鉛酸蓄電池充放電維護電路的製作方法

2023-08-05 09:32:21

本實用新型屬於鉛酸蓄電池充電及修復技術領域，具體為鉛酸蓄電池充放電維護電路。

背景技術：

近年來，隨著汽車工業、電動車輛、光伏發電等產業的快速發展，蓄電池的需求量越來越大，鉛酸蓄電池具有製造成本低、汙染小等優點，因而得到了廣泛的使用。一般鉛酸蓄電池設計壽命為5～6年。但事實上，因為使用和維護不當，鉛酸蓄電池使用壽命常常達不到設計年限。影響鉛酸蓄電池使用壽命的主要因素是蓄電池經常性的過充電或欠充電，導致鉛酸蓄電池內部電解液失水，以及發生硫酸鹽化，造成蓄電池使用容量下降，蓄電池失去了應有的供電能力。我國是世界上鉛酸蓄電池的生產和使用大國，延長鉛酸蓄電池的使用壽命，不但可以降低資源消耗和使用開支，還有利於減少處理報廢鉛酸蓄電池對生態環境造成的不良影響。

目前市面上的電動自行車一般採用鉛酸蓄電池作為動力電源，採用12V閥控密封鉛酸蓄電池作為單只電池串聯組成達到所需的電源電壓。例如48V電動自行車電池由4隻12V鉛酸蓄電池串聯而成。電動自行車電池容量下降後，多數是其中一隻電池容量下降造成，多隻電池同時有問題的概率不大。只要對容量下降的這隻電池進行修復，就能夠恢復電動自行車電池的使用。由於專業的鉛酸蓄電池容量修復器成本高、體積大，並不適合家庭個人購買和使用，所以在蓄電池使用容量下降後，多數用戶還是會直接購買新電池替換全部舊電池。其實替換下來的舊電池有很多還是可以繼續使用一段時間的。若有成本低、體積小可安裝在原有鉛酸蓄電池內部的充放電維護電路，通過簡單的轉動開關即可實現對蓄電池「充電」和「修復」，用戶就有可能會嘗試修復容量下降的舊電池，以延長電動自行車蓄電池的使用壽命。目前電動自行車的使用很普遍，在用的電動自行車保有量也很大。因此，本實用新型應有較好的市場前景。

技術實現要素：

本實用新型為解決現有技術中的上述問題，提供了鉛酸蓄電池充放電維護電路，所述鉛酸蓄電池充放電維護電路能夠手動調節蓄電池初始充電電流的大小及頻率，避免因蓄電池端電壓過低造成初始充電電流過大及充電時間過長而損害蓄電池，同時能減少蓄電池內電解液中水的電解和蒸發，進而減少蓄電池內部氣泡的產生和發熱量，從而降低鉛酸蓄電池產生「熱失控」和 「硫酸鹽化」的機率，有利於延長蓄電池的使用壽命，還可消除或減輕鉛酸蓄電池的硫酸鹽化，在一定程度上恢復蓄電池的使用容量。

為了實現上述目的，本實用新型採用的技術方案如下：

鉛酸蓄電池充放電維護電路，包括蓄電池BT，其特徵在於：還包括穩壓電路、555多諧振蕩電路、第一波形轉換電路、第二波形轉換電路、第一受控開關、第二受控開關、第一功能轉換開關、第二功能轉換開關；所述穩壓電路的低壓輸出端為555多諧振蕩電路供電，所述555多諧振蕩電路輸出端一路與第一波形轉換電路的輸入端連接，所述第一波形轉換電路的輸出端與第二受控開關的控制端連接，所述第二受控開關並接於蓄電池BT兩端；所述555多諧振蕩電路輸出端的另一路與第二功能轉換開關的輸入端連接，所述第二功能轉換開關的輸出端與第二波形轉換電路的輸入端連接，所述第二波形轉換電路的輸出端與第一受控開關的控制端連接，所述第一受控開關串聯在充電器與蓄電池BT組成的充電迴路中；所述第一波形轉換電路為第二電容C2和第五電阻R5組成的微分電路，所述第二波形轉換電路為第一電容C1和第六電阻R6組成的微分電路，所述第一受控開關為N溝道場效應管Q1，所述第二受控開關為P溝道場效應管Q2；所述第一功能轉換開關和第二功能轉換開關為雙刀雙控開關K，所述第一功能轉換開關共有e端、d端、f端三個接線端子，所述第二功能轉換開關共有a端、b端、c端三個接線端子，第一功能轉換開關的刀閘與第二功能轉換開關的刀閘相連，由同一個手柄控制。

通過手動控制雙刀雙控開關K來直接切換第一功能轉換開關、第二功能轉換開關，通過切換第一功能轉換開關來改變鉛酸蓄電池充放電維護電路的電壓輸入值，通過切換第二功能轉換開關來決定第二波形轉換電路是否投入使用，第一波形轉換電路、第二波形轉換電路負責將矩形波脈衝轉換為正負相間的尖頂脈衝，接著通過調節555多諧振蕩電路的輸出脈衝頻率、佔空比來控制第一受控開關、第二受控開關的導通或截止的時間和頻率，最終達到以匹配的電流值、充放電時間及頻率給蓄電池BT充電或修復容量的目的。

優選的，所述穩壓電路由第九電阻R9和穩壓二極體DZ串聯組成，第九電阻R9一端接在充電器輸出電路的正輸出端，第九電阻R9另一端接穩壓二極體DZ的陰極，所述穩壓二極體DZ的陽極接在充電器輸出電路的負輸出端，穩壓二極體DZ的陰極為低壓輸出端UCC，為555多諧振蕩電路供電。

穩壓電路為555定時器及多諧振蕩電路中的充電迴路提供工作電壓。

優選的，所述555多諧振蕩電路由555定時器、第七電阻R7、第八電阻R8、第一整流二極體D1、第二整流二極體D2、第一可調電位器RP1、第二可調電位器RP2、第三電容C3、第四電容C4組成，所述555定時器的接地端接地，控制端串聯第三電容C3後接地，閾值端與觸發輸入端並接在第一可調電位器RP1的中間抽頭,該第一可調電位器RP1的中間抽頭串聯第四電容C4後接地，所述第一可調電位器RP1的第一固定端接在第一可調電位器RP1的中間抽頭與第四電容C4的連接電路，所述第一可調電位器RP1的第二固定端與第二可調電位器RP2的中間抽頭相連；所述第二可調電位器RP2的第一固定端與第一整流二極體D1的陽極相連，所述第一整流二極體D1的陰極串第八電阻R8後接555定時器的放電端，第二可調電位器RP2的第二固定端與第二整流二極體D2的陰極相連，所述第二整流二極體D2的陽極接555定時器的放電端，所述555定時器的放電端串聯第七電阻R7後接穩壓二極體DZ的陰極即低壓輸出端UCC。

555定時器多諧振蕩電路由555定時器及充、放電路構成，其中充電電路：輸入電壓UCC-R7-D2-RP2-RP1-C4，放電電路：C4-RP1-RP2-D1-R8-555定時器放電端，由上述充電電路、放電電路即構成555定時器多諧振蕩電路的調節網絡，這樣通過改變第二可調電位器RP2的阻值即可調節555定時器輸出脈衝的佔空比，改變第一可調電位器RP1的阻值即可調節555定時器輸出脈衝的頻率。

優選的，所述555定時器的輸出端一路串聯第二電容C2後接P溝道場效應管Q2的柵極，所述P溝道場效應管Q2的漏極接蓄電池BT的負極，所述蓄電池BT的正極接在充電器的正輸出端，蓄電池BT正極與P溝道場效應管Q2的源極之間串有第四電阻R4，P溝道場效應管Q2源極接在充電器的正輸出端，所述第五電阻R5並接於P溝道場效應管Q2的源極和柵極，555定時器輸出端的另一路串第二功能轉換開關的常閉開關後接N溝道場效應管Q1的柵極，所述第二功能轉換開關的常開開關串聯第一電容C1後接N溝道場效應管Q1的柵極，N溝道場效應管Q1的柵極串第六電阻R6後接地，所述N溝道場效應管Q1的源極接充電器輸出電路的負輸出端後接地，N溝道場效應管Q1的漏極接蓄電池BT的負極。

通過切換第二功能轉換開關來投切第二波形轉換電路，由第一波形轉換電路、第二波形轉換電路將矩形波脈衝信號轉換為正負相間的尖頂脈衝信號，通過正負相間的尖頂脈衝信號來驅動N溝道場效應管Q1和P溝道場效應管Q2的導通或截止，從而能夠控制蓄電池BT充電或放電的時間和頻率。

優選的，低頻市電電源經整流濾波後輸入充電器輸出電路與蓄電池BT組成的充電迴路中，所述充電器設置有取樣電路、高頻整流濾波電路、光耦合電壓負反饋電路、電源塊、高頻變壓器T1；所述取樣電路跨接於充電器輸出電路的正、負輸出端，取樣電路的反饋檢測輸出端Uf與光耦合電壓負反饋電路的輸入端連接，所述光耦合電壓負反饋電路的輸出端經電源塊連接至高頻變壓器,高頻變壓器輸出端並接於高頻整流濾波電路，所述取樣電路的低壓輸出端與第一功能轉換開關的一端連接，所述第一功能轉換開關的另一端連接至充電器輸出電路的負輸出端。

由於高頻變壓器T1的輸出電壓波形並不直接達到蓄電池BT的使用要求，因而需經高頻整流濾波電路整流濾波處理後才能給蓄電池充電。當人為切換第一功能轉換開關後，採樣電路的電阻值隨之改變，進而採樣電路反饋檢測輸出端的電壓值Uf也會跟著改變，這時光耦合電壓負反饋電路根據採樣信號值Uf通過電源塊來控制高頻變壓器T1的輸入電壓，從而控制高頻變壓器T1的輸出電壓U0，使蓄電池BT獲得充電或修復容量時所需的匹配電壓值。

優選的，所述取樣電路由第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3依次串聯組成，其中第一電阻R1的自由端接在充電器的正輸出端，第一電阻R1與第二電阻R2的公共端接光耦合電壓負反饋電路的輸入端，第二電阻R2與第三電阻R3的公共端串第一功能轉換開關的常開開關後接充電器的負輸出端，第三電阻R3的自由端接充電器的負輸出端，所述光耦合電壓負反饋電路的輸出端經電源塊連接至高頻變壓器T1的原邊，所述光耦合電壓負反饋電路主要元件為光電耦合器，所述電源塊內置有開關電晶體。

取樣電路主要是為光耦合電壓負反饋電路提供一個採樣信號值，所述光耦合電壓負反饋電路主要起到從取樣電路採集電壓反饋信號後並根據採樣信號調整高頻變壓器T1輸出電壓的作用，所述光電耦合器起到將高頻變壓器T1原邊與取樣電路進行電氣隔離的作用，所述電源塊通過內置開關電晶體的通斷來控制高頻變壓器T1的輸入電壓進而能夠調整高頻變壓器T1的輸出電壓。

優選的，所述高頻整流濾波電路由第三整流二極體D3和第五電容C5依次串聯組成，其中第三整流二極體D3正向串接於充電器正輸出電路，第五電容C5跨接在充電器輸出電路的正、負輸出端。

高頻變壓器輸出的電壓波形經高頻整流濾波電路後為取樣電路提供穩定的直流電壓，其中第三整流二極體D3起到單向整流作用，第五電容C5起到濾波的作用。

綜上所述，本實用新型採用了上述方案後，具有以下有益效果：

(1)、本實用新型的充電脈衝佔空比可以手動調節，使初始充電電流的平均值匹配不同容量的鉛酸蓄電池充電，避免了鉛酸蓄電池電壓過低時造成初始充電電流過大而損害蓄電池的問題，克服了現有充電器只匹配某特定容量鉛酸蓄電池充電的缺點。

(2)、本實用新型採用正負脈衝充電，能夠減少蓄電池內電解液中水的電解和蒸發，減少蓄電池內部氣泡的產生和發熱量，降低鉛酸蓄電池產生「熱失控」和 「硫酸鹽化」的機率，有利於延長蓄電池的使用壽命。對於已「硫酸鹽化」的鉛酸蓄電池則採用周期性的高窄脈衝進行修復性充電，高窄脈衝充電後則是負窄脈衝放電，使發生的微充電來不及形成析氣同時也能避免陽極損傷，這樣就可擊碎大硫酸鉛結晶，消除或減輕鉛酸蓄電池的硫酸鹽化，在一定程度上能夠恢復因「硫酸鹽化」而縮小的鉛酸蓄電池使用容量。

（3）、本實用新型可手動調節充電脈衝頻率，配合上充電脈衝佔空比的調節，使得初始充電電流的平均值符合蓄電池充電的要求，而且充電脈衝頻率會隨電池充滿電後自動降低，使充電電流的平均值減少，避免蓄電池因過充電而被損壞。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實例或現有技術中的技術方案，下面將對實施實例或現有技術描述中所需要的附圖做簡單地介紹，顯然，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實例，對於本領域普通技術人員來說，在不付出創造性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本實用新型鉛酸蓄電池充放電維護電路結構示意圖。

圖2是本實用新型鉛酸蓄電池充放電維護電路電路原理圖。

圖3是本實用新型未接蓄電池時的正負脈衝充電波形圖。

圖4是本實用新型未接蓄電池時的正負脈衝修復充電波形圖。

具體實施方式

下面將結合本實用新型實例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

結合圖1，鉛酸蓄電池充放電維護電路，包括蓄電池BT，其特徵在於：還包括穩壓電路、555多諧振蕩電路、第一波形轉換電路、第二波形轉換電路、第一受控開關、第二受控開關、第一功能轉換開關、第二功能轉換開關；所述穩壓電路的低壓輸出端為555多諧振蕩電路供電，所述555多諧振蕩電路輸出端一路與第一波形轉換電路的輸入端連接，所述第一波形轉換電路的輸出端與第二受控開關的控制端連接，所述第二受控開關並接於蓄電池BT兩端；所述555多諧振蕩電路輸出端的另一路與第二功能轉換開關的輸入端連接，所述第二功能轉換開關的輸出端與第二波形轉換電路的輸入端連接，所述第二波形轉換電路的輸出端與第一受控開關的控制端連接，所述第一受控開關串聯在充電器與蓄電池BT組成的充電迴路中；所述第一波形轉換電路為第二電容C2和第五電阻R5組成的微分電路，所述第二波形轉換電路為第一電容C1和第六電阻R6組成的微分電路，所述第一受控開關為N溝道場效應管Q1，所述第二受控開關為P溝道場效應管Q2；所述第一功能轉換開關和第二功能轉換開關為雙刀雙控開關K，所述第一功能轉換開關共有e端、d端、f端三個接線端子，所述第二功能轉換開關共有a端、b端、c端三個接線端子，第一功能轉換開關的刀閘與第二功能轉換開關的刀閘相連，由同一個手柄控制。

結合圖2，所述穩壓電路由第九電阻R9和穩壓二極體DZ串聯組成，第九電阻R9一端接在充電器輸出電路的正輸出端，第九電阻R9另一端接穩壓二極體DZ的陰極，所述穩壓二極體DZ的陽極接在充電器輸出電路的負輸出端，穩壓二極體DZ的陰極為低壓輸出端UCC，為555多諧振蕩電路供電。所述555多諧振蕩電路由555定時器、第七電阻R7、第八電阻R8、第一整流二極體D1、第二整流二極體D2、第一可調電位器RP1、第二可調電位器RP2、第三電容C3、第四電容C4組成，所述555定時器的接地端（引腳1）接地，控制端（引腳5）串聯第三電容C3後接地，閾值端（引腳6）與觸發輸入端（引腳2）並接在第一可調電位器RP1的中間抽頭,該第一可調電位器RP1的中間抽頭串聯第四電容C4後接地，所述第一可調電位器RP1的第一固定端接在第一可調電位器RP1的中間抽頭與第四電容C4的連接電路，所述第一可調電位器RP1的第二固定端與第二可調電位器RP2的中間抽頭相連；所述第二可調電位器RP2的第一固定端與第一整流二極體D1的陽極相連，所述第一整流二極體D1的陰極串第八電阻R8後接555定時器的放電端（引腳7），第二可調電位器RP2的第二固定端與第二整流二極體D2的陰極相連，所述第二整流二極體D2的陽極接555定時器的放電端（引腳7），所述555定時器的放電端（引腳7）串聯第七電阻R7後接穩壓二極體DZ的陰極即低壓輸出端UCC。所述555定時器的輸出端（引腳3）一路串聯第二電容C2後接P溝道場效應管Q2的柵極，所述P溝道場效應管Q2的漏極接蓄電池BT的負極，所述蓄電池BT的正極接在充電器的正輸出端，蓄電池BT正極與P溝道場效應管Q2的源極之間串有第四電阻R4，P溝道場效應管Q2源極接在充電器的正輸出端，所述第五電阻R5並接於P溝道場效應管Q2的源極和柵極，555定時器輸出端（3）的另一路串第二功能轉換開關的常閉開關後接N溝道場效應管Q1的柵極，所述第二功能轉換開關的常開開關串聯第一電容C1後接N溝道場效應管Q1的柵極，N溝道場效應管Q1的柵極串第六電阻R6後接地，所述N溝道場效應管Q1的源極接充電器輸出電路的負輸出端後接地，N溝道場效應管Q1的漏極接蓄電池BT的負極。低頻市電電源經整流濾波後輸入充電器輸出電路與蓄電池BT組成的充電迴路中，所述充電器設置有取樣電路、高頻整流濾波電路、光耦合電壓負反饋電路、電源塊、高頻變壓器T1；所述取樣電路跨接於充電器輸出電路的正、負輸出端，取樣電路的反饋檢測輸出端Uf與光耦合電壓負反饋電路的輸入端連接，所述光耦合電壓負反饋電路的輸出端經電源塊連接至高頻變壓器,高頻變壓器輸出端並接於高頻整流濾波電路，所述取樣電路的低壓輸出端與第一功能轉換開關的一端連接，所述第一功能轉換開關的另一端連接至充電器輸出電路的負輸出端。所述取樣電路由第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3依次串聯組成，其中第一電阻R1的自由端接在充電器的正輸出端，第一電阻R1與第二電阻R2的公共端接光耦合電壓負反饋電路的輸入端，第二電阻R2與第三電阻R3的公共端串第一功能轉換開關的常開開關後接充電器的負輸出端，第三電阻R3的自由端接充電器的負輸出端，所述所述光耦合電壓負反饋電路的輸出端經電源塊連接至高頻變壓器T1的原邊，所述光耦合電壓負反饋電路主要元件為光電耦合器，所述電源塊內置有開關電晶體。所述高頻整流濾波電路由第三整流二極體D3和第五電容C5依次串聯組成，其中第三整流二極體D3正向串接於充電器正輸出電路，第五電容C5跨接在充電器輸出電路的正、負輸出端。

在本實用新型實施例中，如圖2所示，所述第一可調電位器RP1和第二可調電位器RP2的阻值為50kΩ-100kΩ，555定時器的輸出端（引腳3）輸出頻率為6-20kHz，佔空比為10%-95%的矩形脈衝波，所述電源塊為STRG9656。當給蓄電池BT充電時，則將第一功能轉換開關的f端和d端接通、第二功能轉換開關的b端和c端接通，這時充電器的直流輸出電壓Uo約為15V，穩壓電路的低壓輸出端UCC向555定時器的工作電壓輸入端（引腳8）、復位端（引腳4）以及充電電路：輸入電壓UCC-R7-D2-RP2-RP1-C4提供一個高電平電壓信號，同時555定時器的輸出端(引腳3）向外輸出周期性矩形脈衝，由於第二功能轉換開關的c端和b端已接通，因此該矩形脈衝信號直接驅動N溝道場效應管Q1周期性的導通和截止。在N溝道場效應管Q1導通時即蓄電池BT的充電迴路導通，直流電壓Uo加載到蓄電池BT的正、負端給蓄電池BT充電。在N溝道場效應管Q1截止時，蓄電池BT兩端得不到直流電壓Uo，這時蓄電池BT兩端只能得到幅值約14.2V周期性的正脈衝電壓，與此同時，555定時器輸出的周期性矩形脈衝經第一波形轉換電路處理後，到達P溝道場效應管Q2柵極的是正負相間的尖頂脈衝，負尖頂脈衝使Q2管導通，此時蓄電池BT通過導通的P溝道場效應管Q2和限流電阻R4放電。由於負尖頂脈衝持續時間很短，所以P溝道場效應管Q2導通時間也很短，這樣形成了蓄電池BT瞬時放電的負脈衝。在P溝道場效應管Q2瞬間導通時，N溝道場效應管Q1仍處於截止狀態，這時未接蓄電池BT的正負脈衝充電波形如圖3所示，此時555定時器輸出的正脈衝佔空比最大，由此可知調節555定時器的輸出脈衝佔空比即調節第二可調電位器RP2的阻值，就可以調節初始充電電流的大小。由於放電的負脈衝持續時間很短，而正脈衝持續時間遠大於負脈衝持續時間，所以蓄電池BT整體上是在充電，從而實現了蓄電池的正負脈衝充電。

在本實用新型實施例中，如圖2所示，當修復蓄電池BT因「硫酸鹽化」而縮小的使用容量時，將第一功能轉換開關的f端和e端接通、第二功能轉換開關的a端和c端接通時，此時取樣電阻R3被短接，充電器輸出的光耦合電壓負反饋減弱，從而直流輸出電壓Uo提高至約28V，此時555定時器輸出端(引腳3）輸出的周期性矩形脈衝經過第二波形轉換電路處理後，到達N溝道場效應管Q1柵極的是正負相間的尖頂脈衝，正尖頂脈衝驅動N溝道場效應管Q1導通，其它時間N溝道場效應管Q1截止。由於正尖頂脈衝持續時間短，因此N溝道場效應管Q1導通時間也短，從而直流電壓Uo只能短時間加載到蓄電池BT的兩端，這樣蓄電池BT兩端就只能得到約為25.6V的高幅值窄正脈衝。與此同時，555定時器輸出端（引腳3）輸出的周期性矩形脈衝經第一波形轉換電路處理後，到達P溝道場效應管Q2柵極的是正負相間的尖頂脈衝，負尖頂脈衝使P溝道場效應管Q2導通，此時蓄電池BT通過導通的P溝道場效應管Q2和限流電阻R4放電。由於負尖頂脈衝持續時間很短，所以P溝道場效應管Q2導通時間也很短，這樣就形成了蓄電池BT瞬時放電的負脈衝。在P溝道場效應管Q2瞬間導通時，N溝道場效應管Q1仍處於截止狀態，負脈衝之後是脈衝停歇期，如圖4所示，這種情況下555定時器輸出的正脈衝佔空比最大，其正脈衝佔空比可微調減小。

本正負脈衝充電與容量修復器的初始充電電流大小可調，避免被充電的蓄電池電壓過低時造成初始充電電流過大的問題，以匹配不同額定容量的鉛酸蓄電池對初始充電電流大小的要求，即一般要求用蓄電池額定容量的0.1～0.3倍大小的電流來充電，克服了現有充電器只匹配某特定容量的鉛酸蓄電池充電的缺點。另外，通過調節矩形波振蕩電路的頻率即調節第一可調電位器RP1來調整充電脈衝的頻率，配合充電脈衝佔空比的調節使初始充電電流的大小符合要求，而且充電脈衝頻率會隨電池充滿電後自動降低，使充電電流在單位時間內的平均值減少，避免電池過充電，降低了蓄電池「熱失控」和 「硫酸鹽化」的機率。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在實用新型的保護範圍之內。