專利名稱：對多組蓄電池充電方法和其控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種蓄電池的充電方法和裝置，特別涉及具有多組蓄電池的 太陽能光伏電源系統、風能電源系統，或者太陽能和風能混合系統中的蓄電 池的控制方法。
背景技術：
獨立式太陽能光伏發電系統，包括太陽能路燈，如圖1所示，由做為能
量轉換單元的光伏組件101、蓄電池103和控制單元102組成。其基本工作狀 態是在白天利用陽光對蓄電池進行充電，晚間利用蓄電池對負載放電。充-放 電過程由控制單元來控制執行。在實際應用中，考慮到連陰天氣的情況，蓄 電池需要配備較大的儲備容量，以保證在連陰天氣時，在白天電池組不能完 全充滿電，而晚間還需要放電的要求，因此在獨立式太陽能發電系統中，通 常的情況是蓄電池(組)在20-80%放電深度范圍內循環使用，這種情況稱之 "部分充電狀態"。
太陽能光伏系統的充電問題，近年來公開的各種最大功率跟蹤技術 (MPPT)可以提高太陽能光伏組件的輸出效率。但是，蓄電池本身有充電接 受能力的問題，在充電初期可以接受大電流的充電，蓄電池達到析汽點電壓 之后就伴隨有副反應的發生，這時過大的充電電流不僅不能存儲到蓄電池中， 反而造成蓄電池的大量析汽和失水，加速蓄電池的老化。蓄電池的充電接受 能力隨著電池充滿而逐步下降。閥控式密封鉛酸蓄電池的析汽點電壓在環境 溫度25'C時一般為2.35V左右(與環境溫度和蓄電池內電解液密度有關)。現 有的系統，為保證蓄電池能快速充滿而需要較大輸出功率的光伏組件，但是 在蓄電池到達析汽點電壓之后，雖然太陽能光伏組件仍然有輸出電量的能力， 但是蓄電池卻不能接受，這時就浪費了光伏組件的資源。
嚴重的是，由于獨立式太陽能光伏發電系統在目前的設計和使用條件下， 蓄電池經常是處于"部分充電狀態"，在連陰天連續多日不能充滿，長期"欠 充電"的電池會發生負板極不可逆轉的硫酸鹽化現象。之后即使在天氣晴朗 太陽能光伏組件有足夠的輸出時，也難于再次充滿。其結果是蓄電池"健康" 情況惡化、容量下降，使用壽命縮短。
太陽能光伏系統，以及在獨立式風能電源和風光互補電源系統，即太陽能和風能混和系統中，由于原始能源的不穩定性，都存在類似的問題。
針對太陽能光伏充電系統所存在的問題，2008年2月的"電力電子技術" 中刊載了作者為吳波等的《多電池組太陽能光伏電源系統的設計和應用》一 文中提出了蓄電池分組的概念，但該文中提出對鋰蓄電池^M進行充電，且 采用的是恒流恒壓方式。
在第CN02282038.8名稱為《太陽能脈沖式充電系統》的實新專利中，莊 佳璋提出了脈沖式充電系統，它的脈沖充電是在蓄電池充滿之后，以脈沖的 充電方式取代浮充。
針對蓄電池使用壽命的問題，本案申請人在專利號為CN01117645.8,名 稱為《有維護功能的充電方法及其裝置》的發明專利中，提出了正負脈沖的 充電方法。它是穩定電源對一組蓄電池的充電方法，它提供了組合正負脈沖 電流充電、析汽點電壓的判定、溫度補償及蓄電池充滿判據等方法。本文也 將其一并引入，作為背景技術。
發明內容
本發明針對現有系統存在的能量轉換單元效率低，特別是蓄電池使用壽 命短的問題，提出采用多組蓄電池的充電方法將現有系統中的一組蓄電池 改變為多組(兩組及兩組以上)蓄電池，并對蓄電池進行排序。
本發明提供的針對多組蓄電池的充電方法為在一個充電周期中，在第
一蓄電池的充電接收能力足夠的條件下，由第一控制信號控制以能量轉換單
元的全部能量向第一蓄電池充電；以及，實時檢測第一蓄電池的充電接收能 力，當其逐漸減小并且小于該能量轉換單元的全部輸出能量時，同時用該能 量轉換單元的剩余的能量通過第二控制信號向第二蓄電池充電。
所述能量轉換單元可以是針對太陽能系統的光伏組件，也可以是針對風 能系統的風力發電機模塊。
針對太陽能發電系統，所述充電周期可以設定為一個自然天。針對風能 或者風光互補發電系統，可以設定第一蓄電池組被充滿或者蓄電池的一個充 放電使用周期。所述的充電周期，也可根據系統實際應用情況設定。
在下一個充電周期對蓄電池的排序進行輪換。在不同的周期里，各組蓄 電池輪流排序為第一蓄電池。
通過監測蓄電池的析汽點電壓判斷蓄電池的充電接收能力是否減小。在充電過程中，控制器通過電壓、電流檢測以及DV/Dt檢測，判斷被充 電池的析汽點電壓和充電情況。
在充電過程中，控制器通過溫度檢測，對充電電壓進行溫度補償。
一所述的第一控制信號和第二控制信號的強度，表征蓄電池平均充電電流 的幅度大小。
所述第一控制信號和第二控制信號為脈寬調制信號，所述第一控制信號 和第二控制信號包括在一主脈寬調制信號周期內，且分時有效。充電初期， 可令第一控制信號占空比最大化，它控制將能量轉換單元的全部能量輸入第 一蓄電池。
在第一蓄電池充電接受能力減小、能量轉換單元的輸出能力大于蓄電池 的充電接收能力時，啟動第二控制信號；隨著第一蓄電池充電接受能力減小 而逐步降低所述第一控制的占空比，同時增大第二控制信號的占空比。
所述的第一控制信號和第二控制信號的占空比，在充電過程中對應著蓄 電池充電脈沖電流的占空比。
進一步的，系統中可包含三組及更多的蓄電池，如果能量轉換單元(如 光伏組件)還有多余的能量，則同時向第三蓄電池充電。
本發明提供了一種對多組蓄電池進行充電的控制系統，包括用于控制第 一蓄電池的充電的第一控制信號的裝置，用于控制第二蓄電池的充電的第二 控制信號的裝置，用于實時檢測蓄電池的充電接受能力的檢測裝置，和根據 檢測到的蓄電池的充電接受能力調整第一控制信號和第二控制信號的調整裝 置。充電初期第一蓄電池的充電接受能力強時，第一控制信號占空比最大化， 使控制能量轉換單元的全部能量對第一蓄電池進行充電。充電過程中隨著第 一蓄電池充電接受能力逐漸減小、能量轉換單元的輸出能力大于第一蓄電池 的充電接受能力時，在逐步降低所述第一控制信號的占空比的同時，啟動第 二控制信號并逐步增大第二控制信號的占空比。
對充電情況進行記錄，并保存到存儲器中。
進一步的，為了抑制蓄電池的硫化，在控制系統中加有一個脈沖波發生 器，輸出一個持續的脈沖電流加載到蓄電池上。
各組蓄電池通過二極管、三極管、MOSFET和可控硅等開關器件并行連 接到負載上。
進一步的是，還包括去極化放電電路，在蓄電池充電的脈沖充電過程中，加有去極化負脈沖。
進一步的是，系統中還包括一脈沖發生器電路，其輸出的脈沖由控制器 控制，加載到蓄電池上。
本發明是針對現有太陽能/風能放電系統因原始能量轉換單元的能源不穩 定、蓄電池會出現長期欠充的情況下，對蓄電池的充電方法。本發明的充電 方法是根據蓄電池充電接收能力的特點，充分利用能量轉換器件(如光伏組件) 的輸出能力對多個蓄電池同時用脈沖充電。
本發明的充電方式，在一個主脈寬信號周期里對多組蓄電池同時采用脈 沖方式充電，這樣充分地利用了能量轉換單元的輸出能力。
在脈沖維護方面，本發明不單在蓄電池充滿之后進行脈沖維護，而且在 蓄電池欠充及非充-放電狀態時，也進行脈沖維護，強化了去硫化作用。
本發明的方法，因為系統中蓄電池分為較小的多組蓄電池，所以在一個 充電周期內即使能量轉換單元的能量不很充足(如光伏組件在陰天)時，第 一充蓄電池被優先充電，也容易被充滿。
每次充電的情況由控制器存儲在控制器內置的存儲器中。當一組蓄電池 被充滿之后，下一個充電周期里重新排序的另外一組蓄電池將作為第一蓄電 池被優先充滿。這樣使得即使在連陰季節里時，太陽能光伏充電系統中的各 組蓄電池也能被輪流充滿，不會處于長期"欠充電"的狀態，因而避免了負 極板失效，提高了蓄電池的使用壽命。
這樣的方法，當第一充蓄電池達到析汽點后，即其充電接受能力逐步減 少時，第二蓄電池仍然可接受光伏組件的能量，從而提高了能量轉換單元的 利用率。因此可選用較小功率的光伏組件，從而可以節省系統光伏組件的成 本。
本發明的方法可以解決太陽能光伏系統中蓄電池使用壽命短的問題，同 時提高光伏組件的效率，降低了成本。以上主要是以光伏組件進行的說明， 風能組件，以及風光互補組件的應用情況也類似。
圖1—現有的技術的框圖。
圖2是本發明的方法和系統所應用的電源系統的結構框圖。圖3指出了控制系統的一種可行的電路實現。
圖4為圖3中控制單元的作為第一種實施方式的電路原理圖。
圖5為去極化電路的原理框圖。
圖6是脈沖發生器原理框圖。
圖7是控制器輸出的一種PWM波形的示意圖。
圖8是實現PWM輸出的一個充電周期的程序流程框圖。
圖9是脈沖維護的程序框圖。
圖IO為圖3中控制單元的作為第二種實施方式的電路原理圖。 圖11是第二種實施方式的控制器輸出的PWM波形的示意圖。
具體實施例方式
本發明的控制系統以及方法適用于這樣的蓄電池電源，即該蓄電池電源 包含了至少有2組蓄電池。蓄電池數量的選擇要針對具體情況，例如對需要 100AH的蓄電池的光伏系統，可采用2組50AH的蓄電池合，通過特定設計 的控制單元，對每一組蓄電池進行獨立的控制充電，包括充電電壓、電流、 以及溫度的獨立檢測等。
下面參照實施例以一包含兩組的電源為例，對本發明作出說明。但應當 理解的是，本發明所述的方法和系統也可應用于包含三個或三個以上電池組 的電源。
在太陽能光伏系統中，可以設定為每一晝夜的自然天為一個充電周期， 當然也可根據實際情況將其他不同的時間段設置為一個充電周期。
圖2是本發明的方法和系統所應用的電源系統的結構框圖。由圖2所示， 它由光伏組件201、控制器300及2組蓄電池202-l、 202-2組成。
控制器300的可行電路實現如圖3所示，兩組蓄電池202-1、 202-2分別 通過充電回路中的開關器件302-1、 302-2進行充電控制。2組蓄電池分別通 過開關器件303-1 、303-2并行連接到負載304上；圖中的開關器件303-1、303-2 為二極管開關，也可用可控開關器件如MOSFET等器件。充放電回路中包含 給出Isen信號的電流檢測裝置306。控制器300包括控制單元400，該控制單元用于實現脈寬調制充電、系統控制，脈沖輸出，以及去極化放電電路。
在本實施例中，參照圖4，控制單元400包括微處理器(401)、脈沖輸出 電路600和去極化放電電路500。每組蓄電池202-1、202-2的正端BAT1、BAT2 經過分壓電路405-1、 405-2給到微處理器401的ADC端口電壓檢測回路，電 流檢測信號Isen通過運放403等電路給到微處理器401的ADC端口做電流檢 測。微處理器401有2路PWM輸出Pl和P2，它們分別經過驅動電路406-1 和406-2得到開關器件302-1和302-2的控制信號302-1-G和302-2-G,從而 微處理器的輸出端口 Pl和P2分別控制蓄電池202-1、 202-2的充電。微處理 器在輸出端P1和P2分別輸出PWM1和PWM2信號。微處理器401為有ADC、 PWM輸出的微處理器。
圖5是去極化負脈沖放電電路。它包括驅動電路502-1、 502-2，開關器 件501-1， 502-1和放電電阻503。微處理器401的程序產生負脈沖驅動信號， 該信號經微處理器401的端口D1、 D2、驅動電路502-1、 502-2，驅動開關器 件501-1， 502-1的導通和關閉，使得蓄電池在放電電阻503上產生所需的去 極化負脈沖。
圖6是脈沖發生器原理框圖，它采用微處理器401的I/0端口C2-l、C2-2， 脈沖信號由微處理器401的程序產生。它產生的脈沖信號經由開關管603-1、 603-2、變壓器601-1、 601-2和二極管602-1、 602-2分別加載到蓄電池202-1、 202-2上。
當蓄電池在非充-放電的狀態，控制器將這個脈沖加載到所有蓄電池上。 這個脈沖發生器的電源，在白天太陽能光伏組件有輸出能量時，由太陽能光 伏組件供電；在晚間無陽光時，由蓄電池本身供電。由控制器控制，除非蓄 電池在充電和放電的時間內，脈沖電流一直加載到蓄電池上。這樣，無論蓄 電池是否充滿時，特別是當蓄電池欠充時，都有脈沖維護，減少了硫化現象。 除微處理器軟件產生信號源，脈沖波發生器可以是任一種多諧振蕩器，頻率 從若干分之一 Hz直到lOOKHz。較佳值為100Hz到lOKHz。
圖7是控制器輸出的PWM波形的示意圖。橫坐標為時間軸，豎坐標為 PWM信號及充電電流幅度軸，其中PWM1是第一控制信號，PWM2是第二 控制信號，它們包含在一個主脈寬調制PWM信號周期T內，且分時有效。 PWM1/T=K1是第一充蓄電池的充電占空比，它是由控制器根據光伏組件的最 大輸出功率和被充電池的最大充電接受能力設定的。PWM2/T-K2是第二蓄電 池的充電占空比。當第一充蓄電池初始充電時，令Kl接近或者等于1、 K2 接近或者等于0，使得光伏組件的電量全部或者接近全部充入第一充蓄電池。 隨著第一充蓄電池逐步被充滿，其充電接受能力逐步下降，令K1的數值開始 下降，直至第一充蓄電池被充滿時K1等于或者接近0。隨著K1逐步下降、第一蓄電池的充電電流逐步減少到0, K2逐步上升、第二蓄電池的充電電流 逐步增加，直至第二蓄電池充滿或者光伏組件因天氣情況無輸出能力時停止 充電。K1+K2S1。
圖中pnl， pn2為可選的去極化脈沖，分別為第一充蓄電池和第二蓄電池 脈沖充電過程中的負脈沖信號，表示在該時間內蓄電池在實施去極化放電。 在充電過程中，在一個主脈寬調制充電周期中，當某個蓄電池的充電控制脈 寬調制信號給出脈沖電流充電完成后，微處理器通過放電電路加載到該蓄電 池上一個去極化負脈沖。使用脈沖電流和去極化負脈沖對蓄電池充電，可減 少析汽和硫化現象，有利于提高蓄電池的使用壽命。
圖IO所示為本發明的，制系統的第二實施例，即不包括去極化負脈沖放 電電路的情況，由圖10所示，每組蓄電池202-1、 202-2的正端BAT1、 BAT2 有經過分壓電路405-1、 405-2給到微處理器401的ADC端口電壓檢測回路， 其充電回路中有取樣電阻圖3中306、運放403等電流檢測電路，給到微處理 器401的ADC端口做電流檢測。微處理器401有2路PWM輸出Pl和P2， 它們分別經過驅動電路406-1和406-2得到開關器件302-1和302-2的控制信 號302-1-G和302-2-G，從而微處理器的輸出端口 Pl和P2分別控制蓄電池 202-1、 202-2的充電。微處理器在輸出端Pl和P2分別輸出PWM1和PWM2 信號。
圖11是圖IO控制器輸出的PWM波形的示意圖。橫坐標為時間軸，豎坐 標為PWM信號及充電電流幅度軸，T為主脈寬調制信號的周期。PWM1/T-K1 是第一充蓄電池的充電占空比，它是由控制器根據光伏組件的最大輸出功率 和被充電池的最大充電接受能力設定的。PWM2/T二K2是第二蓄電池的充電占 空比。當第一充蓄電池初始充電時，可令K1接近或者等于1、 K2接近或者 等于O,使得光伏組件輸出的全部電量充入第一充蓄電池。隨著第一充蓄電池 逐步被充滿，其充電接受能力逐步下降，令K1的數值下降，直至第一充蓄電 池被充滿時Kl-O。隨著K1逐步下降到O、第一蓄電池的充電電流逐步減少 到0， K2逐步上升，第二蓄電池的充電電流逐步增加，直至第二蓄電池充滿 或者光伏組件因天氣情況無輸出能力時停止充電。K1+K25 1。
圖8是實現PWM輸出的一個充電周期的程序流程框圖。在下一個充電周 期時，如果前次第一蓄電池未充滿，則繼續充電；如果前次第一蓄電池已經 充滿，則前次的第二蓄電池重新排序為第一充蓄電池，前次第一充蓄電池重 新排序為第二蓄電池。
在充電過程中，控制系統協調多組蓄電池的充電控制信號，它實時檢測 被充蓄電池的充電接受能力和光伏組件的輸出能量。所述的同時充電，指在 一個有m個蓄電池的系統中，控制器有一個主PWM周期T,每個蓄電池有PWMi(Xi^m充電控制信號。如第一充蓄電池的充電控制信號為PWM1，第 二蓄電池的充電控制信號為PWM2，依此類推。當某個被充蓄電池的PWMiO 〈iSm信號有效時，由開關器件控制此蓄電池被充電。控制器在一個主PWM 周期內，令PWMl, PWM2， ...PWMm分時有效。既在一個主PWM周期內， 被充蓄電池是分時輪流充電的。主PWM周期的長度可以任選，比如可以從毫 秒ms到分鐘min數量級。
以主PWM周期為基數T，設PWM1/T=K1 ， PWM2/T-K2，.... PWMm/T-Km分別為各個被充蓄電池的充電占空比，ZKiSl。當Kl=l時， 只有第一充蓄電池被充電。當Kl-0時，第一充蓄電池不被充電。
初始充電時，控制器的程序指令為Khl，使得光伏組件的能量全部充入 第一充蓄電池。充電過程中，控制器實時檢測蓄電池的充電情況，當第一充 蓄電池到達析汽點電壓、充電接受能力逐步減弱而光伏組件的輸出能力大于 該蓄電池的充電接收能力時，逐步減少K1的數值，同時將K2從0開始增加， 這時光伏組件的部分能量開始給第二蓄電池充電。
K2隨著K1的逐步減少而增加，它決定了第二蓄電池的充電電流。當第 一充蓄電池被充滿時，控制器的程序指令使K^0，停止對第一充蓄電池的充 電。在有三組蓄電池的情況下，在對第二蓄電池充電時，同樣監測被充蓄電 池的充電情況，當其達到析汽點電壓、充電接受能力減少時，轉而向第三蓄 電池充電。有更多組蓄電池的情況可以類推。
以上所說的充電電流，是指平均充電電流。采用所述的充電方式，充電 電流形成脈沖波形。
圖9是脈沖維護的程序框圖。它表明，當蓄電池除非在充-放電狀態時， 都有脈沖維護電流加載到蓄電池上。
每次充電的情況由控制器存儲在控制器內置的存儲器中。在后一個充電 周期開始時，如果根據存儲器存儲的充電情況記錄，前次周期中的充電池已 經完全充滿，則控制器選擇另外的一組蓄電池、例如將原來的第二蓄電池組 作為本次充電的第一充蓄電池組。使得即使在連陰季節里時，各蓄電池組也 能被輪流充滿，不會處于長期"欠充電"的狀態，因而避免了負極板失效。
權利要求
1.一種針對多組蓄電池的充電方法為在一個充電周期中，在第一蓄電池的充電接收能力足夠的條件下，由第一控制信號控制以能量轉換單元的全部能量向第一蓄電池充電；以及，實時檢測第一蓄電池的充電接收能力，當其逐漸減小并且小于該能量轉換單元的全部輸出能量時，同時用該能量轉換單元剩余的能量通過第二控制信號向第二蓄電池充電。
2. 根據權利要求1所述的針對多組蓄電池的充電方法，其特征是每個充 電周期對多組蓄電池重新進行排序，各組蓄電池在不同的充電周期輪流排 序做為第 一蓄電池。
3. 根據權利要求l所述的對多組蓄電池的充電方法，其特征是它提供一 主脈寬調制信號，所述第一控制信號和第二控制信號為脈寬調制信號并包 括在所述的主脈寬調制信號周期內，且分時有效。
4. 根據權利要求1或3所述的對多組蓄電池的充電方法，其特征是所述 的第一控制信號和第二控制信號的占空比為蓄電池脈沖充電電流的占空 比。
5. 根據權利要求l所述的對多組蓄電池的充電方法，其特征在于在充電 初期第一蓄電池充電接受能量較強時，第一控制信號占空比最大化，隨著 第一蓄電池充電接受能力逐漸減小、能量轉換單元的輸出能力大于蓄電池 的充電接受能力時，逐步降低所述第一控制信號的占空比，同時，啟動第 二控制信號并逐步增大第二控制信號的占空比。
6. 根據權利要求1或5所述的針對多組蓄電池的充電方法，其特征在于通過監測蓄電池的析汽點電壓判斷蓄電池的充電接收能力是否減小。
7. —種對多組蓄電池進行充電的控制系統，其特征在于包括用于控制第 一蓄電池充電的第一控制信號的裝置，用于控制第二蓄電池充電的第二控 制信號的裝置，用于實時檢測蓄電池充電接受能力的檢測裝置，和根據檢 測到的蓄電池充電接受能力調整第一控制信號和第二控制信號的調整裝 置。
8. 根據權利要求7所述的對多組蓄電池進行充電的控制系統，其特征在于: 還包括一脈沖發生器電路，其輸出的脈沖由控制器控制，加載到蓄電池上。
9. 根據權利要求7所述的對多組蓄電池進行充電的控制系統，其特征在于: 還包括去極化放電電路，在蓄電池充電的充電過程中，加有去極化負脈沖。
10. 根據權利要求7所述的對多組蓄電池進行充電的控制系統,其特征在于: 各組蓄電池通過開關器件并行連接到負載。
全文摘要
本發明公開了一種針對多組蓄電池的充電方法，其包括在一個充電周期中，在第一蓄電池的充電接收能力足夠的條件下，由第一控制信號控制以能量轉換單元的全部能量向第一蓄電池充電；以及，實時檢測第一蓄電池的充電接收能力，當其逐漸減小并且小于該能量轉換單元的全部輸出能量時，同時用該能量轉換單元剩余的能量通過第二控制信號向第二蓄電池充電的步驟。本發明的方法可以解決太陽能光伏系統中蓄電池使用壽命短的問題，同時提高光伏組件的效率，降低了成本。本發明還公開了一種對多組蓄電池進行充電的控制系統。
文檔編號H01M10/44GK101651239SQ200910092550
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月17日 優先權日2009年9月17日
發明者石 鐘 申請人:鐘 陽