一种复合脉冲铅酸蓄电池充电器及其充电方法

摘要

本发明公开了一种复合脉冲铅酸蓄电池充电器，包括整流器、功率开关电路、变压器、模数转换器、单片机、温度检测电路、光电耦合器和PWM。采用该充电器为电池充电，充电过程中复合脉冲信号的产生过程为：（1）慢脉冲内部套高频脉冲充电：该阶段为充电过程，包括多个锯齿波型充电，每个锯齿波型为一个周期，每个大锯齿波里面又嵌有频率为50‑65KHz的小锯齿波型；（2）复合正负脉冲充电，包括复合正负脉冲充电前阶段充电过程和后阶段充电过程；前阶段和后阶段充电过程均包括：正脉冲充电、零脉冲停放和负脉冲放电；正负脉冲内部均嵌有慢脉冲。该充电过程不会出现析气和失水现象，充电速度快，温升低，充电电池使用寿命延长。

说明书

技术领域

本发明属于铅酸蓄电池技术领域，具体涉及一种复合脉冲铅酸蓄电池充电器及其充电方法。

背景技术

铅酸蓄电池作为能量的转存装置或备用电源，被广泛应用于各种电力机车、电动自行车和自动化设备中。普通的充电方法由于充电时间较长需要备用其它电池。电池充电过程对铅酸蓄电池充电时间和寿命影响很大，绝大多数的蓄电池不是使用坏，而是被充坏。

现有充电器的充电方法通常有恒流充电法、恒压充电、改进的恒压充电、阶段充电法和正负脉冲充电法。

恒流充电法：调整充电装置的输出电压或改变与蓄电池串联电阻，保持充电电流强度不变的方法。在充电开始阶段，充电电流过小，在充电后期电流又过大，整个充电过程时间长，效率低，而且整个充电过程必须有专人看管，同时在充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体即析气，这不仅消耗电能，而且容易造成极板上活性物质脱落，影响蓄电池的寿命。

恒压充电法：使电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少，但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。

三段式充电法：（1）大电流阶段（恒流快充），充电器启动后进入恒流电流快速充电阶段；（2）恒压阶段（恒压防过冲），当充电电压上升到恒压充电阶段，充电电流逐渐减少，防止过冲；（3）小电流阶段（涓流保充盈），当充电电流减少进入小电流阶段，恒流充电，充电电压小幅上升，保持电池充盈。但此充电过程中小电流充电时间长，充电过程无法控制温度，导致蓄电池充电过程温度过高，无温度补偿导致夏季过充，冬季欠充，并且无修复功能，造成大量极化的同时无法去除极化，同时还会大量析气和失水。

正负脉冲充电法：虽然加快了蓄电池的化学反应速度，缩短了蓄电池达到满充状态的时间，提高了充电速度；另一方面也保证了蓄电池负极能及时的吸收正极所产生的氧气，避免了电池的极化现象，较好的实现了铅酸蓄电池的快速充电与去极化，延长了电池的使用寿命。但此充电方法还是会造成部分极化，出现少量析气和失水现象。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种复合脉冲铅酸蓄电池充电器及其充电方法，可有效解决现有技术中存在的充电过程中出现析气和失水现象，充电速度慢，温升高，充电电池寿命短等问题。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种复合脉冲铅酸蓄电池充电器，包括整流器、功率开关电路、变压器、模数转换器、单片机、温度检测电路、光电耦合器和PWM；

整流器，用于将交流电转换为直流电，并传递给功率开关电路；

功率开关电路，用于接收PWM的脉冲信号，并通过该脉冲信号控制整流器输出的直流电信号，将其转换为交流电信号；

变压器，用于改变功率开关电路输出的电压的大小，并将电压信号通过模数转换器转换为数字信号，传递给单片机；

温度检测电路，用于检测充电过程中充电器的温度变化，并将检测信号通过模数转换器转换为数字信号，传递给单片机；

单片机，用于接收变压器的电压信号和温度检测电路传递的温度信号，并对上述信号信息进行处理，将其变为复合脉冲信号，并将该复合脉冲信号传递给光电耦合器；

光电耦合器，用于接收单片机的复合脉冲信号，并将该信号进行处理，变为PWM可接收的脉冲信号；

PWM，用于接收光电耦合器传递的脉冲信号，并将其传递给功率开关电路，用于控制功率开关电路中开关的打开和闭合，进而调控正负脉冲占空比。

一种复合脉冲铅酸蓄电池充电器的充电方法，将复合脉冲铅酸蓄电池充电器与电源连接，通过整流器将交流电转换为直流电，并传递给功率开关电路；

功率开关电路接收PWM的脉冲信号，并通过该脉冲信号控制整流器输出的直流电信号，将其转换为交流电信号，并以电压的信号传递给变压器；

变压器改变功率开关电路输出的电压的大小，并将电压信号通过模数转换器转换为数字信号，传递给单片机；

检测充电过程中充电器的温度变化，并将检测信号通过模数转换器转换为数字信号，传递给单片机；

单片机对温度检测电路检测到的温度变化信号与变压器传递的电压信号进行处理，将其变为复合脉冲信号，并将该复合脉冲信号传递给光电耦合器；

光电耦合器接单片机的复合脉冲信号，并将该信号进行处理，变为PWM可接收的脉冲信号；

PWM接收光电耦合器传递的脉冲信号，并将其传递给功率开关电路，用于控制功率开关电路中开关的打开和闭合，进而调控正负脉冲占空比。

进一步地，复合脉冲信号的产生过程为：

（1）慢脉冲内部套高频脉冲充电

该阶段为充电过程，包括多个锯齿波型充电，每个锯齿波型为一个周期，周期的频率为180-210Hz，每个大锯齿波里面又嵌有频率为50-65KHz的小锯齿波型，整个慢脉冲内部套高频脉冲充电阶段时间为3-4h；

（2）复合正负脉冲充电

复合正负脉冲充电过程包括复合正负脉冲充电前阶段充电过程和后阶段充电过程，整个复合正负脉冲充电过程时间为1-2h；

前阶段和后阶段充电过程均包括：正脉冲充电、零脉冲停放和负脉冲放电；正负脉冲内部均嵌有慢脉冲，正脉冲频率为180-210Hz，慢脉冲频率为55-60KHz。

进一步地，步骤（2）中当电压以0.2V增加时，正负脉冲占空比以1-3的速度下降，当正负脉冲占空比为1.6时，以0.05-0.3的速度下降。

本发明提供的复合脉冲铅酸蓄电池充电器及其充电方法，具有以下有益效果：

（1）在慢脉冲内部套高频脉冲，可加快充电速度，并且在充电过程中不会造成析气和失水现象，也不会产生温升现象。

（2）在充电过程中适时地暂停充电后加入一定幅值和特定时间的负脉冲，用以缓冲充电过程中电极表面与溶液本体之间的反应离子浓度不一样，形成的离子浓度差，从而产生离子浓度极化，以及析气和失水现象；同时还会缓解电流密度较大时引起电极上电荷的积累产生的电化学极化现象。

（3）复合正负脉冲充电，在正脉冲内部嵌有慢脉冲，可以使离子浓度更好的扩散，更好的去极化，对电池有修复作用；零脉冲停放结合负脉冲放电，可以使充电过程中产生的电荷堆积以及离子浓度堆积更有效的扩散，使其移动速度与充电速度相匹配，从而解决极化问题。

附图说明

图1为复合脉冲铅酸蓄电池充电器的电路图。

图2为复合脉冲铅酸蓄电池充电器为电池充电的结构示意图。

图3为复合脉冲信号图谱，图3-1至3-13为充电过程中从开始到结束连续拍摄的复合脉冲信号图谱。

图4为慢脉冲内部套高频脉冲充电过程中的高频脉冲放大图。

图5为市场上的正负脉冲充电器的前段充电过程图。

图6为市场上的正负脉冲充电器的后段充电过程图。

具体实施方式

实施例1

一种复合脉冲铅酸蓄电池充电器，如图1所示，

包括整流器、功率开关电路、变压器、模数转换器、单片机、温度检测电路、光电耦合器和PWM；

整流器，用于将交流电转换为直流电，并传递给功率开关电路；

功率开关电路，用于接收PWM的脉冲信号，并通过该脉冲信号控制整流器输出的直流电信号，将其转换为交流电信号；

变压器，用于改变功率开关电路输出的电压的大小，并将电压信号通过模数转换器转换为数字信号，传递给单片机；

温度检测电路，用于检测充电过程中充电器的温度变化，并将检测信号通过模数转换器转换为数字信号，传递给单片机；

单片机，用于接收变压器的电压信号和温度检测电路传递的温度信号，并对上述信号信息进行处理，将其变为复合脉冲信号，并将该复合脉冲信号传递给光电耦合器；

光电耦合器，用于接收单片机的复合脉冲信号，并将该信号进行处理，变为PWM可接收的脉冲信号；

PWM，用于接收光电耦合器传递的脉冲信号，并将其传递给功率开关电路，用于控制功率开关电路中开关的打开和闭合，进而调控正负脉冲占空比。

一种复合脉冲铅酸蓄电池充电器的充电方法，将复合脉冲铅酸蓄电池充电器与电源连接，通过整流器将交流电转换为直流电，并传递给功率开关电路；

功率开关电路接收PWM的脉冲信号，并通过该脉冲信号控制整流器输出的直流电信号，将其转换为交流电信号，并以电压的信号传递给变压器；

变压器改变功率开关电路输出的电压的大小，并将电压信号通过模数转换器转换为数字信号，传递给单片机；

检测充电过程中充电器的温度变化，并将检测信号通过模数转换器转换为数字信号，传递给单片机；

单片机对温度检测电路检测到的温度变化信号与变压器传递的电压信号进行处理，将其变为复合脉冲信号，并将该复合脉冲信号传递给光电耦合器；

光电耦合器接单片机的复合脉冲信号，并将该信号进行处理，变为PWM可接收的脉冲信号；

PWM接收光电耦合器传递的脉冲信号，并将其传递给功率开关电路，用于控制功率开关电路中开关的打开和闭合，进而调控正负脉冲占空比。

上述复合脉冲铅酸蓄电池充电器为48V，20AH的铅酸蓄电池，其电路图见图2，充电过程中用示波器来采集复合脉冲信号。

复合脉冲信号的产生过程为：

（1）慢脉冲内部套高频脉冲充电

该阶段为充电过程，包括多个大锯齿波型充电，每个大锯齿波型为一个周期，频率为180-210Hz，这些大锯齿波型构成了慢脉冲，随机检测该阶段中某小段充电过程，如图3-2所示，F=196.078Hz，Vmax=436.657mV，Vmin=-202.461mV，Vpp=639.118 mV，但每个大锯齿波里面又嵌有频率为50-65KHz的小锯齿波型，随机检测小锯齿波型中的某一段充电过程，如图4所示，F=58.824KHz，Vmax=491.682mV，Vmin=37.864mV，Vpp=453.818 mV；整个慢脉冲内部套高频脉冲充电阶段时间为4h；

慢脉冲充电可以有效地消除和降低Pb²⁺浓差极化，提高充电速度的同时，可有效抑制析H₂和析O₂反应。

当慢脉冲内部套高频脉冲时，可加快充电速度，并且在充电过程中不会造成析气和失水现象，也不会产生温升现象。

（2）复合正负脉冲充电

复合正负脉冲充电过程包括复合正负脉冲充电前阶段充电过程和后阶段充电过程，整个复合正负脉冲充电过程时间为1.2h；

前阶段和后阶段充电过程均包括：正脉冲充电、零脉冲停放和负脉冲放电；正脉冲内部嵌有慢脉冲，即包含多个小锯齿波，正脉冲频率为180-210Hz，小锯齿波的频率为55-60KHz；负脉冲内部也嵌有慢脉冲；前阶段负脉冲放电时间短，随着充电时间的变化，到后阶段，负脉冲放电时间逐渐变长，当电压以0.2V增加时，正负脉冲占空比以1-3的速度下降，当正负脉冲占空比为1.6时，以0.05-0.3的速度下降。

前阶段包括：正脉冲充电、零脉冲停放和负脉冲放电，零脉冲停放和负脉冲放电时间相对后阶段要短，频率为10-22 Hz，后阶段频率为6-7Hz。

图3-4为复合正负脉冲充电前阶段放大图，图中中间虚线为零线，零线以上为正脉冲，零线以下为负脉冲，由图3-4可知，正脉冲中也嵌套着很多小的锯齿波，小锯齿波的频率达到了58KHz。

如图3-7所示，该图为复合正负脉冲充电后阶段，从图中可明显看出复合正负脉冲的负脉冲阶段加大了，这是为了使蓄电池得到更好的修复。

复合正负脉冲充电的特点是在正脉冲内部嵌有慢脉冲，可以使离子浓度更好的扩散，更好的去极化，对电池有修复作用；零脉冲停放结合负脉冲放电，可以使充电过程中产生的电荷堆积以及离子浓度堆积更有效的扩散，使其移动速度与充电速度相匹配，从而解决极化问题。

在充电过程中，对充电各状态参数进行监测，并根据电压信号来调节功率开关的打开和关闭状态，同时还通过温度传感器对其充电过程中产生的温度进行检测并将其信号传递给单片机，由单片机对这些信号进行处理，最终通过功率开关的打开和关闭比例来进行调控，进而暂停充电和维持一段时间的负脉冲来缓解这一现象，此过程可有助于去极化，同时还不会产生电池温升高现象，使电池的充电效率大大提高，充电速度也大大加快，还避免了过充或欠充的问题。

本发明整个充电过程，均可起到修复蓄电池的作用，进而延长了蓄电池的使用寿命。

图5为市场上的正负脉冲充电器的前段充电过程图，而从图5可知，市场上的正负脉冲充电器的前段充电过程几乎为直线，可称之为直充阶段，图5左下角可以看到其频率为0，所以此充电器的前段充电过程没有慢脉冲；图6为正负脉冲充电器的后段充电过程图，其正脉冲阶段也是直线，频率为5.319Hz，而这个频率使每个正负脉冲周期的频率，与本发明的充电过程有很大的不同。

市场上的正负脉冲充电器在充电过程中会出现析气和失水现象，充电速度慢，温升高，充电器寿命短，而用本发明提供的充电器对48V，20AH的铅酸蓄电池充电，只需充5.2h，其充电速度显著提高，温升也降低了，充电电池的寿命延长了1-3倍。