專利名稱：有維護功能的充電方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于鉛酸電池、特別是閥控密封鉛酸蓄電池的充電方法及其裝置，它能延長電池的使用壽命、能夠快速充電、能用于電池化成，并能對已硫化失效的蓄電池進(jìn)行維護、使硫化失效蓄電池能夠恢復(fù)正常使用。
電池，均指鉛酸電池、特別是閥控密封鉛酸蓄電池。電池除一直廣泛用于汽車、輪船等使用的啟動電池外，還廣泛用作移動設(shè)施如電動車輛、電動船只等設(shè)施的動力電源，也廣泛用作如UPS、通信交換機、電力開關(guān)屏等設(shè)備的備用電源。電池的使用壽命，由電池使用情況和電池本身的設(shè)計結(jié)構(gòu)決定，對移動設(shè)施使用的動力型電池來講，一般以可循環(huán)充放電的次數(shù)衡量，更確切地說，是以電池在一定的放電程度下包括放電電流和放電深度的充放電循環(huán)次數(shù)來衡量；對于備用電池來講，一般以在浮充條件下的使用時間長度(年)來衡量。近年來的研究結(jié)果表明電池的使用壽命除電池制造本身的因素外，充電方法對電池使用壽命有極大的影響，不完善的充電方法會使電池析氣失水或硫化、加速電極板柵的腐蝕，會極大地縮短電池的使用壽命。有相當(dāng)多數(shù)量的電池在實際使用中，由于運輸擱置、存貯擱置、使用中的擱置及使用不當(dāng)會產(chǎn)生硫化現(xiàn)象，雖然還沒有達(dá)到其應(yīng)有的使用壽命，但用傳統(tǒng)的充電辦法對硫化的電池充電，電池只能充入和放出遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電池容量的電量，這時電池只能做報廢處理。
目前的充電技術(shù)包括的直流充電法和脈沖充電法，直流充電包括恒壓、恒流、恒流限壓、恒壓限流等及其多種組合，脈沖充電開始于探討快速充電方法，主要用于動力電池充電，近年來的研究涉及脈沖充電對電池壽命的影響，采用適當(dāng)?shù)拿}沖充電技術(shù)可以提高電池的使用壽命。脈沖充電有采用只有正脈沖和有正負(fù)脈沖組合的多種方法，其中負(fù)脈沖是在充電過程中的去極化脈沖。在充電過程中，為防止過充造成損壞電池，必須要根據(jù)電池的充電狀態(tài)，對充電電流、充電電壓進(jìn)行調(diào)整和判斷充電終止條件。
US4,829,225 Pdarzhansky等公開了一種組合正負(fù)脈沖電流充電的方法，它在負(fù)脈沖期間檢測電池電壓，在充電過程中調(diào)整正負(fù)脈沖電流幅度和判斷充電終止。
US5,694,023 Pdarzhansky等公開了一種采用在正脈沖后加連續(xù)多個負(fù)脈沖，測量負(fù)脈沖間隔的電池電壓，根據(jù)上述電壓的變化判斷電池的充電狀態(tài)，調(diào)整充電平均電流和終止充電。
US5,680,031 VladAmAr S等公開了一種采用控制電流幅度和波形變化的正脈沖電流充電的方法。
US6,514,011 Lam等)公開了一種采用正脈沖的充電方法，它采用檢測最大電池開路電壓檢測，并控制減小脈沖電流、或增加脈沖關(guān)斷時間、或減小脈沖導(dǎo)通時間、或以上三種辦法的組合減少平均充電電流。
CN98120663(鐘陽)公開了一種正負(fù)脈沖電流充電方法，它采用檢測開路電壓和極值判定法判斷充電狀態(tài)，用調(diào)整脈沖電流強度和改變脈沖占空比的方法減小充電電流，用極值判定充電終止條件。
以上現(xiàn)有技術(shù)中均未涉及對充電電流脈沖的上升沿和下降沿的時間速率要求，而試驗表明，脈沖充電電流的快速前后沿對防止電池硫化和去除電池硫化有重要作用。
以上現(xiàn)有技術(shù)中均未對電池的析氣判定給出可靠準(zhǔn)確的方法，因此在充電時可能會出現(xiàn)嚴(yán)重析氣失水或欠充造成電池硫化而損害電池。
以上現(xiàn)有技術(shù)對在充電過程中減小平均充電電流提出了多種方法選擇，沒有涉及其方法對電池內(nèi)壓和溫度的影響，實際上用減小充電電流幅度的辦法，既增加電路的復(fù)雜性、又相對于用不改變充電電流幅度而改變占空比的辦法，使電池內(nèi)壓和溫度更高，會產(chǎn)生更多的析氣失水現(xiàn)象。
以上現(xiàn)有技術(shù)均無可實用的即可對電池充電、又能修復(fù)已硫化的電池的功能，在實際使用中將無法對已硫化的電池進(jìn)行修復(fù)并充電。
以上現(xiàn)有技術(shù)都需要電流幅度連續(xù)控制部件和(或)電流檢測電路，電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，而大電流連續(xù)控制功能的實現(xiàn)還需要成本較高的大功率器件。
本發(fā)明目的針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種有維護功能的充電方法及其裝置，它以通過特定的充電方法避免充電過程中的析氣失水和抑制硫化為主要目的，從而延長蓄電池的壽命。
本發(fā)明又提供一種新型的有維護功能的充電方法及其裝置，它在對電池充滿電之后，采用本發(fā)明的脈沖電流對電池進(jìn)行涓流充電和維護，可以防止電池在擱置期間產(chǎn)生硫化。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種特定的脈沖電流進(jìn)行維護的有維護功能的充電方法及其裝置，它可以修復(fù)未達(dá)到應(yīng)有使用壽命的硫化電池，延長蓄電池的壽命。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種有維護功能的充電方法，其特征在于它的充電過程(充電過程A)包括如下步驟1、采用正脈沖電流帶有快速上升前沿的脈沖電流的復(fù)合脈沖電流充電；2、進(jìn)行狀態(tài)檢測，一旦達(dá)到預(yù)定的閥值，減少平均充電電流；3、減少平均充電電流；4、計算平均充電電流是否達(dá)到預(yù)定值，判定終止充電過程。
所述的復(fù)合脈沖電流正脈沖電流還可包括快速下降的后沿。
所述的快速上升前沿或快速下降的后沿的時間參數(shù)要求為在阻性負(fù)載電阻上的電壓上升沿和(或)快速下降后沿的速率不小于每微秒6伏特。
所述的充電過程結(jié)束后可轉(zhuǎn)入進(jìn)行后充電過程(充電過程B)，充電過程B的充電電流的峰值幅度與充電過程A的充電電流的峰值幅度不同，充電過程B可以作為充電過程A結(jié)束后的涓流充電和維護充電，也可以作為單獨的維修硫化電池的過程。
所述的狀態(tài)檢測為電壓閥值判定和dV/dt閥值判定的雙重判定，檢測中一旦達(dá)到其中一個閥值，就減少平均充電電流；所述的減少平均充電電流步驟是通過改變脈沖電流的占空比實現(xiàn)。
所述的所述的開路電壓判定為在充電脈沖的間歇時間中所檢測的被充電電池的電壓，對開路電壓閥值按每單格電池每攝氏度-0.003V至-0.004V進(jìn)行溫度補償，計算方法如下式UQ＝n×Ua-n×(t-25℃)×K式中n-----被充電電池中所串聯(lián)的單格電池的數(shù)量Ua-----試驗得出的25℃環(huán)境溫度條件下單格電池的析氣電壓閥值t-----所檢測的環(huán)境溫度K-----溫度系數(shù)(-0.003V/℃至-0.004V/℃)得出當(dāng)前開路電壓閥值，當(dāng)所述的開路電壓等于或大于所計算的當(dāng)前開路電壓閥值時，判定需改變充電脈沖電流的參數(shù)；所述的dV/dt檢測為在固定的時間間隔上檢測得出開路電壓的上升速率，當(dāng)該上升速率等于或大于預(yù)設(shè)dV/dt閥值時，判定需改變充電脈沖電流的參數(shù)。
所述的改變充電脈沖脈沖的占空比的方法可為減小正脈沖寬度，或增加間歇時間寬度，或增加負(fù)脈沖的寬度，或以上三者的任意組合。
所述的判定充電過程A的終止條件保護如下步驟計算平均充電電流Iav，設(shè)Ip為充電正脈沖電流的峰值，Tp為正脈沖寬度，To為間歇時間寬度，Iav≈Ip×Tp/(Tp+To)，設(shè)所充電的蓄電池的10小時額定放電電流為I10，當(dāng)Iav≤Ci×I10時，判定為充電過程A的終止條件成立，其中Ci為0.01至0.08中的某一個設(shè)定值時。
所述的充電過程B的充電脈沖由連續(xù)的正脈沖電流串組成，正脈沖的寬度為5微秒至500毫秒，間歇時間的寬度為5微秒至500毫秒。正脈沖帶有快速上升前沿和(或)快速下降后沿，其時間參數(shù)要求為在阻性負(fù)載電阻上的電壓上升沿和(或)快速下降后沿的速率不小于每微秒6伏特。
所述的充電過程B的充電脈沖由連續(xù)的正脈沖電流串和一個負(fù)脈沖組成，正脈沖的寬度為5微秒至500毫秒，間歇時間的寬度為5微秒至500毫秒，負(fù)脈沖電流的寬度為前一個負(fù)脈沖后的正脈沖電流串中所有正脈沖的時間寬度總和的0.1％至2％。
所述的充電過程B的正脈沖帶有快速上升前沿和(或)快速下降后沿，其時間參數(shù)要求為在阻性負(fù)載電阻上的電壓上升沿和(或)快速下降后沿的速率不小于每微秒6伏特。
因此，本發(fā)明有至少兩種工作過程充電過程A和充電過程B，所述的兩種工作過程采用各自不同脈沖電流峰值以及不同脈沖波形參數(shù)的脈沖電流對電池進(jìn)行充電；所述的兩種充電過程中的正脈沖電流都帶有快速上升前沿和(或)快速下降后沿。在所述的充電過程A中，有析氣電壓判定、減小平均充電電流、充電終止條件判定、停止充電或轉(zhuǎn)入充電過程B等步驟。充電過程A是以充入電量為主的充電過程，充電過程A結(jié)束后，電池已經(jīng)充滿可以使用；充電過程B可以作為充電過程A結(jié)束后的涓流充電和維護充電，也可以作為單獨的修復(fù)硫化電池的過程。
為實現(xiàn)充電過程A和充電過程B，所述的有維護功能的蓄電池充電裝置中，其電路包括有限壓功能的穩(wěn)流電源電路、電子開關(guān)電路、去極化電路、微控制器電路、電壓檢測電路、溫度檢測電路及A/D轉(zhuǎn)換電路、鍵盤顯示電路、以及可開關(guān)恒流源電路；所述的電子開關(guān)電路(串入一個保護二極管后)和所述的可開關(guān)恒流源電路(串入一個保護二極管后)并聯(lián)后再串聯(lián)到所述的穩(wěn)流電源電路對所述的被充電電池的充電回路中，由所述的微控制器進(jìn)行控制，在充電過程A中，可開關(guān)恒流源電路總被關(guān)斷，由電子開關(guān)電路的通斷，在充電回路產(chǎn)生充電過程A所要求的充電脈沖的正脈沖電流；在充電過程B中，電子開關(guān)電路總被關(guān)斷，由可開關(guān)恒流源電路的通斷，在充電回路產(chǎn)生充電過程B所需要的充電脈沖的正脈沖電流。
為實現(xiàn)充電過程A和充電過程B，所述的有維護功能的蓄電池充電裝置中，其電路包括有限壓功能的穩(wěn)流電源電路、電子開關(guān)電路、去極化電路、微控制器電路、電壓檢測電路、溫度檢測電路及A/D轉(zhuǎn)換電路、鍵盤顯示電路，所述的有限壓功能的穩(wěn)流電源電路有分檔電流輸出的功能，其分檔輸出的功能由微控制器控制；所述的電子開關(guān)電路串聯(lián)在有限壓功能的穩(wěn)流電源電路對被充電電池的充電回路中；在充電過程A中，微控制器控制有限壓功能的穩(wěn)流電源電路，使其輸出充電過程A所需的正脈沖電流幅度的電流，并控制所述的電子開關(guān)電路的通斷、從而產(chǎn)生充電過程A所需的正脈沖電流。在充電過程B中，微控制器控制有限壓功能的穩(wěn)流電源電路，使其輸出充電過程B所需的正脈沖電流幅度的電流，并控制所述的電子開關(guān)電路的通斷、從而產(chǎn)生充電過程B所需的正脈沖電流。
所述的帶限壓功能的穩(wěn)流電源電路，可為開關(guān)型交直流變換電源電路，它主要包括一次整流電路、逆變器、PWM控制電路、二次整流平滑電路和取樣反饋電路等；它有電流反饋和電壓反饋等兩個反饋功能。它的電流反饋與通用的穩(wěn)流電源電路一致，用輸出電流取樣信號與預(yù)定穩(wěn)流的基準(zhǔn)值比較后得到電流反饋信號，它還有一個輸出電壓取樣和預(yù)定限壓的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較的電路，得出電壓反饋信號。電壓反饋信號和電流反饋信號按著“或”的關(guān)系反饋到PWM控制電路。電流反饋用于穩(wěn)定輸出電流，而電壓反饋用于限制輸出電壓過高。其特性是負(fù)載在預(yù)定范圍內(nèi)的變化時(即當(dāng)輸出電壓小于限定值時)，電流取樣反饋環(huán)路起作用，這時電壓反饋不起作用，所述的帶限壓功能的穩(wěn)流電源電路輸出穩(wěn)定的電流；當(dāng)負(fù)載阻抗增大到超出穩(wěn)流電路可以穩(wěn)流的范圍以及負(fù)載開路時，輸出電壓會上升，當(dāng)輸出電壓升高達(dá)到所設(shè)計的限壓值時，電壓取樣比較的反饋環(huán)路起作用，限制電壓的進(jìn)一步升高，起限壓作用，這時電流反饋不起作用。具體設(shè)計可參照開關(guān)電源設(shè)計資料。
所述的帶有快速上升前沿和(或)快速下降后沿的正脈沖電流，其快速上升的前沿和(或)快速下降后沿主要由電路設(shè)計時對電子開關(guān)電路中及可開關(guān)恒流源電路中的開關(guān)器件選擇來確定，足夠開關(guān)速度的開關(guān)器件可以滿足所述的快速前后沿的要求。具體設(shè)計可參照開關(guān)電路設(shè)計資料。
本發(fā)明適用于蓄電池，特別是閥控密閉鉛酸電池。可用于電池的充電和化成。
本發(fā)明采用有嚴(yán)格、明確的快速上升和下降的前后沿的正脈沖電流充電，使電池板極生成細(xì)小并且均勻的結(jié)晶，可防止極板硫化，并對已硫化的電池有修復(fù)作用。
現(xiàn)有技術(shù)對析氣電壓的判斷有固定析氣電壓法、有帶溫度補償?shù)奈鰵怆妷悍ā⒂衐V/dt閥值法等等。固定析氣電壓法存在環(huán)境溫度高時過充電、環(huán)境溫度低時欠充電的問題，單純受溫度修正的析氣電壓法和單純dV/dt閥值的判斷有時會因為受到充電環(huán)境的影響而失控，從而形成過充電產(chǎn)生析氣失水或欠充電產(chǎn)生硫化，本發(fā)明實現(xiàn)有溫度補償?shù)拈_路電壓判定和dV/dt判定的雙重判斷，而雙重環(huán)境干擾的可能性非常小，所以誤判極低。失水現(xiàn)象少于其它判斷方式，延長了電池壽命。
在充電過程中的中期和后期，由于電化學(xué)反應(yīng)，電池內(nèi)部的溫度和壓力逐漸上升，這時需要減小平均充電電流，以防止溫升過高和內(nèi)壓過大對電池造成損壞。本發(fā)明在充電過程的中后期采用調(diào)整占空比的辦法來減小平均充電電流、而不是采用減少脈沖電流幅度的方式減少平均充電電流進(jìn)行充電。試驗表明，采用本發(fā)明的辦法，電池溫度和內(nèi)壓升幅小于用減小脈沖電流幅度的減小充電電流的充電方法，因而減小了電池的析氣失水現(xiàn)象。另外，它在充電過程的中后期、平均充電電流減小時仍然具有足夠的脈沖擾動，保證了去硫化的條件，延長了電池壽命。
本發(fā)明的充電過程B，它有兩種功能1)使用中的電池如有比較長期的擱置期間(如北方的電動船只在冬季無法使用而擱置)，電池極易產(chǎn)生硫化，甚至因此報廢。而采用本發(fā)明的方法在電池充滿電量后(充電過程A完成后)，可長期用充電過程B對擱置中的電池進(jìn)行涓流浮充和維護充電，不僅可以補充電池的自放電、還能避免電池在擱置中出現(xiàn)電池硫化現(xiàn)象，保持電池“新鮮”，保證電池可隨時使用，延長了電池的使用壽命。
2)對生產(chǎn)、運輸、銷售和使用過程中因無法維護的擱置而產(chǎn)生硫化的電池，可直接采用充電過程B進(jìn)行維修(需要一定時間，如幾天)，使已硫化的電池恢復(fù)其原有的充放電能力。
本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)簡單，無需連續(xù)調(diào)節(jié)電流幅度的電路和充電電流檢測電路，降低了成本，并易于實施。
本發(fā)明主要針對鉛酸閥控密閉蓄電池，但其充電方法也可用于其它蓄電池，如開口鉛酸蓄電池、鎳氫電池和其它蓄電池。
下面結(jié)合附圖和具體實施方案對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。


圖1A為本發(fā)明充電過程A的充電脈沖電流波形圖；圖1B和圖1C為本發(fā)明充電過程B的充電脈沖波形圖；圖2為本發(fā)明的一種電路實施例的原理方框圖；圖3為圖2實施例中的有限壓功能的穩(wěn)流電源的電路原理方框圖；圖4為本發(fā)明的另一種電路實施例的原理方框圖；圖5為圖4實施例中的有限壓功能的穩(wěn)流電源的電路原理方框圖；圖6為本發(fā)明的一種實施例的工作流程圖。
參見圖1、6，說明本發(fā)明的充電方法。
它充電過程包括采用正負(fù)脈沖電流充電、析氣電壓判定、減小平均充電電流、判定充電終止條件等步驟，所述的充電過程有至少兩個充電過程，充電過程A和充電過程B；充電過程A和充電過程B有不同的充電電流的峰值幅度；兩個充電過程所采用的正脈沖電流帶有快速上升前沿和(或)快速下降后沿；在充電過程A中，包括如下步驟1、復(fù)合脈沖電流充電。復(fù)合脈沖由帶有快速上升前沿和(或)快速下降后沿的正脈沖電流、負(fù)脈沖電流(去極化脈沖)和間歇時間組成。
2、進(jìn)行狀態(tài)檢測，一旦達(dá)到預(yù)定的閥值，減少平均充電電流；3、減少平均充電電流；4、計算平均充電電流是否達(dá)到預(yù)定值，判定終止充電過程。
正脈沖電流所帶有的快速上升前沿和(或)快速下降后沿，其時間參數(shù)要求為該電流在阻性負(fù)載上的電壓降的上升沿或下降沿不小于每微秒6伏特。正脈沖電流的寬度為10毫秒至2分鐘，負(fù)脈沖的寬度為正脈沖寬度的0.1％至5％，間歇時間的寬度為1毫秒至正脈沖電流的寬度的200倍。充電過程A的充電脈沖電流，其脈沖電流峰值可為被充電電池10小時放電率額定電流I10的0.1倍至20倍，所述的負(fù)脈沖電流幅度應(yīng)大于或等于正脈沖電流幅度，負(fù)脈沖電流幅度最大可為正脈沖電流幅度的3倍。
在充電過程中，由于電化學(xué)反應(yīng)，電池內(nèi)部的溫度和壓力逐漸上升，在電池內(nèi)部的溫度和壓力達(dá)到一定程度時，會產(chǎn)生對電池有損壞的嚴(yán)重析氣現(xiàn)象，因此充電程度過程中，需要判定電池的析氣電壓，在產(chǎn)生嚴(yán)重析氣現(xiàn)象之前減小平均充電電流，以防止出現(xiàn)嚴(yán)重析氣現(xiàn)象而損害電池。
本發(fā)明對析氣電壓的判定，包括電池開路電壓判定和dV/dt判定。也就是所述的狀態(tài)檢測為電壓閥值判定和dV/dt閥值判定的雙重判定，檢測中一旦達(dá)到其中一個閥值，就減少平均充電電流。
在充電脈沖的負(fù)脈沖結(jié)束后，在間歇時間內(nèi)(可取間歇時間的起始點)測量的被充電電池的電壓，稱為電池開路電壓。用以本發(fā)明正負(fù)脈沖電流充電的方法(其脈沖參數(shù)為充電過程A開始時的參數(shù))充電時所測定的、不會產(chǎn)生對電池有損害的嚴(yán)重析氣的最高許可開路電壓稱為析氣電壓閥值。單格閥控密閉鉛酸電池在25℃環(huán)境溫度下析氣電壓閥值為2.3V至2.6V，該值的選擇依據(jù)電池制造結(jié)構(gòu)和充電電流，可由試驗得出。因析氣電壓閥值隨環(huán)境溫度變化，應(yīng)當(dāng)對每單格電池的的析氣電壓閥值以-0.003V/℃至-0.004V/℃的溫度系數(shù)進(jìn)行補償，對一個單體電池或多個串聯(lián)的單體電池，設(shè)其實際環(huán)境溫度下的析氣電壓閥值為UQ，
UQ＝n×Ua-n×(t-25℃)×K式中n-----被充電電池中所串聯(lián)的單格電池的數(shù)量Ua-----試驗得出25℃環(huán)境溫度條件下單格電池的析氣電壓閥值t-----所檢測的環(huán)境溫度K-----溫度系數(shù)(-0.003V/℃至-0.004V/℃)例如，對12V蓄電池(6個單格電池)，預(yù)先試驗得出的析氣電壓閥值在25℃環(huán)境下為13.8V，則在35℃的環(huán)境溫度下UQ＝13.8V-6×35-25×0.004V＝13.56V。所述的電池開路電壓判定為比較電池的開路電壓和所計算的析氣電壓閥值，當(dāng)所檢測的電池開路電壓達(dá)到析氣電壓閥值UQ時，判定為達(dá)到析氣電壓，應(yīng)減少平均充電電流。
所述的dV/dt判定是這樣實現(xiàn)的在充電脈沖的間歇時間檢測電池的開路電壓，設(shè)定一個單位時間(dt)，計算每單位時間的電池開路電壓的增量(dV)，比較該增量和預(yù)置的dV/dt閥值，當(dāng)該增量等于或大于預(yù)置的dV/dt閥值時，判定為達(dá)到析氣電壓，應(yīng)減少平均充電電流。
預(yù)置的dV/dt閥值，該值的選擇原則為以本發(fā)明所述的正負(fù)脈沖電流充電(并且其脈沖參數(shù)為充電過程A開始時的參數(shù))的方法充電時，在“時間-電壓”充電曲線中，計算對被充電電池的析氣電壓點的曲線斜率，取所述的單位時間上的電池開路電壓的增量值作為預(yù)置的dV/dt閥值。
平均充電電流為充電電流在充電脈沖周期內(nèi)的平均值。可設(shè)定Tp為正脈沖寬度，Tn為負(fù)脈沖寬度，To為間歇時間寬度，Ip為正脈沖電流峰值，In為負(fù)脈沖電流峰值。設(shè)一個周期內(nèi)平均充電電流為Iav。則Iav＝Ip×Tp-In×Tn/Tp+Tn+To。因負(fù)脈沖對充電電量的影響很小，可忽略負(fù)脈沖的作用，則可簡化為Iav≈Ip×Tp/Tp+To。
充電過程A中的減小平均充電電流的方法為改變脈沖充電電流的占空比占空比為Kp＝Tp/Tp+Tn+To，在充電初期，采用接近為1的高占空比的脈占空比為Kp＝Tp/Tp+Tn+To，在充電初期，采用接近為1的高占空比的脈沖參數(shù)。當(dāng)充電過程中檢測到電池兩端電壓達(dá)到析氣電壓閥值、或dV/dt達(dá)到預(yù)置的dV/dt閥值時，減小脈沖電流的占空比Kp，從而減小平均充電電流，避免被充電電池出現(xiàn)嚴(yán)重的析氣失水現(xiàn)象。
減小所述的占空比Kp的方法為1減小正脈沖寬度，2增加間歇時間寬度，3增加負(fù)脈沖的寬度，4以上三者的組合。
充電終止條件判定為判定充電過程A的終止條件，它是這樣實現(xiàn)的在每次減小充電脈沖電流的占空比后，計算平均充電電流，設(shè)所充電的蓄電池的10小時額定放電電流為I10，當(dāng)Iav≤Ci×I10時，判定為充電過程A的終止條件成立，其中Ci為0.01至0.08中的某一個設(shè)定值時。當(dāng)所述的充電過程A的終止條件成立后，可停止充電或轉(zhuǎn)入充電過程B。
充電過程結(jié)束后可轉(zhuǎn)入進(jìn)行后充電過程(充電過程B)，充電過程B的充電電流的峰值幅度與充電過程A的充電電流的峰值幅度不同，充電過程B可以作為充電過程A結(jié)束后的涓流充電和維護充電，也可以作為單獨的維修硫化電池的過程。
本發(fā)明有至少兩種工作過程充電過程A和充電過程B，所述的兩種工作過程采用各自不同脈沖電流峰值以及不同脈沖波形參數(shù)的脈沖電流對電池進(jìn)行充電；所述的兩種充電過程中的正脈沖電流都帶有快速上升前沿和(或)快速下降后沿。在所述的充電過程A中，有析氣電壓判定、減小平均充電電流、充電終止條件判定、停止充電或轉(zhuǎn)入充電過程B等步驟。充電過程A是以充入電量為主的充電過程，充電過程A結(jié)束后，電池已經(jīng)充滿可以使用；充電過程B可以作為充電過程A結(jié)束后的涓流充電和維護充電，也可以作為單獨的修復(fù)硫化電池的過程。
充電過程B的充電脈沖由連續(xù)的帶有快速上升前沿和(或)快速下降后沿的正脈沖電流組成，正脈沖電流的電流峰值強度為1毫安至1000毫安，正脈沖的寬度為5微秒至500毫秒，間歇時間的寬度為5微秒至500毫秒。所述的充電過程B中的正脈沖電流所帶的有快速上升前沿和(或)快速下降后沿，其時間參數(shù)要求為該脈沖電流在阻性負(fù)載上的電壓降的上升沿和(或)下降沿的速率不小于每微秒6伏特。
充電過程B的充電脈沖由連續(xù)的帶有快速上升前沿和(或)快速下降后沿的正脈沖電流串和一個負(fù)脈沖組成；正脈沖電流的電流峰值強度為1毫安至1000毫安，正脈沖的寬度為5微秒至500毫秒，間歇時間的寬度為5微秒至500毫秒，負(fù)脈沖電流幅度大于或等于正脈沖電流的幅度、最大可為正脈沖電流幅度的10倍。負(fù)脈沖電流的寬度為前一個負(fù)脈沖后的正脈沖電流串中所有正脈沖的時間寬度總和的0.1％至2％。
充電過程B的正脈沖電流的峰值強度根據(jù)被充電電池容量選擇，應(yīng)保證長期按充電過程B對電池充電時，對電池沒有損害。可以按用此峰值和所設(shè)計的脈沖參數(shù)脈沖的電流對被充電電池充電時，1-6個月時間可充滿電池容量計算。
參見圖2、3，為本發(fā)明充電裝置的一種實施例。其中1為有限壓功能的穩(wěn)流電源電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方框圖參見圖3。它可為采用TL494，SG3525，UC3824及類似的PWM控制器的開關(guān)電源，圖中Vr1、Vr2為基準(zhǔn)電壓，R1為負(fù)載阻抗，比較放大電路1和比較放大電路2可采用PWM控制器內(nèi)部的或外部的比較放大電路，比較放大電路1從穩(wěn)流電源輸出端的r1、r2分壓電阻上對輸出電壓取樣，比較放大電路1對電壓取樣信號和基準(zhǔn)電壓Vr1進(jìn)行比較，輸出電壓反饋信號；比較放大電路2從電流取樣電阻ri上取出電流信號，比較放大電路2對電流取樣信號和基準(zhǔn)電壓Vr2進(jìn)行比較，輸出電流反饋信號。比較放大電路2輸出的電流反饋信號和比較放大電路1輸出的電壓反饋信號通過“或”門電路施加到PWM的控制輸入端，電流信號反饋到PWM控制電路以穩(wěn)定電流輸出，電流的穩(wěn)定值設(shè)計在充電過程A所需的正脈沖電流的峰值；電壓信號反饋到PWM控制電路以限制電壓升高，電壓的限制值(或穩(wěn)定值)取值的原則為當(dāng)直流輸出端Vo通過一個恒流源電路(如本實施例的電路11)連接到被充電電池上，被充電電池在最劣條件下(電池電壓最高時)，這個電壓值可以保證恒流源電路能正常工作的電壓、使有限壓功能的穩(wěn)流電源1能通過可開關(guān)恒流源電路11輸出充電過程B所需的有正脈沖電流峰值的電流。
2為電子開關(guān)電路，為采用雙級型三極管、VMOS、TMOS，IGBT等器件組成的電子開關(guān)電路，應(yīng)選擇其開關(guān)特性以滿足所述的快速前后沿的條件；為防止反向電壓對電路的損壞，電子開關(guān)的輸出端串聯(lián)一個保護二極管；3為去極化電路，可為由電子開關(guān)器件串聯(lián)的去極化負(fù)載電阻或去極化電子負(fù)載電路組成；4為68HC05，8051，ABT551等系列微處理器；5為溫度檢測電路，由溫度傳感器及相關(guān)器件組成；6為電壓檢測電路；8為A/D轉(zhuǎn)換電路，可為獨立的A/D轉(zhuǎn)換接口器件，也可為微控制器4中內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換電路；9為鍵盤和顯示電路；11為可開關(guān)恒流源電路，它是在恒流源電路中加一個控制端，在控制端所加的信號可以啟動或關(guān)斷恒流源電路。為防止反向電壓對電路的損害，可開關(guān)恒流源電路的輸出端要串聯(lián)保護一個二極管。
12為被充電電池。
電子開關(guān)2和可開關(guān)恒流源電路11并聯(lián)連接后，再串聯(lián)于有限壓功能的穩(wěn)流電源電路1對被充電電池12的充電回路中；電子開關(guān)2和可開關(guān)恒流源電路11的控制端分別通過線路20和21與微控制器4連接；電壓檢測電路6用于檢測被充電電池12的兩端的電壓；溫度檢測電路5用于檢測環(huán)境溫度；鍵盤顯示電路9用于輸入指令和顯示充電狀態(tài)，指令可包括選擇充電過程和停止充電等。
在充電過程A中，可開關(guān)恒流源電路11由微控制器4通過線路21控制而處于關(guān)閉狀態(tài)，有限壓功能的穩(wěn)流電源電路1的輸出電流需通過電子開關(guān)電路2流入到被充電電池12，由微控制器4通過線路20控制電子開關(guān)電路2的導(dǎo)通和關(guān)斷形成充電過程A所需的正脈沖電流，其脈沖電流峰值由有限壓功能的穩(wěn)流電路1的穩(wěn)流輸出電流值確定，其快速前后沿的要求由電子開關(guān)電路2中所選擇的開關(guān)器件的開關(guān)時間參數(shù)保證。
在充電過程B中，此時電子開關(guān)電路2由微控制器4通過線路20控制而處于關(guān)閉狀態(tài)，有限壓功能的穩(wěn)流電源電路1的輸出電流通過可開關(guān)恒流源電路11流入到被充電電池12，由微控制器4通過線路21控制可開關(guān)恒流源電路11的導(dǎo)通和關(guān)斷形成充電過程B所需的正脈沖電流，其脈沖電流峰值由可開關(guān)恒流源電路11中的恒流源電路確定，其快速前后沿的要求由可開關(guān)恒流源電路11中所選擇的開關(guān)器件的開關(guān)時間參數(shù)保證。
去極化電路3并聯(lián)于被充電電池12的兩端，去極化電路3的控制端通過線路22與微控制器4連接并受其控制產(chǎn)生去極化脈沖，即負(fù)脈沖。
當(dāng)微控制器4關(guān)斷電子開關(guān)電路2、可開關(guān)恒流源電路11和去極化電路3時，可形成充電脈沖電流的間歇時間。
圖4是本發(fā)明的另一種實施電路方案的原理方框圖，它不采用圖2電路中的可開關(guān)恒流源電路11，而是在有限壓功能的穩(wěn)流電源電路10中增加分檔穩(wěn)流輸出控制電路，有限壓功能的穩(wěn)流電源電路10的內(nèi)部電路的方框圖參見圖5，有限壓功能的穩(wěn)流電源電路10有兩個電流取樣反饋回路比較放大路2和比較放大電路3，它們從取樣電阻ri上對輸出電流上取樣，分別與不同的基準(zhǔn)電壓Vr2和Vr3比較，各自對應(yīng)一個穩(wěn)定電流值。比較放大電路2和比較放大電路3各有一個使能控制端e，微控制器4通過線路25控制比較放大電路3的使能，微控制器4通過線路25和一個“非”門電路控制比較放大電路2的使能，使同時只有其中一個比較放大電路的輸出反饋到PWM電路，可以使穩(wěn)流電源電路10穩(wěn)定地輸出其中一檔幅度的電流。所檔電流峰值的正電流，分別對應(yīng)充電過程A和充電過程B所需的兩種脈沖充電電流的正脈沖電流幅度。兩個充電過程的脈沖電流都是由電子開關(guān)電流2的通斷產(chǎn)生，其它與圖2和圖3所述類似。
圖6描述本發(fā)明實施例的工作流程，以對12V10Ah電池的充電裝置為例，該充電裝置的電路原理圖為圖2，其中穩(wěn)流電源電路1可輸出最大的電流輸出為10A，可開關(guān)恒流源電路11所設(shè)計的恒流值為5mA。
參見圖6，在工作程序啟動之后，在步驟601由鍵盤選擇進(jìn)入充電過程A進(jìn)行充電或進(jìn)入充電過程B。
在充電過程A中，在步驟602設(shè)置初始充電參數(shù)正脈沖的寬度為60s，負(fù)脈沖的寬度為0.6s，間歇時間為100ms；之后進(jìn)入步驟603，以最大輸出電流，按所設(shè)置的脈沖參數(shù)輸出脈沖充電電流；在步驟604檢測電池的開路電壓；在步驟605檢測環(huán)境溫度，按本發(fā)明所述的方法計算開路電壓閥值，取在25℃環(huán)境下析氣電壓閥值13.8V，溫度補償系數(shù)K為-0.004V/℃；在步驟606進(jìn)行電池開路電壓判定，當(dāng)電池開路電壓達(dá)到析氣電壓閥值，判定條件成立，轉(zhuǎn)到步驟609，否則轉(zhuǎn)到步驟607；在步驟607進(jìn)行電池電壓增量計算，以分鐘為單位時間得出開路電壓增量(dV/dt值)；在步驟607的后繼步驟608進(jìn)行dV/dt判定，預(yù)置的dV/dt閥值為1mV/min，當(dāng)所計算的電壓增量達(dá)到預(yù)置的dV/dt閥值時，判定條件成立，轉(zhuǎn)到步驟609，否則轉(zhuǎn)到步驟603；在步驟609調(diào)整脈沖的占空比，間歇時間增加60s；在步驟610判定充電過程A的終止條件計算平均充電電流，當(dāng)平均充電電流小于或等于80mA時，判定充電過程A終止條件成立，轉(zhuǎn)到步驟611，否則轉(zhuǎn)到步驟603按調(diào)整后的脈沖參數(shù)輸出脈沖電流繼續(xù)充電；在步驟611由鍵盤按鍵選擇，停止充電或轉(zhuǎn)到充電過程B。圖1A為充電過程A所輸出的電流波形圖的示意圖。
在充電過程B中，在步驟612設(shè)置脈沖參數(shù)為正脈沖寬度為200ms，間歇時間為100ms，每100個正負(fù)脈沖后，輸出一個寬度為100ms負(fù)脈沖寬度；在步驟613按所設(shè)置的脈沖參數(shù)輸出充電脈沖，輸出電流為可開關(guān)恒流源電路所設(shè)計的恒流值；每次輸出脈沖電流后，在步驟614根據(jù)是否有終止充電的指令而確定轉(zhuǎn)到步驟612繼續(xù)充電或停止充電。圖1C為充電過程B所輸出的電流波形圖的示意圖，如在步驟613中不設(shè)置負(fù)脈沖的產(chǎn)生，其電流輸出波形圖的示意圖為圖1B。
權(quán)利要求
1.一種有維護功能的充電方法，其特征在于它的充電過程(充電過程A)包括如下步驟a、采用正脈沖電流帶有快速上升前沿的脈沖電流的復(fù)合脈沖電流充電；b、進(jìn)行狀態(tài)檢測，一旦達(dá)到預(yù)定的閥值，減少平均充電電流；c、減少平均充電電流；d、計算平均充電電流是否達(dá)到預(yù)定值，判定終止充電過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有維護功能的充電方法，其特征在于所述的復(fù)合脈沖電流正脈沖電流還可包括快速下降的后沿。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有維護功能的充電方法，其特征在于所述的快速上升前沿或快速下降的后沿的時間參數(shù)要求為在阻性負(fù)載電阻上的電壓上升沿和(或)快速下降后沿的速率不小于每微秒6伏特。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有維護功能的充電方法，其特征在于所述的充電過程結(jié)束后可轉(zhuǎn)入進(jìn)行后充電過程(充電過程B)，充電過程B的充電電流的峰值幅度與充電過程A的充電電流的峰值幅度不同，充電過程B可以作為充電過程A結(jié)束后的涓流充電和維護充電，也可以作為單獨的維修硫化電池的過程。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有維護功能的充電方法，其特征在于所述的狀態(tài)檢測為電壓閥值判定和dV/dt閥值判定的雙重判定，檢測中一旦達(dá)到其中一個閥值，就減少平均充電電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有維護功能的充電方法，其特征在于所述的減少平均充電電流步驟是通過改變脈沖電流的占空比實現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的有維護功能的充電方法，其特征在于所述的所述的開路電壓判定為在充電脈沖的間歇時間中所檢測的被充電電池的電壓，對開路電壓閥值按每單格電池每攝氏度-0.003V至-0.004V進(jìn)行溫度補償，計算方法如下式UQ＝n×Ua-n×(t-25℃)×K式中n-----被充電電池中所串聯(lián)的單格電池的數(shù)量Ua-----試驗得出25℃環(huán)境溫度條件下單格電池的析氣電壓閥值t-----所檢測的環(huán)境溫度K-----溫度系數(shù)(-0.003V/℃至-0.004V/℃)得出當(dāng)前開路電壓閥值，當(dāng)所述的開路電壓等于或大于所計算的當(dāng)前開路電壓閥值時，判定需改變充電脈沖電流的參數(shù)；所述的dV/dt檢測為在固定的時間間隔上檢測得出開路電壓的上升速率，當(dāng)該上升速率等于或大于預(yù)設(shè)dV/dt閥值時，判定需改變充電脈沖電流的參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的有維護功能的充電方法，其特征在于所述的改變充電脈沖脈沖的占空比的方法可為減小正脈沖寬度，或增加間歇時間寬度，或增加負(fù)脈沖的寬度，或以上三者的任意組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有維護功能的充電方法，其特征在于所述的判定充電過程A的終止條件保護如下步驟計算平均充電電流Iav，設(shè)Ip為充電正脈沖電流的峰值，Tp為正脈沖寬度，To為間歇時間寬度，Iav≈Ip×Tp/(Tp+To)，設(shè)所充電的蓄電池的10小時額定放電電流為I10，當(dāng)Iav≤Ci×I10時，判定為充電過程A的終止條件成立，其中Ci為0.01至0.08中的某一個設(shè)定值時。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的有維護功能的充電方法，其特征在于所述的充電過程B的充電脈沖由連續(xù)的正脈沖電流串組成，正脈沖的寬度為5微秒至500毫秒，間歇時間的寬度為5微秒至500毫秒。正脈沖帶有快速上升前沿和(或)快速下降后沿，其時間參數(shù)要求為在阻性負(fù)載電阻上的電壓上升沿和(或)快速下降后沿的速率不小于每微秒6伏特。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的有維護功能的充電方法，其特征在于所述的充電過程B的充電脈沖由連續(xù)的正脈沖電流串和一個負(fù)脈沖組成，正脈沖的寬度為5微秒至500毫秒，間歇時間的寬度為5微秒至500毫秒，負(fù)脈沖電流的寬度為前一個負(fù)脈沖后的正脈沖電流串中所有正脈沖的時間寬度總和的0.1％至2％。
12.根據(jù)權(quán)利要求4所述的有維護功能的充電方法，其特征在于所述的后充電過程的正脈沖帶有快速上升前沿和(或)快速下降后沿，其時間參數(shù)要求為在阻性負(fù)載電阻上的電壓上升沿和(或)快速下降后沿的速率不小于每微秒6伏特。
13.一種有維護功能的充電裝置，其電路包括有限壓功能的穩(wěn)流電源電路(1)，去極化電路(3)，微控制器電路(4)，溫度檢測電路(5)，電壓檢測電路(6)，電流檢測電路(7)及A/D轉(zhuǎn)換電路(8)，鍵盤和顯示電路(9)，其特征在于所述的裝置中至少包含電子開關(guān)電路(2)和可開關(guān)的恒流源電路(11)，所述的電子開關(guān)電路(2)和可開關(guān)的恒流源電路(11)并聯(lián)后，再串聯(lián)到有限壓功能的穩(wěn)流電源電路(1)與被充電電池(12)的充電回路中；所述的電子開關(guān)電路(2)和可開關(guān)的恒流源電路(11)分別通過線路與微控制器(4)連接。在充電過程A中，可開關(guān)的恒流源電路(11)處于斷開狀態(tài)，在充電過程B中，電子開關(guān)電路處于斷開狀態(tài)。
14.一種有維護功能的充電裝置，其電路包括有限壓功能的穩(wěn)流電源電路(10)、去極化電路(3)、微控制器電路(4)、溫度檢測電路(5)、電壓檢測電路(6)、A/D轉(zhuǎn)換電路(8)、鍵盤和顯示電路(9)，其特征在于所述的裝置中至少包含電子開關(guān)電路(2)，所述的有限壓功能的穩(wěn)流電源電路(10)的輸出有至少兩檔電流幅度的輸出電流；所述的電子開關(guān)電路(2)串聯(lián)于有限壓功能的穩(wěn)流電源電路(10)與被充電電池(12)的充電回路中；所述的有限壓功能的穩(wěn)流電路(10)的電流輸出幅度分檔控制端連接到微控制器(4)的一個輸出端，所述的有限壓功能的穩(wěn)流電路(10)的輸出端連接到有限壓功能的穩(wěn)流電源電路(1)的PWM輸入端，通過微控制器(4)的控制，可使有限壓功能的穩(wěn)流電源電路(1)穩(wěn)定地輸出不同檔次電流峰值的電流。
全文摘要
一種有維護功能的充電方法，充電過程(充電過程A)包括如下步驟采用正脈沖電流帶有快速上升前沿、快速下降的后沿的脈沖電流的復(fù)合脈沖電流充電；進(jìn)行狀態(tài)檢測，一旦達(dá)到預(yù)定的閥值，減少平均充電電流；計算平均充電電流是否達(dá)到預(yù)定值，判定終止充電過程。充電過程A結(jié)束后可轉(zhuǎn)入進(jìn)行充電電流的峰值幅度與充電過程A的峰值幅度不同的充電過程B。本發(fā)明能延長電池的使用壽命、能用于電池化成，并能對已硫化失效的蓄電池進(jìn)行維護、使硫化失效蓄電池能夠恢復(fù)正常使用。
文檔編號H01M10/44GK1428886SQ0111764
公開日2003年7月9日 申請日期2001年5月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月1日
發(fā)明者鐘陽, 趙鐵良, 鐘石 申請人:鐘陽