或元器件的原因有正温度特性也就是说 环境温度越高，充电电压也越高，环境温度下降充电的电压也下降。这是与铅酸电池的 充电接受能力相反的设计，会造成夏天过充电和冬天欠充电的现象。对电池的实际使用 和寿命大为不利。(2)因电池组当中电池局部单体的损坏导致整组电池损坏。电动车电池是串联使用，一组48V的电池需要24个2V的单体组成，其中一个单 体故障可能导致整组电池在充电过程中被过度充电而损坏，主要表现在以下几个方面
(2.1)电池硫化没有及时修复；
(2.2)电池失水没有及时补充；
(2.3)极板之间铅技晶短路造成整组电池的额定电压偏低；
(2.4)单格短路造成局部的损坏造成整组电池的损坏；
(2.5)电池组因为电化学的特性导致一致性的误差，没有均衡充电会导致差异化的 距离变大，充电过程中电压高的单体容易被过度充电，而电压低的单体充电不足导致硫 化。(2.6)电池单体因为焊接不良，部分极板脱离汇流排，造成单体的容量比其他 单体小，充电过程容易造成单体的失水。(3)因高低温环境造成电池的损坏。(3.1)高温充电容易失水甚至鼓包造成电池的损坏。充电过程是放热反应，如 果环境温度高，且整组电池还被密封在塑料外壳(电池箱)当中，散热不良会造成电池 充电末期的温度超过60度。电池的温度达到或超过60度，将造成热失控的发生。(3.2)低温环境会造成电池充电接受能力下降，电池长时间处于不饱和的状态 会造成硫化，硫化的累积导致电池电动势下降，电动势下降造成充电不转灯，充电不转 灯造成失水或鼓包。(4)因电池组的老化导致充电过程无法自动终止，使得电池组因为过度充电而 损坏。铅酸蓄电池老化后，会发生“老年综合症”失水、内阻增加、硫化、容量不 均衡、技晶短路、极耳腐蚀掉落、单体机械短路、掉粉造成容量下降、极板表面钝化、 极板收缩造成断裂、板栅腐蚀造成掉片等等。老化的电池组使用者能看到的是容量不 足，充电不转灯，外壳鼓包。电池组老化发生后，会使充电器对其过度充电而进一步加 剧老化损坏。最后，大部分的铅酸蓄电池到了寿命终止，都以电解质干涸硫酸挥发，外 壳鼓包而结束。因此，如果如何解决上述的问题，就是避免目前市场上使用的上亿只充电器(并且每年还将新增三段式充电器3000万只以上)的问题造成电池的损坏，使这些不适 合铅酸电池的充电器变成能适合铅酸蓄电池的充电器是一个很有必要且富有实际意义的 技术课题。

发明内容
因此，本发明提出一种铅酸蓄电池的充电优化管理器，将该充电优化管理器串 接于已有的充电器与铅酸蓄电池组之间，就可以通过其充电优化管理，而使已有的不合 适的充电器变成非常适合铅酸蓄电池充电的充电器，解决上述的种种问题。本发明采用如下技术方案
本发明的铅酸蓄电池的充电优化管理器是将该充电优化管理器串接于充电器与铅 酸蓄电池组之间，该充电优化管理器通过控制器监控采集到铅酸蓄电池组的端电压信号 和充电回路的充电电流信号，并以PWM方式控制一额外电压叠加至充电回路上或者导通 或关闭该叠加了额外电压的充电回路。进一步的，所述的充电优化管理器内设有单片机、隔离式DC-DC模块、电压电 流采样模块和PWM驱动输出模块，所述的电压电流采样模块连接于所述的铅酸蓄电池组 的两端用于采集其端电压信号，并连接于充电回路上用于采集其充电电流信号，该电压 电流采样模块输出其采集的铅酸蓄电池组的端电压信号和充电回路的充电电流信号至单 片机的信号输入端口，所述的隔离式DC-DC模块和PWM驱动输出模块串接于充电回路 上，该隔离式DC-DC模块输出还连接于单片机的电源输入端口以提供工作电源，单片机 的PWM控制端口输出连接于该PWM驱动输出模块以PWM方式控制该充电回路。优选的，所述的充电优化管理器还内设有温度检测模块用于检测环境温度，控 制器根据环境温度以温度补偿的PWM方式进行充电控制。进一步的，所述的控制器的PWM控制方法是
a.当控制器监控采集到铅酸蓄电池组的端电压信号过高，则调整合适的PWM波形 以控制上述的充电回路通断频率，以降低到合适的平均充电电压输出；
b.当控制器监控采集到铅酸蓄电池组的端电压信号过低，则导通充电回路以提高充 电电压后，再调整合适的PWM波形以控制所述的充电回路通断频率，以输出合适的平均 充电电压；
c.当控制器监控采集到铅酸蓄电池组的端电压信号和充电回路的充电电流信号在不 同充电阶段出现异常时，则调整PWM波形控制所述的充电回路通断频率使其充电电流输 出小于或等于所述的铅酸蓄电池组容量的1/60—1/120，进行浮充充电；
d.当控制器监控采集到铅酸蓄电池组的端电压信号和充电回路的充电电流信号在恒 压充电阶段且基本饱和之后，则调整PWM波形控制所述的充电回路通断频率使其进行一 段时间的间歇充电，以消除铅酸蓄电池组产生的硫化；
e.当控制器内置的计时和计数程序满足设定条件，则控制器根据监控采集到的充电 回路的充电电流信号，调整PWM波形控制所述的充电回路通断频率使其输出特定恒定充 电电流，进行均衡充电。更进一步的，所述的情况C的控制器监控采集到的铅酸蓄电池组的端电压信号和 充电回路的充电电流信号在不同充电阶段出现异常具体是Cl.在充电电流恒定的恒流充电阶段时，在且充电时间t<设定时间Tl的前提，当 Ku=O时为正常状态，当Ku >0时为充电未饱和状态，当Ku <0时为异常状态；所述的 Ku= Δ V/ Δ t,其中Ku为铅酸蓄电池组的端电压变化率，Δ V为端电压变化值，At为 充电时间变化值；
c2.在充电电压恒定的恒压充电阶段时，在且充电时间t 3设定时间Tl的前提，当 Ki<0时为正常状态，当Ki=O时且充电电流绝对值 < 铅酸蓄电池组容量的1/30为充电饱 和状态，当Ki=O时且充电电流绝对值 > 铅酸蓄电池组容量的1/30为异常状态，当Ki>0 时为异常状态；所述的Ki= Δ I/At，其中Ki为充电电流变化率，Δ I为充电电流变化 值，At为充电时间变化值。优选的，如上所述的时间Tl是120分钟。优选的，所述的充电优化管理器还设有控制器控制的故障报警灯和充电回路截止装置。进一步的，所述的充电优化管理器的具体电路是充电器输出端接入变压器Tl 的主线圈端Ni,并连接由PWM电源驱动芯片ICl输出控制开关管Ql的开关电路，变压 器Tl的第一副线圈端Ν2输出工作电流至PWM电源驱动芯片ICl的电源端VCC,变压 器Tl的第二副线圈端Ν3输出所述的额外电压叠加至充电回路，该回路串接有继电器开 关Κ1，该继电器开关Kl的控制端连接于单片机芯片IC2的IO端口，变压器Tl的第三 副线圈端Ν4输出工作电流，并经整流稳压芯片U2后供单片机芯片IC2的电源端VCC,所 述的变压器Tl的第二副线圈端Ν3输出回路并经过接有光耦器Ul隔离的反馈回路反馈回 PWM电源驱动芯片ICl的CMP端，所述的单片机芯片IC2的IO端口还连接驱动LED指 示灯，所述的单片机芯片IC2的IO端口还连接放大三极管Q3驱动的半导体开关管Q4控 制充电回路，所述的充电回路的电流经过运放器IC3B采样输入至单片机芯片IC2的ADC 端口，所述的充电回路的电压及铅酸蓄电池组端的电压经采样输入至单片机芯片IC2的 ADC 端 口。优选的，如上所述的PWM电源驱动芯片ICl是LD7550芯片。优选的，如上所述的单片机芯片IC2是2个IO端口连接驱动2个LED指示灯， 分别是第一指示灯LEDl和第二指示灯LED2。本发明的铅酸蓄电池的充电优化管理器是一种简单且使用方便的装置，其串联 于充电器和电池组之间，全智能化的控制可以防止铅酸蓄电池被过充电损坏，可以防止 铅酸蓄电池硫化，对产生硫化的铅酸蓄电池组可以实现自动的修复还原，更重要的是本 发明的充电优化管理器不需要在铅酸蓄电池组上加装温度传感器，只通过内部的软件对 铅酸蓄电池组的伏安特性进行判断，就可以预先发现铅酸蓄电池出现热失控的前兆并加 以预防，本发明的充电优化管理器还能通过“闪电充限”波形对产生阻挡层的铅钙合金 电池进行消除阻挡层，这是世界性的技术难题，填补了技术空白。因此，当市场上的上亿只三段式充电器如果都能配置本发明的铅酸蓄电池的充 电优化管理器之后，铅酸蓄电池的使用寿命可以达到设计的最长寿命，最关键的是，铅 酸蓄电池的寿命终止将不再以电解液干涸，硫酸挥发到大气中来结束，而是以自然的老 化为终止。这对环境的保护和消费者利益的保护都有很重要的意义。
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图1是已有技术充电时的连接示意图； 图2是本发明充电时的连接示意图3是本发明的实施例1的电路框图； 图4是本发明的实施例2的电路框图； 图5是本发明的一个优选实施例的电路原理图。
具体实施例方式现结合附图和具体实施方式
对本发明进一步说明。参阅图1所示，已有的技术中，是将三段式充电器1直接串联待充电的铅酸蓄电 池组2。参阅图2，本发明的改进正是在于在原有的三段式充电器1和铅酸蓄电池组2之 间串联本发明的充电优化管理器3。该充电优化管理器3通过控制器监控采集到铅酸蓄电 池组的端电压信号和充电回路的充电电流信号，并以PWM方式控制一额外电压叠加至充 电回路上或者导通或关闭该叠加了额外电压的充电回路。具体的参阅图3和图4所示，所述的充电优化管理器3内设有单片机301、隔离 式DC-DC模块302、电压电流采样模块303和PWM驱动输出模块304，所述的电压电流 采样模块303连接于所述的铅酸蓄电池组2的两端用于采集其端电压信号，并连接于充电 回路上用于采集其充电电流信号，该电压电流采样模块303输出其采集的铅酸蓄电池组 的端电压信号和充电回路的充电电流信号至单片机301的信号输入端口 3011，所述的隔 离式DC-DC模块302和PWM驱动输出模块304串接于充电回路上，该隔离式DODC 模块302输出还连接于单片机301的电源输入端口 3012以提供工作电源，单片机301的 PWM控制端口 3013输出连接于该PWM驱动输出模块304以PWM方式控制该充电回路 通断。图3所示的实施例1和图4所示的实施例2的原理是相同的，不同的是PWM驱动 输出模块304连接方式略有区别。实施例1是通过对充电回路的负极进行PWM控制， 实施例2是通过对充电回路的正极进行PWM控制，两者的效果是一致的。充电器1的正极连接于充电优化管理器3的正极，然后串联于充电优化管理器3 内部的隔离式DC-DC模块302的叠加电压，与铅酸蓄电池组2的正极连接，在这个过程 中，隔离式DC-DC模块302虽然是降压的，但叠加上充电器1原有的电压后，充电的总 电压得到提升，这是一种直流电源通过降压模式让整个直流源得到升压的创造性应用电 路。例如充电器原来输出电压为55V，隔离式DC-DC模块302为55V转12V，原充电 器的55V电压叠加隔离式DC-DC模块302输出的12V之后，总电压为55V+12V=67V。充电器1的负极与充电优化管理器3的负极连接，然后经过内部的PWM驱动 输出模块304调节输出，输出即为充电优化管理器3的负极与铅酸蓄电池组2的负极连 接，PWM驱动输出模块304受控于单片机301的程序信号，可以控制充电的电流，以达 到控制蓄电池组2充电电压、充电饱和度，防止蓄电池组2出现异常等功能，特别是单片 机301采集到蓄电池组2的电压和充电电流信号，经过单片机301特定程序的计算，可以 远程非接触式感应到电池是否出现热失控或其他异常，从而调整PWM关闭回路或控制充 电回路的电流。
如上所述的PWM称为脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation"的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行 控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一 种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳 压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件 变化时保持恒定。脉冲宽度调制(PWM)是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。 通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行 编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有 (ON),要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序 列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是 供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。本发明的充电优化管理器3实现各项功能的原理说明，为了便于说明清楚，就 以48V/12Ah的铅酸蓄电池组2 (为方便说明，下简称电池组)和常用的三段式充电器1 的参数进行说明。1、充电优化管理器3对电压过高的充电器1进行参数修正的原理和功能的实 现
当充电器1的电压过高时，充电优化管理器3中单片机的AD 口检测到过电压信号 后启动PWM对电池组2的端电压进行控制，调整合适的PWM波形以控制上述的充电回 路通断频率，以降低到合适的平均充电电压输出，达到设定的最佳充电限压值。2、充电优化管理器3对于充电器1的充电电压不足的参数修正原理和功能的实 现
充电优化管理器3中的单片机的AD 口检测到充电器1的最大充电电压不足时，单 片机的10 口输出控制信号启动充电优化管理器3中的DC-DC转换器模块，充电器1的 电压得到提升，然后再经过PWM的调制进行充电，让电池组2的端电压达到和保持最佳 的充电电压值。3、充电优化管理器3对不同环境温度下调整不同充电参数的工作原理和功能的 实现
优选的，所述的充电优化管理器3还内设有温度检测模块用于检测环境温度，控 制器根据环境温度以温度补偿的PWM方式进行充电控制。温度检测模块信号与单片机 的AD 口连接，经过AD 口的模数转换后，经过单片机内部的温度计算程序，可以计算环 境的温度值。充电优化管理器3开机很短的时间内充电优化管理器3还没发热，温度和 环境温度基本保持一致，这时候，单片机记录当时的环境温度，并且所存到单片机的内 存中。根据环境温度的高低，单片机通过特定的计算公式，计算出控制电池组2的充电 最佳电压值，从而实现最佳的充电器参数的温度补偿。4、充电优化管理器3对电池组2 “热失控”和电池组2出现单格短路等异常进 行判定和保护性充电的原理和功能的实现
充电优化管理器3的单片机自从开始工作，就一直监控电池组2的端电压变化和充电 电流的关系并计算。4.1、恒流充电阶段，当充电电流恒定时，电池组电压的变化和充电时间的关系Ku=AV/At，其中Ku为铅酸蓄电池组的端电压变化率，A V为端电压变化值， At为充电时间变化值。4.2、根据铅酸蓄电池的充电特性，当Ku=0时，且A t=120min，则电池组进入 恒压充电阶段。4.3、根据铅酸蓄电池的充电特性，当Ku>0时，表示充电未饱和，还在继续 中。4.4、根据铅酸蓄电池的充电特性，当Ku<0时，表示电池组出现热失控或单格 短路之类的异常。4.5、当电池组的伏安特性满足4.2的条件时，电池组进入恒压充电阶段，在这 个过程中，充电电流的变化值Ki=Al/At，其中Ki为充电电流变化率，AI为充电电流 变化值，At为充电时间变化值；
4.6、根据铅酸蓄电池的充电特性，当Ki<0时，表示充电正常；
4.7、根据铅酸蓄电池的充电特性，当Ki=0时，且电流绝对值小于电池容量的1/30， 表示电池完全充电饱和；
4.8、根据铅酸蓄电池的充电特性，当Ki=0时，且电流绝对值大于电池容量的1/30， 表示电池组已经老化或出现热时失控；
4.9、根据铅酸蓄电池的充电特性，当Ki>0时，表示电池组已经老化或出现热时失
控；
4.10、当充电的电流和电池组的端电压满足4.4、4.8、4.9的条件下，即可判定本组 电池出现“热失控”或“单体短路”或其他异常；
4.11、当充电过程出现异常时，充电优化管理器立即调整PWM，让充电电流为0， 或充电电流小于等于电池组容量的1/60—1/120，进行无损伤无失水的浮充充电。然后 再通过充电优化管理器的指示灯设置，提醒用户电池组的异常。5、充电优化管理器3的调频脉冲对电池组2进行自动修复的原理和功能的实 现
调频脉冲是指充电末期，当电池组进入恒压充电阶段且基本饱和之后，用电池端 电压的回滞值为控制参数进行间歇充电的模式，调频脉冲可以让电池组充电更饱和，且 能消除产生的硫化。例如当48V的电池组的电压达到60V之后，停止充电，电池组电 压自动下降，这个过程是自动消除极化，有利于提升充电接受能力，当电池组的电压下 降到58V之后，继续以电池组容量1/20的电流进行充电，如此循环。由于电池组的老化 程度不同，电池组的硫化程度不同，电池组的饱和度不同，当回滞电压固定后，需要的 时间也不同，这个频次是变化的，故称为调频脉冲。当这个充电阶段的总时间达到设定 值，例如35分钟后，调频脉冲充电结束。6、充电优化管理器3对电池组2进行定期均衡充电的原理和功能的实现 均衡充电是小电流长时间的脉冲充电，是铅酸蓄电池维护保养的常用方法，充电
过程只限流不限压。充电优化管理器内部设置时钟程序和计数程序，当电池组经历10-50 次(可设定)充放电循环，大约用户实际使用30-90天，充电优化管理器自动启动均衡程 序对电池组进行一次均衡充电。均衡充电的效果可以让电池组当中出现非物理性损伤的 电池的容量得到提升，整组电池的容量一致性得到均衡，对提升电池组的使用寿命有很大的帮助。8、充电优化管理器3的时钟设定防止充电意外。8.1、充电优化管理器控制充电过程为恒流充电过程、恒压充电过程、脉冲 补强修复过程、浮充过程、均衡充电过程等。8.2、恒流充电过程的最长时间预置。根据电池的剩余容量设定恒流充电过 程的最长充电时间。充电优化管理器开机时对电池组的端电压进行检测，根据端电压的 值可以基本确定电池组的剩余容量，电池的总容量减去剩余容量就是等于需要充电的容 量，需要充电的容量除以充电电流可以算出充电时间。当充电优化管理器中的单片机计 算好需要恒流充电的时间后，就可以预知电池组进入恒压阶段的大致时间和参数变化， 如果到了预置的时间，电池组在恒压阶段，电流没有下降，即以时间优先，让电池组进 入下一阶段的充电模式。8.3、恒压充电过程的时间预置。根据电池组的充电特性曲线，预置恒压充电 阶段的最长时间限制，当时间到了，充电电流如果依然无法下降到合理的设定值，则时 间优先，进入下一个充电步骤。9、充电优化管理器3的自我保护电路原理和功能的实现。充电优化管理器3也是电子产品，也可能产生故障和不良。因此设置充电优化 管理器本身的自我保护和故障处理对保护电池组具有很重要的意义。在充电优化管理器 3的硬件中有一个故障报警灯和充电回路截止装置，当充电优化管理器3开始工作时处于 充电截止状态，且故障灯亮着，单片机启动后进行软件自检和硬件扫描，当检测结果一 切正常后，故障灯熄灭，充电回路接通充电，在充电的过程中，每间隔一段时间都重复 这样的检查。假设充电优化管理器3的单片机出现故障或死机的时候，充电优化管理器 3是无法充电的，这时候故障灯长亮着，提醒消费者。虽然，如上说明仅以本发明的优选实施例的单片机的控制电路来实现上述的充 电PWM控制方法。但是，本领域的技术人员完全可以根据上述的充电PWM控制方法的 详细说明，而通过其他的控制电路实现，例如采用可编程逻辑芯片(FPGA)实现该控制 方式，与此不再详细展开说明。参阅图5所示，是本发明的一个优选实施例的电路原理图。所述的充电优化管 理器的具体电路是充电器输出端接入变压器T1的主线圈端N1,并连接由PWM电源驱 动芯片IC1输出控制开关管Q1的开关电路，变压器T1的第一副线圈端N2输出工作电流 至PWM电源驱动芯片IC1的电源端VCC,变压器T1的第二副线圈端N3输出所述的额外 电压叠加至充电回路，该回路串接有继电器开关K1，该继电器开关K1的控制端连接于 单片机芯片IC2的10端口，变压器T1的第三副线圈端N4输出工作电流，并经整流稳压 芯片U2后供单片机芯片IC2的电源端VCC,所述的变压器T1的第二副线圈端N3输出回 路并经过接有光耦器U1隔离的反馈回路反馈回PWM电源驱动芯片IC1的CMP端，所述 的单片机芯片IC2的10端口还连接驱动LED指示灯，所述的单片机芯片IC2的10端口 还连接放大三极管Q3驱动的半导体开关管Q4控制充电回路，所述的充电回路的电流经 过运放器IC3B采样输入至单片机芯片IC2的ADC端口，所述的充电回路的电压及铅酸蓄 电池组端的电压经采样输入至单片机芯片IC2的ADC端口。优选的，如上所述的PWM 电源驱动芯片IC1是LD7550芯片。所述的单片机芯片IC2是2个10端口连接驱动2个LED指示灯，分别是第一指示灯LED1和第二指示灯LED2。所述的整流稳压芯片U2采 用7805芯片。 尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该 明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可 以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
权利要求
1.铅酸蓄电池的充电优化管理器，其特征在于将该充电优化管理器(3)串接于充 电器(1)与铅酸蓄电池组(2)之间，该充电优化管理器(3)通过控制器监控采集到 铅酸蓄电池组的端电压信号和充电回路的充电电流信号，并以PWM方式控制一额外电压 叠加至充电回路上或者导通或关闭该叠加了额外电压的充电回路。
2.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池的充电优化管理器，其特征在于所述的充电 优化管理器(3)内设有单片机(301)、隔离式DC-DC模块(302)、电压电流采样 模块(303)和PWM驱动输出模块(304)，所述的电压电流采样模块(303)连接于 所述的铅酸蓄电池组(2)的两端用于采集其端电压信号，并连接于充电回路上用于采集 其充电电流信号，该电压电流采样模块(303)输出其采集的铅酸蓄电池组的端电压信号 和充电回路的充电电流信号至单片机(301)的信号输入端口(3011)，所述的隔离式 DC-DC模块(302)和PWM驱动输出模块(304)串接于充电回路上，该隔离式DODC 模块(302)输出还连接于单片机(301)的电源输入端口(3012)以提供工作电源， 单片机(301)的PWM控制端口(3013)输出连接于该PWM驱动输出模块(304)以 PWM方式控制该充电回路。
3.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池的充电优化管理器，其特征在于所述的充电 优化管理器(3)还内设有温度检测模块用于检测环境温度，控制器根据环境温度以温度 补偿的PWM方式进行充电控制。
4.根据权利要求1或2所述的铅酸蓄电池的充电优化管理器，其特征在于所述的 PWM控制方法是 a.当控制器监控采集到铅酸蓄电池组的端电压信号过高，则调整合适的PWM波形 以控制上述的充电回路通断频率，以降低到合适的平均充电电压输出；b.当控制器监控采集到铅酸蓄电池组的端电压信号过低，则导通充电回路以提高充 电电压后，再调整合适的PWM波形以控制所述的充电回路通断频率，以输出合适的平均 充电电压；c.当控制器监控采集到铅酸蓄电池组的端电压信号和充电回路的充电电流信号在不 同充电阶段出现异常时，则调整PWM波形控制所述的充电回路通断频率使其充电电流输 出小于或等于所述的铅酸蓄电池组容量的1/60—1/120，进行浮充充电；当控制器监控 采集到铅酸蓄电池组的端电压信号和充电回路的充电电流信号在恒压充电阶段且基本饱 和之后，则调整PWM波形控制所述的充电回路通断频率使其进行一段时间的间歇充电， 以消除铅酸蓄电池组产生的硫化；当控制器内置的计时和计数程序满足设定条件，则控制器根据监控采集到的充电回 路的充电电流信号，调整PWM波形控制所述的充电回路通断频率使其输出特定恒定充电 电流，进行均衡充电。
5.根据权利要求4所述的铅酸蓄电池的充电优化管理器，其特征在于所述的情况 c的控制器监控采集到的铅酸蓄电池组的端电压信号和充电回路的充电电流信号在不同充 电阶段出现异常进一步是Cl.在充电电流恒定的恒流充电阶段时，在且充电时间t<设定时间Tl的前提下，当 Ku=O时为正常状态，当Ku >0时为充电未饱和状态，当Ku<0时为异常状态；所述的 Ku= Δ V/ Δ t,其中Ku为铅酸蓄电池组的端电压变化率，Δ V为端电压变化值，At为充电时间变化值；c2.在充电电压恒定的恒压充电阶段时，在且充电时间t 3设定时间Tl的前提下，当 Ki<0时为正常状态，当Ki=O时且充电电流绝对值 < 铅酸蓄电池组容量的1/30为充电饱 和状态，当Ki=O时且充电电流绝对值 > 铅酸蓄电池组容量的1/30为异常状态，当Ki>0 时为异常状态；所述的Ki= Δ I/At，其中Ki为充电电流变化率，Δ I为充电电流变化 值，At为充电时间变化值。
6.根据权利要求5所述的铅酸蓄电池的充电优化管理器，其特征在于所述的时间 Tl是120分钟。
7.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池的充电优化管理器，其特征在于所述的充电 优化管理器(3)还设有控制器控制的故障报警灯和充电回路截止装置。
8.根据权利要求2所述的铅酸蓄电池的充电优化管理器，其特征在于所述的充电 优化管理器的具体电路是充电器(1)输出端接入变压器Tl的主线圈端Ni,并连接由 PWM电源驱动芯片ICl输出控制开关管Ql的开关电路，变压器Tl的第一副线圈端Ν2 输出工作电流至PWM电源驱动芯片ICl的电源端VCC,变压器Tl的第二副线圈端Ν3输 出所述的额外电压叠加至充电回路，该回路串接有继电器开关Κ1，该继电器开关Kl的 控制端连接于单片机芯片IC2的IO端口，变压器Tl的第三副线圈端Ν4输出工作电流， 并经整流稳压芯片U2后供单片机芯片IC2的电源端VCC,所述的变压器Tl的第二副线圈 端Ν3输出回路并经过接有光耦器Ul隔离的反馈回路反馈回PWM电源驱动芯片ICl的 CMP端，所述的单片机芯片IC2的IO端口还连接驱动LED指示灯，所述的单片机芯片 IC2的IO端口还连接放大三极管Q3驱动的半导体开关管Q4控制充电回路，所述的充电 回路的电流经过运放器IC3B采样输入至单片机芯片IC2的ADC端口，所述的充电回路的 电压及铅酸蓄电池组端的电压经采样输入至单片机芯片IC2的ADC端口。
9.根据权利要求8所述的铅酸蓄电池的充电优化管理器，其特征在于所述的PWM 电源驱动芯片ICl是LD7550芯片。
10.根据权利要求8所述的铅酸蓄电池的充电优化管理器，其特征在于所述的单片 机芯片IC2的2个IO端口连接驱动2个LED指示灯，分别是第一指示灯LEDl和第二指 示灯LED2。
全文摘要
本发明涉及蓄电池充电和蓄电池电源管理电路领域，尤其涉及用于铅酸蓄电池的充电管理电路。本发明的铅酸蓄电池的充电优化管理器是将该充电优化管理器串接于充电器与铅酸蓄电池组之间，该充电优化管理器通过控制器监控采集到铅酸蓄电池组的端电压信号和充电回路的充电电流信号，并以PWM方式控制一额外电压叠加至充电回路上或者导通或关闭该叠加了额外电压的充电回路。本发明的铅酸蓄电池的充电优化管理器是一种简单且使用方便的装置，其串联于充电器和电池组之间，全智能化的控制可以防止铅酸蓄电池被过充电损坏，可以防止铅酸蓄电池硫化，对产生硫化的铅酸蓄电池组可以实现自动的修复还原。
文档编号H01M10/44GK102013722SQ20101022553
公开日2011年4月13日 申请日期2010年7月14日 优先权日2010年7月14日
发明者陈赖容 申请人:陈赖容