CN104242408B - 一种可干预充电模式的铅酸电池管理仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于铅酸电池技术领域，具体为一种可干预充电模式的铅酸电池管理仪（也称护延神）。本发明根据电子学与电化学技术协同作用原理设计，由电源模块、三端稳压器集成电路、运放集成电路、时钟芯片、通信芯片、中央处理器等经电路连接组成。本发明通过在线维护，显著延长电池的使用寿命，尤其是对于因硫化而造成电池容量下降的旧电池可通过其智能修复及智能充电管理逐步消除电池中极板的硫化而有效地恢复电池的容量。使用实践结果表明，使用本发明后铅酸蓄电池的容量和放电时间均得到不同程度的大幅提高，并能保持长时间的稳定状态，各单体电池间的一致性也更趋完好，电池的使用寿命也得到了延长。

Description

一种可干预充电模式的铅酸电池管理仪

技术领域

本发明属于铅酸电池技术领域，具体涉及一种可干预充电模式的铅酸电池管理仪。

背景技术

近年来，国内外采用充电技术对电池进行修复和维护的研究开始增多，但维护电池实际应用的充电技术仍以传统的多段式恒流恒压组合充电模式为主，一般仍采用以下一些传统的维护手段：

（1）定期简单的用万用表测量一下各单体电池的开路电压和充电电压，以此来判断电池性能的好坏。

（2）定期对蓄电池进行容量放电测试。

（3）定期采取均衡充电等过充电方式对电池进行维护。

（4）出现硫化的电池根据容量衰减程度不同，分别采取过充电法、反复充电法、水疗法等进行电池修复。

上述电池维护修复手段虽各具其优势，但均需离线进行，且存在技术单一，适用面比较窄等不足之处，而铅酸电池应用范围非常广，电池使用过程面临的问题也比较复杂。为扩大电池维护修复的使用效果和适用范围，本发明在融合相关技术的基础上开发出一种更合理的在线电池管理维护及修复的新装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可根据牵引类铅酸蓄电池因不同环温变化发生性能衰减而实施的高效在线管理、维护及修复的装置。

对牵引类铅酸蓄电池目前大多采用的常规单一充电模式，不考虑不同季节环境温度对电池性能的影响，由此造成有些电池过充而有些电池又充电不足，从而更加剧了电池的硫酸盐化。针对传统充电模式造成电池寿命过短的缺陷，本发明研发出一种集维护与修复功能于一体的蓄电池智能在线管理装置，其主要功能是依据电池在不同季节的环境温度时受电能力的不同而自动调节充电机输出的充电因子，使电池充入恰当而适合的电量，减少电池发生欠充或过充的可能性，从而达到延长电池的使用寿命的目的。对于因硫化造成电池容量下降的旧电池可以通过本发明所提供的合适的过充电量来逐步消除硫化而有效恢复电池容量。根据各地区历史气温的设置通过中央处理器指令，随着季节的变化而干预充电机对铅酸蓄电池的充电参数，使其达到最佳的维护和修复效果。

铅酸电池以多孔性二氧化铅作为正极活性物质，高比表面积多孔结构的海绵状金属铅作为负极活性物质，电解质在充电状态下是相对密度为1.28g/mL-1.34g/mL或者质量分数为37%-45%的硫酸溶液，电池放电时两个电极的活性物质分别转化为硫酸铅，充电时，反应向相反方向进行。

铅酸蓄电池失效可能是多种原因造成的，例如硫化、失水、热失控、活性物质软化脱落、板栅腐蚀等等，在充电不足或欠充的情况下，电池的硫酸盐化将成为一种主要的失效原因。

本发明的主要技术原理是采用设置的先进电子控制技术，改善和优化电池充电机的充电特性，有效地提高了在充电后期电池的充电接受能力，从而达到延长电池使用寿命的目的。

蓄电池的充电问题一直是人们关注的焦点，铅酸蓄电池的充、放电过程是一个复杂的过程，其复杂性表现为：

⑴多变量，影响因素多，诸如电解液的浓度、极板的厚度、活性物质的活性、环境温度等；

⑵非线性，一般来说，蓄电池可接受充电电流在充电过程中随充电时间呈指数规律下降，而非线性下降；

⑶离散性，即使同一类型、相同容量的蓄电池，随着各自使用时放电条件和状况的不同，可接受充电电流也有很大的不同。

如何选择正确、良好的充电方法可以确保电池的使用寿命。电池的充电方法多种多样，充电方法的不同，对蓄电池的影响较大。传统的充电模式有恒流充电、恒压充电和恒流恒压组合充电等，但这些充电方法充电时间长，充电控制要求高，控制不当会对蓄电池本身造成损害，影响蓄电池的使用寿命。随着充电方法研究的深入，国内外陆续提出一些新的充电方法，如分级定流充电法、脉冲式充电法、变电流电压间歇充电法等（如图1中a～f所示），这些充电方法虽在改善和提高电池充电效率方面具有重要的借鉴作用，但大多均未针对季节温度变化而自动对电池进行合理充电因子的设置，并依据此参数对电池进行有效的在线维护、修复及管理。

结合先进的充电特性曲线，本发明提供的可干预充电模式的铅酸电池管理仪（也称护延神）基于脉冲充电技术对电池所起的维护作用，设计软件控制的电子线路发送一定参数的脉冲信号来触发充电器进行相应的充电控制，只需将工作状态下的电池在线接入本在线管理仪－护延神，即可对原有电池充电器的充电曲线进行优化改善及整合，由此对整组或落后电池的性能起到了更为显著的修复和维护作用。

本发明可干预充电模式的铅酸电池管理仪的设计原理：

铅酸蓄电池在使用一段时间后，会产生一种硫化现象，即铅与酸在放电过程中形成的硫酸铅附在了铅板上，在充电过程中，并没有被充分的还原成铅与酸。这是因为充电机是根据蓄电池上的电压来判断蓄电池是否已经充满电了，当它认为蓄电池上的电压满足了它设定的条件，就会认为蓄电池已经充满电了，那它就会切断充电电流，终止充电。但实际上，由于多种方面的原因，附在蓄电池铅板上的硫酸铅在尚未被充分还原的情况下，充电机就停止了工作，这样，就造成有部分未被还原的硫酸铅晶体仍然附着在铅板上。久而久之，日积月累，附着在铅板上的硫酸铅晶体会越来越多，占据铅板的面积也越来越大，铅板的有效工作面就逐渐缩小，蓄电池的容量也随之下降，最终提前报废。

可干预充电模式的铅酸电池管理仪就是为解决这一问题而开发的。我们发现，在充电机对蓄电池充满电之后，如果给它断一次电（即把蓄电池上的电缆线插头从充电机上拔下），然后再接上（即把蓄电池上的电缆线插头再插到充电机上），充电机就又会对蓄电池进行一次充电，此过程大约会进行半个小时左右。每断一次电，就又会再多充半小时的电。这样，只要每隔半小时断一次电，只要设定好断电的次数，就能够控制充电机的充电量。实践证明，这部分多充进去的电量，就可以让硫酸铅充分还原成铅与酸，从而消除蓄电池上的硫化现象。

本发明可干预充电模式的铅酸电池管理仪的电路构成，其方框图如图2所示。包括：一个DC/DC电源模块M1，一个三端稳压器集成电路IC6，一个三端稳压器集成电路IC7，一个运放集成电路IC3，一个时钟芯片IC4，一个通信芯片IC2，CPU（中央处理器）集成电路IC1，一个三极管V1，一个继电器J1，一个接触器。其中，DC/DC电源模块M1、三端稳压器集成电路IC6、三端稳压器集成电路IC7、CPU集成电路IC1依次连接；时钟芯片IC4与CPU集成电路IC1相连；运放集成电路IC3分别与CPU集成电路IC1、三端稳压器集成电路IC6的输出端相连，并于蓄电池的48V的正负极连接；DC/DC电源模块M1输入端与蓄电池的12V的正负极连接；CPU集成电路IC1设有一仿真器的连接端口P2，通信芯片IC2设有电脑连接端口P1，并与CPU集成电路IC1、三端稳压器集成电路IC6的输出端相连；三极管V1、继电器J1依次连接于CPU集成电路IC1（16脚）与接触器之间。

DC/DC电源模块M1，将取自蓄电池上的12V电压，通过隔离变成12V电压，为***工作提供电源；

三端稳压器集成电路IC6，将DC/DC电源模块M1输出的12V电压变成5V电压；三端稳压器集成电路IC7将三端稳压器集成电路IC6输出的5V电压变成3.3V电压；

运放集成电路IC3与其***电路构成一电压检测电路；它将从蓄电池上获得的0～100V电压按比率转换成0～3.3V的电压，然后提供给CPU集成电路IC1，使CPU集成电路IC1知道当前蓄电池上的电压是多少；

时钟芯片IC4与其***电路构成一时钟电路，供CPU获取当前日期及时间。该时钟电路还可配有锂电池，即使在***断电的情况下，仍然会处于工作状态。

通信芯片IC2通过连接端口P1与电脑连接。这样可以通过电脑来读取***中的数据，也可以将指令写入***中去。

仿真器通过接仿真器连接端口P2与CPU集成电路IC1相连，将仿真器与电脑相联后，就可以烧入CPU的软件主程序。

CPU（中央处理器）集成电路IC1是本装置的核心部分。CPU的第16脚为功能输出脚。平时该脚处于低电平状态。当该脚为高电平状态时，三极管V1由截止转为导通，引起J1继电器吸合，输出12V电压到接触器（常闭型）上，使得接触器断开（由闭合转为开路状态），从而使蓄电池与充电器之间断开。

可干预充电模式的铅酸电池管理仪的工作过程如下：

护延神通过连接在电池48V上的IC3电压检测电路，再连接在（中央处理器）上，CPU集成电路IC1中的软件通过控制电池上的电压，先由低往高升起，经过53V升至63V；充电机判断电池充满电后停止工作，电压开始由高往低下降经过55V，软件判断为一次充电机的充电过程结束；软件根据各季节的不同，每隔几天（例如春季为6天，夏季为15天，秋季为6天，冬季为6天）CPU集成电路IC1发出一个高电平去控制三极管V1，由截止转为导通，引起J1继电器吸合，输出12V电压到接触器（常闭型）上，使得接触器触点断开（由闭合转为开路状态），达到断开蓄电池与充电器之间连接的目的。然后经过15秒后，CPU集成电路IC1发一个低电平去控制三极管V1，由导通转为截止，引起J1继电器断开，切断12V电压输出到接触器（常闭型）上，使得接触器触点闭合（由开路转为闭合状态），达到连接蓄电池与充电器之间连接的目的，这时充电器会根据电池上电压来判断重新启动充电。

软件会根据不同季节的变化，每隔几天工作一次，每次断开闭合的次数也会不同，通断一次代表充电机会重新启动一次半小时左右的充电；不同季节温度下的通断次数是不同的（例如，春季为4次，夏季为3次，秋季为4次，冬季为8次），以上参数都可以通过软件人工设定，参数依据我们长期跟踪铅酸电池在不同气候下的状态及不同性能状态下电池的受电能力而设定。也就是说充电机对电池的补充量也会不同。从而达到每隔一段时间充电机对电池做一个均衡的补充电，消除因电池长期欠充而造成的硫酸铅结晶，从而延长电池的使用寿命。

附图说明

图1为现有不同充电方式的电流电压设置曲线。其中，(a)蓄电池变电流间歇充电曲线，（b）蓄电池变电压间歇充电曲线，（c）正负脉冲充电曲线，（d）智能充电机典型充电曲线，（e）间断式充电一个充电周期电压，（f）末期采用间歇充电的控制方案。这些图中，上曲线为电流，下曲线为波形。

图2为本发明的可干预充电模式的铅酸电池管理仪的电路框图。

图3为本发明可干预充电模式的铅酸电池管理仪的电原理图。

具体实施方式

本发明可干预充电模式的铅酸电池管理仪的具体电原理图如图3所示。

DC/DC电源模块M1，型号WRB1212CS-3W，将取自蓄电池上的12V电压，通过隔离变成12V电压，为***工作提供电源。

三端稳压器集成电路IC6，型号78M05，将M1输出的12V电压变成5V电压。提供给运放集成电路IC3、通信芯片IC2。

三端稳压器集成电路IC7，型号1117-3.3，将IC6输出的5V电压变成3.3V电压。提供给CPU集成电路IC1。

运放集成电路IC3，型号LM358，它与其***电路构成一电压检测电路。它可以将从蓄电池上获得的0～100V电压按比率转换成0～3.3V的电压，然后提供给CPU，使CPU知道当前蓄电池上的电压是多少。

时钟芯片IC4，型号PCF8563T，它与其***电路构成一时钟电路，供CPU获取当前日期及时间。本电路还配有锂电池，即使在***断电的情况下，仍然会处于工作状态。

通信芯片IC2，型号MAX485，通过它可以与电脑连接。这样，就可以通过电脑来读取***中的数据，也可以将指令写入***中去。P1为接电脑的端口。

仿真器的连接端口P2，将仿真器与电脑相联后，可以烧入CPU的软件主程序。

CPU集成电路IC1，型号STM8S103F3P6，，是本***的核心部分。CPU的第16脚为功能输出脚。平时该脚处于低电平状态。当该脚为高电平状态时，三极管V1（型号2SC1815）由截止转为导通，引起J1继电器吸合，输出12V电压到接触器（常闭型）上，使得接触器断开（由闭合转为开路状态），达到断开蓄电池与充电器之间连接的目的。

DC/DC电源模块M1(型号WRB1212CS-3W)通过P3端子连接在铅酸蓄电池12V正负两端，通过隔离变成12V电压，再通过三端稳压器集成电路IC6（型号78M05）输出5V电压为运放集成电路IC3（型号LM358）、通信芯片IC2(型号MAX485)提供工作电源，三端稳压器集成电路IC6（型号78M05）输出的5V电压再通过三端稳压器集成电路IC7（型号1117-3.3），将IC6输出的5V电压变成3.3V电压。为CPU集成电路IC1（型号STM8S103F3P6）提供工作电源。

运放集成电路IC3（型号LM358）连接在铅酸蓄电池48V正负两端，它与其***电路（R3，R4，R5，R5A，R6，C4）构成一电压检测电路。它可以将从蓄电池上获得的0～100V电压按比率转换成0～3.3V的电压，然后输出到CPU19脚，使CPU知道当前蓄电池上的电压是多少。当CPU集成电路IC1（型号STM8S103F3P6）读取到铅酸电池上的电压先由低往高升起，经过53V升至63V；CPU认为充电机判断电池充满电后停止工作，电压再开始由高往低下降经过55V，软件判断为一次充电机的充电过程结束；软件这时会根据预先设置各季节的不同，每隔几天（例如春季为6天，夏季为15天，秋季为6天，冬季为6天）CPU集成电路IC116脚（PWM1）发出一个高电平去控制三极管V1基极，由截止转为导通，引起J1继电器吸合，输出12V电压到接触器（常闭型）上，使得接触器触点断开（由闭合转为开路状态），达到断开蓄电池与充电器之间连接的目的（本发明是串联在电池与充电机中间）。按照设定15秒后，CPU集成电路IC116脚（PWM1）会发出一个低电平去控制三极管V1基极，由导通转为截止，引起J1继电器断开，切断12V电压输出到接触器（常闭型）上，使得接触器触点闭合（由开路转为闭合状态），达到连接蓄电池与充电器之间连接的目的，这时充电器会根据电池上电压来判断重新启动充电。本次充电时间为半小时。软件会根据不同季节的变化，每隔几天工作一次，每次断开闭合的次数也会不同，通断一次代表充电机会重新启动一次半小时左右的充电；不同季节温度下的通断次数是不同的（例如，春季为4次，夏季为3次，秋季为4次，冬季为8次），以上参数都可以通过软件人工设定，参数依据我们长期跟踪铅酸电池在不同气候下的状态及不同性能状态下电池的受电能力而设定。也就是说充电机对电池的补充量也会不同。从而达到每隔一段时间充电机对电池做一个均衡的补充电，消除因电池长期欠充而造成的硫酸铅结晶，从而延长电池的使用寿命。

时钟芯片IC4（型号PCF8563T），它与其***电路（晶振Z1，C8）构成一时钟电路，供CPU获取当前日期及时间。本电路还配有3V锂电池E1，即使在***断电的情况下，仍然会处于工作状态。

通信芯片IC2（型号MAX485)，CPU通过它可以与电脑建立通讯连接。这样就可以通过电脑来读取***中的数据，也可以将指令参数写入***中去。P1为接电脑的端口。仿真器的连接端口P2，将仿真器与电脑相联后，可以烧入CPU的软件主程序。

Claims (3)

1.一种可干预充电模式的铅酸电池管理仪，其特征在于包括：一个DC/DC电源模块M1，一个三端稳压器集成电路IC6，一个三端稳压器集成电路IC7，一个运放集成电路IC3，一个时钟芯片IC4，一个通信芯片IC2，CPU集成电路IC1，一个三极管V1，一个继电器J1，一个接触器；其中，DC/DC电源模块M1、三端稳压器集成电路IC6、三端稳压器集成电路IC7、CPU集成电路IC1依次连接；时钟芯片IC4与CPU集成电路IC1相连；运放集成电路IC3分别与CPU集成电路IC1、三端稳压器集成电路IC6的输出端相连，并与蓄电池的48V的正负极连接；DC/DC电源模块M1输入端与蓄电池的12V的正负极连接；CPU集成电路IC1设有一仿真器的连接端口P2，通信芯片IC2设有电脑连接端口P1，并与CPU集成电路IC1、三端稳压器集成电路IC6的输出端相连；三极管V1、继电器J1依次连接于CPU集成电路IC1与接触器之间；

DC/DC电源模块M1，将取自蓄电池上的12V电压，通过隔离变成12V电压，为铅酸电池管理仪工作提供电源；

三端稳压器集成电路IC6，将DC/DC电源模块M1输出的12V电压变成5V电压；三端稳压器集成电路IC7将三端稳压器集成电路IC6输出的5V电压变成3.3V电压；

运放集成电路IC3与其***电路构成一电压检测电路；它将从蓄电池上获得的0～100V电压按比率转换成0～3.3V的电压，然后提供给CPU集成电路IC1，使CPU集成电路IC1知道当前蓄电池上的电压是多少；

时钟芯片IC4与其***电路构成一时钟电路，供CPU获取当前日期及时间；

通信芯片IC2通过连接端口P1与电脑连接，这样可以通过电脑来读取铅酸电池管理仪中的数据，也可以将指令写入铅酸电池管理仪中去；

仿真器通过接仿真器连接端口P2与CPU集成电路IC1相连，将仿真器与电脑相联后，可以烧入CPU的软件主程序；

CPU集成电路IC1的第16脚为功能输出脚，平时该脚处于低电平状态；当该脚为高电平状态时，三极管V1由截止转为导通，引起继电器J1吸合，输出12V电压到接触器上，使得接触器断开，由闭合转为开路状态，从而使蓄电池与充电器之间断开。

2.根据权利要求1所述的可干预充电模式的铅酸电池管理仪，其特征在于工作过程如下：

可干预充电模式的铅酸电池管理仪通过连接在电池48V上的运放集成电路IC3，再连接在CPU集成电路IC1上，CPU集成电路IC1中的软件通过检测到电池上的电压，先由低往高升起，经过53V升至63V；充电机判断电池充满电后停止工作，电压开始由高往低下降经过55V，软件判断为一次充电机的充电过程结束；软件根据各季节的不同，每隔几天CPU集成电路IC1发出一个高电平去控制三极管V1，由截止转为导通，引起继电器J1吸合，输出12V电压到常闭型接触器上，使得接触器触点断开，由闭合转为开路状态，断开蓄电池与充电器之间连接；然后经过15秒后，CPU集成电路IC1发一个低电平去控制三极管V1，由导通转为截止，引起继电器J1断开，切断12V电压输出到接触器上，使得接触器触点闭合，由开路转为闭合状态，蓄电池与充电器之间连接，这时充电器根据电池上电压来判断重新启动充电。

3.根据权利要求2所述的可干预充电模式的铅酸电池管理仪，其特征在于软件根据不同季节的变化，每隔几天工作一次，每次断开闭合的次数不同，通断一次代表充电机重新启动一次半小时左右的充电；不同季节温度下的通断次数是不同的，以上参数通过软件人工设定；这些参数依据长期跟踪铅酸电池在不同气候下的状态及不同性能状态下电池的受电能力而确定。