一种在线维护阀控式密封铅酸蓄电池的装置及方法

摘要

本发明公开了一种在线维护阀控式密封铅酸蓄电池的装置及方法。本发明采用半离线技术、循环充电、脉冲充电、小电流涓充手段等修复蓄电池组中的落后蓄电池，本方法可以使蓄电池不脱离在线备用的状态，利用用户的充电装置及负载对落后蓄电池进行维护，同时可以采用半离线的方式避免蓄电池组中产生严重过充而导致蓄电池失水的现象发生，达到延长蓄电池组使用寿命的目的。

说明书

技术领域

本发明属于蓄电池自动维护技术领域，具体涉及一种在线维护阀控式密封铅酸蓄电池的装置及方法。

背景技术

阀控式密封铅酸蓄电池广泛运用在各行业中，且多以整组的方式使用，这样就因为蓄电池的性能差异而产生过充、欠充的现象，使部分蓄电池提前失效，影响蓄电池组的使用寿命。

影响蓄电池使用寿命的一些原因有：

(1)过度充电及放电：

过度充电会让蓄电池产生失水现象,加速蓄电池极板的腐蚀和老化。

蓄电池被过度放电是影响蓄电池使用寿命的另一重要因素。蓄电池的寿命取决于其放电深度，放电深度越大，使用寿命就越短。当蓄电池被过度放电到输出电压为零时，会导致电池内部有大量的硫酸铅被吸付到电池的阴极表面，形成电池阴极的"硫酸盐化"。由于硫酸铅本身是一种绝缘体，它的形成必将对电池的充、放电性能产生不好的影响。因此，在阴极板上形成的硫酸盐越多，电池的内阻越大，电池的充、放电性能就越差，其使用寿命就越短。不能完全放电，避免过度放电，最好放电的幅度在30%～50%之间。

(2)板栅的腐蚀与增长：

板栅腐蚀是影响蓄电池使用寿命的重要原因。如果电池使用不当，长期处于过充电状态，那么电池的栅板就会变薄，容量降低，会缩短使用寿命。

(3)浮充电状态对蓄电池使用寿命的影响：

目前，蓄电池大多数都处于长期的浮充电状态下，只充电，不放电，这种工作状态极不合理。大量运行统计资料表明，这样会造成蓄电池的阳极极板钝化，使蓄电池内阻急剧增大，使蓄电池的实际容量(A．h)远远低于其标准容量，从而导致蓄电池所能提供的实际后备供电时间大大缩短，减少其使用寿命。

(4)失水

蓄电池失水也是影响其使用寿命的因素之一，蓄电池失水会导致电解液比重增加，电池栅板的腐蚀，使蓄电池的活性物质减少，从而使蓄电池的容量降低而导致其使用寿命减少。

常见的引起蓄电池失效的模式的原因有：

（1）电池失水

当充电电压超过蓄电池的气体析出电压时，电池单体内正极短时间产生大量气体，来不及被负极吸收，当压力超过某个值，便开始通过单向排气阀向外排气。排出的气体虽然经过了滤酸垫过滤掉了酸雾，但使电池损失了气体，也就失去水。

（2）负极板硫酸化

当电池荷电不足时，部分负极板上就有PbSO4存在，PbSO4长期存在后，将会失去活性，不能再参加化学反应。这一现象称为活性物质的硫酸化，硫酸化使电池的活性物质减少，降低电池的有效容量。

（3）正极板腐蚀

电池失水后，电解液比重增高，过强的电解液酸性会加剧正极板的腐蚀。

当前常见的蓄电池维护方法：

将电池组脱离充电机，在电池组两端加上可调负载，使电池组的放电电流为额定容量的0.1倍，每半小时记录一次电池电压，直到电池电压下降到1.8V／只(对于2V／只的单体电池)后停止放电，并记录时间。静置2小时后，再用同样大小的电流对蓄电池进行恒流充电，使电池电压上升到2.35V／只，保护该电压对电池进行8小时的均衡充电后将恒压充电电压改为2.25V／只，进行10～24小时的浮充。重新对电池组放电，若放电容量大于额定容量的80%，可按每一次充电充好后继续使用，若不够可按此法重做一次。

如上所述，现有的维护方法单一，针对性性不强，没有对蓄电池的具体问题提供不同的维护，并且不能实现在线维护。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种可以有效解决蓄电池充电隐患，针对性强，提高设备工作安全性的铅酸阀控蓄电池的在线维护装置及方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种在线维护阀控式密封铅酸蓄电池装置，包括上位机和维护装置，维护装置包括智能模块、PWM电路、直流接触器、续流保护模块、断路器和远程放电控制模块；所述脉宽调制PWM电路、直流接触器、续流保护模块和远程放电控制模块与智能模块连接；直流接触器和续流保护模块组成半离线模块，断路器与所述半离线模块并接，通过智能模块检测蓄电池组的状态信息，输出控制信号调节PWM电路的工作模式，改变蓄电池组的充电电流，已达到最佳的维护效果。

在本发明中，智能模块还设有通信接口，可以与上位机通信，传输电池组的数据或是接收上位机下发的控制指令。脉宽调制PWM电路可以实现高频开关电源对蓄电池充电时，充电电流及充电时间可控。断路器为人工开关，人为干预系统进入或脱离半离线状态。续流保护模块主要是限制高频开关电源能对电池组直接充电，需经脉宽调制电路后才能给蓄电池充电；保证了当无市电及系统又没脱离半离线的极端状况下，蓄电池仍然能给负载供电。直流接触器可控完成系统进入或脱离半离线状态；远程放电控制模块实现智能模块对智能电源的远程通断控制。

作为本发明的进一步说明，以上所述的智能模块采集电池组的数据，分析处理后，输出信号指令控制脉宽调制充电模块、直流接触器的通断。

作为本发明的进一步说明，以上所述的智能模块采用高性能ARM内核处理器STM32F103ZET，并安装高可靠的实时操作系统UCOS。

智能模块即为微控制单元，又称单片微型计算机，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。在本发明中采用的高性能ARM内核处理器STM32F103ZET。本发明中所述的智能电源为可以由智能模块按照事先设定的程序进行控制的智能电源，包括48～220V的转变及充电功能。

作为本发明的进一步说明，以上所述的续流保护模块为大功率的二极管，二极管的输入端与用户高频开关电源相连接，输出端与电池组相连接。

作为本发明的进一步说明，以上所述的直流接触器和续流保护模块并联组成半离线模块，控制维护装置进入或脱离半离线状态。

半离线是指利用二极管的单向导通性，把充电电流隔离掉，让蓄电池组不处于浮充状态。同时，当市电停止，供电电源失效时，电池组却能经过该二极管继续向回路中提供备用电能。采用大电流的接触器，短路二极管以达到是否启用半离线功能的目的及消除在放电过程中二极管产生的压降。

作为本发明的进一步说明，以上所述脉宽调制PWM电路频率为40-100KHz，占空比任意，充电电流可控，由智能模块选择，也可由上位机远程发出指令调整。充电时间间隔、循环次数由智能模块控制，直到电池完全充满，或收到用户停止充电指令为止。PWM电路采用3844PWM发生芯片，由RC产生的充放电时间系数控制3844的工作频点采用电流型反馈，将主输出回路电流在R上产生的电压U2接到运放，通过运放U2对该电压进行放大和U3参考电压进行比较，得到一个脉冲序列，把该序列通过光耦对3844进行控制，从而造成恒定的电流控制和过流保护，参考电压由TL431基准源和智能模块输出的DA（数模输出）电压相加产生，可控制DA的电压值改变PWM电路的充电电流，利用智能模块控制3844的工作、停止可改变脉冲充电方式的占空比和充电回路的工作频率，最终达到控制充电电流的目的。

半离线状态和脉冲充电状态为互斥状态，蓄电池维护期间，脉冲充电状态优先线高，放电产生时，必须脱离半离线状态，以保障供电系统可靠、安全。

直流接触器采用模块化设计，可以以最少的零件组装出顾客所需要的触点路数以及客户所需要的触点形式（常开，常闭和转换）；该系列产品触点开断电压高，并采用横吹磁场灭弧，最高开断电压可达到220VDC，产品适用于程控电源或不间断电源系统。

本发明的工作原理：智能模块检测蓄电池组和蓄电池的电压及电流，分析处理后输出控制信号，控制脉宽调制PWM电路、直流接触器、续流保护模块、断路器和远程放电控制模块的工作。PWM电路地宫脉冲充电方式和限制充电电流；直流接触器、续流保护模块和断路器控制蓄电池组半离线方式的进入和脱离；远程放电控制模块控制智能电源的通断。

本发明还提供一种在线维护阀控式密封铅酸蓄电池的方法，包括以下步骤：

1）启动维护装置；

2）蓄电池在线自动修复，包括负极板硫酸盐化修复、失水修复、均衡补电中的一种或一种以上组合；

3）蓄电池完全放电后充满；

4）蓄电池防过充检测；

5）核对性放电测试及活化；

6）显示维护结果。

本发明所述的负极板硫酸盐化修复进一步包括以下步骤：

A1智能电源的充电电流限制为0.2～0.3蓄电池一定倍率放电电流CI，均充电压调至105～110%单体蓄电池均充上限乘以蓄电池组的单体个数；

A2充电8～12h；

A3调整智能电源的输出电压或模拟交流停电，使蓄电池组放电50%以上容量；

A4以单体蓄电池均充上限乘以蓄电池组单体个数的电压恒压充电；当有单体蓄电池电压达到均充上限时，利用半离线方式使蓄电池组脱离充电状态，静置10～30min；利用PWM电路，采用脉冲充电方式对蓄电池组进行充电及活化，当再次有单体蓄电池达到均充上限时，静置10～30min，调整PWM电路的输出电流，以0.005～0.03CI的电流对蓄电池组涓充直到再次有蓄电池单体电压达到均充上限,用负载使蓄电池组放电30～60min，放电20～50%；

A5重复1～5次步骤A4。

本发明所述的失水修复进一步包括以下步骤：

B1均充充电8～12h；

B2卸下失水蓄电池的控制阀，加入纯水1～3ml/Ah；

B3用负载使蓄电池组放电50%以上容量；

B4以105～110%单体蓄电池均充上限乘以蓄电池组单体个数的电压恒压充电；当有单体蓄电池电压达到均充上限时，利用半离线方式使蓄电池组脱离充电状态，静置10～30min；利用PWM电路，采用脉冲充电方式对蓄电池组进行充电及活化，当再次有单体蓄电池达到均充上限时，静置10～30min；调整PWM电路的输出电流，以0.005～0.03CI的电流对蓄电池组涓充直到再次有蓄电池单体电压达到均充上限，用负载使蓄电池组放电30～60min，放电20～50%；

B5重复1～5次步骤B4。

本发明所述的均衡补电进一步包括以下步骤：

C1蓄电池组转浮充运行；

C2检测蓄电池组中单体蓄电池电压动态压差，检测到单体蓄电池电压动态压差大于80mV时，利用半离线方式使蓄电池组脱离充电状态，静置30～60min；以105～110%单体蓄电池均充上限乘以蓄电池组单体个数的电压进行均充，利用PWM电路（6），采用脉冲充电方式对蓄电池组进行充电及活化；当再次有单体蓄电池达到均充上限时，静置10～30min；调整PWM电路的输出电流，以0.005～0.02CI的电流对蓄电池组进行涓充直到再次有蓄电池单体电压达到均充上限,转浮充运行。

C372小时的浮充运行时间内检测蓄电池组中单体蓄电池电压动态压差,再次检测到单体蓄电池电压动态压差大于80mV时重复1～5步骤C2；

C45次维护后次仍能检测到单体蓄电池电压动态压差大于80mV时，记录维护失败结果。

本发明所述的蓄电池防过充检测进一步包括以下步骤：

D1检测蓄电池组中单体蓄电池电压，检测到单体蓄电池电压达到均充上限时，利用半离线方式使蓄电池组脱离充电状态，静置30～60min；调整充电电压到105～110%单体蓄电池均充上限乘以蓄电池组单体个数的电压，利用PWM电路，采用脉冲充电方式对蓄电池组进行充电及活化；当再次有单体蓄电池达到均充上限时，静置10～30min；调整PWM电路的输出电流，以0.005～0.03CI的电流对蓄电池组涓充直到有单体蓄电池电压达到均充上限,转浮充运行；

D272小时的浮充运行时间内检测蓄电池组中单体蓄电池电压,再次检测到有单体蓄电池电压达到均充上限时重复1～3次步骤D1；

D33次维护后次仍有单体蓄电池电压超均充上限时,将蓄电池组半离线状态运行24～72小时后转浮充运行。

本发明所述的核对性放电测试及活化进一步包括以下步骤：

E1智能电源的充电电流限制为0.2～0.3CI及均充电压调至105～110%单体蓄电池的均充上限乘以蓄电池组的单体个数；

E2充电8～12h；

E3模拟交流停电，利用负载使蓄电池组放电至有单体电池放电到截止电压，计算蓄电池组的容量,记录测试结果；

E4以105～110%单体蓄电池的均充上限乘以蓄电池组单体个数的电压对蓄电池组进行恒压充电；当有单体蓄电池达到蓄电池的均充上限时，利用半离线方式使蓄电池脱离充电状态，静置10～30min；利用PWM电路，采用脉冲充电方式对蓄电池组进行充电及活化；当再次有单体蓄电池达到蓄电池的均充上限时，静置10～30min；调整PWM电路的输出电流，以0.005～0.03CI的电流对蓄电池组涓充直到再次有单体蓄电池电压达到均充上限，蓄电池组转浮充运行。

以上所述蓄电池一定倍率放电电流CI包括蓄电池10小时率、5小时率放电电流中的一种，也可以是负载所需的实际电流。

本发明最后还将以上步骤中维护的结果返回到上位机，由上位机显示等。

与现有技术相比较，本发明具备的有益效果：

本发明采用半离线技术、循环充电、脉冲充电、小电流涓充手段等修复蓄电池组中的落后蓄电池，本方法可以使蓄电池组不脱离在线备用的状态，利用用户的充电装置及负载对落后蓄电池进行维护，同时可以采用半离线的方式避免蓄电池组中严重产生严重过充而导致蓄电池失水的现象发生，达到延长蓄电池组使用寿命的目的。

附图说明

图1是本发明在线维护阀控式密封铅酸蓄电池装置接线示意图。

图2是本发明修复方法的总流程图。

图3是本发明负极板硫酸盐化修复流程图。

图4是本发明失水修复流程图。

图5是本发明过充检测流程图。

附图标记：

智能电源1、蓄电池组2、智能模块3、维护装置4、负载5、PWM电路6、直流接触器7、续流保护模块8、断路器9、远程放电控制模块10。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例1：

铅酸阀控蓄电池组2（24个单体蓄电池，额定电压2V，浮充上限2.25V，均充上限2.35V，截止电压1.8V，额定容量500Ah，CI为十小时率放电电流50A）的在线维护：

1）启动维护装置4，接线如图1所示：PWM电路6、直流接触器7、续流保护模块8和断路器9并接后接蓄电池负极端；远程放电控制模块10接智能电源1。

2）蓄电池负极板硫酸盐化修复：

A1智能模块3通过PWM电路6将充电电流限制为10A，将均充电压调至59.22V；

A2对蓄电池组2充电10h；

A3智能模块3通过远程放电控制模块10断开智能电源1，模拟交流停电，使蓄电池组2放电60%容量；

A4以56.4V,的电压恒压充电；智能模块3检测到有单体蓄电池电压达到2.35V，断开直流接触器7，蓄电池组2脱离充电状态，静置20min；智能模块3利用PWM电路6，采用脉冲充电方式对蓄电池组2进行充电及活化，再次检测到有单体蓄电池达到2.35V，静置10min；智能模块3调整PWM电路6的输出电流，以0.25A的电流对蓄电池组2涓充直到再次有蓄电池单体电压达到2.35V,智能模块3通过远程放电控制模块10断开智能电源1，用负载5使蓄电池组2放电30min，放电40%；

A5重复1次步骤A4。

蓄电池失水修复：

B1以59.22V均充充电10h；

B2卸下失水蓄电池的控制阀，加入纯水500ml；

B3智能模块3通过远程放电控制模块10断开智能电源1，利用负载,5使蓄电池组2放电60%容量；

B4以59.22V的电压恒压充电；智能模块3检测到有单体蓄电池电压达到2.35V，断开直流接触器7，蓄电池组2脱离充电状态，静置10min；智能模块3利用PWM电路6，采用脉冲充电方式对蓄电池组2进行充电及活化，当再次有单体蓄电池达到2.35V，静置20min；调整PWM电路6的输出电流，以0.25A的电流对蓄电池组2涓充直到有蓄电池单体电压达到2.35V，智能模块3通过远程放电控制模块10断开智能电源1，用负载2电流使蓄电池组2放电30min，放电50%；

B5重复2次步骤B4。

蓄电池均衡补电：

C1蓄电池组2转浮充运行；

C2浮充状态下智能模块3检测到蓄电池组2中有单体蓄电池电压动态压差大于80mV，断开直流接触器7，蓄电池组2脱离充电状态，静置40min；调整充电电压到59.22V，利用PWM电路6，采用脉冲充电方式对蓄电池组2进行充电及活化；智能模块3检测到有单体蓄电池达到2.35V，静置30min；调整PWM电路6的输出电流，以0.25A的电流对蓄电池组2进行涓充直到有蓄电池单体电压达到2.35V,转浮充运行。

C324小时的浮充运行时间内智能模块3没有检测到单体蓄电池电压动态压差大于80mV。

3）智能模块3通过远程放电控制模块10断开智能电源1，利用负载5使蓄电池组2完全放电，然后充满。

4）蓄电池防过充检测：

D1智能模块3检测蓄电池组2中单体蓄电池电压，检测到有单体蓄电池电压达到2.35V，断开直流接触器7，蓄电池组2脱离充电状态，静置30min；调整充电电压到59.22V，利用PWM电路6，采用脉冲充电方式对蓄电池组2进行充电及活化；检测到有单体蓄电池达到2.35V，静置20min；调整PWM电路6的输出电流，以0.25A的电流对蓄电池组2涓充直到有单体蓄电池电压达到2.35V,转浮充运行；

D272小时的浮充运行时间内智能模块3没有检测到蓄电池组2中有单体蓄电池电压达到2.35V。

5）核对性放电测试及活化：

E1智能模块3通过PWM电路6将充电电流限制为10A，将均充电压调至59.22V；

E2充电8h；

E3智能模块3通过远程放电控制模块10断开智能电源1，模拟交流停电，利用负载5使蓄电池组2放电至有单体电池放电到截止电压1.8V，测得蓄电池组2的容量为11500Ah,电池组的容量合格，记录测试结果。

E4以59.22V的电压对蓄电池组2进行恒压充电；当有单体蓄电池达到2.35V时，利用半离线模块使蓄电池脱离充电状态，静置20min；利用PWM电路6，采用脉冲充电方式对蓄电池组进行充电及活化；当有单体蓄电池达到2.35V时，静置10min；调整PWM电路6的输出电流，以0.25A的电流对蓄电池组2涓充直到有单体蓄电池电压达到2.35V，蓄电池组2转浮充运行。

6）显示维护结果：将以上步骤中维护的结果传送到上位机，由上位机显示，显示“维护是成功、蓄电池组2容量合格”等。

实施例2：

与实施例1不同的是CI为实际电流60A，其他原理与实施例1相同。

实施例3：

与实施例1不同的是CI为五小时率放电电流100A，其他原理与实施例1相同。