专利名称：智能化二元闭环充电装置的制作方法
技术领域：
本发明属于铅酸和碱性蓄电池的充电装置。
自从蓄电池的出现，便出现了充电工艺及其装置的研究，到目前为止，充电的基本工艺仍然局限在“定电压充电”和“定电流充电”这两种落后的传统模式上，如美国专利US-4392101，US-3852652。
因没有充电过程中充电电化学反应状态技术参数的自动采集方法，充电工艺一直是直接或间接地由“充电装置→充电操作工→蓄电池”三要素构成的三元开环模式;充电工艺参数的确定(或设定)和调整，完全凭充电操作工的经验及蓄电池厂家提供的经验公式，与蓄电池的实际要求有很大差距，严重影响了充电技术的发展。
本发明的目的在于研究一种新的充电过程中技术参数的采集方法、采集系统、新的变流电路和特殊充电模式，彻底改变充电技术的落后状态。
本发明的核心是发明了充电过程中的充电电化学反应实际状态的检测技术、给定充电电化学反应理想状态充电工艺及特殊的充电模式、高效倍角移相整流电路，采用以上技术研制的由“充电机←→蓄电池”两要素构成的智能化二元闭环充电装置，与现有各种充电装置的显著区别在于充电过程中，充电电流、电压的调整勿需人工干预、完全由充电装置根据在充蓄电池的实际技术状况动态跟踪在充蓄电池的实际可接受充电电流，采用智化综合控制技术使充电过程中充电电流始终与蓄电池实际可接受充电电流一致，保证充电过程始终都在微量析气的理想状态下进行，同时采用了模块化的结构。
图(1)是本发明的原理框图(1)是控制器、(2)是电源输入模块、(3)是电压变换模块、(4)是电流变换模块、(6)是温度传感器、(5)是被充蓄电池。
控制器和每个功能模块可由多种电路组成，选用不同的模块组合和改变控制器的编码，可组装成多种型号和规格的充电装置。
电源输入模块(2)的功能是系统电源的接通与断开及故障保护;电压变换模块(3)的功能是将输入交流电源与电流变换模块(4)的输入电源电隔离和电压变换;电流变换模块(4)的功能是通过调相整流或高频变流为充电提供可控电流和为控制器提供必要的信号源。
该充电装置明显地区别于现有充电装置的特点是由充电装置和蓄电池构成的智能化二元闭环充电模式，代替了传统的由充电装置→充电操作工→蓄电池构成的三元开环充电模式。该装置的充电工作勿需人工干预，而是由充电装置根据蓄电池的实际技术状况适时自动设定和调整充电电流、电压及适时进行故障检测与处理。充电过程中根据在充蓄电池的充电电化学反应的实际状态适时闭环动态调整充电工艺参数，使充电电流始终与电池的可接受充电电流一致。
电源输入模块(2)见图(2)、(3)图(2)是单相输入电路，由输入熔断器RD1，自动开关K和固态继电器SSR1组成，SSR1是主回路电源继电器，SSR1的接通与断开，由控制器(1)经5、6端输入的控制信号控制，自动开关K用于短路保护、过载保护及整机电源的接通与断开。
图(3)是三相电源输入电路，工作原理同图(2)。
电压变换模块见图(4)、(5)、(6)、(7)图(5)是单相电压变换模馈梀L1、L2是输入绕组，将其串联或并联后与电源输入模块的输出端3、4相连接，L3、L4是输出绕组，与电流变换模块输入端1、2、3相连接，L5是同步绕组，为控制器调相系统同步信号发生电路提供工频同步信号源。
图(4)是三相Y/Y接法的电压变换模块，图(6)是三相Y/△接法电压变换模块，L1是输入绕组，L2是输出绕组，L3是同步绕组，工作原理同图(5)。
图(7)是高频充电装置电压变换模块，工频交流电从ABC端输入，经二极管D101-104整流、电容器C滤波变换成高压直流电从12端输出到电流变换模块的输入端12，为其提供电源。
电流变换模块见图(8)、(9)、(10)，图(8)是倍角移相电流变换模块电路，SR1SR2、SR3是调相晶闸管。D1、D2是整流二极管，RD1、RD2是快速熔断器。
电流经1、2、3端从电压变换模块(3)的1、2、3输入，变流后由十、一极端子输出，19、23、26是控制信号输入端，与功率放大器(19)的192326连接，RFZ是电流感应电阻，10是电流感应信号输出端，与电流感应信号放大电路输入端10连接。
其工作过程是开始移相时，首先是晶闸管SR1开始在0-180度范围内移相，晶闸管SR2、3被封锁;当晶闸管SR1控制角接近零度时，晶闸管SR2SR3适时加入移相，晶闸管SR2、3的移相范围也是0-180度，即半周内总的移相角为360度。这种移相方式称为倍角移相。
图(9)是三相变流模块电路，工作过程同普通三相半控桥相同。其余同图(8)。
图(10)是高频电流变换模块，其工作过程是电源自电压变换模块(7)的1、2端从1、2端子输入，由脉宽调制器PWM器控制功率开关管T1、T2，经变压器B变换成高频低压电源，二极管D201、D203整流，续流管D202、扼流圈L和电容器C滤波，从+，-端输出充电电流。从摸拟D/A输出电路(24)的4端输出的控制信号从PWM控制器的3端输入，中央处理器电路(12)、(13)8端的遥控信号从PWM控制器的4端输入。
控制器见图(11)至(26)，图(13)是由87C51构成的控制器中央处理器电路、图(11)是专用芯片M9201构成的控制器中央处理器电路，图(11)是通用六位八段数码显示板。
控制器由中央处理器电路(12)或(13)、电源电路(18)、电压感应电路(14)、电流感应信号放大电路(15)、温度感应信号放大电路(16)、系统同步信号产生电路(17)、负载状态监测电路(23)、电源输入模块驱动电路(25)、电源监测电路(22)、摸拟D/A输出电路(24)和时钟电路(26)，和由三套相同电路构成的电流变换模块控制信号功率放大电路(21)、同步信号产生电路(20)及控制信号功率放大电路的驱动信号输出电路(19)组成。
电流感应信号放大电路(15)，由电阻R300-305、电容器C300、电位器W300和运算放大器U301∶A组成。其工作过程是来自电流变换模块(4)10端的电流感应信号从10端输入，运算放大器放大后经电阻R303、R305和电容器C300滤波，从300端输出到中央处理器的300端，W300是放大倍率调整电位器。
电压感应电路(14)，由下述两套相同的电路构成，以其中一套电路为例电流变换模块(8)、(9)、(10)正端的电压信号从端子9输入，经电阻R201205206分压，可变电阻W201精调，电容器C201滤波后输入到中央处理器的202端，另一路相同的电路输入到中央处理器的201端。
负载状态监测电路(23)由电阻R5R207R208、三极管T200、二极管D200、电容器C202及反相器U4∶BU4∶C组成。其工作过程是电流变换模块(8)、(9)、(10)正输出端的电压感应信号从201端输入，经电阻R207、R209分压、电容器C202滤波、稳压管D200箝位、限幅，输入到三极管T200的基极，R5是限流电阻，R208是射极输出电阻。当电流变换模块(8)、(9)、(10)输出端无负载或负载极性接反时，基极为零电平。三极管T200截止。U4∶B输入端为低电平，经两级反相输出低电平，监测输出信号从08端输出到中央处理电路(12)、(13)的08端。封锁U5U6U7U8U9向CPU发出中断请求，使整机停止工作并进行故障处理，否则相反反相器输出高电平，整机正常工作。
电源监测电路(22)由二极管D707708709、电阻R711-716和电容器C706-708组成。其工作过程是电压变压模块(4)、(5)、(6)、(7)的三相工频同步信号分别从700、701、702端输入，经二极管D707708709检波，电阻R711-716分压、电容器C706707708滤波后通过703704705端输入到中央处理器电路的703704705端。
当装置接通电源后该电平低于门限值时，即为无电或缺相，中央处理器发出故障处理指令。在主回路未接通电源时该电平高于门限值，即主回路已接通电源，中央处理器电路判断出输入回路短路。
系统同步信号产生电路(17)，由运算放大器U100∶B和电阻R6-11组成。其工作过程是来自电源电路(18)100端的全波同步电压信号经电阻R1011分压后输入到放大器U100∶B的同相端，由电阻R8、R9组成的门限电压产生电路的门限电压输入到放大器反相端，矩形波系统同步信号从09端输入到中央处理器电路(12)、(13)的09端。
模拟D/A输出电路(24)由电阻R1R2电容C1C2和二极管D1组成，其工作过程是由中央处理器电路的3端的模拟PWM输出信号从01端输入，经二极管D1隔离和电阻R1R2及电容C1C2滤波，从4端向高频电流变换模块(6)的PWM3端输出模拟D/A控制信号。
电源输入模块的控制信号输出电路(25)由电阻R13与非门U9和反相器U10∶A组成，中央处理器电路的控制信号从5端输入，经反相器U10∶A反相后输入U9的一个输入端，来自负载状态监测电路(23)的输出信号输入到U9的另一个输入端，U9的输出信号通过限流电组R13从41端输出。
电流变换模块控制信号的功率放大电路(19)，由三套相同电路构成，以其中一套电路力为例，它由光电隔离器C402、三极管T400、晶闸管SR400、电阻R400-R406、电容器CC400、C401、二极管D400和继电器J组成。其工作过程是来自控制信号输出电路(21)600端的控制信号从600端输入，经光电藉合器G400光电隔离，由D401输入到可控硅SR400的控制极，R403是抗干扰电阻，C400，C404是干扰抑制电容器，R404是可控硅SR400的负载电阻，控制信号放大后从26端输出到电流变模块(8)的4端，功率放大器电源从端子27输入，经电阻R401402限流，整流二极管D400整流后加于SR400的阳极，还有一个由中央处理电路41端和负载状态监测电路08端共同控制的继电器J，它的功能是接通或切断控制信号的功率放大电路的电源。
驱动电路(21)，其工作过程是来自中央处理器电路(12)、(13)的010306端的控制信号经过U4∶D-F反相后输入驱动器U5-7的一个输入端，负载状态监测电路(23)的监测信号输入另一输入端，即通过R607R507R407输出的驱动信号受控于负载状态。
由下述三个相同电路组成的晶闸管调相系统同步信号产生电路(20)，它由同步方式切换开关K1K2K3、二极管D700-703、电阻R700-709、电容器C700-70、稳压管D704-706和六反相器U3组成。其工作过程是来自电压变换模块(3)的三相正弦波同步信号分别从端子26、27、28输入，经切换开关K1K2K3切换，输入到R700-710C700-705组成的移相器移相、D704-706箝位，限幅器，输入U3经两级整形和反相从020407端输出到中央处理电路的020407端。
将K1断开，K2、K3闭合，这种方式适用于三相Y/Y接法。将K3断开，其余同上，输入信号没有移相，经钳位、限幅后直接输入U3，这种方式适用于三相Y/△接法，K1闭合，K2、K3断开，单相正弦波信号自电压变换模块(3)从27、28端输入，经D700-703整流经，分压、钳位限幅后送入U3，这种方式适用于单相/两相电路。采用这种方式产生的同步信号，不要求输入电源的相序。
温度感应信号放大器(16)、由U301∶B及外围元件组成，其工作过程是由温度传感器6输入的温度感应信号从12端输入，经放大器放大后输入到中央处理器电路的301端，微调电位器W301是校零电位器，W302是放大器倍率精调电位器。
(18)是电源电路，交流电源由13、16端输入、经全桥G100整流，电容器C101滤波后输入到稳压器7805稳压获得+5伏电源对控制系统系统供电。由D100、D101整流后，产生系统同步信号源，输入到系统同步信号产生电路(17)。
T100、R101、R100组成无负载和故保护电路，当电流变换模块输出无负载或负载极性接反时，系统控制电源软开关。
T101、T102、R105、R102、D102、R103、R104、C103组成延时软开关，为控制器输出系统提供控制电源。
(26)是时钟产生电路，由反相器U14∶A、U14∶F、R31、R32、C10、晶体CO1组成的振荡电路产生的高频信号，经U16∶A、U16∶B分频，分别从010端输出二分频时钟信号和05端输出四分频时钟信号。
中央处理器电路可选用(12)或(13)，其不同之处仅在于(13)是以3751为CPU的中央处理器电路，(12)是专用芯片M9201为CPU的中央处理器电路，(13)电路还需配备(26)时钟电路。
显示板见图(11)，由74LS164及3段数码管组成的6位静态移位显示器。
权利要求
1.一种用于对酸性和碱性蓄电池进行充电的智能化二元闭环充电装置，其特征是它有一个控制器(1)、一个将系统电源接通与断开及进行故障保护的电源输入模块(2)、一个将输入电源与系统电源进行电隔离和电压变换的电压变换模块(3)、一个通过调相或高频变换产生对蓄电池充电的电流电流变换模块(4)和一个检测环境温度及电解液温度的温度传感器(6)组成。
2.按权利要求1所述的充电装置，其特征是电流变换模块(4)可采用高频变流变换模块(10)、三相桥式整流模块(9)或倍角调相整流模块(8)，其中倍角调相整流模块(8)由快速熔断器RD1、RD2、晶闸管SR1、SR2、SR3、电流感应电阻RFZ及整流二极管D1、D2组成，三只晶闸管的正极端连接于一点通过电流感应电阻RFZ与负极输出端相连，SR1的负极端与输入2端相连，SR2的负端通过RD1与输入端1和通过D1与输出端(+)相连，SR3的负端通过RD2与输入端(3)和通过D2与正输出端相连。
3.按权利要求1所述的充电装置，其特征是控制器(1)有一个以8751或专用芯片M9201为CPU的中央处理器电路(13)或(12)、对控制器及控制系统供电的电源电路(18)、对中央处理器电路提供电压信号的电压感应电路(14)、提供电流采样信号的电流感应信号放大电路(15)、提供温度采样信号的温度感应信号放大电路(16)、向中央处理器电路提供系统同步信号的系统同步信号产生电路(17)、向控制系统提供负载状态信号的负载状态监测电路(23)、电源输入模块控制信号的驱动电路(25)、向控制系统提供电源状态信息的电源监测电路(22)、为高频变流模块提供控制信号的摸拟D/A输出电路(24)和为以8751为CPU的中央处理器电路提供时钟的时钟电路(26)，还有一个由三套相同电路构成的电流变换模块控制信号的功率放大电路(19)、为晶闸管变流系统提供同步信号的同步信号产生电路(20)及控制信号功率放大电路的驱动信号输出电路(21)。
4.按权利要求3所述的充电装置，其特征是电流感应信号放大电路(15)，由电阻R300-305、电容器C300、电位器W300和运算放大器U301∶A组成，来自电流变换模块(8)、(9)10端的电流感应信号从10端输入，运算放大器放大后经电阻R303和电容器C300滤波，从300端输出到中央处理器的300端。
5.按权利要求3所述的充电装置，其特征是电压感应电路(14)，由下述两套相同的电路构成，(以其中一套电路为例)，电流变换模块(8)、(9)、(10)正端的电压信号从端子9输入，经电阻R201 205 206分压，可变电阻W201精调，电容器C201滤波后输入到中央处理器的202端，另一路相同的电路输入到中央处理器的201端。
6.按权利要求3所述的充电装置，其特征是负载状态监测电路(23)由电阻R5 R207 R208、三极管T200、二极管D200、电容器C202及反相器U4∶B U4∶C组成，电流变换模块3的正输出端的电压感应信号从201端输入，经电阻R207、R209分压、电容器C202滤波、稳压管D200无箝位、限幅，输入三极管T200的基极，还有一个限流电阻R5和射极输出电阻R200，监测输出信号从08端输出到中央处理电路(12)、(13)的08端。
7.按权利要求3所述的充电装置，其特征是电源监测电路由二极管D707、708、709、电阻R711-716和电容器C706-708组成。电压变压模块(2)的三相工频同步信号分别从700、701、702端输入，经二极管D707 708 709检波，电阻R711-716分压、电容器C706 707 708滤波后通过703 704 705端输入到中央处理器的703 704 705端。
8.按权利要求3所述充电装置，其特征是系统同步信号产生电路(17)，由运算放大器U100∶B和电阻R6-11组成。来自电源电路(18)100端的全波同步电压信号经电阻R10 11分压后输入到放大器同相端，由电阻R8、R9组成的门限电压产生电路的门限电压输入到放大器反相端，还有一个反馈电阻R7和输出负载电阻R6。矩形波系统同步信号从09端输入到中央处理器电路的09端。
9.按权利要求3所述的充电装置，其特征是模拟D/A输出电路(24)由电阻R1 R2电容C1 C2和二极管D1组成，由中央处理器电路(
图12)(3)端的模拟PWM输出信号从01端输入，经二极管D1隔离和电阻R1 R2及电容C1 C2滤波，从4端向高频电流变换模块(10)的3端输出模拟D/A控制信号。
10.按权利要求3所述的充电装置，其特征是电源输入模块的控制信号输出电路(25)由电阻R13与非门U9和反相器U10∶A组成，中央处理器电路的控制信号从5端输入，经反相器U10∶A反相后输入U9的一个输入端，来自负载状态监测电路(23)的输出信号输入到U9的另一个输入端，U9的输出信号通过限流电组R13从41端输出。
11.按权利要求3所述的充电装置，其特征是电流变换模块控制信号的功率放大电路(19)由三套相同电路构成，以其中一套电路力为例，它由光电隔离器G402、三极管T400、晶闸管SR400、电阻R400-R406、电容器C C400、C401、二极管D400和继电器J组成，来自控制信号输出电路(21)600端的控制信号从600端输入，经光电藕合器G400光电隔离，由D401输入到可控硅SR400的控制极，还有一个抗干扰电阻R403、干扰抑制电容C400 C404、和可控硅SR400的负载电阻R404，控制信号放大后从26端输出到电流变模块(8)的4端，功率放大器电源从端子27输入，经电阻R401 402限流，整流二极管D400整流后加于SR400的阳极，还有一个由中央处理电路41端和负载状态监测电路08端共同控制的继电器J。
12.按权利要求3所述的充电装置，其特征是有一套由下述三组相同电路组成的晶闸管同步信号产生电路(20)，它由同步方式切换开关K1、K2、K3、二极管D700-703、电阻R700-709、电容器C700-70、稳压管D704-706和六反相器U3组成。三相正弦波同步信号自电压变换模块(2)的同步绕组，分别从端子26、27、28输入，经切换开关K1、K2、K3切换，输入到R，分别从端子26、27、28输入，经切换开关K1、K2、K3切换，输入到R700-710 C700-705组成的移相器移相、D704-706箝位、限幅器，输入U3经两级整形和反相从02 04 07端输出到中央处理电QY路的02 04 07端。
全文摘要
智能化二元闭环充电装置是一种用于酸性和碱性蓄电池的充电装置，该装置采用了独特的电化反应状态检测技术，解决了充电工艺研究中长期存在的充电过程中技术参数采集的技术难题。应用该技术研制成功的智能化二元闭环充电装置，克服了定电压和定电流三元开环充电模式的缺点，采用了定电化学反应状态的二元闭环充电模式。模块化的结构，控制器超强的通用性及自诊断功能，提高了该装置的技术性能。
文档编号H02J7/00GK1085020SQ92111140
公开日1994年4月6日 申请日期1992年9月29日 优先权日1992年9月29日
发明者钱良国 申请人:第二炮兵智能充电技术研究所