CN205231778U - 蓄电池内化成充放电装置及内化成充放电设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种蓄电池内化成充放电装置及内化成充放电设备，蓄电池内化成充放电装置，包括电源单元、脉冲信号产生单元、信号隔离放大单元、IGBT功率单元和反馈单元；电源单元为装置中其它各单元电路提供工作电压；脉冲信号产生单元连接信号隔离放大单元，经隔离放大的脉冲信号输入IGBT功率单元；IGBT功率单元包括充电电路、放电电路和调节电路，反馈单元连接脉冲信号产生单元，用于采集蓄电池充放电过程中的参数，脉冲信号产生单元根据采集的参数控制脉冲信号的叠加组合输出。本实用新型解决了现有内化成充放电装置和充放电设备存在的内化成时间长，化成过程中电池温升高，化成质量不稳定的问题，在不改变蓄电池原有配方情况下，可缩短内化成时间一半以上，并能有效提高蓄电池化成后的电池容量、充放电次数、使用寿命和电池配组比率。

Description

蓄电池内化成充放电装置及内化成充放电设备

技术领域

本实用新型涉及电池内化成技术领域，特别涉及一种铅酸蓄电池快速充放电装置，及采用该充放电装置的内化成充放电设备。

背景技术

随着人类社会的发展，人类环境的变化和节能减排的呼声越来越高，国家于2012年7月实施了《铅酸蓄电池行业准入条件》，禁止新建、改扩建干式荷电铅蓄电池生产项目，但蓄电池作为二次能源的主体地位，已远远不能满足社会的需求。在铅酸蓄电池生产工艺过程中，需要对生电池进行充放电，这一过程简称化成。目前，蓄电池行业的生极板化成有两种工艺，一是极板外化成，这种工艺化成时间短(大约24h左右)，在化成时会产生大量的酸雾，对环境污染很大；二是电池内化成，这种工艺产生的酸雾较少，但化成时间较长，最长近100h，最短的也要70h。为减少化成工艺对环境的污染，内化成工艺成为目前电池行业重点关注和研究的方向，但由于其化成时间长的弊端，严重地限制了内化成工艺的应用效果，成为内化成工艺中亟待解决的问题。

目前，在电池内化成行业一直采用的是以恒流恒压为主、三充两放的传统工艺，其中主要的工艺设备为铅酸蓄电池化成充放电设备，设备的主体框架结构如图1所示。该装置的电路部分主要包括由六只可控硅组成的整流器，在整流器输出正端串联L电抗器，和两组接触器KM1、KM2；其工作原理是：当设备对蓄电池DC充电时，充电的电能从交流电网经可控硅整流器、电抗器L、接触器KM1闭合流向电池DC；当蓄电池DC需放电时，接触器KM1退出闭合，KM2闭合，经电抗器L、可控硅整流器流向电网。现有充放电装置所使用的充放电主回路，在充电时不能很好地解决化学极化、浓差极化、温升和析气等问题，不仅影响了电池的质量，而且无法解决化成时间长的问题。同时，传统的内化成工艺模式无法解决充电电流波形对电池内化成质量的问题，严重地影响了电池的化成质量。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有内化成充放电设备存在的内化成时间长，化成过程中电池温升高，化成质量不稳定的弊端，提供一种蓄电池内化成充放电装置和充放电设备，在不改变电池原有配方情况下，可极大地缩短内化成时间，提高化成后的电池容量、充放电次数、电池的使用寿命及电池配组比率。

为解决上述技术问题，本实用新型采用了以下技术方案：

一种蓄电池内化成充放电装置，包括电源单元、脉冲信号产生单元、信号隔离放大单元、IGBT功率单元和反馈单元；所述电源单元为装置中其它各单元电路提供工作电压；所述脉冲信号产生单元连接信号隔离放大单元，经隔离放大的脉冲信号输入IGBT功率单元；所述IGBT功率单元包括充电电路、放电电路和调节电路，充电电路对蓄电池进行充电，放电电路对蓄电池进行放电，调节电路根据蓄电池的充放电状态对蓄电池进行放电，脉冲信号分别控制充电电路、放电电路和调节电路的导通；所述反馈单元连接脉冲信号产生单元，用于采集蓄电池充放电过程中的参数，脉冲信号产生单元根据采集的参数控制脉冲信号的叠加组合输出。

进一步地，所述脉冲信号产生单元包括一控制单元，所述控制单元对输入的脉冲信号进行叠加组合，输出充电脉冲信号、放电脉冲信号和调节脉冲信号。

更进一步地，所述充电电路包括第一开关管Q1，第一开关管Q1栅极连接充电脉冲信号输出端，源极和发射极分别连接充电电源和蓄电池；所述放电电路包括第二开关管Q2和放电电阻RX，第二开关管Q2栅极连接放电脉冲信号输出端，源极通过放电电阻RX连接蓄电池；所述调节电路包括第三开关管Q3和反馈电阻R9，第三开关管Q3栅极连接调节脉冲信号输出端，源极通过反馈电阻R9连接蓄电池；第二开关管Q2和第三开关管Q3的发射极接地。

更进一步地，所述反馈单元包括温度采集电路，温度采集电路连接脉冲信号产生单元。

更进一步地，所述反馈单元包括电流、电压采集电路，电流、电压采集电路分别连接脉冲信号产生单元。

本实用新型还涉及一种蓄电池内化成充放电设备，包括强电***和弱电***，所述强电***包括电源供应模块、充放电转换模块和上述充放电装置，所述电源供应模块、充放电转换模块和充放电装置依次连接，所述弱电***包括控制驱动电路、温度传感器、电压互感器和电流互感器，控制驱动电路分别连接电源供应模块和充放电转换模块，温度传感器、电压互感器和电流互感器分别连接充放电装置。

进一步地，所述弱电***包括微处理单元，所述微处理单元分别连接控制驱动电路和充放电装置。

更进一步地，所述弱电***连接PC上位机，所述PC上位机与微处理单元连接。

更进一步地，所述电源供应模块包括电源变压器、三相整流逆变电路和PFC校正电路，电源变压器、三相整流逆变电路和PFC校正电路依次连接，三相整流逆变电路连接控制驱动电路。

本实用新型所具有的有益效果：

1)该蓄电池内化成充放电装置和设备采用正向大电流叠加组合脉冲充电、瞬间负向叠加组合脉冲放电，并通过自动检测蓄电池在内化成过程中的温度高低、电流大小变化和电压上升速率，控制叠加组合脉冲的输出，实现对蓄电池充放电过程的实时控制；在不改变蓄电池原有配方和工艺的情况下，很好地解决了现有蓄电池内化成过程中存在的化学极化、浓差极化和温升、析气等问题，极大地缩短了内化成时间，使蓄电池内化成时间从原来的96小时以上缩减至48小时以内，内化成时间可缩短一半以上。

2)提高电池化成质量；采用该装置和设备电池配组比率可提高20％，由原来的60％～70％提高到80％～90％；

3)提高电池的使用寿命；电池全充全放次数提高了30～50次左右，由常规的250～300次提高到300～330次；

4)降低生产成本，使用该装置和设备可节约蓄电池内化成工艺过程中的电能消耗15％左右；

5)该充放电装置可用于对原有常规内化成设备的升级改造，在常规内化成设备的基础上加入该充放电装置即可实现上述组合脉冲充放电功能，提高了常规内化成装置的利用率，可有效降低升级改造成本。

附图说明

图1为现有蓄电池内化成充放电设备电路原理结构图。

图2为本实用新型蓄电池内化成充放电设备结构框图。

图3为本实用新型蓄电池内化成充放电设备电路原理结构图。

图4为本实用新型蓄电池内化成充放电装置电路图。

图5为本实用新型蓄电池内化成充放电装置中脉冲信号产生单元厚膜电路及其***电路图。

图中：1、电源变压器，2、三相整流逆变电路，3、PFC校正电路，4、充放电转换模块，5、蓄电池内化成充放电装置，6、蓄电池DC，7、微处理单元，8、控制驱动电路，9、PC上位机，10、温度传感器。

A、电源单元；B、脉冲信号产生单元；C、信号隔离放大单元和IGBT功率单元。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型内容作具体的说明。

一种蓄电池内化成充放电装置，包括电源单元、脉冲信号产生单元、信号隔离放大单元、IGBT功率单元和反馈单元；所述电源单元为装置中其它各单元电路提供工作电压；所述脉冲信号产生单元连接信号隔离放大单元，经隔离放大的脉冲信号输入IGBT功率单元；所述IGBT功率单元包括充电电路、放电电路和调节电路，充电电路对蓄电池进行充电，放电电路对蓄电池进行放电，调节电路根据蓄电池的充放电状态对蓄电池进行放电，脉冲信号分别控制充电电路、放电电路和调节电路的导通；所述反馈单元连接脉冲信号产生单元，用于采集蓄电池充放电过程中的参数，脉冲信号产生单元根据采集的参数控制脉冲信号的叠加组合输出。

该蓄电池内化成充放电装置的工作过程为：首先脉冲信号产生单元输出正脉冲使IGBT功率单元的充电电路导通，对蓄电池DC充电，充电一定时间后停充；停充时间内，脉冲信号产生单元输出负脉冲使IGBT功率单元的放电电路导通，让蓄电池DC瞬间放电，然后再次停充；然后再次，脉冲信号产生单元输出正脉冲使IGBT功率单元的充电电路导通，对蓄电池DC充电，在这一过程中，调节电路随时处于有效带速状态下导通，对蓄电池进行瞬间叠加放电；按上述充放电周期循环直至完成整个蓄电池内化成充放电过程。

如图4所示,所述蓄电池内化成充放电装置，主要由电源单元、脉冲信号产生单元、信号隔离放大单元、IGBT功率单元和反馈单元组成。

其中，电源单元A采用高效可靠数字控制芯片IW1710开关电源，其采取原边反馈结构，简化了电路，调试简单，为充放电装置中其它各单元电路提供13V的工作电压。

所述脉冲信号产生单元B包括由控制单元IC1组成的全智能厚膜电路及其它***电路，该厚膜电路的控制单元IC1采用STM32F103VET6芯片，通过IC1产生三路非对称的PWM脉冲信号，再经隔离放大单元中的IC2芯片隔离放大后，通过脉冲信号控制IGBT功率单元中充电电路、放电电路和调节电路的导通和关断，以实现对蓄电池充放电的控制。控制单元IC1还同时通过其电压采集V+、V-接口采集蓄电池充放电过程中的电压参数，其LO+、LO-接口连接电流互感器用于采集蓄电池充放电过程中的电流参数。该厚膜电路具有功能配置灵活、驱动能力强、成本低等优点。

所述IGBT功率单元包括充电电路、放电电路和调节电路，充电电路对蓄电池进行充电，放电电路对蓄电池进行放电，调节电路根据蓄电池的充放电状态对蓄电池进行放电，脉冲信号分别控制充电电路、放电电路和调节电路的导通；所述充电电路包括第一开关管Q1，第一开关管Q1栅极连接充电脉冲信号输出端，源极和发射极分别连接充电电源输出端和蓄电池；所述放电电路包括第二开关管Q2和放电电阻RX，第二开关管Q2栅极连接放电脉冲信号输出端，源极通过放电电阻RX连接蓄电池；所述调节电路包括第三开关管Q3和反馈电阻R9，第三开关管Q3栅极连接调节脉冲信号输出端，源极通过反馈电阻R9连接蓄电池；第二开关管Q2和第三开关管Q3的发射极接地。

所述脉冲信号产生单元的控制单元IC1对输入的脉冲信号进行叠加组合，输出充电脉冲信号、放电脉冲信号和调节脉冲信号。控制单元IC1的8脚与13脚分别输出同步正脉冲和负脉冲，并在5脚输出负脉冲，5脚输出的负脉冲与8、13脚输出的正负脉冲不同步；由IC1的8脚输出的正脉冲经R15与R68下拉，分别输入信号隔离放大单元的IC2进行放大处理，经IC2放大输出的脉冲经过R80、R12与R11下拉，驱动Q4，经R2驱动第一开关管Q1(PNP场效应管)导通，在第一开关管Q1导通期间，由充电电源VCC提供直流电源经Q1脉宽调制对蓄电池DC充电；由IC1的13脚同步输出的负脉冲，经R16与R70下拉电阻，接入信号隔离放大单元的IC2进行放大处理，经过R81，输入Q5、Q6基极导通射随放大，驱动第二开关管Q2脉宽调制下导通，在第二开关管Q2导通期间蓄电池DC对放电电阻RX瞬间叠加组合放电；IC1的5脚输出叠加组合负脉冲，经R5输入Q7、Q8基极导通放大，驱动第三开关管Q3导通，第三开关管Q3导通期间，蓄电池DC对反馈电阻R9瞬间叠加组合放电。

所述反馈单元包括温度采集电路、电流电压采集电路，温度采集电路连接脉冲信号产生单元，电流、电压采集电路分别连接脉冲信号产生单元；分别采集蓄电池充放电过程中蓄电池温度、电流和电压变化的数据，并将这些数据送入脉冲信号产生单元的控制单元IC1。

蓄电池内化成充放电装置在工作过程中，经电流、电压采集电路对充放电过程中的电流、电压及电压上升速率进行采集，并反馈至IC1芯片进行处理，由IC1芯片分别调节充电脉冲、放电脉冲和调节脉冲的输出。具体地，IC1芯片根据电流实际值和目标值的差值通过PID算法计算出脉冲占空比，控制输出电流有效改变脉冲充电电流进行充电及脉冲放电电流进行放电，实现对蓄电池DC充电和放电过程的控制。通过连接在控制单元4脚的RT2温度采集电路采集蓄电池DC的温度信号，实现对温度数据的采集；经控制单元IC1中的温度放大电路，反馈至IC1芯片进行处理，通过PID算法控制叠加负脉冲的输出。具体地，温度采集电路采集的蓄电池DC温度参数反馈至IC1，IC1自动调整对调节电路中第三开关管Q3进行导通控制的调节脉冲的脉宽调制输出；当蓄电池DC温度过高时，RT2检测到温度数据变化后，反馈至IC1由IC1自动调节控制，使5脚输出的调节负脉冲变宽或变窄。

本实用新型还涉及一种蓄电池内化成充放电设备，包括强电***和弱电***，所述强电***包括电源供应模块、充放电转换模块和上述充放电装置，所述电源供应模块连接电网，电源供应模块、充放电转换模块和充放电装置依次连接，所述弱电***包括控制驱动电路、温度传感器、电压互感器和电流互感器，控制驱动电路分别连接电源供应模块和充放电转换模块，温度传感器、电压互感器和电流互感器分别连接充放电装置。电源供应模块包括电源变压器、三相整流逆变电路和PFC校正电路，电源变压器、三相整流逆变电路和PFC校正电路依次连接，三相整流逆变电路连接控制驱动电路。

如图2所示，该蓄电池内化成充放电设备包括强电***和弱电***，所述强电***包括电源变压器、三相整流逆变电路、PFC校正电路、充放电转换模块和充放电装置，所述电源变压器、三相整流逆变电路、PFC校正电路、充放电转换模块和充放电装置依次连接，充放电装置连接蓄电池电池DC；所述弱电***包括控制驱动电路、温度传感器、电压互感器和电流互感器，控制驱动电路分别连接电源供应模块中的三相整流逆变电路和充放电转换模块，温度传感器、电压互感器和电流互感器分别连接充放电装置。

如图3所示，该内化成充放电设备采用三相隔离变压器进行电源变压，再通过三个整流逆变模块，分别由D1～D6六个可控硅结构组成整流输出，整流模块输出回路中串联连接PFC校正电路，PFC校正电路连接充放电转换模块，该充放电转换模块采用充放电切换器，实现在充放电设备中电网对蓄电池充电和蓄电池对电网放电之间的自动切换，充放电切换器的KM1、KM2分别各有两组触点,切换器KM1的两组触点交叉并接在切换器KM2的两组触点上，充放电转换模块连接充放电装置，充放电装置接到蓄电池DC，实现对蓄电池DC的充电和放电。

对蓄电池DC充电时，电能从交流电网经电源变压器、三相整流逆变电路、PFC校正电路，PFC校正电路对经电源变压器和三相整流逆变电路处理输出的电流进行滤波，平滑输出直流电流作为蓄电池DC的充电电源，然后接入充放电转换模块，此时切换器KM1闭合，充电电源输入到充放电装置，充放电装置经过混频处理，输出叠加组合脉冲对蓄电池DC充电；当蓄电池DC需放电时，切换器KM1断开，切换器KM2闭合，此时蓄电池DC进行放电，放电电流经PFC校正电路校正后，再次经三相整流逆变电路、电源变压器后返回到交流电网。

该内化成充放电设备中弱电***包括控制驱动电路、微处理单元、电流互感器、电压互感器和温度传感器；蓄电池内化成过程中，弱电***通过各电流、电压、温度等采集单元，实时采集蓄电池化成过程中的电流、电压、温度、蓄电池电量、充放电时间、蓄电池极化电阻及极化程度等参数，微处理单元对采集的数据进行处理，并将处理的信息送入充放电装置中的控制单元IC1，经IC1混频处理，对充电脉冲电流及叠加组合负脉冲电流进行调控，实时调整充放电脉冲信号的频率、幅度、波型斜度及叠加组合脉冲的占空比例等；使其适应蓄电池内化成充电过程中电流的变化，负脉冲电流敲击蓄电池极板深度，使其蓄电池DC在充电过程中最大能力的吸收以达到最佳的充电效果。

该蓄电池内化成充放电设备的工作原理为：温度传感器、电流互感器和电压互感器采集的参数，经过脉冲信号产生单元的IC1处理后，IC1控制脉冲信号产生单元调整输出叠加组合脉冲的占空比和脉冲周期，进而控制充放电装置中的Q1、Q2和Q3的导通，实现对蓄电池DC充放电过程的控制。

该蓄电池内化成充放电设备主要利用充放电装置实现叠加组合脉冲的调整输出，对蓄电池充放电过程进行控制。由于充电电路充电过程的科学性与合理性，特别是采用叠加组合脉冲多级分段分层引入可变幅与可变周期叠加组合脉冲方式，使得内化成时间达到最短。充电过程中根据蓄电池的极化程度，电压、电流、温度传感器采集的反馈信息，充放电装置自动调节叠加组合负脉冲控制放电电路和调节电路的导通，将蓄电池DC储存的电热能转换成一种特殊信号，反射到蓄电池极板上，产生电晕现象，以消除电池内的劣物质，达到打通离子通道、疏通电路的效果；再根据铅酸蓄电池固有的充电发热放电吸热的特性，叠加组合脉冲控制蓄电池DC放电到放电电阻RX与反馈电阻R9，实现蓄电池热能的转移,解决了蓄电池内化成中的化学极化及浓差极化的问题。

该蓄电池内化成充放电设备可采用微处理单元进行控制，微处理单元采用TMS320F28030PAGQ微处理器，微处理单元分别与控制驱动电路和充放电装置通过CAN总线通讯连接，微处理单元通过各电流、电压、温度等采集单元，实时采集蓄电池化成过程中的电流、电压、温度、电量、充放电时间、极化电阻及极化程度等参数，微处理单元对采集的数据进行处理，将处理的信息送入充放电装置中的IC1芯片，经IC1混频处理，对充电脉冲电流及叠加组合负脉冲电流进行实施调控，实时调整脉冲频率、幅度、波型斜度及叠加组合脉冲占空比例等，实现对蓄电池充放电过程的控制。

在对原有常规内化成设备进行升级改造时，在原有内化成充放电设备中增加该蓄电池内化成充放电装置，此时蓄电池内化成充放电装置中的控制单元IC1在没有连接微处理单元的情况下，控制单元IC1通过各电流、电压、温度等采集电路，实时采集蓄电池化成过程中的电流、电压、温度、电量、充放电时间、极化电阻及极化程度等参数，IC1芯片自行对采集的数据进行处理，并根据需要手动调节控制脉冲W1、W2的输出范围，对充电脉冲电流及叠加组合负脉冲电流进行调控，调整脉冲频率、幅度、波型斜度及叠加组合脉冲占空比例等，实现对蓄电池充放电过程的控制。

该蓄电池内化成充放电设备可采用PC上位机进行控制，PC上位机与微处理单元进行连接，实现PC上位机对蓄电池内化成充放电设备的控制。

本实用新型的说明书被认为是说明性的而非限制性的，在本实用新型的基础上，本领域技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种蓄电池内化成充放电装置，其特征在于：包括电源单元、脉冲信号产生单元、信号隔离放大单元、IGBT功率单元和反馈单元；所述电源单元为装置中其它各单元电路提供工作电压；

所述脉冲信号产生单元连接信号隔离放大单元，经隔离放大的脉冲信号输入IGBT功率单元；所述IGBT功率单元包括充电电路、放电电路和调节电路，充电电路对蓄电池进行充电，放电电路对蓄电池进行放电，调节电路根据蓄电池的充放电状态对蓄电池进行放电，脉冲信号分别控制充电电路、放电电路和调节电路的导通；

所述反馈单元连接脉冲信号产生单元，用于采集蓄电池充放电过程中的参数，脉冲信号产生单元根据采集的参数控制脉冲信号的叠加组合输出。

2.根据权利要求1所述的蓄电池内化成充放电装置，其特征在于：所述脉冲信号产生单元包括一控制单元，所述控制单元对输入的脉冲信号进行叠加组合，输出充电脉冲信号、放电脉冲信号和调节脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的蓄电池内化成充放电装置，其特征在于：所述充电电路包括第一开关管Q1，第一开关管Q1栅极连接充电脉冲信号输出端，源极和发射极分别连接充电电源和蓄电池；所述放电电路包括第二开关管Q2和放电电阻RX，第二开关管Q2栅极连接放电脉冲信号输出端，源极通过放电电阻RX连接蓄电池；所述调节电路包括第三开关管Q3和反馈电阻R9，第三开关管Q3栅极连接调节脉冲信号输出端，源极通过反馈电阻R9连接蓄电池；第二开关管Q2和第三开关管Q3的发射极接地。

4.根据权利要求1所述的蓄电池内化成充放电装置，其特征在于：所述反馈单元包括温度采集电路，温度采集电路连接脉冲信号产生单元。

5.根据权利要求1所述的蓄电池内化成充放电装置，其特征在于：所述反馈单元包括电流、电压采集电路，电流、电压采集电路分别连接脉冲信号产生单元。

6.采用权利要求1-5中充放电装置的蓄电池内化成充放电设备，包括强电***和弱电***，其特征在于：所述强电***包括电源供应模块、充放电转换模块和上述充放电装置，所述电源供应模块、充放电转换模块和充放电装置依次连接，所述弱电***包括控制驱动电路、温度传感器、电压互感器和电流互感器，控制驱动电路分别连接电源供应模块和充放电转换模块，温度传感器、电压互感器和电流互感器分别连接充放电装置。

7.根据权利要求6所述的蓄电池内化成充放电设备，其特征在于：所述弱电***包括微处理单元，所述微处理单元分别连接控制驱动电路和充放电装置。

8.根据权利要求7所述的蓄电池内化成充放电设备，其特征在于：所述弱电***连接PC上位机，所述PC上位机与微处理单元连接。

9.根据权利要求6、7或8所述的蓄电池内化成充放电设备，其特征在于：所述电源供应模块包括电源变压器、三相整流逆变电路和PFC校正电路，电源变压器、三相整流逆变电路和PFC校正电路依次连接，三相整流逆变电路连接控制驱动电路。