鉛酸蓄電池的充電優化管理器的製作方法

2023-10-25 17:58:47 1

專利名稱：鉛酸蓄電池的充電優化管理器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及蓄電池充電和蓄電池電源管理電路領域，尤其涉及用於鉛酸
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行綜合的充電參數修正、保 護及自動修復，在IPC國際分類表中主要歸屬於H02J小類。
背景技術：
問題的提出目前輕型電動車主要包括電動自行車、電動摩託車、電動三輪車、電動小貨車等 等，在國內的保有量已經達到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隻額定電壓為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到5億隻。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行多年的調查分析後 發現除了電池本身的製造缺陷以外，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。設計壽命達到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或維修。鉛酸電池具有較高的性價比和製造工藝比較簡單成熟的特點，自實用新型到現在 156年來一直被廣泛使用。由於輕型電動車的主要消費團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備，佔輕型電動車電池標準配置的93%以上。鉛酸電池的電解質是稀硫酸和少量的添加劑組成，為了讓全密閉免維護的鉛酸電 池適用於電動車的牽引使用場合，在極板的正極板柵當中普遍添加金屬銻。銻可以延長牽 引型電池的深循環壽命，但電池使用幾個月後銻從正極遷移到負極後會導致負極析氫過電 位的下降而讓電池失水加速，電池失水後，AGM隔離板的吸酸飽和度降低，氧氣的複合通道 增加，過度的氧複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境 下可能導致熱失控，熱失控導致電池嚴重發熱甚至外殼鼓脹結束壽命，嚴重失水的電池或 者外殼鼓脹的電池連維護的機會都沒有。全國5億隻電池的飽有使用量，且每年以1億隻的用量在增加，大部分電池壽命終 止都是電解質被充幹、酸霧揮發到大氣中，這將會帶來不可忽略的大氣汙染和環境的酸化， 酸霧也會增加陰霾天氣發生的頻次。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。少量有人使用「智能型」充電器，確實達到保護和養護電池的價格很高，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飽而已。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損壞的原因分析 (1)因輕型電動車電池的通用充電器的因素而導致損壞。 市場上通用的充電器以「三段式」充電器為主，約佔市場總用量的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，還有部分是單片機控制的智能充電器。以使用最廣泛的三段式充電器48V12Ah電池組專用的為例進行說明。充電的三個階 段第一階段是恆流階段，這個階段不管電池的電壓和飽和度，都以恆流大約1. 8A連續進 行充電，電池組的電壓隨著充電飽和度的增加而提高，當電池組的電壓到達充電器設置的 恆壓值大約為59. 2V以後，充電器就自動轉為第二個充電階段恆壓充電階段，恆壓充電過 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，當電流小於充電器 的設定值大約0. 4A之後，充電器轉為浮充階段，這個過程充電器的「紅燈」轉「綠燈」，俗稱 「轉燈」，進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，有利於電池組的均衡。如果充電器不出現異常，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。可是市場上的充電器出現異常的概率很高，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)充電器出廠設置電壓偏高、轉燈電流偏小。充電器的生產廠家很多，質量 參差不齊，參數設置不準確的情況比較普遍。可能是由於激烈的價格競爭很多充電器廠家 迫於成本壓力導致劣質充電器的產生，再則充電器廠家不需要對電池的三包負責，也是導 致充電器不負責任的主要原因。(1. 1.2)充電器故障造成高壓。充電器中的開關電源的光耦反饋電路故障可能導 致充電器的輸出電壓過高甚至翻倍。(1. 1. 3)充電器的電子原器件的參數離散性和元件的老化等原因都可能造成參數 漂移以至高電壓輸出。免維護鉛酸蓄電池過充電損壞機理鉛酸電池被過度充電之後，充電末期多餘的 電流用於分解水，生產氧氣和氫氣，如果充電電壓能夠控制合適，產生的氧氣可以被陰極 (負極)吸收之後被還原成水，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後，氫氣在常溫常壓下無法還原成水。電解質中水分的缺失造成 電池的內阻增大和氧複合通道的增加，充電末期電池發熱，電池發熱後會造成充電過程電 壓不上升反而下降的現象稱之為「熱失控」，產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。熱失控將導致電池嚴重損壞，因為鉛酸蓄電 池外殼使用ABS工程孰料或PP塑料，軟化點一般為78°C _85°C，當電池超過塑料外殼的軟 化點後就產生塑性變形，外殼變形鼓脹俗稱「鼓包」。(1.2)充電器的欠充電問題(1.2. 1)充電器出廠設置電壓偏低、轉燈電流偏大。由於市場的規則，充電器廠家 為了逃避把電池充壞可能被索賠的風險，一般都把充電器的參數設置為負偏差，導致電池 充電不飽和，由於充電不飽和導致的電池損壞，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)充電器內的電子元件參數漂移造成充電不足。(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」，硫化後電池容量下降可能無法達到正常的使用需求。(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境溫度越高，充電接受能力越 強，反之則越弱。大部分充電器都是沒有合適的溫度補償功能。(1.3. 2)充電器電壓設置高，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置高導致的結果。(1. 3. 3)還有一部分充電器因為設計或原器件的原因有正溫度特性也就是說環 境溫度越高，充電電壓也越高，環境溫度下降充電的電壓也下降。這是與鉛酸電池的充電接 受能力相反的設計，會造成夏天過充電和冬天欠充電的現象。對電池的實際使用和壽命大 為不利。(2)因電池組當中電池局部單體的損壞導致整組電池損壞。電動車電池是串聯使用，一組48V的電池需要M個2V的單體組成，其中一個單體 故障可能導致整組電池在充電過程中被過度充電而損壞，主要表現在以下幾個方面 (2.1)電池硫化沒有及時修復；(2.2)電池失水沒有及時補充；(2. 3)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)電池組因為電化學的特性導致一致性的誤差，沒有均衡充電會導致差異化 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，如果環 境溫度高，且整組電池還被密封在塑料外殼(電池箱)當中，散熱不良會造成電池充電末期 的溫度超過60度。電池的溫度達到或超過60度，將造成熱失控的發生。(3. 2)低溫環境的低溫會造成電池充電接受能力下降，電池長時間處於不飽和的 狀態會造成硫化，硫化的累積導致電池電動勢下降，電動勢下降造成充電不轉燈，充電不轉 燈造成失水或鼓包。(4)因電池組的老化導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。鉛酸蓄電池老化後，會發生「老年綜合症」失水、內阻增加、硫化、容量不均衡、技 晶短路、極耳腐蝕掉落、單體機械短路、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，充電不轉燈，外殼 鼓包。電池組老化發生後，會使充電器對其過度充電而進一步加劇老化損壞。最後，大部分 的鉛酸蓄電池到了壽命終止，都以電解質乾涸硫酸揮發，外殼鼓包而結束。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隻充電器(並且 每年還將新增三段式充電器3000萬隻以上)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課題。
實用新型內容因此，本實用新型提出一種鉛酸蓄電池的充電優化管理器，將該充電優化管理器 串接於已有的充電器與鉛酸蓄電池組之間，就可以通過其充電優化管理，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。本實用新型採用如下技術方案本實用新型的鉛酸蓄電池的充電優化管理器是將該充電優化管理器串接於充 電器與鉛酸蓄電池組之間，該充電優化管理器通過控制器監控採集到鉛酸蓄電池組的端電 壓信號和充電迴路的充電電流信號，並以PWM方式控制一額外電壓疊加至充電迴路上或者 導通或關閉該疊加了額外電壓的充電迴路。所述的充電優化管理器內設有單片機、隔離式 DC-DC模塊、電壓電流採樣模塊和PWM驅動輸出模塊，所述的電壓電流採樣模塊連接於所述 的鉛酸蓄電池組的兩端用於採集其端電壓信號，並連接於充電迴路上用於採集其充電電流 信號，該電壓電流採樣模塊輸出其採集的鉛酸蓄電池組的端電壓信號和充電迴路的充電電 流信號至單片機的信號輸入埠，所述的隔離式DC-DC模塊和PWM驅動輸出模塊串接於充 電迴路上，該隔離式DC-DC模塊輸出還連接於單片機的電源輸入埠以提供工作電源，單 片機的PWM控制埠輸出連接於該PWM驅動輸出模塊以PWM方式控制該充電迴路通斷。優選的，所述的充電優化管理器還內設有溫度檢測模塊用於檢測環境溫度，控制 器根據環境溫度以溫度補償的PWM方式進行充電控制。進一步的，所述的控制器的PWM控制方法是a. 當控制器監控採集到鉛酸蓄電池組的端電壓信號過高，則調整合適的PWM波 形以控制上述的充電迴路通斷頻率，以降低到合適的平均充電電壓輸出；b. 當控制器監控採集到鉛酸蓄電池組的端電壓信號過低，則導通充電迴路以提 高充電電壓後，再調整合適的PWM波形以控制所述的充電迴路通斷頻率，以輸出合適的平 均充電電壓；c. 當控制器監控採集到鉛酸蓄電池組的端電壓信號和充電迴路的充電電流信 號在不同充電階段出現異常時，則調整PWM波形控制所述的充電迴路通斷頻率使其充電電 流輸出小於或等於所述的鉛酸蓄電池組容量的1/60—1/120，進行浮充充電；d. 當控制器監控採集到鉛酸蓄電池組的端電壓信號和充電迴路的充電電流信 號在恆壓充電階段且基本飽和之後，則調整PWM波形控制所述的充電迴路通斷頻率使其進 行一段時間的間歇充電，以消除鉛酸蓄電池組產生的硫化；e. 當控制器內置的計時和計數程序滿足設定條件，則控制器根據監控採集到的 充電迴路的充電電流信號，調整PWM波形控制所述的充電迴路通斷頻率使其輸出特定恆定 充電電流，進行均衡充電。更進一步的，所述的情況c的PWM控制方法具體是cl.在充電電流恆定的恆流充電階段時，在且充電時間t〈設定時間Tl的前提， 當Ku =0時為正常狀態，當Ku >0時為充電未飽和狀態，當Ku <0時為異常狀態；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，Δ t為充電 時間變化值；c2.在充電電壓恆定的恆壓充電階段時，在且充電時間t 3設定時間Tl的前提，
6當Ki<0時為正常狀態，當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，當Ki>0時為 異常狀態；所述的Ki= Δ I/ Δ t，其中Ki為充電電流變化率，Δ I為充電電流變化值，Δ t 為充電時間變化值。優選的，如上所述的時間Tl是120分鐘。優選的，所述的充電優化管理器還設有控制器控制的故障報警燈和充電迴路截止
直ο進一步的，所述的充電優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，並連接由PWM電源驅動晶片ICl輸出控制開關管Ql的開關電路，變壓器Tl 的第一副線圈端N2輸出工作電流至PWM電源驅動晶片ICl的電源端VCC，變壓器Tl的第 二副線圈端N3輸出所述的額外電壓疊加至充電迴路，該迴路串接有繼電器開關K1，該繼電 器開關Kl的控制端連接於單片機晶片IC2的IO埠，變壓器Tl的第三副線圈端N4輸出 工作電流，並經整流穩壓晶片U2後供單片機晶片IC2的電源端VCC，所述的變壓器Tl的 第二副線圈端N3輸出迴路並經過接有光耦器Ul隔離的反饋迴路反饋回PWM電源驅動晶片 ICl的CMP端，所述的單片機晶片IC2的IO埠還連接驅動LED指示燈，所述的單片機晶片 IC2的IO埠還連接放大三極體Q3驅動的半導體開關管Q4控制充電迴路，所述的充電回 路的電流經過運放器IOB採樣輸入至單片機晶片IC2的ADC埠，所述的充電迴路的電壓 及鉛酸蓄電池組端的電壓經採樣輸入至單片機晶片IC2的ADC埠。優選的，如上所述的PWM電源驅動晶片ICl是LD7550晶片。優選的，如上所述的單片機晶片IC2是2個IO埠連接驅動2個LED指示燈，分 別是第一指示燈LEDl和第二指示燈LED2。本實用新型的鉛酸蓄電池的充電優化管理器是一種簡單且使用方便的裝置，其串 聯於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，對產生硫化的鉛酸蓄電池組可以實現自動的修復還原，更重要的是本實 用新型的充電優化管理器不需要在鉛酸蓄電池組上加裝溫度傳感器，只通過內部的軟體對 鉛酸蓄電池組的伏安特性進行判斷，就可以預先發現鉛酸蓄電池出現熱失控的前兆並加以 預防，本實用新型的充電優化管理器還能通過「閃電充限」波形對產生阻擋層的鉛鈣合金電 池進行消除阻擋層，這是世界性的技術難題，填補了技術空白。因此，當市場上的上億隻三段式充電器如果都能配置本實用新型的鉛酸蓄電池的 充電優化管理器之後，鉛酸蓄電池的使用壽命可以達到設計的最長壽命，最關鍵的是，鉛酸 蓄電池的壽命終止將不再以電解液乾涸，硫酸揮發到大氣中來結束，而是以自然的老化為 終止。這對環境的保護和消費者利益的保護都有很重要的意義。

圖1是本實用新型充電時的連接示意圖；圖2是本實用新型的實施例1的電路框圖；圖3是本實用新型的實施例2的電路框圖；圖4是本實用新型的一個優選實施例的電路原理圖。
具體實施方式
現結合附圖和具體實施方式
對本實用新型進一步說明。參閱圖1，在已有的技術中，是將三段式充電器1直接串聯待充電的鉛酸蓄電池組 2。而本發明的改進正是在於在原有的三段式充電器1和鉛酸蓄電池組2之間串聯本發明 的充電優化管理器3。該充電優化管理器3通過控制器監控採集到鉛酸蓄電池組的端電壓 信號和充電迴路的充電電流信號，並以PWM方式控制一額外電壓疊加至充電迴路上或者導 通或關閉該疊加了額外電壓的充電迴路。具體的參閱圖2和圖3所示，所述的充電優化管理器3內設有單片機301、隔離式 DC-DC模塊302、電壓電流採樣模塊303和PWM驅動輸出模塊304，所述的電壓電流採樣模塊 303連接於所述的鉛酸蓄電池組2的兩端用於採集其端電壓信號，並連接於充電迴路上用 於採集其充電電流信號，該電壓電流採樣模塊303輸出其採集的鉛酸蓄電池組的端電壓信 號和充電迴路的充電電流信號至單片機301的信號輸入埠 3011，所述的隔離式DC-DC模 塊302和PWM驅動輸出模塊304串接於充電迴路上，該隔離式DC-DC模塊302輸出還連接 於單片機301的電源輸入埠 3012以提供工作電源，單片機301的PWM控制埠 3013輸 出連接於該PWM驅動輸出模塊304以PWM方式控制該充電迴路通斷。圖2所示的實施例1 和圖3所示的實施例2的原理是相同的，不同的是PWM驅動輸出模塊304連接方式略有區 別。實施例1是通過對充電迴路的負極進行PWM控制，實施例2是通過對充電迴路的正極 進行PWM控制，兩者的效果是一致的。充電器1的正極連接於充電優化管理器3的正極，然後串聯於充電優化管理器3 內部的隔離式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原有的電壓後，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造性應用電路。例如充 電器原來輸出電壓為55V，隔離式DC-DC模塊302為55V轉12V，原充電器的55V電壓疊加 隔離式DC-DC模塊302輸出的12V之後，總電壓為55V+12V=67V。充電器1的負極與充電優化管理器3的負極連接，然後經過內部的PWM驅動 輸出模塊304調節輸出，輸出即為充電優化管理器3的負極與鉛酸蓄電池組2的負極連接， PWM驅動輸出模塊304受控於單片機301的程序信號，可以控制充電的電流，以達到控制蓄 電池組2充電電壓、充電飽和度，防止蓄電池組2出現異常等功能，特別是單片機301採集 到蓄電池組2的電壓和充電電流信號，經過單片機301特定程序的計算，可以遠程非接觸式 感應到電池是否出現熱失控或其他異常，從而調整PWM關閉迴路或控制充電迴路的電流。如上所述的PWM稱為脈衝寬度調製(PWM)，是英文「Pulse Width Modulation」的 縮寫，簡稱脈寬調製。它是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有 效的技術，廣泛應用於測量，通信，功率控制與變換等許多領域。一種模擬控制方式，根據相 應載荷的變化來調製電晶體柵極或基極的偏置，來實現開關穩壓電源輸出電晶體或電晶體 導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恆定。脈衝寬度調 制(PWM)是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高解析度計數器的使用，方波 的佔空比被調製用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在 給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要麼完全有(ON)，要麼完全無(OFF)。電壓或電流源是 以一種通(ON)或斷(OFF)的重複脈衝序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供
8[0073]本實用新型的充電優化管理器3實現各項功能的原理說明，為了便於說明清楚， 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 參數進行說明。1、充電優化管理器3對電壓過高的充電器1進行參數修正的原理和功能的實現當充電器1的電壓過高時，充電優化管理器3中單片機的AD 口檢測到過電壓信號 後啟動PWM對電池組2的端電壓進行控制，調整合適的PWM波形以控制上述的充電迴路通 斷頻率，以降低到合適的平均充電電壓輸出，達到設定的最佳充電限壓值。2、充電優化管理器3對於充電器1的充電電壓不足的參數修正原理和功能的實 現充電優化管理器3中的單片機的AD 口檢測到充電器1的最大充電電壓不足時，單 片機的IO 口輸出控制信號啟動充電優化管理器3中的DC-DC轉換器模塊，充電器1的電壓 得到提升，然後再經過PWM的調製進行充電，讓電池組2的端電壓達到和保持最佳的充電電壓值。3、充電優化管理器3對不同環境溫度下調整不同充電參數的工作原理和功能的 實現優選的，所述的充電優化管理器3還內設有溫度檢測模塊用於檢測環境溫度，控 制器根據環境溫度以溫度補償的PWM方式進行充電控制。溫度檢測模塊信號與單片機的AD 口連接，經過AD 口的模數轉換後，經過單片機內部的溫度計算程序，可以計算環境的溫度 值。充電優化管理器3開機很短的時間內充電優化管理器3還沒發熱，溫度和環境溫度基 本保持一致，這時候，單片機記錄當時的環境溫度，並且所存到單片機的內存中。根據環境 溫度的高低，單片機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 現最佳的充電器參數的溫度補償。4、充電優化管理器3對電池組2 「熱失控」和電池組2出現單格短路等異常進行 判定和保護性充電的原理和功能的實現充電優化管理器3的單片機自從開始工作，就一直監控電池組2的端電壓變化和 充電電流的關係並計算。4. 1、恆流充電階段，當充電電流恆定時，電池組電壓的變化和充電時間的關係 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，Δ t為充電 時間變化值。4. 2、根據鉛酸蓄電池的充電特性，當Ku =0時，且Δ t=120min,則電池組進入恆壓 充電階段。4. 3、根據鉛酸蓄電池的充電特性，當Ku >0時，表示充電未飽和，還在繼續中。4. 4、根據鉛酸蓄電池的充電特性，當Ku <0時，表示電池組出現熱失控或單格短路 之類的異常。4. 5、當電池組的伏安特性滿足4. 2的條件時，電池組進入恆壓充電階段，在這個 過程中，充電電流的變化值Ki= Δ I/ Δ t，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；[0087]4. 6、根據鉛酸蓄電池的充電特性，當Ki0時，表示電池組已經老化或出現熱時失 控；4. 10、當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「熱失控」或「單體短路」或其他異常；4. 11、當充電過程出現異常時，充電優化管理器立即調整PWM，讓充電電流為0，或 充電電流小於等於電池組容量的1/60—1/120，進行無損傷無失水的浮充充電。然後再通 過充電優化管理器的指示燈設置，提醒用戶電池組的異常。5、充電優化管理器3的調頻脈衝對電池組2進行自動修復的原理和功能的實現調頻脈衝是指充電末期，當電池組進入恆壓充電階段且基本飽和之後，用電池端 電壓的回滯值為控制參數進行間歇充電的模式，調頻脈衝可以讓電池組充電更飽和，且能 消除產生的硫化。例如當48V的電池組的電壓達到60V之後，停止充電，電池組電壓自動 下降，這個過程是自動消除極化，有利於提升充電接受能力，當電池組的電壓下降到58V之 後，繼續以電池組容量1/20的電流進行充電，如此循環。由於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，當回滯電壓固定後，需要的時間也不同，這個頻 次是變化的，故稱為調頻脈衝。當這個充電階段的總時間達到設定值，例如35分鐘後，調頻 脈衝充電結束。6、充電優化管理器3對電池組2進行定期均衡充電的原理和功能的實現均衡充電是小電流長時間的脈衝充電，是鉛酸蓄電池維護保養的常用方法，充電 過程只限流不限壓。充電優化管理器內部設置時鐘程序和計數程序，當電池組經歷10-50 次(可設定)充放電循環，大約用戶實際使用30-90天，充電優化管理器自動啟動均衡程序對 電池組進行一次均衡充電。均衡充電的效果可以讓電池組當中出現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、充電優化管理器3的時鐘設定防止充電意外。8. 1、充電優化管理器控制充電過程為恆流充電過程、恆壓充電過程、脈衝補強修 復過程、浮充過程、均衡充電過程等。8. 2、恆流充電過程的最長時間預置。根據電池的剩餘容量設定恆流充電過程的最 長充電時間。充電優化管理器開機時對電池組的端電壓進行檢測，根據端電壓的值可以基 本確定電池組的剩餘容量，電池的總容量減去剩餘容量就是等於需要充電的容量，需要充 電的容量除以充電電流可以算出充電時間。當充電優化管理器中的單片機計算好需要恆流 充電的時間後，就可以預知電池組進入恆壓階段的大致時間和參數變化，如果到了預置的 時間，電池組在恆壓階段，電流沒有下降，即以時間優先，讓電池組進入下一階段的充電模 式。8. 3、恆壓充電過程的時間預置。根據電池組的充電特性曲線，預置恆壓充電階段 的最長時間限制，當時間到了，充電電流如果依然無法下降到合理的設定值，則時間優先，進入下一個充電步驟。9、充電優化管理器3的自我保護電路原理和功能的實現。充電優化管理器3也是電子產品，也可能產生故障和不良。因此設置充電優化管 理器本身的自我保護和故障處理對保護電池組具有很重要的意義。在充電優化管理器3 的硬體中有一個故障報警燈和充電迴路截止裝置，當充電優化管理器3開始工作時處於充 電截止狀態，且故障燈亮著，單片機啟動後進行軟體自檢和硬體掃描，當檢測結果一切正常 後，故障燈熄滅，充電迴路接通充電，在充電的過程中，每間隔一段時間都重複這樣的檢查。 假設充電優化管理器3的單片機出現故障或死機的時候，充電優化管理器3是無法充電的， 這時候故障燈長亮著，提醒消費者。參閱圖5所示，是本實用新型的一個優選實施例的電路原理圖。所述的充電優化 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，並連接由PWM電源驅 動晶片ICl輸出控制開關管Ql的開關電路，變壓器Tl的第一副線圈端N2輸出工作電流至 PWM電源驅動晶片ICl的電源端VCC，變壓器Tl的第二副線圈端N3輸出所述的額外電壓 疊加至充電迴路，該迴路串接有繼電器開關K1，該繼電器開關Kl的控制端連接於單片機芯 片IC2的IO埠，變壓器Tl的第三副線圈端N4輸出工作電流，並經整流穩壓晶片U2後供 單片機晶片IC2的電源端VCC，所述的變壓器Tl的第二副線圈端N3輸出迴路並經過接有 光耦器Ul隔離的反饋迴路反饋回PWM電源驅動晶片ICl的CMP端，所述的單片機晶片IC2 的IO埠還連接驅動LED指示燈，所述的單片機晶片IC2的IO埠還連接放大三極體Q3 驅動的半導體開關管Q4控制充電迴路，所述的充電迴路的電流經過運放器IOB採樣輸入 至單片機晶片IC2的ADC埠，所述的充電迴路的電壓及鉛酸蓄電池組端的電壓經採樣輸 入至單片機晶片IC2的ADC埠。優選的，如上所述的PWM電源驅動晶片ICl是LD7550芯 片。所述的單片機晶片IC2是2個IO埠連接驅動2個LED指示燈，分別是第一指示燈 LEDl和第二指示燈LED2。所述的整流穩壓晶片U2採用7805晶片。儘管結合優選實施方案具體展示和介紹了本實用新型，但所屬領域的技術人員應 該明白，在不脫離所附權利要求書所限定的本實用新型的精神和範圍內，在形式上和細節 上可以對本實用新型做出各種變化，均為本實用新型的保護範圍。
權利要求1.鉛酸蓄電池的充電優化管理器，其特徵在於將該充電優化管理器(3)串接於充電 器(1)與鉛酸蓄電池組(2)之間，所述的充電優化管理器(3)內設有單片機(301)、隔離式 DC-DC模塊(302 )、電壓電流採樣模塊(303 )和PWM驅動輸出模塊(304 )，所述的電壓電流採 樣模塊(303)連接於所述的鉛酸蓄電池組(2)的兩端用於採集其端電壓信號，並連接於充 電迴路上用於採集其充電電流信號，該電壓電流採樣模塊(303 )輸出其採集的鉛酸蓄電池 組的端電壓信號和充電迴路的充電電流信號至單片機(301)的信號輸入埠(3011)，所述 的隔離式DC-DC模塊(302 )和PWM驅動輸出模塊(304)串接於充電迴路上，該隔離式DC-DC 模塊(302)輸出還連接於單片機(301)的電源輸入埠(3012)以提供工作電源，單片機 (301)的PWM控制埠(3013)輸出連接於該PWM驅動輸出模塊(304)以PWM方式控制該充 電迴路通斷。
2.根據權利要求1所述的鉛酸蓄電池的充電優化管理器，其特徵在於所述的充電優 化管理器(3 )還內設有溫度檢測模塊用於檢測環境溫度。
3.根據權利要求1所述的鉛酸蓄電池的充電優化管理器，其特徵在於所述的充電優 化管理器(3)還設有控制器控制的故障報警燈和充電迴路截止裝置。
4.根據權利要求1所述的鉛酸蓄電池的充電優化管理器，其特徵在於所述的充電優 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，並連接由PWM電 源驅動晶片ICl輸出控制開關管Ql的開關電路，變壓器Tl的第一副線圈端N2輸出工作電 流至PWM電源驅動晶片ICl的電源端VCC，變壓器Tl的第二副線圈端N3輸出所述的額外 電壓疊加至充電迴路，該迴路串接有繼電器開關K1，該繼電器開關Kl的控制端連接於單片 機晶片IC2的IO埠，變壓器Tl的第三副線圈端N4輸出工作電流，並經整流穩壓晶片U2 後供單片機晶片IC2的電源端VCC，所述的變壓器Tl的第二副線圈端N3輸出迴路並經過 接有光耦器Ul隔離的反饋迴路反饋回PWM電源驅動晶片ICl的CMP端，所述的單片機晶片 IC2的IO埠還連接驅動LED指示燈，所述的單片機晶片IC2的IO埠還連接放大三極體 Q3驅動的半導體開關管Q4控制充電迴路，所述的充電迴路的電流經過運放器IOB採樣輸 入至單片機晶片IC2的ADC埠，所述的充電迴路的電壓及鉛酸蓄電池組端的電壓經採樣 輸入至單片機晶片IC2的ADC埠。
5.根據權利要求4所述的鉛酸蓄電池的充電優化管理器，其特徵在於所述的PWM電 源驅動晶片ICl是LD7550晶片。
6.根據權利要求4所述的鉛酸蓄電池的充電優化管理器，其特徵在於所述的單片機 晶片IC2的2個IO埠連接驅動2個LED指示燈，分別是第一指示燈LEDl和第二指示燈 LED2。
專利摘要本實用新型涉及蓄電池充電和蓄電池電源管理電路領域，尤其涉及用於鉛酸蓄電池的充電管理電路。本實用新型的鉛酸蓄電池的充電優化管理器是將該充電優化管理器串接於充電器與鉛酸蓄電池組之間，所述的充電優化管理器內設有單片機、隔離式DC-DC模塊、電壓電流採樣模塊和PWM驅動輸出模塊，該充電優化管理器通過單片機監控採集到鉛酸蓄電池組的端電壓信號和充電迴路的充電電流信號，並以PWM方式控制隔離式DC-DC模塊的額外電壓疊加至充電迴路上或者導通或關閉該疊加了額外電壓的充電迴路。本實用新型的鉛酸蓄電池的充電優化管理器是簡單且使用方便的裝置，可以防止鉛酸蓄電池被過充電損壞、硫化，對產生硫化的鉛酸蓄電池組可以實現自動的修復還原。
文檔編號H02J7/00GK201846097SQ20102025732
公開日2011年5月25日 申請日期2010年7月14日 優先權日2010年7月14日
發明者陳賴容 申請人:陳賴容