蓄电池充电智能控制器及其调整电流的快速充电方法

摘要

一种蓄电池充电智能控制器及其调整电流的快速充电方法，提供了用脉冲方式对蓄电池进行充电时以阀值电压作为充电结束状态，以电池表面温度变化率作为改变脉冲充电电流及脉冲充电周期宽度，以电池表面阀值温度作为涓流充电开始状态的方案。同时介绍了由此方法设计的智能控制器，利用该控制器可以实现多种充电设备的自动控制。

说明书

技术领域

本发明属于电池充电技术，特别涉及到一种脉冲充电方式充电，能够通过温度变化率实现输出脉宽的调整进行快速充电，又能防止蓄电池的过充或欠充的智能控制器，适用于多种蓄电池充电设备的自动化控制。

背景技术

由公知理论《见蓄电池充电方法的研究》所知在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板，使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象，极化现象越严重越能损坏电池的内部化学成分，从而降低了电池的使用寿命及其容量。为保障电池能够始终维持在平衡状态下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行，而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。由公知原理可知产生极化现象分为三种，欧姆极化、浓差极化和电化学极化其中欧姆极化是蓄电池在充电过程产生热的主要原因，在充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，成为欧姆内阻。为了克服这种内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，即出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。为了使蓄电池在充电过程中减少各种极化，许多充电器都实现了变电流间歇充电方法，这种方法是在脉冲式充电方法基础上改进而成的，这种充电方法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制。脉冲充电方式首先使用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，根据蓄电池的动态电压变化情况逐步改变充电电流。如此循环，当充到蓄电池允许的电压阀值后变充电方式为恒压充电。充电脉冲使蓄电池充入电量，而间歇期使蓄电池经化学反应的氧气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，间歇脉冲式对蓄电池充电，有效充分的给蓄电池反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。然而采用脉冲使充电的设备在判断蓄电池充电时的阀值电压时通常采用间隔脉冲停冲时间结束端或间隔脉冲起充端进行电压采样，但这样采到的电压值往往不准确。原因在于间歇后所得到电压是非稳定态的，所得到的电压阀值在不同环境下有可能高于或低于理想阀值很多，从而影响到被充蓄电池充入的电量及使用寿命，同时过早的进入恒压充电又会延长蓄电池的充电时间。然而由于欧姆极化的原因被充蓄电池的温度升高是比较稳定的，它不会受脉冲式充电因改变脉冲宽度和幅度而起到很大的波动，从试验表明被充蓄电池的温度升高的速率与被充蓄电池的电压升高具有很高的可比性，当被充电池的电量为空时其温度的变化率的正切(tag)反函数角度值几乎是零，随着被充电池被充入的电量逐步增加，其温度的变化率的正切(tag)反函数角度值也逐步加大，当被充电池逐渐被充满电量，其温度的变化率的正切(tag)反函数角度值也逐步接近90度。而目前大多数充电设备只是通过观察被充电池在预定时间段的升高温度(ΔT法)来作为充电结束条件，而未将被充电池的温度变化速率作为充电过程的条件控制，在脉冲充电过程中每一个时间周期T都可以被分解为T＝t1+t2+b，其中在t1时间段为脉冲充电开阶段，t2+b时间段为脉冲充电关阶段，其中t1、t2的比例的变化决定了脉冲充电的充电量，因此将被充电池的温度变化速率与t1、t2的比例建立一种对应关系，就可实现充电过程的条件控制。

发明内容

本发明需要解决的技术问题，是寻求一种以温度变化率对被充蓄电池充电的脉冲电流的脉冲宽度进行调节的充电方法，并通过充电装置中智能控制器实现此方法。

本发明方法具体步骤如下：

第1步，根据电池的类型及出厂规格确定电池的允许充电最高温度阀值和允许充电最高电压阀值；

第2步，根据不同电池初始化对电池的充电的一个时间周期长度，一个时间周期长度分为脉冲充电电流的宽度及停充间隔；

第3步，初始化充电；

第4步，规定测量被充电池电压及温度的时间间隔，用规定的时间间隔测量被充电池电压值及温度值，以确定电池电压的变化及电池温度的变化；

第5步，如果在某个规定的时间间隔上测量到被充电池电压值到达或超过允许充电电压阀值，则结束充电；

第6步，如果在某个规定的时间间隔上测量到被充电池温度值到达或超过允许充电温度阀值，则进入涓流充电；

第7步，以前一时间间隔测量到的温度值减去当前时间间隔测量到的温度值作为增量值，如果增量值超过初始化比较值则对充电电流进行调整同时保留当前测量到的温度值，并重复第4步。

本发明所述一个时间周期长度需根据被充电池的安时数而定，并以分钟单位，其最小间隔为1分钟，所述温度变化率是以单位时间内的温度变化量的正切反函数值作为比较值，该函数值的范围是0度到90度，所述初始化比较值为一组预置的温度变化率的离散数值，所述充电电流进行调整是对脉冲充电电流的宽度及充电的电流值进行调整。将所述方法用软件手段置于充电装置中的智能控制器的智能处理器中，该控制器还包括实时电压温度采集电路、电量控制电路和脉冲控制电路，该控制器包含以下引出脚分别是：B-、B+、+5V、+12V、CTRL V和IPWM，B-、B+分别连接被充电池的两极，CTRL V为控制充电主电路设备的充电开关，IPWM调节充电设备的电流大小，该控制器独立于充电主电路设备。其中实时电压温度采集电路通过高精度采样电阻R5和R6分压后经LM324放大，得到电池电压值V1送入智能处理器，通过RT温度采样电阻经过滤波后，得到电池温度C1值送入智能处理器。该智能处理器根据电压和温度的实时数据输出I-1A、I-2A和PWM控制信号给电量控制器电路和脉冲控制电路，电量控制电路中的U2芯片通过电流采样电阻RS经滤波后得到充电设备实际供电电流。

通过本发明解决了因对蓄电池进行脉冲充电时电压采样不稳定引起的判断误差而导致的减少蓄电池的使用寿命和充入蓄电池的电量过多或不足等结果，并且实现了充电设备制动化。

附图说明

图1为根据本发明的充电过程流程图

图2为根据本发明用来实现充电过程的电池组和充电装置的智能控制器的简化方块图

图3为在脉冲充电方式下某一镍氢电池组充电过程中电池电压和电池温度的变化曲线展示图

图4为在脉冲充电方式下某一镍氢电池组充电过程中电池温度的变化曲线tag正切斜率变化趋势展示图

图5为在脉冲充电方式下某一镍氢电池组充电过程中电池电压的变化曲线局部放大展示图

图6为在脉冲充电方式下某一镍氢电池组充电过程中电池温度的变化曲线局部放大展示图

图7为在脉冲充电方式下对电池组充电过程中脉冲间隔时间分配示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当指出，下述详细说明仅仅是示例性的，不应当理解为对权利要求书中所要求保护的保护范围的一种严格的限制。参照图1，为本发明的充电过程流程图，为更好理解本发明，图1中的标号为过程步标号，要说明该步标号包括了权利要求1中要求的步骤。流程图在步1表示充电状态进入准备过程，步1描述当电池组装如充电设备后根据得到的电池电压及温度确定该电池组的允许充电电压的阀值和温度的阀值。之后如步2描述根据电池组当前状态设定充电脉冲周期的时间宽度，确定初始充电开状态t1的时间长度及充电关状态的时间T-t1，之后如步3初始化充电参数，包括定时器复位、设置初始温度和初始电压。之后开始步4执行进行对电池组的充电。第5步描述判断设定间隔时间到达后进行步6过程，否则重复第5步。如第6步描述读出当前被充电池组的电池电压V1和电池表面温度C1，同时定时器清零重新开始计时。如第7步描述判断被充电池电压是否到阀值，当电池电压到达阀值后进行第12步，否则如步8描述计算tag(a)的反函数角度值。如步10判断当被充电池的表面温度的角度值≥初始化设定的角度值时进行第11步，否则进入第9步。第9步描述根据计算的角度值重新设置充电“开”时间值重新进行第4步，如第11步当涓流时间结束后停止充电。图1流程图中所示的方法可以在多种不同类型电池的充电设备上通过智能控制器得以实现，其中需要调整的内容有电池的电压阀值、温度阀值和脉宽间隔。

参考图2，其中所示一种根据本发明的充电智能控制器的简化原理图。该控制器由智能处理器、实时电压温度采集电路、电量控制电路和脉冲控制电路组成，该智能控制器包含以下引出脚分别是：B-、B+、+5V、+12V、CTRL V和IPWM，B-、B+分别连接被充电池的两极，CTRL V为控制充电设备主电路的充电开或关，IPWM调整充电设备的电流大小，该控制器独立于充电设备的主电路。其中智能处理器之中的软件既为本发明的方法的程序量化，在适应大规模充电设备时该方法的控制参数可以是固化在智能处理器上，而当充电设备需要适应多种不同的被充电池时智能处理器可以通过该自身的接口得到用户的信息修正控制参数。实时电压温度采集电路通过高精度采样电阻R5和R6分压后经LM324放大，得到电池电压值V1经过滤波后送入智能处理器，通过RT温度采样电阻经过滤波后，得到电池温度C1值送入智能处理器，这里所述的滤波除了硬件滤波外在智能控制器中通过软件实现数字二次滤波。智能处理器根据电压和温度的实时数据输出I-1A、I-2A和PWM控制信号给电量控制器电路和脉冲控制电路，其中I-1A为大电流方式I-2A为低电流方式，电量控制电路中的U2芯片通过电流采样电阻RS经滤波后得到充电设备实际供电电流。利用该控制器可以实现多种充电设备的自动控制。

参考图3可以看出被充电池在脉冲充电方式下电池的表面温度的变化与电池电压的变化有着一定可比性，当被充电池在可接受较大电流阶段时其电池表面的温度变化较为平缓，而当被充电池其接受电量接近饱和时其表面温度的升高速度会逐步加快，要说明一点这一特征可以适应多种二次电池，只是各种电池的升高速率会有所不同。

参考图4该图以镍氢电池为例可以看出被充电池的表面温度的变化斜率在充电过程中≤50度角时可以进行大电流充电，而当其变化斜率＞50度角则应减小电流或改变充电模式，当其变化斜率接近80度角时则应进入涓流，应当说明该图所示的角度值对不同类型的电池或不同规格的电池其对应的角度值应有所不同。

参考图5，图6可以看出被充电池在脉冲充电方式下电池的电压变化也是随脉冲电流变化而成脉冲形式的，而脉冲充电方式下电池的温度变化则相对平稳的多。因此在脉冲方式充电过程中，通过被充电池表面的温度变化率进行电流调整比通过电压进行调整效率更高，同时也应指出通过图5所示的图形可以当被充电池出现阀值时是有效的。

参考图7展示本发明在脉冲充电方式下对电池组充电过程中脉冲间隔时间分配过程，T为初始化设定的时间间隔长度值，该长度值的大小可以根据电池的不同类型及规格设定不同值。该图旨在表明本发明对t1和t2的分配的一种手段，显然本发明不受此限制，对于熟悉本专业的技术人员能想到多种修改、变更替换和等效，而不脱离由所附权利要求书限定的本发明的精神范围。

本发明解决了在脉冲方式下通过被充电池表面温度的变化率有效的调整充电电流，在脉冲方式提高充电效率的前提下确保了被充电池的可靠性，通过充电智能控制器可以实现非智能充电设备能化的改造，提高了充电效率及延长了电池的使用寿命。