CN101710725A - 自适应发、蓄电*** - Google Patents

Abstract

蓄电池组的设计浮充使用寿命可长达18至20年，而目前各种车辆启动用的蓄电池组却是易损、常换。为什么会产生这样巨大的差距？浮充电压是蓄电池组使用效率、寿命的决定性因素，特别是平均充电功率必须适应蓄电池组内部微观结构、荷电状态和外部环境温度的明显变化，才能确保在蓄电池组完整生命周期内始终具有适宜的充电过程，否则，必然导致快速正极板栅腐蚀、电解液损失、负正极板硫化、有效容量降低。为此，本发明提出包括励磁功率执行器、自适应蓄电池组、蓄电池组体温传感器、快速充电控制器、极板远端充电控制器、变送控制器、过热保护器、标识图的自适应发、蓄电***。适合在汽车、移动通信基站等浮充应用方式的***中应用。

Description

自适应发、蓄电***

技术领域

本发明涉及一种发、蓄电***。特别是涉及一种根据蓄电池组实时体温、荷电状态，动态调控发电机输出相应的充电电压，确保蓄电池组完整生命周期内始终处于适宜工作状态的自适应发、蓄电***。

背景技术

几十年以前德国阳光公司的A600系列铅酸蓄电池组就实现了18至20年的设计寿命，而目前有着严格管理维护制度的移动通讯基站备用电源铅酸蓄电池组的浮充使用寿命也只能达到2至4年。铅酸蓄电池的浮充使用寿命为什么在使用环境下会产生这样巨大的差距？各种车辆启动用的铅酸蓄电池组更是易损、常换？

研究发现，由于铅酸蓄电池组的充放电过程是电化学反应，其端电压对温度非常敏感，以24V125Ah的汽车启动用铅酸蓄电池组为例：北方的冬季铅酸蓄电池组的体温可降至零下二十几度，到夏季可能升至三十多度。如按每单体(24V由十二个单体组成)铅酸蓄电池的电动势的温度系数是负3.9mV计算(详见人民邮电出版社出版的《充电器电路设计与应用》一书，第一章第50页等)铅酸蓄电池组体温从负20℃升至30℃时，发电机输出的浮充电压应跟随铅酸蓄电池组的体温变化，从27.00V反向按比例降至24.66V，共计要下降2340mV。也就是说发电机输出的电压应跟随铅酸蓄电池组的体温每变化一度，自动无台阶升、降46.8mV，而实际设置却是28.00V，生产厂家都知道，并且在其使用说明书上明确标注，浮充电压偏差十毫伏就将明显影响铅酸蓄电池的使用寿命。

长期以来，发电机或其它充电装置的输出电压是固定不变的，而蓄电池组体温、最佳充电电压、荷电状态、电解液蒸发量、电解液浓度、内部微观结构等都在随时发生着变化！而且其变化速度、强度还有巨大的差别，这必然导致充电电压严重偏离最佳值，不仅浪费了大量能源，还直接导致蓄电池组迅速报废。因此，迫切需要一种能够确保蓄电池组完整生命周期内始终处于优化充电状态的自适应***。

众所周知，常规的恒压浮充、恒流浮充只有在严格的实验室条件下才能够实现单格铅酸蓄电池析气与板栅腐蚀的微弱平衡，而在铅酸蓄电池组应用时，由于各铅酸蓄电池参数的离散性，恒压浮充充电方式几乎总是使部分铅酸蓄电池处于自放电状态，而另一部分铅酸蓄电池处于过充电状态。

铅酸蓄电池组的设计寿命是按正极板栅合金的腐蚀速率计算的，长期处于过充电状态会加速正极板栅腐蚀与电解液损失，正极板栅被腐蚀的越多，铅酸蓄电池组的剩余寿命就越短。长期处于自放电状态则造成负极充电不足，必然导致电池硫化，影响铅酸蓄电池组的容量。

如果车辆在频繁启、停或者是经常短途行驶后长时间停放的工况下运行，不可能保证长达几十个小时的充电时间，蓄电池组在启动时消耗的容量将长期得不到补足，因为在恒压浮充充电方式的后期充电阶段，充电速率变得十分缓慢，这同样必然导致电池硫化和有效容量快速降低。

如今，蓄电池组一旦售出再也得不到专业的技术支持，即使长期处于极不适当的使用状态，由于难以直观发现问题，客户也毫不知情！厂家只关心是否能卖出去更多的产品，对充电方式存在的严重问题视而不见，所以，尽快普及相关知识是当务之急，至少应在产品上明确标识、提醒用户。

铅酸蓄电池的使用寿命与设计寿命长期存在巨大差距的问题，与蓄电池组缺少较完善的动态充电方式有很大的关系，我们已为此付出了巨大的社会成本和环境成本！

本发明将针对上述现有***存在的缺陷提出经长期实验提炼的具体技术解决方案。

发明内容

一种具有励磁功率执行器、自适应蓄电池组、蓄电池组体温传感器、快速充电控制器、极板远端充电控制器、变送控制器、过热保护器、标识图的自适应发、蓄电***，其能动态调控发电机或其它充电装置输出的充电电压，自动适应蓄电池组实时体温、荷电状态的任意变化。实践证明，普遍适用于各种货车、客车、轿车、移动通信基站等浮充应用方式的***中，能成倍延长铅酸蓄电池的实际使用寿命。

下文结合附图阐述本发明内容。

请参见附图1。

励磁功率执行器

励磁功率控制器是自适应蓄电池组动态调控发电机平均输出功率，实现自适应充电的桥梁，它设计有接受自适应蓄电池组动态控制的接口电路，并可通过发电机的中性点获得励磁电流，实现兼容和改造现有各种发电机或其它充电装置，成为输出充电电压自适应蓄电池组各种变化的发电机或其它充电装置。

自适应蓄电池组

为实现蓄电池组体温传感器在壳体内感知自适应蓄电池组极群内部的体温，简化自适应蓄电池组的结构，在蓄电池组壳体内设有内侧面双向传热，其它面作绝热处理的热隔离室，这样，热隔离室内的温度就可与测蓄电池组内部极群体温保畅通不变化，热敏电阻装配在热隔离腔体内、实现等效监测蓄电池组内部极群体温。

测控电路板装配在电路板封装腔体内，通过检测测蓄电池组的端电压计算其荷电状态，并根据荷电状态、内部极群体温动态调控发电机或其它充电装置输出的充电电压的目的。

蓄电池组体温传感器

蓄电池组体温传感器本身的温度稳定性、线性度和功耗对整个***的可靠性、稳定性、关键性能参数起着至关重要的作用，本发明采用集成电路恒压源、硅半导体热敏电阻器、线性化精密电阻组成的电路网络，在整个额定工作温度范围内进行线性化补偿，确保其输出与自适应蓄电池组体温按比例变化，为其他功能实体提供准确的参考电压。

快速充电控制器

在恒压浮充充电方式的充电阶段的后期，充电速率变得十分缓慢，许多车辆在频繁启、停或者是经常短途行驶后长时间停放的工况下运行，不可能具有长达几十个小时的充电时间，蓄电池组在启动时消耗的容量将长期得不到补足，因此，必然导致蓄电池组硫化和有效容量快速降低。

本发明引入了快速充电控制器，能根据蓄电池组的荷电状态，分阶段确定不同的充电电压，在蓄电池组放电后的前期充电阶段，充分利用蓄电池组充电电流曲线的高可接受期，采用较高的充电电压实现快速充电。

为提高荷电状态判断的准确性，快速充电控制器的上、下限值跟随蓄电池组体温自动作相应的改变。

快速充电控制器具有回差设定电阻，调整其阻值可确保蓄电池组只有在适当的荷电状态时进入、并保持在快速充电状态。

极板远端充电控制器

公知的恒压浮充、恒流浮充只有在严格的实验室条件下才能够实现单格铅酸蓄电池析气与板栅腐蚀的微弱平衡。为确保铅酸蓄电池处于充分充电状态，现有充电制度规定了偏高的浮充电压，而长期偏高的浮充电压会加速正极板栅腐蚀与电解液损失，正极板栅被腐蚀的越多，铅酸蓄电池组的剩余寿命就越短。经常在高气温地区跑长途的汽车受害最深。

为解决这一矛盾，本发明不仅分阶段确定不同的充电电压，在浮充充电工作期间，为确保远离电极部位的活性物质获得充分的充电电流，设计了极板远端充电控制器，其通过控制变送控制器、励磁功率执行器、发电机输出足以达到距电极最远处活性物质部位的瞬时大幅值、长周期的充电电流，有效解决这一技术难题。采用这种充电模式，能够实现蓄电池组析气与板栅腐蚀的最优化，可使蓄电池组既保持在充分的荷电状态，又不会长期过充电，确保蓄电池组的有效容量和成倍延长蓄电池组的寿命。

变送控制器

由于铅酸蓄电池组的充放电过程是电化学反应，其端电压对温度非常敏感，而铅酸蓄电池组的体温受多种因素的影响时刻都在变化。因此，发电机或其它充电装置输出的浮充电压应跟随铅酸蓄电池组的体温自动无台阶升降。

而目前普遍采用的发电机或其它充电装置的输出电压，都是假定铅酸蓄电池组相关参数是固定不变的，因此，在极端情况下发电机输出的电压偏差巨大！这必然有夏季过充电、冬季欠充电的问题。过充电不仅会加速正极板栅腐蚀、缓慢失水，还白白海浪费了大量的电能、增加消耗发动机的输出功率。而长期欠充电必然导致电池硫化和有效容量快速降低。如此明显的设计缺陷必将严重影响铅酸蓄电池组的有效容量、寿命和使用效率。

为此，本发明设计的变送控制器能够跟随蓄电池组体温传感器输出的参考电压，输出与其对应按比例变化的控制电流(也可将其离散化)，通过隔离电路驱动励磁功率执行器，实现对发电机或其它充电装置输出的浮充电压(平均功率)的调控。

同时，变送控制器还能够接收、并分优先级执行其他功能实体的状态控制指令。

为适应不同用电***(负载)的多样化需求，变送控制器还可设置为以占空比变化的开关量或以线性变化的模拟量输出电压、电流模式。

过热保护器

在特殊的环境、故障状态，蓄电池组的体温仍有可能超过设计值，过热保护器负责连续监视其变化并具有最高优先级，一旦蓄电池组的体温达到或超其设定的上限值时，通过控制变送控制器、励磁功率执行器关闭发电机或其它充电装置的充电电压并发出灯光提示。

为确保充分的可靠性和避免故障扩大，过热保护器检测值设计有返回台阶，只有在蓄电池组的体温降到其设定的下限值时，才释放发电机或其它充电装置的充电功能。

标识图

特别是蓄电池组的正确使用与维护，显著决定着其寿命的长短，因此，对产品完整生命周期内实施完善、准确的跟踪服务、维护提示显得特别必要。为此，相关服务部门仅了解哪个用户买了哪种产品是不够的，服务部门还要准确辨识这件产品的过去及其现在可能的状态(原料供应商、生产班组、质检员、出厂时间、调试记录、维修记录等)，并能主动提醒用户，接受用户查询、监督、投诉。

为此，本发明特别设计有在用户订购产品时，接受用户利用手机或其它装置通过相关网站发来的能自我直观识别的图片，相关网站在此图片上自动生成兼具直观和自动识别内容的图形标识，经现场喷印设备直接喷印或通过其它介质将其附着在产品、部件上，作为每件产品的唯一标识，以此为技术基础，在产品的完整生命周期内，为用户提供具体某个蓄电池组添加电解液的量、远程诊断、相关信息查询等众多及时准确的现场技术支持内容。

附图说明

附图1是自适应发、蓄电***的方框示意图，箭头表示控制与能量传递方向。

附图2是自适应发、蓄电***的电路原理图。

附图3是具有电脑集中控制***的自适应发、蓄电***原理、示意图。

具体实施方式1

为更清晰、直观说明本发明具体实施方式，下文结合附图以一个不采用微控制器的实施例详细阐述具体实施方式。

本实施例特别适合在各种汽车等浮充方式工作的电源***中应用。

请参见附图2，按附图2所示的自适应发、蓄电***的电路原理图，制作一符合蓄电池组充电参数、安全规范要求的30乘40毫米的测控电路板，装配在自适应蓄电池组的封装腔体内，热敏电阻装配在热隔离腔体内。

为便于兼容和改造现有各种发、蓄电***、发电机或其它充电装置成为输出充电电压自适应蓄电池组各种变化的电源***，可将测控电路板或其部分功能设在自适应蓄电池组的外部或其他部位。

励磁功率执行器单独制作一独立模块或与发电机集成装配成一体，与发电机进行对应的电路连接。

用一通用电源线将电路板与蓄电池组的电源端子焊接连通，此时，由U2、R22在万分之一秒内为U1A提供稳定的基准电压，由U1A、R5、R7、R8组成的过热保护器输出高电压，通过D10强加给变送控制器，确保其即使在强烈电磁干扰中也不可能误动作，同时发出灯光提示。由于C8的作用，千分之一秒后，过热保护器确认由U2、R22、R23、R25、R27、R30、R31组成的蓄电池组体温传感器没有检测到蓄电池组的体温超限后，释放变送控制器。

此时，较低优先级的快速充电控制器决定变送控制器的工作状态。

由U1D、R24、R26、R28、R29、R12、R21、C4组成的快速充电控制器检测蓄电池组BT1的端电压，如果其低于设定的下限值时，控制变送控制器进入、并保持在快速充电电压区间，快速充电控制器的下限值跟随蓄电池组体温自动作相应的改变。一段时间后，当自适应蓄电池组的充电电压达到或超过其设定的上限值时，控制变送控制器进入、并保持在浮充充电电压区间，快速充电控制器的上限值跟随蓄电池组体温自动作相应的改变。

在浮充充电期间，由U1B、R15、R17、R20、R12、R21、C7组成的变送控制器检测蓄电池组BT1的端电压，将其与此时蓄电池组体温的映像电压自动比较后，通过由Q3、R14、R9组成的隔离电路设在蓄电池组上的接线端子，实现与励磁功率执行器电气连接，实现跟随蓄电池组体温，自动对发电机输出的浮充电压(平均功率)作相应的调控。

如果将C7由U1B的5脚改接在U1B的6脚，变送控制器成为以模拟量输出电压、电流的工作模式。

在浮充充电期间，由U1C、R10、R11、R13、R18、R19、C5、D11组成的极板远端充电控制器同时发挥作用，其通过R16控制变送控制器、励磁功率执行器、发电机，输出足以达到距自适应蓄电池组的电极最远处活性物质部位的瞬时大幅值、长周期的充电电流。

由QI、Q2、R1、R2、R3、R4、C1、C3、D5、DS2组成的励磁功率执行器通过与变送控制器的接口电路接受自适应蓄电池组的动态控制。

K1、DS1是发动机启动、提示电路。

A1、B1、C2、D1、D2、D3、D4、D6、D7、D8、D9是发电机三相绕组及整流电路。

N1是发电机励磁绕组，励磁功率执行器通过控制其工作电流的大小，实现对发电机输出的浮充电压(平均功率)作相应的调控。

具体实施方式2

本实施例特别适合应用在高档轿车的电源***上。

请参见附图3，按附图3所示的自适应发、蓄电***的电路原理图，制作一符合蓄电池组充电参数、安全规范要求的30乘40毫米的测控电路板，装配在自适应蓄电池组的封装腔体内，热敏电阻装配在热隔离腔体内。

励磁功率执行器单独制作一独立模块或与发电机集成装配成一体，与发电机进行对应的电路连接。

本实施例的特别之处是自适应蓄电池组的变送控制器通过输出隔离电路、电脑集中控制***间接驱动励磁功率执行器，实现对发电机平均输出功率的动态调控。其它部分与实施例一大同小异，请参考上一实施例。

当然，自适应蓄电池组的变送控制器通过输出隔离电路，还可以驱动其它类型的充电装置，例如移动通讯基站备用电源充电***、电信机房备用电源充电***、潜艇、舰、船电源充电***、坦克电源充电***、飞机电源充电***等等，这里不再赘述。

Claims (8)

1.一种自适应发、蓄电***，包括：励磁功率执行器、自适应蓄电池组、蓄电池组体温传感器、快速充电控制器、极板远端充电控制器、变送控制器、过热保护器、标识图，其特征在于：

所述的励磁功率执行器具有接口电路，能接受自适应蓄电池组的动态控制；

所述的自适应蓄电池组的壳体内设有组合式单面双向传热的热隔离室、电路板封装腔体、蓄电池组体温传感器和测控电路板；

所述的蓄电池组体温传感器由恒压源、热敏电阻、线性化电阻组成的电路网络，感测并输出与自适应蓄电池组体温按比例变化的动态参考电压；

所述的快速充电控制器每当自适应蓄电池组的放电深度达到或低于其设定的下限值时，控制变送控制器进入、并保持在快速充电电压区间，每当自适应蓄电池组的充电电压达到或超过其设定的上限值时，控制变送控制器进入、并保持在浮充充电电压区间；

所述的极板远端充电控制器在浮充充电工作期间，控制变送控制器输出足以达到距电极最远处活性物质部位的瞬时大幅值、长周期的充电电流；

所述的变送控制器跟随蓄电池组体温传感器输出的参考电压，输出与其对应按比例变化的控制电流，通过隔离电路驱动励磁功率执行器，实现对发电机或其它充电装置平均输出功率的动态调控；

所述的过热保护器具有最高优先级，一旦自适应蓄电池组的体温达到或超过其设定的上限值时，通过控制变送控制器、励磁功率执行器关闭发电机或其它充电装置的充电电压并发出灯光提示；

所述的标识图是通过相关***、生产设备生成直接喷印或通过其它介质附着在产品上的便于直观和自动识别的唯一性图形。

2.根据权力要求1所述的自适应发、蓄电***，其特征是，所述的励磁功率执行器可通过发电机的中性点获得励磁电流。

3.根据权力要求1所述的自适应发、蓄电***，其特征是，所述的蓄电池组体温传感器装配在具有单面双向传热作用的热隔离腔体内、实现等效监测蓄电池组内部极群的体温。

4.根据权力要求1所述的自适应发、蓄电***，其特征是，所述的快速充电控制器具有回差设定电阻，调整其阻值可确保蓄电池组只有在适当的荷电状态时进入、并保持在快速充电状态，其上、下限值跟随蓄电池组体温自动作相应的改变。

5.根据权力要求1所述的自适应发、蓄电***，其特征是，所述的变送控制器能够接收、并分优先级执行其他功能实体的动态控制。

6.根据权力要求1所述的自适应发、蓄电***，其特征是，所述的过热保护器具有返回台阶，只有在自适应蓄电池组的体温降到其设定的下限值时，才释放发电机或其它充电装置的充电功能。

7.根据权力要求1所述的自适应发、蓄电***，其特征是，所述的变送控制器可设置为以占空比变化的开关量或以线性变化的模拟量模式输出控制电压。

8.根据权力要求1所述的自适应发、蓄电***，其特征是，所述的变送控制器通过输出隔离电路还可以驱动其它类型的充电装置，或通过其它控制***实现间接驱动励磁功率执行器，实现对发电机、充电装置平均输出功率的动态调控。

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