鉛酸蓄電池組串并轉換和智能充電系統的制作方法
【專利摘要】本發明公布了一種鉛酸蓄電池組串并轉換和智能充電系統，提出了智能分段脈沖充電技術，增加了蓄電池反向瞬時放電功能，減少電池的硫化現象，提高電池的接受率，加快了充電速度，延長電池使用壽命。系統由電源主電路、控制電路、簡易鍵盤及顯示電路、能量回饋電路、電池組串并轉換電路及測溫電路組成。電源主電路是以全橋整流電路、IGBT組成的全橋逆變電路及全波整流電路組成，控制電路是以C8051F020單片機為核心，簡易鍵盤及顯示電路能夠實現峰谷時選擇充電，能量回饋電路是以變壓器為反饋通道，將放電能量存儲到濾波電容。電池組串并轉換電路是由三刀雙擲開關和二極管組成，串聯電池組轉接為并聯電池進行充電，避免了電池組中單節電池損壞而使所有電池無法充電的問題。本發明適用于工業生產及民用電動自行車的智能充電。
【專利說明】鉛酸蓄電池組串并轉換和智能充電系統
【技術領域】
[0001]本發明適用于工業生產及民用電動自行車的智能充電。
【背景技術】
[0002]鉛酸電池具有價格低廉、供電可靠、電壓穩定等優點，因此廣泛應用于國防、通訊、鐵路、交通、工農業生產部門。我國的電動車以及備用電源用動力蓄電池大多為鉛酸蓄電池，它與一般蓄電池有所不同，一般工作在深度充放電狀態，要求充電時間短，充電效率高以及對蓄電池壽命影響小的特點。而目前大部分該類鉛酸蓄電池采用的是恒壓或則恒流方式充電。這兩種方式在實際中存在很大缺陷:恒壓充電是初始電流很大，因而要降壓，到了充電后期則因電壓過低導致充電不足，長期欠充會使極板嚴重硫酸鹽化；而恒流充電在充電初期小于蓄電池可接受最大電流，延長了充電周期，后期則超過蓄電池可接受電流的能力，電能不能有效轉化為化學能，多變為熱能消耗掉了。解決的辦法之一是根據理想充電曲線綜合兩種充電方式的優點，采用智能分段脈沖充電技術，使充電過程更加科學化，以達到最短時間內充電效率最聞。
[0003]放完電的鉛酸電池開始充電時，在保證電池不明顯析氣的條件下(即單格電池的電壓不大于2.40V)，電池初始充電電流可以很大，然后以指數形式逐漸減小。這是由于充電過程在極板上進行的電化學反應，基本上是由表及里逐步深入進行的。越到充電后期，電化學反應要在電極深處進行，反應物和生成物的擴散過程速度就越慢，因而充電電流必須減小。由此可見，蓄電池在充電過程中用某一充電電流充電時，只能充到某一極限值Us，當蓄電池的電解液硫酸比重不同時，電池的浮充電壓取值也在差異。當達到這一極限值后，必須減小充電電流。否則若用原電流繼續充電，只能導致加速電解水反應析出氫和氧，提高溫升，不能提高蓄電池充電程度和速度，甚至縮短蓄電池的壽命。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于針對電動自行車用鉛酸動力電池的充電特性，提出了智能分段脈沖充電技術，增加了蓄電池反向瞬時放電功能，減少電池的硫化現象，提高電池的接受率，加快了充電速度，延長電池使用壽命。系統由電源主電路、控制電路、簡易鍵盤及顯示電路、能量回饋電路、電池組串并轉換電路及測溫電路組成。電源主電路是以全橋整流電路、IGBT組成的全橋逆變電路及全波整流電路組成，控制電路是以C8051F020單片機為核心，簡易鍵盤及顯示電路能夠實現峰谷時選擇充電，能量回饋電路是以變壓器為反饋通道，將放電能量存儲到濾波電容。電池組串并轉換電路是以三刀雙擲開關和二極管組成，串聯電池組轉接為并聯電池進行充電，避免了電池組中單節電池損壞而使所有電池無法充電的問題。
[0005]本發明為實現上述目的，采用如下技術方案:
[0006]本發明公布了一種鉛酸蓄電池組串并轉換和智能充電系統，提出了智能分段脈沖充電技術，增加了蓄電池反向瞬時放電功能，減少電池的硫化現象，提高電池的接受率，加快了充電速度，延長電池使用壽命。系統由電源主電路、控制電路、能量回饋電路、電池組串并轉換電路及測溫電路組成。電源主電路是以全橋整流電路、IGBT組成的全橋逆變電路及全波整流電路組成，控制電路是以C8051F020單片機為核心，能量回饋電路是以變壓器為反饋通道，將放電能量存儲到濾波電容。電池組串并轉換電路是以三刀雙擲開關和二極管組成，串聯電池組轉接為并聯電池進行充電，避免了電池組中單節電池損壞而使所有電池無法充電的問題。
[0007]本發明電池組串并轉換電路是以三刀雙擲開關和二極管組成，避免了電池組中單節電池損壞而使所有電池無法充電的問題，同時又可以降低充電電壓，該電路和電池組安
裝在一起。
[0008]智能充電系統的控制是以C8051F020為核心，外設簡易鍵盤及顯示電路、DS18B20溫度傳感器、控制電路、IGBT驅動保護電路等。簡易鍵盤及顯示電路利用單片機的I/O 口外擴的人機交換電路，能夠設置充電的具體時間，如果用戶不急需充電，可以設置選擇在幾個小時后，即谷時進行充電，可以降低充電成本，如果著急充電可不設置直接進入充電狀態。
[0009]溫度測量是利用DS18B20數字溫度傳感器，DS18B20通過一個單線接口發送或接受信息，因此在中央處理器和DS18B20之間僅需一條連接線(加上地線)。溫度傳感器安裝在電池盒中，用3根引線將溫度以數字量的形式直接傳輸到單片機，充電器外殼設有一個數據接口。測量的溫度決定補償量，并由單片機調整輸出的PWM波形來實現，當溫度為25°C時，無需補償。
[0010]軟件采用模塊化設計，主要由簡易鍵盤及顯示電路程序設計、電池組電壓電流測量軟件設計、溫度測量及補償、PWM脈沖產生等部分組成。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]下面結合附圖對本發明【具體實施方式】進行詳細說明。
[0012]圖1:智能充電系統的總框圖；
[0013]圖2:電源主電路；
[0014]圖3:電池組串并轉換電路；
[0015]圖4:DS18B20與處理器接口電路；
【具體實施方式】
[0016]由圖1系統框圖可知，智能充電系統由電源主電路、控制電路、簡易鍵盤及顯示電路、能量回饋電路、電池組串并轉換電路及測溫電路組成。電源主電路是以全橋整流電路、IGBT組成的全橋逆變電路及全波整流電路組成，控制電路是以C8051F020單片機為核心，能量回饋電路是以變壓器為反饋通道，將放電能量存儲到濾波電容。電池組串并轉換電路是以三刀雙擲開關和二極管組成，串聯電池組轉接為并聯電池進行充電，避免了電池組中單節電池損壞而使所有電池無法充電的問題。
[0017]電源主電路:是以全橋整流電路、IGBT組成的全橋逆變電路及全波整流電路組成，采用移相脈沖寬度調制技術控制的零電壓軟開關全橋變換器，由四個IGBT開關管構成，每個IGBT管都有一個內部寄生二極管和寄生電容，Tl為高頻變壓器部分，Lr表示電路中的諧振電感，包含高頻變壓器的漏感。4個IGBT管與變壓器構成了變換器的逆變部分，負責將整流電路輸出的直流電壓變為高頻交流電壓；變壓器的副邊整流電路，則將變壓器輸出的交流電壓再整流為直流電壓，整個變換器實際是實現“DC-AC-DC”功能。工作時，Q1，Q2兩個IGBT管組成超前橋臂，而Q3，Q4組成滯后橋臂。具體電路如附圖2所示。
[0018]控制電路:是以C8051F020單片機為核心，對充電電源的電壓和電流進行實時測量，從而可以控制充電的模式，即恒流充電、脈沖充電還是停止充電。恒流充電階段:單片機根據測量的電壓電流值，產生PWM脈沖波，以保證電池處于恒流充電階段，電壓快速上升；脈沖充電階段:當電壓上升到13.2V時，進入脈沖充電階段，高電平時，對電池進行充電(0.875s)，低電平時放電管Q5導通，對電池進行放電(0.125s)，由此產生PWM脈沖控制波形，驅動逆變橋的IGBT管的導通和截止。當充電時間達到10小時后，不論電池是否已經充滿電，即充電器的指示燈由紅燈跳變為綠燈，充電電路都將停止工作，以免電池被過充。
[0019]溫度測量:溫度測量選擇的是DS18B20數字傳感計，此傳感器提供9_12位攝氏溫度測量，分別以0.5°C,0.25°C,0.125°C和0.0625°C增量遞增。在上電狀態下默認的精度為12位。DS18B20通過一個單線接口發送或接受信息，因此在中央處理器和DS18B20之間僅需一條連接線(加上地線)。它的測溫范圍為-55?+125°C，并且在-10?+85°C精度為±0.5°C，完全可以達到系統的要求。接口電路如圖3所示，主板上有一個三線接口，只需將DS18B20的三根信號線直接引入即可。
[0020]串聯電池組轉接電路:為并聯電池進行充電，電池組串并轉換電路是以三刀雙擲開關和二極管組成:如圖4所示，當三刀雙擲開關投擲到右側時，4節電池并聯，此時可以進行充電，充電正極和充電負極是用于充電；當三刀雙擲開關投擲到左側時，4節電池串聯，構成48V電壓，可以實現對電機供電；二極管是用于防止電池短路。開關無論是投到左側，還是右側都沒有危險。
[0021]簡易鍵盤及顯示電路:設置2個按鍵，即:SET和UP，功能為設置和增加，顯示電路的模為12，能夠顯示O?9，A，B共十二個代碼，如果因無意設置的時間比預設置的時間多了，可以繼續增加跳過B，重新開始置數。
[0022]軟件系統設計:使用C51語言進行程序設計，程序設計為模塊化設計，這樣的結構調試比較方便。
【權利要求】
1.一種鉛酸蓄電池組串并轉換和智能充電系統，其特征在于提出了智能分段脈沖充電技術，增設了瞬時放電功能，減少電池的硫化現象，提高電池的接受率，可加快充電速度，延長電池使用壽命。該系統由電源主電路、控制電路、簡易鍵盤及顯示電路、回饋電路、電池組串并轉換電路及測溫電路組成。電源主電路是以全橋整流電路、IGBT組成的全橋逆變電路及全波整流電路組成，控制電路是以C8051R)20單片機為核心，簡易鍵盤及顯示電路能夠實現峰谷時選擇充電，回饋電路是以變壓器為反饋通道。為提高電池組的有效充電，將使用中的串聯電池組轉接為并聯電池進行充電，電池組串并轉換電路是以三刀雙擲開關和二極管組成，避免了電池組中單節電池損壞而使所有電池無法充電的問題。
2.根據權利要求1所述的鉛酸蓄電池組串并轉換和智能充電系統，其特征在于所述控制電路由C8051R)20單片機及其外圍電路構成，除產生PWM脈沖波形，實現對IGBT全橋逆變電路進行控制外，在脈沖充電階段，產生頻率為IHz，占空比為0.875的脈沖信號，0.875s用于對電池組進行充電，0.125s用于對蓄電池瞬時放電。
3.根據權利要求1所述的鉛酸蓄電池組串并轉換和智能充電系統，其特征在于電池組串并轉換電路，由三刀雙擲開關和二極管組成，電動自行車蓄電池組是由4節電池串接而成，提供48V電壓，在電池組連接時增加一個三刀雙擲開關和4只二極管，可有效地實現充電時并接方式到驅動電機時為串接方式的轉換。
4.根據權利要求1所述的鉛酸蓄電池組串并轉換和智能充電系統，其特征在于溫度測量電路由單片機和數字溫度傳感器DS18B20組成，數字溫度傳感器安放在電池盒內，用3根弓I線將溫度以數字量的形式直接傳輸到單片機，充電器外殼設有一個數據接口。
5.根據權利要求1所述的鉛酸蓄電池組串并轉換和智能充電系統，其特征在于簡易鍵盤及顯示電路由2個按鍵和I個顯示數碼管組成，顯示代碼為O?9，A，B共十二個，能夠實現充電時間預置功能，使用戶可以選擇在谷時充電。
【文檔編號】H02J7/00GK103812196SQ201410077461
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月25日 優先權日:2014年2月25日
【發明者】孫宏國, 吳俊 , 周云龍, 姚志壘, 胡國文 申請人:鹽城工學院