CN103618362B - 阀控密封铅酸蓄电池充电器及其充电方法 - Google Patents
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Abstract
阀控密封铅酸蓄电池充电器，由高压整流滤波电路(1)、电流检测电路(2)、有源复位电路(3)、电压变换电路(4)、指示灯及风扇电路组成(5)，电流传感器电路(6)、低压整流滤波电路(7)、辅助电源电路(8)、高压模块电路(9)、驱动电路(10)、充电输出控制电路(11)、低压模块电路(12)组成。充电方法，充电过程分断续充电法预充电、渐降电流法主充电、恒压充电法涓流充电和断续充电法补充充电四个阶段。本发明创造不会发生蓄电池充坏现象且蓄电池能充满。
Description
技术领域
本发明创造涉及一种阀控密封铅酸蓄电池充电器及其充电方法。
背景技术
阀控密封铅酸蓄电池(以下称蓄电池)最主要的两个指标是有效容量(C)及在有效容量条件下的循环使用寿命。这固然与蓄电池本身的技术发展有关，作为其能量再次补充的充电器，是至关重要的设备，它直接决定着蓄电池补充能量的有效程度以及循环使用寿命的长短。
传统典型的充电器充电方法是：第一阶段以恒流充电，当电压达到规定值时，进入第二阶段恒压充电，随着蓄电池电压的提高，电流会逐渐变小，当充电电压电流降低到一定值时，转入第三阶段。第三阶段是小电流浮充充电，这时充电电压下降，到设定值后停止充电。现在的分段式充电法(即先恒流、再恒压)，在充电过程初期，充电电流远远小于蓄电池可接受的电流，因而充电时间太长；在充电过程中期，充电电流又大于蓄电池可接受的电流，如图1所示，致使充电副反应加剧，蓄电池内部温度升高得很快；在充电过程后期，长时间小电流充电，如图1所示，极易造成充电过程出现“极化”现象，将产生大量的气泡，内部还会出现硫化结晶，极大的缩短蓄电池的循环使用寿命。由于第二阶段转第三阶段采用电流控制，转充电流设置高，充电能量不足，会出现硫化导致有效容量下降；转充电流设置低，蓄电池环境温度过高时，(夏天蓄电池温度过高)，蓄电池第二阶段转第三阶段的转充电流将很难到达，蓄电池将会一直处于第二阶段的充电状态，致使蓄电池过度充电而失水，使蓄电池正极板的过度氧化而容量下降，严重时还会导致蓄电池“热失控”，永久的损坏蓄电池。采用恒流及恒压充电方式，充电器依靠极高的稳压、稳流特性以及精确的充电时间控制功能，是难以为一个所需充电电压、电流时变的，充电过程时间非定常的动态负载提供满意的服务。
发明创造内容
本发明创造要解决的技术问题是：提供一种不会发生蓄电池充坏现象且蓄电池能充满的阀控密封铅酸蓄电池充电器及其充电方法。
本发明创造的技术方案是：
阀控密封铅酸蓄电池充电器，其特征在于，充电器的电路结构为：高压整流滤波电路1分成两路输出，一路依次通向电压变换电路4、电流传感器电路6、充电输出控制电路11；另一路通向辅助电源8；辅助电源8变换出的三组低压电源，其中一组通向有源复位电路3；另一组分别通向电流检测电路2、高压模块电路9和驱动电路10；还有一组分别通向低压模块电路12、指示灯电路5；高压模块电路9分别通向有源复位电路3和驱动电路10，驱动电路10通向充电输出控制电路11；高压整流滤波电路1依次与电压变换电路4、电流传感器电路6、充电输出控制电路11构成了电力变换主回路；电流传感器电路6经电流检测电路2通向高压模块电路9，驱动电路10通向充电输出控制电路11，构成电力变换主回路的电流检测及限流控制回路；电压变换电路4通向低压整流滤波电路7后充电输出，低压整流滤波电路7还通向低压模块电路12和指示灯电路5；低压整流滤波电路7、低压模块电路12、高压模块电路9、驱动电路10、充电输出控制电路11、电流传感器电路6、电压变换电路4、组成充电各阶段的检测与转换以及充电电流控制回路。
阀控密封铅酸蓄电池充电方法，其特征在于，充电过程分断续充电法预充电、渐降电流法主充电、恒压充电法涓流充电和断续充电法补充充电四个阶段：
a、断续充电法预充电：当阀控铅酸蓄电池因深度放电，其电压低于额定电压，不允许大电流充电时，用充几秒、停几秒的方法断续充电，且充电电流较小；当阀控铅酸蓄电池电压达到允许大电流充电电压时，即可转入主充电状态；
b、渐降电流法主充电：阀控铅酸蓄电池电压达到允许大电流充电电压时，进行恒流主充电，随着蓄电池电压的升高，主充电充电电流快接近蓄电池允许充电曲线时，电流逐渐下降；在20℃温度时，当蓄电池电压充到蓄电池每单元电压2.4V左右时进入恒压充电，不在20℃温度时，根据蓄电池的需要给一定的温度补偿；
c、恒压充电法涓流充电：以每单元2.4V左右的电压下对蓄电池恒压充电，充电电流继续下降，当电流下降到0.05C左右时，转入补充充电；
d、断续充电法补充充电：充几秒、停几秒断续充电方法给以补充充电，根据不同的蓄电池选用一个合适的充电电流和合适的限定电压，随着电压的升高充电电流会自然下降，断续充电三小时左右后充电结束。
补充充电采用断续充电法的目的是，当蓄电池充电停止时，其欧姆极化消失，浓差极化和电化学极化也逐渐减弱，充电副反应也随之停止。可以有效的减少电池的充电副反应，减少极化从而减少电解水，减少气体复合时产生的能耗，也有利于气体的再化合，提高气体复合率，而减少失水。降低因极化内阻而产生的充电发热，降低蓄电池充电温升，同时也可使每格电池得到均衡充电，延长蓄电池使用寿命，提高充电效率。
根据充电过程中电池的化学反应，充电过程中的充电副反应，主要发生在充电后期，在做了大量消除电池充电过程副反应的研究工作中，发现无论怎样对传统的三段或四段恒压、恒流方式进行改进，都不能消除充电过程中的副反应；而极化电压的产生跟充电电流的大小及输出方式密切关系。恒流、恒压充电方式，其充电电流是不断地一直输出，根本不可能消除电池的“极化”现象。充电后期采用断续充电法补充充电，当电池充电停止时，电池的欧姆极化消失，浓差极化和电化学极化也逐渐减弱，充电副反应也随之停止。充电副反应的减少，电池就可接受较大充电电流，充电速度可以加快，充电容量会提高，这就是断续充电方式的原始理论依据。试验证明，充电器的充电电流以断续方式输出，还可以加快活性物质的反应速度，有效的防止电解液硫化结晶，并且可以有效地击碎已经出现的结晶颗粒；同时，由于电池“极化”现象的消失，从而减少电解水，提高气体复合率，而减少失水；脉冲电流又可以深层次地激活电池内部的活性物质，从而大幅度的提高蓄电池的充电有效容量。
传统的三段或四段恒压、恒流方式充电器的致命弱点是：恒压充电值高和转充电流值低，致使对蓄电池内部以及外部条件的适应性差，对不同蓄电池的适应性也差，对充电器本身的电压、电流的检测精度要求也高，一旦发生漂移就不能正常充电，故经常发生蓄电池充坏现象，不然蓄电池就不能充满，会导致硫化而容量下降。本发明没有上述缺点。
附图说明
图1传统典型的充电器充电曲线；
图2是本发明创造的充电器充电曲线；
图3充电器工作流程图。
具体实施方式
本发明的充电器充电方法是：充电过程分断续充电法预充电、渐降电流法主充电、恒压充电法涓流充电和断续充电法补充充电四个阶段。以主充电电流为0.2C的充电模式为例，说明充电过程：
1、断续充电法预充电：当阀控铅酸蓄电池发生深度放电时，(蓄电池每单元电压小于1.9V)，为了预防蓄电池欠压状态下，极板的电化学反应迟钝，内阻较大，大电流充电会造成蓄电池过热的过充现象，先进行预充电；预充电采用断续充电法，如图2所示(充2秒、停2秒断续充电)，且充电电流是主充电流的三分之一左右(0.07C，平均电流是0.035C)，这有利于蓄电池极板的活化；当阀控铅酸蓄电池充电电压达1.9V每单元时，即可转入主充状态。
2、渐降电流法主充电：主充电充电开始以0.2C电流充电，利用本发明的开关电源的功率变换特性(输出电压升高时电流会下降，可提高开关电源的效率)，从每单元1.9V充到2.25V采用恒流充电，2.25V到2.4V段充电电流渐降，会下降三分之一左右，都在蓄电池可接受的电流以内，如图2所示(从0.2C下降到0.13C左右)，与传统的充电方法第一阶段的恒流充电相比，更符合蓄电池的充电特性，还可以缩短充电时间，如图2所示；最大限度的利用开关电源的功率容量，提高充电效率，经对比试验与传统充电器相比可省电6％左右。当蓄电池电压充到蓄电池每单元电压2.4V(温度以20℃为准，温度变化时，有-3mV/℃的温度补偿)时进入恒压充电。与传统的三段或四段充电法相比，恒压充电的电压下降了每单元0.05V左右，可保证各种环境条件下蓄电池都能充电到该电压，以可靠地进入下一阶段的转换；还可以减少充电副反应而减少电解水，减少蓄电池的发热。
3、恒压充电法涓流充电：以每单元2.4V的电压对蓄电池恒压充电，充电电流从0.13C左右逐渐下降，当电流下降到0.05C左右时，转入补充充电，如图2所示。与传统的三段或四段充电法相比，转充电流增加了一倍多；较大的转充电流，可保证各种环境条件下蓄电池都能由恒压充电转换到断续充电；有效避免因蓄电池内部电解液浓度、极板的腐蚀程度和外部温度条件等因素，使充电电流不能按时下降到转充点；避免长时间高电压小电流充电产生的电解水和气体复合的水循环，发出热量会造成热失控；还可避免这一时段其他的一些充电副反应对蓄电池的伤害，以及减少这一时段极板内部出现硫化结晶。
4、断续充电法补充充电：因降低了恒压充电值和提高了转充电流值，这时蓄电池容量只能充到90％左右，剩下的10％的电量采用限压(每单元电压2.5V)断续充电法(充2秒、停2秒)给以补满。如图2所示，最大充电电流是主充电流的三分之一左右(0.07C，随着电压的升高电流会下降，当蓄电池电压接近每单元2.5V时，断续的充电电流趋向于0.01C(平均电流)，断续充电三小时左右后充电结束。补充充电采用断续充电法的目的是，当蓄电池充电停止时，其欧姆极化消失，浓差极化和电化学极化也逐渐减弱，充电副反应也随之停止。可以有效的减少电池的充电副反应，减少极化从而减少电解水，减少气体复合时产生的能耗，也有利于气体的再化合，提高气体复合率，而减少失水。降低因极化内阻而产生的充电发热，降低蓄电池充电温升，同时也可使每格电池得到均衡充电，延长蓄电池使用寿命，提高充电效力。
根据充电过程中电池的化学反应，充电过程中的充电副反应，主要发生在充电后期，在做了大量消除电池充电过程副反应的研究工作中，发现无论怎样对传统的三段或四段恒压、恒流方式进行改进，都不能消除充电过程中的副反应；而极化电压的产生跟充电电流的大小及输出方式密切关系。恒流、恒压充电方式，其充电电流是不断地一直输出，根本不可能消除电池的“极化”现象。充电后期采用断续充电法补充充电，当电池充电停止时，电池的欧姆极化消失，浓差极化和电化学极化也逐渐减弱，充电副反应也随之停止。充电副反应的减少，电池就可接受较大充电电流，充电速度可以加快，充电容量会提高，这就是断续充电方式的原始理论依据。试验证明，充电器的充电电流以断续方式输出，还可以加快活性物质的反应速度，有效的防止电解液硫化结晶，并且可以有效地击碎已经出现的结晶颗粒；同时，由于电池“极化”现象的消失，从而减少电解水，提高气体复合率，而减少失水；脉冲电流又可以深层次地激活电池内部的活性物质，从而大幅度的提高蓄电池的充电有效容量。
传统的三段或四段恒压、恒流方式充电器的致命弱点是：恒压充电值高和转充电流值低，致使对蓄电池内部以及外部条件的适应性差，对不同蓄电池的适应性也差，对充电器本身的电压、电流的检测精度要求也高，一旦发生漂移就不能正常充电，故经常发生蓄电池充坏现象，不然蓄电池就不能充满，会导致硫化而容量下降。本发明没有上述缺点。
5、充电器的电路可以有多种方案，本发明的充电器工作流程如图3所示，其中由高压整流滤波电路1、电流检测电路2、有源复位电路3、电压变换电路4、指示灯及风扇电路组成5，电流传感器电路6、低压整流滤波电路7、辅助电源电路8、高压模块电路9、驱动电路10、充电输出控制电路11、低压模块电路12、如图3所示。
充电器的电路结构为：高压整流滤波电路1分成两路输出，一路依次通向电压变换电路4、电流传感器电路6、充电输出控制电路11；另一路通向辅助电源8；辅助电源8变换出的三组低压电源，其中一组通向有源复位电路3；另一组分别通向电流检测电路2、高压模块电路9和驱动电路10；还有一组分别通向低压模块电路12、指示灯电路5；高压模块电路9分别通向有源复位电路3和驱动电路10，驱动电路10通向充电输出控制电路11；高压整流滤波电路1依次与电压变换电路4、电流传感器电路6、充电输出控制电路11构成了电力变换主回路；电流传感器电路6经电流检测电路2通向高压模块电路9，驱动电路10通向充电输出控制电路11，构成电力变换主回路的电流检测与限流控制回路；电压变换电路4通向低压整流滤波电路7后充电输出，低压整流滤波电路7还通向低压模块电路12和指示灯电路5；低压整流滤波电路7、低压模块电路12、高压模块电路9、驱动电路10、充电输出控制电路11、电流传感器电路6、电压变换电路4、组成充电个阶段的检测与转换以及充电电流控制回路。
充电器工作过程是：市电电源通过整流滤波电路1，将220V交流电整流成310V的直流电，其分成两路输出，一路给电压变换电路4、电流传感器电路6、充电输出控制电路11供电；另一路给辅助电源8供电；辅助电源8变换出的三组低压电源，其中一组是独立的+20V和-7V的正负电源，给有源复位电路3供电；另一组是与310V电源共地的+20V和-7V的正负电源，其中+20V电源给电流检测电路2、高压模块电路9供电，+20V和-7V的正负电源给驱动电路10供电；还有一组与低压整流滤波电路7共地的+11V电源，给低压模块电路12、指示灯电路5进行供电；高压模块电路9获得供电以后就产生脉冲信号传输给驱动电路10，经驱动电路10变换成正负脉冲信号并经过电流放大后，传输给充电输出控制电路11，控制开关管的工作频率和开关时间，以控制充电器的充电电流；同时电流传感器电路6检测到脉冲电流信号，传递给电流检测电路2，电流检测电路2根据脉冲电流信号的形式经相应的整形处理后，输出一个相应幅值的脉冲电压传送给高压模块电路9，若超过限定幅值，高压模块电路9会中断脉冲信号，若没有超过限定幅值，高压模块电路9会传输原先设定的脉宽，电压变换电路4将310V的脉冲电压转变成蓄电池充电所需的电压，再通过低压整流滤波电路7给蓄电池充电；高压模块电路9给驱动电路10传输脉冲信号结束以后，即给有源复位电路3传输脉冲信号，将充电输出控制电路11关断后，变压器磁芯中留下的剩磁在有源复位电路3的作用下消除，使变压器磁芯的剩磁量保持在特定范围内，从而保证下一变换周期变压器转换功率。低压模块电路12根据蓄电池电压以及充电电流来判断充电器工作在预充阶段、主充阶段、涓充阶段还是补充阶段，以控制高压模块，使之提供合适的脉冲宽度给充电输出控制电路的开通和关段，以控制充电器的充电电流。指示灯及风扇电路从低压整流滤波电路中获得脉冲电流，以显示充电状态和驱动风扇运转。
6、本充电器的充电方法，可更大电流(如主充电流为0.5C、1C)为蓄电池充电，以实现电动车的快速充电。
Claims (3)
1.一种充电器，其特征在于，充电器的电路结构为：高压整流滤波电路(1)分成两路输出，一路依次通向电压变换电路(4)、电流传感器电路(6)、充电输出控制电路(11)；另一路通向辅助电源(8)；辅助电源(8)变换出的三组低压电源，其中一组通向有源复位电路(3)；另一组分别通向电流检测电路(2)、高压模块电路(9)和驱动电路(10)；还有一组分别通向低压模块电路(12)、指示灯电路(5)；高压模块电路(9)分别通向有源复位电路(3)和驱动电路(10)，驱动电路(10)通向充电输出控制电路(11)，高压整流滤波电路(1)依次与电压变换电路(4)、电流传感器电路(6)、充电输出控制电路(11)构成了电力变换主回路；电流传感器电路(6)经电流检测电路(2)通向高压模块电路(9)，驱动电路(10)通向充电输出控制电路(11)，构成电力变换主回路的电流检测及限流控制回路；电压变换电路(4)通向低压整流滤波电路(7)后充电输出，低压整流滤波电路(7)还通向低压模块电路(12)和指示灯电路(5)；低压整流滤波电路(7)、低压模块电路(12)、高压模块电路(9)、驱动电路(10)、充电输出控制电路(11)、电流传感器电路(6)、电压变换电路(4)组成充电各阶段的检测与转换以及充电电流控制回路。
2.一种阀控密封铅酸蓄电池充电方法，其特征在于，充电过程分断续充电法预充电、渐降电流法主充电、恒压充电法涓流充电和断续充电法补充充电四个阶段：
a、断续充电法预充电：当阀控铅酸蓄电池电压低于额定电压时，用充几秒、停几秒的方法断续充电，且充电电流较小；当阀控铅酸蓄电池电压达到允许大电流充电电压时，即可转入主充电状态；
b、渐降电流法主充电：阀控铅酸蓄电池电压达到允许大电流充电电压时，进行恒流主充电，随着蓄电池电压的升高，主充电充电电流快接近蓄电池允许充电曲线时，电流逐渐下降；在20℃温度时，当蓄电池电压充到蓄电池每单元电压2.4V时进入恒压充电，不在20℃温度时，根据蓄电池的需要给一定的温度补偿；
c、恒压充电法涓流充电：以每单元2.4V的电压对蓄电池恒压充电，充电电流继续下降，当电流下降到0.05C时，转入补充充电；
d、断续充电法补充充电：充几秒、停几秒断续充电方法给以补充充电，根据不同的蓄电池选用一个合适的充电电流和合适的限定电压，随着电压的升高充电电流会下降，断续充电三小时后充电结束。
3.一种阀控密封铅酸蓄电池充电方法，其特征在于，充电过程分断续充电法预充电、渐降电流法主充电、恒压充电法涓流充电和断续充电法补充充电四个阶段：
a、断续充电法预充电：当阀控铅酸蓄电池每单元电压小于1.9V时，充2秒、停2秒断续充电，且充电电流是主充电流0.2C的三分之一；当阀控铅酸蓄电池电压达1.8V每单元时，即可转入主充状态；
b、渐降电流法主充电：阀控铅酸蓄电池电压从每单元1.9V充到2.25V采用恒流充电，主充电充电以0.2C电流充电，2.25V到2.4V段充电电流从0.2C下降到0.13C；在20℃温度时，当蓄电池电压充到每单元电压2.4V时进入恒压充电，不在20℃温度时，每单元电压2.4V蓄电池电压要有-3mV/℃的温度补偿；
c、恒压充电法涓流充电：以每单元2.4V的电压对蓄电池恒压充电，充电电流从0.13C左右逐渐下降，当电流下降到0.05C左右时，转入补充充电；
d、断续充电法补充充电：每单元电压2.5V时，充2秒、停2秒断续充电给以补满，控制最大充电电流是主充电流的三分之一，随着电压的升高电流会下降，当蓄电池电压接近每单元2.5V时，断续的充电平均电流趋向于0.01C，断续充电三小时左右后充电结束。
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| 高效率、低功耗的离线式开关电源控制芯片的设计与实现;苑婷;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20101231;正文第9页至72页 * |
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