專利名稱：鉛酸蓄電池的充電優(yōu)化管理器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蓄電池充電和蓄電池電源管理電路領(lǐng)域，尤其涉及用于鉛酸蓄電 池的充電管理電路，特別針對輕型電動車用鉛酸蓄電池進(jìn)行綜合的充電參數(shù)修正、保護(hù) 及自動修復(fù)，在IPC國際分類表中主要歸屬于H02J小類。
背景技術(shù)：
問題的提出
目前輕型電動車主要包括電動自行車、電動摩托車、電動三輪車、電動小貨車等 等，在國內(nèi)的保有量已經(jīng)達(dá)到1.2億部以上，每部輕型電動車上的電池有36V、48V、 60V、72V等等。按照平均每部輕型電動車配置4只額定電壓為12V的電池來計算，全 國運用在輕型電動車上的鉛酸蓄電池將近達(dá)到5億只。申請人:對輕型電動車用鉛酸電池的使用壽命和失效模式進(jìn)行多年的調(diào)查分析后 發(fā)現(xiàn)除了電池本身的制造缺陷以外，80%以上的電池失效模式是過充電損壞、欠充電 損壞和少部分的大電流放電損壞。設(shè)計壽命達(dá)到3年以上的電動車鉛酸蓄電池，實際使 用壽命平均不到1.6年，且在這個過程中一大部分都需要拆下來維護(hù)或維修。鉛酸電池具有較高的性價比和制造工藝比較簡單成熟的特點，自發(fā)明到現(xiàn)在156 年來一直被廣泛使用。由于輕型電動車的主要消費團(tuán)體是低收入的人群為主，因此，鉛 酸電池成為輕型電動車的首選儲能設(shè)備，占輕型電動車電池標(biāo)準(zhǔn)配置的93%以上。鉛酸電池的電解質(zhì)是稀硫酸和少量的添加劑組成，為了讓全密閉免維護(hù)的鉛酸 電池適用于電動車的牽引使用場合，在極板的正極板柵當(dāng)中普遍添加金屬銻。銻可以延 長牽引型電池的深循環(huán)壽命，但電池使用幾個月后銻從正極遷移到負(fù)極后會導(dǎo)致負(fù)極析 氫過電位的下降而讓電池失水加速，電池失水后，AGM隔離板的吸酸飽和度降低，氧氣 的復(fù)合通道增加，過度的氧復(fù)合會造成充電末期的電池溫度升高，電池的溫度升高在散 熱不良的環(huán)境下可能導(dǎo)致熱失控，熱失控導(dǎo)致電池嚴(yán)重發(fā)熱甚至外殼鼓脹結(jié)束壽命，嚴(yán) 重失水的電池或者外殼鼓脹的電池連維護(hù)的機(jī)會都沒有。全國5億只電池的保有使用量，且每年以1億只的用量在增加，大部分電池壽命 終止都是電解質(zhì)被充干、酸霧揮發(fā)到大氣中，這將會帶來不可忽略的大氣污染和環(huán)境的 酸化，酸霧也會增加陰霾天氣發(fā)生的頻次。但是到目前為止，輕型電動車用鉛酸蓄電池的充電器基本上都是三段式的充電 器。很少有人使用“智能型”充電器，確實達(dá)到保護(hù)和養(yǎng)護(hù)電池的價格很高，市場比例 很少，大部分的所謂“智能型”充電器也都是不敢把電池充滿而已。問題的分析
三段式充電器不適合鉛酸蓄電池的充電造成電池?fù)p壞的原因分析 (1)因輕型電動車電池的通用充電器的因素而導(dǎo)致?lián)p壞。市場上通用的充電器以“三段式”充電器為主，約占市場總用量的80%以上， 也有部分充電器是六段或多段定時來完成充電的定時充電器，還有部分是單片機(jī)控制的
4智能充電器。以使用最廣泛的三段式充電器48V12Ah電池組為例進(jìn)行說明。充電的三個 階段第一階段是恒流階段，這個階段不管電池的電壓和飽和度，都以恒流大約1.8A連 續(xù)進(jìn)行充電，電池組的電壓隨著充電飽和度的增加而提高，當(dāng)電池組的電壓到達(dá)充電器 設(shè)置的恒壓值大約為59.2V以后，充電器就自動轉(zhuǎn)為第二個充電階段恒壓充電階段， 恒壓充電過程電池組的端電壓保持不變，隨著飽和度提高，充電的電流會自動減小，當(dāng) 電流小于充電器的設(shè)定值大約0.4A之后，充電器轉(zhuǎn)為浮充階段，這個過程充電器的“紅 燈”轉(zhuǎn)“綠燈”，俗稱“轉(zhuǎn)燈”，進(jìn)入浮充階段的電壓大致為55.6V,這個過程充電電流 很小，電池組基本上不析出氣體，可以長時間小電流充電，有利于電池組的均衡。如果充電器不出現(xiàn)異常，電池組本身也沒有老化，三段式的充電器能滿足充電 飽和的目的?？墒鞘袌錾系某潆娖鞒霈F(xiàn)異常的概率很高，電池組也會老化，常見有以下 的幾種情況。(1.1)充電器的過充電問題
(1.1.1)充電器出廠設(shè)置電壓偏高、轉(zhuǎn)燈電流偏小。充電器的生產(chǎn)廠家很多，質(zhì)量 參差不齊，參數(shù)設(shè)置不準(zhǔn)確的情況比較普遍?？赡苁怯捎诩ち业膬r格競爭很多充電器廠 家迫于成本壓力導(dǎo)致劣質(zhì)充電器的產(chǎn)生，再則充電器廠家不需要對電池的三包負(fù)責(zé)，也 是導(dǎo)致充電器不負(fù)責(zé)任的主要原因。(1.1.2)充電器故障造成高壓。充電器中的開關(guān)電源的光耦反饋電路故障可能 導(dǎo)致充電器的輸出電壓過高甚至翻倍。(1.1.3)充電器的電子元器件的參數(shù)離散性和元件的老化等原因都可能造成參 數(shù)漂移以致高電壓輸出。免維護(hù)鉛酸蓄電池過充電損壞機(jī)理鉛酸電池被過度充電之后，充電末期多余 的電流用于分解水，生產(chǎn)氧氣和氫氣，如果充電電壓能夠控制合適，產(chǎn)生的氧氣可以被 陰極(負(fù)極)吸收之后被還原成水，這個過程稱之為“陰極吸收原理”，如果充電電壓 超過析氫過電位，水分解成氫氣析出之后，氫氣在常溫常壓下無法還原成水。電解質(zhì) 中水分的缺失造成電池的內(nèi)阻增大和氧復(fù)合通道的增加，充電末期電池發(fā)熱，電池發(fā)熱 后會造成充電過程電壓不上升反而下降的現(xiàn)象稱之為“熱失控”，產(chǎn)生熱失控的電池越 充電，電壓越下降，充電電流就越大，大到充電器的輸出最大電流為限制。熱失控將 導(dǎo)致電池嚴(yán)重?fù)p壞，因為鉛酸蓄電池外殼使用ABS工程塑料或PP塑料，軟化點一般為 780C-85當(dāng)電池超過塑料外殼的軟化點后就產(chǎn)生塑性變形，外殼變形鼓脹俗稱“鼓 包”。(1.2)充電器的欠充電問題
(1.2.1)充電器出廠設(shè)置電壓偏低、轉(zhuǎn)燈電流偏大。由于市場的規(guī)則，充電器廠家 為了逃避把電池充壞可能被索賠的風(fēng)險，一般都把充電器的參數(shù)設(shè)置為負(fù)偏差，導(dǎo)致電 池充電不飽和，由于充電不飽和導(dǎo)致的電池?fù)p壞，電池廠家沒有明顯的理由向充電器廠 家索賠。這就是市場上大部分充電器充不飽電池的主要原因。(1.2.2)充電器故障和老化造成充電不足。(1.2.3)充電器內(nèi)的電子元件參數(shù)漂移造成充電不足。(1.2.4)用戶充電時間不夠，造成充電不足。
欠充電損壞電池長時間充電不足造成電池組的損壞。長時間的充電不足會導(dǎo)致大顆粒硫酸鉛的形成，大顆粒硫酸鉛如果沒有得到及時的還原，將無法還原或還原困難， 稱之為“硫化”，硫化后電池容量下降可能無法達(dá)到正常的使用需求。(1.3)充電器的“過充電”和“欠充電”問題同時存在
(1.3.1)熱天過充，冷天欠充。鉛酸蓄電池的充電環(huán)境溫度越高，充電接受能力越 強(qiáng)，反之則越弱。大部分充電器都是沒有合適的溫度補(bǔ)償功能。(1.3.2)充電器電壓設(shè)置高，輸出電流小。充電時間長就容易造成過充，充電 時間不足就容易造成欠充。這是廉價的充電器輸出功率小而電壓設(shè)置高導(dǎo)致的結(jié)果。(1.3.3)還有一部分充電器因為設(shè)計或元器件的原因有正溫度特性也就是說 環(huán)境溫度越高，充電電壓也越高，環(huán)境溫度下降充電的電壓也下降。這是與鉛酸電池的 充電接受能力相反的設(shè)計，會造成夏天過充電和冬天欠充電的現(xiàn)象。對電池的實際使用 和壽命大為不利。(2)因電池組當(dāng)中電池局部單體的損壞導(dǎo)致整組電池?fù)p壞。電動車電池是串聯(lián)使用，一組48V的電池需要24個2V的單體組成，其中一個單 體故障可能導(dǎo)致整組電池在充電過程中被過度充電而損壞，主要表現(xiàn)在以下幾個方面
(2.1)電池硫化沒有及時修復(fù)；
(2.2)電池失水沒有及時補(bǔ)充；
(2.3)極板之間鉛技晶短路造成整組電池的額定電壓偏低；
(2.4)單格短路造成局部的損壞造成整組電池的損壞；
(2.5)電池組因為電化學(xué)的特性導(dǎo)致一致性的誤差，沒有均衡充電會導(dǎo)致差異化的 距離變大，充電過程中電壓高的單體容易被過度充電，而電壓低的單體充電不足導(dǎo)致硫 化。(2.6)電池單體因為焊接不良，部分極板脫離匯流排，造成單體的容量比其他 單體小，充電過程容易造成單體的失水。(3)因高低溫環(huán)境造成電池的損壞。(3.1)高溫充電容易失水甚至鼓包造成電池的損壞。充電過程是放熱反應(yīng)，如 果環(huán)境溫度高，且整組電池還被密封在塑料外殼(電池箱)當(dāng)中，散熱不良會造成電池 充電末期的溫度超過60度。電池的溫度達(dá)到或超過60度，將造成熱失控的發(fā)生。(3.2)低溫環(huán)境會造成電池充電接受能力下降，電池長時間處于不飽和的狀態(tài) 會造成硫化，硫化的累積導(dǎo)致電池電動勢下降，電動勢下降造成充電不轉(zhuǎn)燈，充電不轉(zhuǎn) 燈造成失水或鼓包。(4)因電池組的老化導(dǎo)致充電過程無法自動終止，使得電池組因為過度充電而 損壞。鉛酸蓄電池老化后，會發(fā)生“老年綜合癥”失水、內(nèi)阻增加、硫化、容量不 均衡、技晶短路、極耳腐蝕掉落、單體機(jī)械短路、掉粉造成容量下降、極板表面鈍化、 極板收縮造成斷裂、板柵腐蝕造成掉片等等。老化的電池組使用者能看到的是容量不 足，充電不轉(zhuǎn)燈，外殼鼓包。電池組老化發(fā)生后，會使充電器對其過度充電而進(jìn)一步加 劇老化損壞。最后，大部分的鉛酸蓄電池到了壽命終止，都以電解質(zhì)干涸硫酸揮發(fā)，外 殼鼓包而結(jié)束。因此，如果如何解決上述的問題，就是避免目前市場上使用的上億只充電器(并且每年還將新增三段式充電器3000萬只以上)的問題造成電池的損壞，使這些不適 合鉛酸電池的充電器變成能適合鉛酸蓄電池的充電器是一個很有必要且富有實際意義的 技術(shù)課題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提出一種鉛酸蓄電池的充電優(yōu)化管理器，將該充電優(yōu)化管理器串 接于已有的充電器與鉛酸蓄電池組之間，就可以通過其充電優(yōu)化管理，而使已有的不合 適的充電器變成非常適合鉛酸蓄電池充電的充電器，解決上述的種種問題。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明的鉛酸蓄電池的充電優(yōu)化管理器是將該充電優(yōu)化管理器串接于充電器與鉛 酸蓄電池組之間，該充電優(yōu)化管理器通過控制器監(jiān)控采集到鉛酸蓄電池組的端電壓信號 和充電回路的充電電流信號，并以PWM方式控制一額外電壓疊加至充電回路上或者導(dǎo)通 或關(guān)閉該疊加了額外電壓的充電回路。進(jìn)一步的，所述的充電優(yōu)化管理器內(nèi)設(shè)有單片機(jī)、隔離式DC-DC模塊、電壓電 流采樣模塊和PWM驅(qū)動輸出模塊，所述的電壓電流采樣模塊連接于所述的鉛酸蓄電池組 的兩端用于采集其端電壓信號，并連接于充電回路上用于采集其充電電流信號，該電壓 電流采樣模塊輸出其采集的鉛酸蓄電池組的端電壓信號和充電回路的充電電流信號至單 片機(jī)的信號輸入端口，所述的隔離式DC-DC模塊和PWM驅(qū)動輸出模塊串接于充電回路 上，該隔離式DC-DC模塊輸出還連接于單片機(jī)的電源輸入端口以提供工作電源，單片機(jī) 的PWM控制端口輸出連接于該PWM驅(qū)動輸出模塊以PWM方式控制該充電回路。優(yōu)選的，所述的充電優(yōu)化管理器還內(nèi)設(shè)有溫度檢測模塊用于檢測環(huán)境溫度，控 制器根據(jù)環(huán)境溫度以溫度補(bǔ)償?shù)腜WM方式進(jìn)行充電控制。進(jìn)一步的，所述的控制器的PWM控制方法是
a.當(dāng)控制器監(jiān)控采集到鉛酸蓄電池組的端電壓信號過高，則調(diào)整合適的PWM波形 以控制上述的充電回路通斷頻率，以降低到合適的平均充電電壓輸出；
b.當(dāng)控制器監(jiān)控采集到鉛酸蓄電池組的端電壓信號過低，則導(dǎo)通充電回路以提高充 電電壓后，再調(diào)整合適的PWM波形以控制所述的充電回路通斷頻率，以輸出合適的平均 充電電壓；
c.當(dāng)控制器監(jiān)控采集到鉛酸蓄電池組的端電壓信號和充電回路的充電電流信號在不 同充電階段出現(xiàn)異常時，則調(diào)整PWM波形控制所述的充電回路通斷頻率使其充電電流輸 出小于或等于所述的鉛酸蓄電池組容量的1/60—1/120，進(jìn)行浮充充電；
d.當(dāng)控制器監(jiān)控采集到鉛酸蓄電池組的端電壓信號和充電回路的充電電流信號在恒 壓充電階段且基本飽和之后，則調(diào)整PWM波形控制所述的充電回路通斷頻率使其進(jìn)行一 段時間的間歇充電，以消除鉛酸蓄電池組產(chǎn)生的硫化；
e.當(dāng)控制器內(nèi)置的計時和計數(shù)程序滿足設(shè)定條件，則控制器根據(jù)監(jiān)控采集到的充電 回路的充電電流信號，調(diào)整PWM波形控制所述的充電回路通斷頻率使其輸出特定恒定充 電電流，進(jìn)行均衡充電。更進(jìn)一步的，所述的情況C的控制器監(jiān)控采集到的鉛酸蓄電池組的端電壓信號和 充電回路的充電電流信號在不同充電階段出現(xiàn)異常具體是Cl.在充電電流恒定的恒流充電階段時，在且充電時間t<設(shè)定時間Tl的前提，當(dāng) Ku=O時為正常狀態(tài)，當(dāng)Ku >0時為充電未飽和狀態(tài)，當(dāng)Ku <0時為異常狀態(tài)；所述的 Ku= Δ V/ Δ t,其中Ku為鉛酸蓄電池組的端電壓變化率，Δ V為端電壓變化值，At為 充電時間變化值；
c2.在充電電壓恒定的恒壓充電階段時，在且充電時間t 3設(shè)定時間Tl的前提，當(dāng) Ki<0時為正常狀態(tài)，當(dāng)Ki=O時且充電電流絕對值 < 鉛酸蓄電池組容量的1/30為充電飽 和狀態(tài)，當(dāng)Ki=O時且充電電流絕對值 > 鉛酸蓄電池組容量的1/30為異常狀態(tài)，當(dāng)Ki>0 時為異常狀態(tài)；所述的Ki= Δ I/At，其中Ki為充電電流變化率，Δ I為充電電流變化 值，At為充電時間變化值。優(yōu)選的，如上所述的時間Tl是120分鐘。優(yōu)選的，所述的充電優(yōu)化管理器還設(shè)有控制器控制的故障報警燈和充電回路截止裝置。進(jìn)一步的，所述的充電優(yōu)化管理器的具體電路是充電器輸出端接入變壓器Tl 的主線圈端Ni,并連接由PWM電源驅(qū)動芯片ICl輸出控制開關(guān)管Ql的開關(guān)電路，變壓 器Tl的第一副線圈端Ν2輸出工作電流至PWM電源驅(qū)動芯片ICl的電源端VCC,變壓 器Tl的第二副線圈端Ν3輸出所述的額外電壓疊加至充電回路，該回路串接有繼電器開 關(guān)Κ1，該繼電器開關(guān)Kl的控制端連接于單片機(jī)芯片IC2的IO端口，變壓器Tl的第三 副線圈端Ν4輸出工作電流，并經(jīng)整流穩(wěn)壓芯片U2后供單片機(jī)芯片IC2的電源端VCC,所 述的變壓器Tl的第二副線圈端Ν3輸出回路并經(jīng)過接有光耦器Ul隔離的反饋回路反饋回 PWM電源驅(qū)動芯片ICl的CMP端，所述的單片機(jī)芯片IC2的IO端口還連接驅(qū)動LED指 示燈，所述的單片機(jī)芯片IC2的IO端口還連接放大三極管Q3驅(qū)動的半導(dǎo)體開關(guān)管Q4控 制充電回路，所述的充電回路的電流經(jīng)過運放器IC3B采樣輸入至單片機(jī)芯片IC2的ADC 端口，所述的充電回路的電壓及鉛酸蓄電池組端的電壓經(jīng)采樣輸入至單片機(jī)芯片IC2的 ADC 端 口。優(yōu)選的，如上所述的PWM電源驅(qū)動芯片ICl是LD7550芯片。優(yōu)選的，如上所述的單片機(jī)芯片IC2是2個IO端口連接驅(qū)動2個LED指示燈， 分別是第一指示燈LEDl和第二指示燈LED2。本發(fā)明的鉛酸蓄電池的充電優(yōu)化管理器是一種簡單且使用方便的裝置，其串聯(lián) 于充電器和電池組之間，全智能化的控制可以防止鉛酸蓄電池被過充電損壞，可以防止 鉛酸蓄電池硫化，對產(chǎn)生硫化的鉛酸蓄電池組可以實現(xiàn)自動的修復(fù)還原，更重要的是本 發(fā)明的充電優(yōu)化管理器不需要在鉛酸蓄電池組上加裝溫度傳感器，只通過內(nèi)部的軟件對 鉛酸蓄電池組的伏安特性進(jìn)行判斷，就可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)鉛酸蓄電池出現(xiàn)熱失控的前兆并加 以預(yù)防，本發(fā)明的充電優(yōu)化管理器還能通過“閃電充限”波形對產(chǎn)生阻擋層的鉛鈣合金 電池進(jìn)行消除阻擋層，這是世界性的技術(shù)難題，填補(bǔ)了技術(shù)空白。因此，當(dāng)市場上的上億只三段式充電器如果都能配置本發(fā)明的鉛酸蓄電池的充 電優(yōu)化管理器之后，鉛酸蓄電池的使用壽命可以達(dá)到設(shè)計的最長壽命，最關(guān)鍵的是，鉛 酸蓄電池的壽命終止將不再以電解液干涸，硫酸揮發(fā)到大氣中來結(jié)束，而是以自然的老 化為終止。這對環(huán)境的保護(hù)和消費者利益的保護(hù)都有很重要的意義。
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圖1是已有技術(shù)充電時的連接示意圖； 圖2是本發(fā)明充電時的連接示意圖3是本發(fā)明的實施例1的電路框圖； 圖4是本發(fā)明的實施例2的電路框圖； 圖5是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的電路原理圖。
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進(jìn)一步說明。參閱圖1所示，已有的技術(shù)中，是將三段式充電器1直接串聯(lián)待充電的鉛酸蓄電 池組2。參閱圖2，本發(fā)明的改進(jìn)正是在于在原有的三段式充電器1和鉛酸蓄電池組2之 間串聯(lián)本發(fā)明的充電優(yōu)化管理器3。該充電優(yōu)化管理器3通過控制器監(jiān)控采集到鉛酸蓄電 池組的端電壓信號和充電回路的充電電流信號，并以PWM方式控制一額外電壓疊加至充 電回路上或者導(dǎo)通或關(guān)閉該疊加了額外電壓的充電回路。具體的參閱圖3和圖4所示，所述的充電優(yōu)化管理器3內(nèi)設(shè)有單片機(jī)301、隔離 式DC-DC模塊302、電壓電流采樣模塊303和PWM驅(qū)動輸出模塊304，所述的電壓電流 采樣模塊303連接于所述的鉛酸蓄電池組2的兩端用于采集其端電壓信號，并連接于充電 回路上用于采集其充電電流信號，該電壓電流采樣模塊303輸出其采集的鉛酸蓄電池組 的端電壓信號和充電回路的充電電流信號至單片機(jī)301的信號輸入端口 3011，所述的隔 離式DC-DC模塊302和PWM驅(qū)動輸出模塊304串接于充電回路上，該隔離式DODC 模塊302輸出還連接于單片機(jī)301的電源輸入端口 3012以提供工作電源，單片機(jī)301的 PWM控制端口 3013輸出連接于該PWM驅(qū)動輸出模塊304以PWM方式控制該充電回路 通斷。圖3所示的實施例1和圖4所示的實施例2的原理是相同的，不同的是PWM驅(qū)動 輸出模塊304連接方式略有區(qū)別。實施例1是通過對充電回路的負(fù)極進(jìn)行PWM控制， 實施例2是通過對充電回路的正極進(jìn)行PWM控制，兩者的效果是一致的。充電器1的正極連接于充電優(yōu)化管理器3的正極，然后串聯(lián)于充電優(yōu)化管理器3 內(nèi)部的隔離式DC-DC模塊302的疊加電壓，與鉛酸蓄電池組2的正極連接，在這個過程 中，隔離式DC-DC模塊302雖然是降壓的，但疊加上充電器1原有的電壓后，充電的總 電壓得到提升，這是一種直流電源通過降壓模式讓整個直流源得到升壓的創(chuàng)造性應(yīng)用電 路。例如充電器原來輸出電壓為55V，隔離式DC-DC模塊302為55V轉(zhuǎn)12V，原充電 器的55V電壓疊加隔離式DC-DC模塊302輸出的12V之后，總電壓為55V+12V=67V。充電器1的負(fù)極與充電優(yōu)化管理器3的負(fù)極連接，然后經(jīng)過內(nèi)部的PWM驅(qū)動 輸出模塊304調(diào)節(jié)輸出，輸出即為充電優(yōu)化管理器3的負(fù)極與鉛酸蓄電池組2的負(fù)極連 接，PWM驅(qū)動輸出模塊304受控于單片機(jī)301的程序信號，可以控制充電的電流，以達(dá) 到控制蓄電池組2充電電壓、充電飽和度，防止蓄電池組2出現(xiàn)異常等功能，特別是單片 機(jī)301采集到蓄電池組2的電壓和充電電流信號，經(jīng)過單片機(jī)301特定程序的計算，可以 遠(yuǎn)程非接觸式感應(yīng)到電池是否出現(xiàn)熱失控或其他異常，從而調(diào)整PWM關(guān)閉回路或控制充 電回路的電流。
如上所述的PWM稱為脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation"的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行 控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一 種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn) 壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件 變化時保持恒定。脈沖寬度調(diào)制(PWM)是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。 通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行 編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (ON),要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序 列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候，斷的時候即是 供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。本發(fā)明的充電優(yōu)化管理器3實現(xiàn)各項功能的原理說明，為了便于說明清楚，就 以48V/12Ah的鉛酸蓄電池組2 (為方便說明，下簡稱電池組)和常用的三段式充電器1 的參數(shù)進(jìn)行說明。1、充電優(yōu)化管理器3對電壓過高的充電器1進(jìn)行參數(shù)修正的原理和功能的實 現(xiàn)
當(dāng)充電器1的電壓過高時，充電優(yōu)化管理器3中單片機(jī)的AD 口檢測到過電壓信號 后啟動PWM對電池組2的端電壓進(jìn)行控制，調(diào)整合適的PWM波形以控制上述的充電回 路通斷頻率，以降低到合適的平均充電電壓輸出，達(dá)到設(shè)定的最佳充電限壓值。2、充電優(yōu)化管理器3對于充電器1的充電電壓不足的參數(shù)修正原理和功能的實 現(xiàn)
充電優(yōu)化管理器3中的單片機(jī)的AD 口檢測到充電器1的最大充電電壓不足時，單 片機(jī)的10 口輸出控制信號啟動充電優(yōu)化管理器3中的DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊，充電器1的 電壓得到提升，然后再經(jīng)過PWM的調(diào)制進(jìn)行充電，讓電池組2的端電壓達(dá)到和保持最佳 的充電電壓值。3、充電優(yōu)化管理器3對不同環(huán)境溫度下調(diào)整不同充電參數(shù)的工作原理和功能的 實現(xiàn)
優(yōu)選的，所述的充電優(yōu)化管理器3還內(nèi)設(shè)有溫度檢測模塊用于檢測環(huán)境溫度，控 制器根據(jù)環(huán)境溫度以溫度補(bǔ)償?shù)腜WM方式進(jìn)行充電控制。溫度檢測模塊信號與單片機(jī) 的AD 口連接，經(jīng)過AD 口的模數(shù)轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的溫度計算程序，可以計算環(huán) 境的溫度值。充電優(yōu)化管理器3開機(jī)很短的時間內(nèi)充電優(yōu)化管理器3還沒發(fā)熱，溫度和 環(huán)境溫度基本保持一致，這時候，單片機(jī)記錄當(dāng)時的環(huán)境溫度，并且所存到單片機(jī)的內(nèi) 存中。根據(jù)環(huán)境溫度的高低，單片機(jī)通過特定的計算公式，計算出控制電池組2的充電 最佳電壓值，從而實現(xiàn)最佳的充電器參數(shù)的溫度補(bǔ)償。4、充電優(yōu)化管理器3對電池組2 “熱失控”和電池組2出現(xiàn)單格短路等異常進(jìn) 行判定和保護(hù)性充電的原理和功能的實現(xiàn)
充電優(yōu)化管理器3的單片機(jī)自從開始工作，就一直監(jiān)控電池組2的端電壓變化和充電 電流的關(guān)系并計算。4.1、恒流充電階段，當(dāng)充電電流恒定時，電池組電壓的變化和充電時間的關(guān)系Ku=AV/At，其中Ku為鉛酸蓄電池組的端電壓變化率，A V為端電壓變化值， At為充電時間變化值。4.2、根據(jù)鉛酸蓄電池的充電特性，當(dāng)Ku=0時，且A t=120min，則電池組進(jìn)入 恒壓充電階段。4.3、根據(jù)鉛酸蓄電池的充電特性，當(dāng)Ku>0時，表示充電未飽和，還在繼續(xù) 中。4.4、根據(jù)鉛酸蓄電池的充電特性，當(dāng)Ku<0時，表示電池組出現(xiàn)熱失控或單格 短路之類的異常。4.5、當(dāng)電池組的伏安特性滿足4.2的條件時，電池組進(jìn)入恒壓充電階段，在這 個過程中，充電電流的變化值Ki=Al/At，其中Ki為充電電流變化率，AI為充電電流 變化值，At為充電時間變化值；
4.6、根據(jù)鉛酸蓄電池的充電特性，當(dāng)Ki<0時，表示充電正常；
4.7、根據(jù)鉛酸蓄電池的充電特性，當(dāng)Ki=0時，且電流絕對值小于電池容量的1/30， 表示電池完全充電飽和；
4.8、根據(jù)鉛酸蓄電池的充電特性，當(dāng)Ki=0時，且電流絕對值大于電池容量的1/30， 表示電池組已經(jīng)老化或出現(xiàn)熱時失控；
4.9、根據(jù)鉛酸蓄電池的充電特性，當(dāng)Ki>0時，表示電池組已經(jīng)老化或出現(xiàn)熱時失
控；
4.10、當(dāng)充電的電流和電池組的端電壓滿足4.4、4.8、4.9的條件下，即可判定本組 電池出現(xiàn)“熱失控”或“單體短路”或其他異常；
4.11、當(dāng)充電過程出現(xiàn)異常時，充電優(yōu)化管理器立即調(diào)整PWM，讓充電電流為0， 或充電電流小于等于電池組容量的1/60—1/120，進(jìn)行無損傷無失水的浮充充電。然后 再通過充電優(yōu)化管理器的指示燈設(shè)置，提醒用戶電池組的異常。5、充電優(yōu)化管理器3的調(diào)頻脈沖對電池組2進(jìn)行自動修復(fù)的原理和功能的實 現(xiàn)
調(diào)頻脈沖是指充電末期，當(dāng)電池組進(jìn)入恒壓充電階段且基本飽和之后，用電池端 電壓的回滯值為控制參數(shù)進(jìn)行間歇充電的模式，調(diào)頻脈沖可以讓電池組充電更飽和，且 能消除產(chǎn)生的硫化。例如當(dāng)48V的電池組的電壓達(dá)到60V之后，停止充電，電池組電 壓自動下降，這個過程是自動消除極化，有利于提升充電接受能力，當(dāng)電池組的電壓下 降到58V之后，繼續(xù)以電池組容量1/20的電流進(jìn)行充電，如此循環(huán)。由于電池組的老化 程度不同，電池組的硫化程度不同，電池組的飽和度不同，當(dāng)回滯電壓固定后，需要的 時間也不同，這個頻次是變化的，故稱為調(diào)頻脈沖。當(dāng)這個充電階段的總時間達(dá)到設(shè)定 值，例如35分鐘后，調(diào)頻脈沖充電結(jié)束。6、充電優(yōu)化管理器3對電池組2進(jìn)行定期均衡充電的原理和功能的實現(xiàn) 均衡充電是小電流長時間的脈沖充電，是鉛酸蓄電池維護(hù)保養(yǎng)的常用方法，充電
過程只限流不限壓。充電優(yōu)化管理器內(nèi)部設(shè)置時鐘程序和計數(shù)程序，當(dāng)電池組經(jīng)歷10-50 次(可設(shè)定)充放電循環(huán)，大約用戶實際使用30-90天，充電優(yōu)化管理器自動啟動均衡程 序?qū)﹄姵亟M進(jìn)行一次均衡充電。均衡充電的效果可以讓電池組當(dāng)中出現(xiàn)非物理性損傷的 電池的容量得到提升，整組電池的容量一致性得到均衡，對提升電池組的使用壽命有很大的幫助。8、充電優(yōu)化管理器3的時鐘設(shè)定防止充電意外。8.1、充電優(yōu)化管理器控制充電過程為恒流充電過程、恒壓充電過程、脈沖 補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)過程、浮充過程、均衡充電過程等。8.2、恒流充電過程的最長時間預(yù)置。根據(jù)電池的剩余容量設(shè)定恒流充電過 程的最長充電時間。充電優(yōu)化管理器開機(jī)時對電池組的端電壓進(jìn)行檢測，根據(jù)端電壓的 值可以基本確定電池組的剩余容量，電池的總?cè)萘繙p去剩余容量就是等于需要充電的容 量，需要充電的容量除以充電電流可以算出充電時間。當(dāng)充電優(yōu)化管理器中的單片機(jī)計 算好需要恒流充電的時間后，就可以預(yù)知電池組進(jìn)入恒壓階段的大致時間和參數(shù)變化， 如果到了預(yù)置的時間，電池組在恒壓階段，電流沒有下降，即以時間優(yōu)先，讓電池組進(jìn) 入下一階段的充電模式。8.3、恒壓充電過程的時間預(yù)置。根據(jù)電池組的充電特性曲線，預(yù)置恒壓充電 階段的最長時間限制，當(dāng)時間到了，充電電流如果依然無法下降到合理的設(shè)定值，則時 間優(yōu)先，進(jìn)入下一個充電步驟。9、充電優(yōu)化管理器3的自我保護(hù)電路原理和功能的實現(xiàn)。充電優(yōu)化管理器3也是電子產(chǎn)品，也可能產(chǎn)生故障和不良。因此設(shè)置充電優(yōu)化 管理器本身的自我保護(hù)和故障處理對保護(hù)電池組具有很重要的意義。在充電優(yōu)化管理器 3的硬件中有一個故障報警燈和充電回路截止裝置，當(dāng)充電優(yōu)化管理器3開始工作時處于 充電截止?fàn)顟B(tài)，且故障燈亮著，單片機(jī)啟動后進(jìn)行軟件自檢和硬件掃描，當(dāng)檢測結(jié)果一 切正常后，故障燈熄滅，充電回路接通充電，在充電的過程中，每間隔一段時間都重復(fù) 這樣的檢查。假設(shè)充電優(yōu)化管理器3的單片機(jī)出現(xiàn)故障或死機(jī)的時候，充電優(yōu)化管理器 3是無法充電的，這時候故障燈長亮著，提醒消費者。雖然，如上說明僅以本發(fā)明的優(yōu)選實施例的單片機(jī)的控制電路來實現(xiàn)上述的充 電PWM控制方法。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員完全可以根據(jù)上述的充電PWM控制方法的 詳細(xì)說明，而通過其他的控制電路實現(xiàn)，例如采用可編程邏輯芯片(FPGA)實現(xiàn)該控制 方式，與此不再詳細(xì)展開說明。參閱圖5所示，是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的電路原理圖。所述的充電優(yōu)化管 理器的具體電路是充電器輸出端接入變壓器T1的主線圈端N1,并連接由PWM電源驅(qū) 動芯片IC1輸出控制開關(guān)管Q1的開關(guān)電路，變壓器T1的第一副線圈端N2輸出工作電流 至PWM電源驅(qū)動芯片IC1的電源端VCC,變壓器T1的第二副線圈端N3輸出所述的額外 電壓疊加至充電回路，該回路串接有繼電器開關(guān)K1，該繼電器開關(guān)K1的控制端連接于 單片機(jī)芯片IC2的10端口，變壓器T1的第三副線圈端N4輸出工作電流，并經(jīng)整流穩(wěn)壓 芯片U2后供單片機(jī)芯片IC2的電源端VCC,所述的變壓器T1的第二副線圈端N3輸出回 路并經(jīng)過接有光耦器U1隔離的反饋回路反饋回PWM電源驅(qū)動芯片IC1的CMP端，所述 的單片機(jī)芯片IC2的10端口還連接驅(qū)動LED指示燈，所述的單片機(jī)芯片IC2的10端口 還連接放大三極管Q3驅(qū)動的半導(dǎo)體開關(guān)管Q4控制充電回路，所述的充電回路的電流經(jīng) 過運放器IC3B采樣輸入至單片機(jī)芯片IC2的ADC端口，所述的充電回路的電壓及鉛酸蓄 電池組端的電壓經(jīng)采樣輸入至單片機(jī)芯片IC2的ADC端口。優(yōu)選的，如上所述的PWM 電源驅(qū)動芯片IC1是LD7550芯片。所述的單片機(jī)芯片IC2是2個10端口連接驅(qū)動2個LED指示燈，分別是第一指示燈LED1和第二指示燈LED2。所述的整流穩(wěn)壓芯片U2采 用7805芯片。 盡管結(jié)合優(yōu)選實施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該 明白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細(xì)節(jié)上可 以對本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.鉛酸蓄電池的充電優(yōu)化管理器，其特征在于將該充電優(yōu)化管理器(3)串接于充 電器(1)與鉛酸蓄電池組(2)之間，該充電優(yōu)化管理器(3)通過控制器監(jiān)控采集到 鉛酸蓄電池組的端電壓信號和充電回路的充電電流信號，并以PWM方式控制一額外電壓 疊加至充電回路上或者導(dǎo)通或關(guān)閉該疊加了額外電壓的充電回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉛酸蓄電池的充電優(yōu)化管理器，其特征在于所述的充電 優(yōu)化管理器(3)內(nèi)設(shè)有單片機(jī)(301)、隔離式DC-DC模塊(302)、電壓電流采樣 模塊(303)和PWM驅(qū)動輸出模塊(304)，所述的電壓電流采樣模塊(303)連接于 所述的鉛酸蓄電池組(2)的兩端用于采集其端電壓信號，并連接于充電回路上用于采集 其充電電流信號，該電壓電流采樣模塊(303)輸出其采集的鉛酸蓄電池組的端電壓信號 和充電回路的充電電流信號至單片機(jī)(301)的信號輸入端口(3011)，所述的隔離式 DC-DC模塊(302)和PWM驅(qū)動輸出模塊(304)串接于充電回路上，該隔離式DODC 模塊(302)輸出還連接于單片機(jī)(301)的電源輸入端口(3012)以提供工作電源， 單片機(jī)(301)的PWM控制端口(3013)輸出連接于該PWM驅(qū)動輸出模塊(304)以 PWM方式控制該充電回路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉛酸蓄電池的充電優(yōu)化管理器，其特征在于所述的充電 優(yōu)化管理器(3)還內(nèi)設(shè)有溫度檢測模塊用于檢測環(huán)境溫度，控制器根據(jù)環(huán)境溫度以溫度 補(bǔ)償?shù)腜WM方式進(jìn)行充電控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鉛酸蓄電池的充電優(yōu)化管理器，其特征在于所述的 PWM控制方法是 a.當(dāng)控制器監(jiān)控采集到鉛酸蓄電池組的端電壓信號過高，則調(diào)整合適的PWM波形 以控制上述的充電回路通斷頻率，以降低到合適的平均充電電壓輸出；b.當(dāng)控制器監(jiān)控采集到鉛酸蓄電池組的端電壓信號過低，則導(dǎo)通充電回路以提高充 電電壓后，再調(diào)整合適的PWM波形以控制所述的充電回路通斷頻率，以輸出合適的平均 充電電壓；c.當(dāng)控制器監(jiān)控采集到鉛酸蓄電池組的端電壓信號和充電回路的充電電流信號在不 同充電階段出現(xiàn)異常時，則調(diào)整PWM波形控制所述的充電回路通斷頻率使其充電電流輸 出小于或等于所述的鉛酸蓄電池組容量的1/60—1/120，進(jìn)行浮充充電；當(dāng)控制器監(jiān)控 采集到鉛酸蓄電池組的端電壓信號和充電回路的充電電流信號在恒壓充電階段且基本飽 和之后，則調(diào)整PWM波形控制所述的充電回路通斷頻率使其進(jìn)行一段時間的間歇充電， 以消除鉛酸蓄電池組產(chǎn)生的硫化；當(dāng)控制器內(nèi)置的計時和計數(shù)程序滿足設(shè)定條件，則控制器根據(jù)監(jiān)控采集到的充電回 路的充電電流信號，調(diào)整PWM波形控制所述的充電回路通斷頻率使其輸出特定恒定充電 電流，進(jìn)行均衡充電。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鉛酸蓄電池的充電優(yōu)化管理器，其特征在于所述的情況 c的控制器監(jiān)控采集到的鉛酸蓄電池組的端電壓信號和充電回路的充電電流信號在不同充 電階段出現(xiàn)異常進(jìn)一步是Cl.在充電電流恒定的恒流充電階段時，在且充電時間t<設(shè)定時間Tl的前提下，當(dāng) Ku=O時為正常狀態(tài)，當(dāng)Ku >0時為充電未飽和狀態(tài)，當(dāng)Ku<0時為異常狀態(tài)；所述的 Ku= Δ V/ Δ t,其中Ku為鉛酸蓄電池組的端電壓變化率，Δ V為端電壓變化值，At為充電時間變化值；c2.在充電電壓恒定的恒壓充電階段時，在且充電時間t 3設(shè)定時間Tl的前提下，當(dāng) Ki<0時為正常狀態(tài)，當(dāng)Ki=O時且充電電流絕對值 < 鉛酸蓄電池組容量的1/30為充電飽 和狀態(tài)，當(dāng)Ki=O時且充電電流絕對值 > 鉛酸蓄電池組容量的1/30為異常狀態(tài)，當(dāng)Ki>0 時為異常狀態(tài)；所述的Ki= Δ I/At，其中Ki為充電電流變化率，Δ I為充電電流變化 值，At為充電時間變化值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鉛酸蓄電池的充電優(yōu)化管理器，其特征在于所述的時間 Tl是120分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉛酸蓄電池的充電優(yōu)化管理器，其特征在于所述的充電 優(yōu)化管理器(3)還設(shè)有控制器控制的故障報警燈和充電回路截止裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉛酸蓄電池的充電優(yōu)化管理器，其特征在于所述的充電 優(yōu)化管理器的具體電路是充電器(1)輸出端接入變壓器Tl的主線圈端Ni,并連接由 PWM電源驅(qū)動芯片ICl輸出控制開關(guān)管Ql的開關(guān)電路，變壓器Tl的第一副線圈端Ν2 輸出工作電流至PWM電源驅(qū)動芯片ICl的電源端VCC,變壓器Tl的第二副線圈端Ν3輸 出所述的額外電壓疊加至充電回路，該回路串接有繼電器開關(guān)Κ1，該繼電器開關(guān)Kl的 控制端連接于單片機(jī)芯片IC2的IO端口，變壓器Tl的第三副線圈端Ν4輸出工作電流， 并經(jīng)整流穩(wěn)壓芯片U2后供單片機(jī)芯片IC2的電源端VCC,所述的變壓器Tl的第二副線圈 端Ν3輸出回路并經(jīng)過接有光耦器Ul隔離的反饋回路反饋回PWM電源驅(qū)動芯片ICl的 CMP端，所述的單片機(jī)芯片IC2的IO端口還連接驅(qū)動LED指示燈，所述的單片機(jī)芯片 IC2的IO端口還連接放大三極管Q3驅(qū)動的半導(dǎo)體開關(guān)管Q4控制充電回路，所述的充電 回路的電流經(jīng)過運放器IC3B采樣輸入至單片機(jī)芯片IC2的ADC端口，所述的充電回路的 電壓及鉛酸蓄電池組端的電壓經(jīng)采樣輸入至單片機(jī)芯片IC2的ADC端口。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鉛酸蓄電池的充電優(yōu)化管理器，其特征在于所述的PWM 電源驅(qū)動芯片ICl是LD7550芯片。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鉛酸蓄電池的充電優(yōu)化管理器，其特征在于所述的單片 機(jī)芯片IC2的2個IO端口連接驅(qū)動2個LED指示燈，分別是第一指示燈LEDl和第二指 示燈LED2。
全文摘要
本發(fā)明涉及蓄電池充電和蓄電池電源管理電路領(lǐng)域，尤其涉及用于鉛酸蓄電池的充電管理電路。本發(fā)明的鉛酸蓄電池的充電優(yōu)化管理器是將該充電優(yōu)化管理器串接于充電器與鉛酸蓄電池組之間，該充電優(yōu)化管理器通過控制器監(jiān)控采集到鉛酸蓄電池組的端電壓信號和充電回路的充電電流信號，并以PWM方式控制一額外電壓疊加至充電回路上或者導(dǎo)通或關(guān)閉該疊加了額外電壓的充電回路。本發(fā)明的鉛酸蓄電池的充電優(yōu)化管理器是一種簡單且使用方便的裝置，其串聯(lián)于充電器和電池組之間，全智能化的控制可以防止鉛酸蓄電池被過充電損壞，可以防止鉛酸蓄電池硫化，對產(chǎn)生硫化的鉛酸蓄電池組可以實現(xiàn)自動的修復(fù)還原。
文檔編號H01M10/44GK102013722SQ20101022553
公開日2011年4月13日 申請日期2010年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月14日
發(fā)明者陳賴容 申請人:陳賴容