后备电源用阀控铅酸蓄电池组电压监测和主动均衡装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术专利涉及一种备用电源阀控铅酸电池组电压监测和主动均衡装置，构成如下：由主控单元和电压检测、均衡模块组成。主控单元与电压检测、均衡模块通过隔离的通讯总线相连。电压检测、均衡单元由一单片机控制，包括串联电池电压检测和均衡两部分。电压检测方法采用精密运算放大器组成减法电路，均衡部分由飞渡电容实现电池间的能量转移，实现电压均衡。主控单元具有液晶显示屏、键盘和通讯接口。本装置解决了传统均衡方法的不足，使电池组中的各电池电压趋于一致，提高电池的可靠性和使用寿命。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术专利涉及一种后备电源用阀控铅酸电池组电池电压的监测和主动均衡装置
技术介绍
近十几年来，随着高频开关电源的普及，阀控铅酸蓄电池已在各行业广泛应用。如 电力、通讯、UPS等。由于其全密封、无须加水及调酸等维护，俗称为“免维护”蓄电池。但在 实际使用中，许多电池远未达到设计寿命，甚至一年左右就报废的也有。造成电池不能达到 额定使用寿命的原因除了电池本身的质量问题，没有正确充电是其主要原因。因此，正确使 用和维护阀控铅酸蓄电池，提高其使用寿命，具有十分重要的意义。1、浮充电压对电池寿命的影响电池在充电时的端电压等于电池的开路电压加极板的极化电压，对阀控铅酸电 池，在浮充状态下主要是正极板极化电压。图1为J. J. Lander在1951-1956年间在美国海 军研究中心的研究成果。图中表明极板的极化电压与腐蚀系数之间的关系。正常的腐蚀系 数为1，随着极化电压的增高和降低都会加速极板的腐蚀。最佳的极化电压应限制在方框之 内，即极化电压应在50-120mV之间。图2表明浮充电压与极化电压的关系。随着浮充电压的提高极化电压也增高，因 此浮充电压必须限制在一定范围之内，应在2. 23-2. 27V之间。除了极板腐蚀外，过高的浮充电压也会造成电池的失水，过低的浮充电压会造成 电池硫化。因此，极板腐蚀、电池失水、电池硫化是电池失效的主要模式。因此对电池设定 精确的浮充电压对保证使用寿命是十分必要的。2、目前充电方法存在的问题目前的充电采用三段式，先以0. ICA的电流恒流均充电，当电池电压上升到均充 电压(2. 35*N)时，变为恒压充电，充电电流逐渐下降，当降到0.01CA时开始计时，三小时后 转浮充电。所谓均充电，就是均衡电池特性的充电，是指在电池的使用过程中，因为电池的个 体差异、温度差异等原因造成电池端电压不平衡，为了避免这种不平衡趋势的恶化，需要提 高电池组的充电电压，对电池进行均衡充电，达到各个单只电池的端电压相等。事实上，均衡充电电压，对于大多数电池来说，都是较高的浮充电压。在这种情况 下，对于大多数正常的电池来说，无疑是处于过充电状态。这将产生大量的o2、H2。理论上讲， 阀控密封电池是不失水的，但事实是不可避免的首先，再化反应效率是不可能达到100% 的，不能复合的气体在电池内部形成一定的压力，压力超过安全控制阀阀值时，阀门打开， 气体从控制阀中排出。其次，电池是不可能完全密封的，电池失水是一个缓慢的过程。采用传统的提高充电电压进行电池均衡的方法并不能使电池达到平衡。通过均 衡充电试验表明均衡充电85小时后电池并未达到电压均衡。在实际运行的变电站电池组 中，同样存在类似情况，电池之间存在较大的电压差，最高电池与最低电池电压差甚至超高IV。所以传统的均衡方式并不能解决免维护电池的均衡问题，很多供电部门已取消了均衡 充电。3、电池不均衡现状及对电池产生的影响图3为根据美国对有线电视用12V铅酸电池组所做的统计作出的电压偏差分布 图。共检测846组，总共2538只电池。图4为电池电压偏差对电池寿命的影响。从中可以看出，12V电池偏离标准电压 IOOmV以上就会对电池寿命产生明显影响。4、主动均衡4. 1主动均衡器的原理及采用主动均衡后的充电方法如上所述，传统的均衡充电不能使阀控电池达到电压均衡的目的，必须使用主动 均衡的方式使电池电压达到平衡。本装置不需对现有直流电源做任何改动，将均衡器与电池电压巡检仪集成在一 起，接线方式与电压巡检仪相同，同时兼有电池电压均衡和电压巡检的功能。采用主动均衡后，充电机无需均衡充电，最高充电电压由原来的2. 35*N的均充电 压降为2. 25*N的浮充电压，也无需定期对电池进行均衡充电，从而避免了电池失水、热失 控等问题。
技术实现思路
要增加阀控铅酸电池组的安全可靠性，提高使用寿命，正确充电是非常重要的。由 于备用直流电源长期处于浮充状态，所以，精确的浮充电压对阀控电池寿命至关重要。要有 精确的浮充电压，必须使充电机浮充电压准确，并随环境温度的变化调节，最后要使各单电 池的电压一致，才能保证正确的充电电压。目前的高频开关电源充电机可以达到很高的稳 压精度并具有温度补偿的功能。传统的均衡充电方法通过抬高充电电压达到电池均衡的目 的，这种方法适合老式开口式铅酸电池，并不适合阀控式铅酸电池。因此必须采用主动均衡 的方法使电池达到均衡状态。我公司通过对各种均衡方法的深入研究，开发了适合阀控铅 酸电池的均衡器，达到了 12V电池组最大压差在IOOmV之内，2V电池组最大压差在20mV之 内。满足了电池均衡的要求，能过提高电池组的安全可靠性和使用寿命。本系统首次在大容量阀控铅酸电池组上采用主动均衡的方法，使各个单体电池的 浮充电压趋于一致，最大可能延长了电池的使用寿命。系统的原理框图如图5所示系统由主控单元和几个电压检测及均衡单元组成。主控单元由单片机系统组成，具有液晶显示屏、键盘和通讯接口。液晶显示屏可显 示检测电压和设定参数；通讯接口有下行接口和上行接口，通过下行通讯接口控制检测均 衡模块，通过上行通讯接口可将数据传到上位机；通过自带键盘可设定电池的过压报警值、 欠压报警值和设备参数等。主控单元通过通讯总线向电压检测及均衡单元发送指令，检测单元将检测的数据 上发到主控单元，主控单元计算电压的平均值、最大值、最小值。根据上述值给各个电压检 测及均衡单元发布平均电压信息。检测、均衡单元根据主控单元发布的电池平均电压确定 是否启动均衡电路。根据电池组中电池个数可配置电压检测及均衡单元的数量，最多每组电池中可包括250只电池。电压检测及均衡单元与主控单元间通过通讯总线相连。由于各电压检测及均衡单元检测的是串联电池组中不同的电池，它们之间有一定 的电压差，故通讯线需要隔离。本系统通过光偶实现隔离。每个电压检测及均衡单元负责检测、均衡8个相邻的串联电池。图6为电压检测 及均衡单元中电压检测部分的原理图，图7为电池均衡原理图。电压检测由运放组成减法 器组成，通过调整电阻的阻值可得到不同的放大倍数，获得每只电池的实际电压，经过阻容 滤波器滤波后再通过多路模拟开关分别输入单片机的A/D转换口获得每路电池的电压。电 压均衡采用电容转换能量的方式将电压高的电池能量转换到电压低的电池中。单刀双掷开 关交替接通上接点和下接点，当所有开关同时接通上接点时，电容与相邻两只电池的高位 电池并联，电流在电池与电容间流动，使电池与电容的电压相等；然后再使所有开关同时接 通下接点，电容与相邻电池的低位电池并联，低位电池与电容的电压又达到平衡，通过驱动 电路使电容交替接通相邻的电池使能量在电池间流动，达到电压均衡的目的。通过上述过程的运行，使电池组中各单电池的能量由电压高的电池向电压低的电 池流动，使整组电池电压趋于一致。图8到图11为均衡原理图的具体实现方法，在具体实施方法中详细叙述。附图说明附图1为正极板充电极化电压与极板腐蚀加速系数的关系附图2为浮充电压与正极板极化电压的关系；附图3为电池电压偏差分布图；附图4为电池浮充电压偏差对电池寿命的影响；附图5为系统原理图；附图6为电压检测单元原理图；附图7为均衡原理图；附图8为均衡单元总图；附图9为均衡单元2型原理图；附图10为均衡单元1型原理图；附本文档来自技高网...

【技术保护点】
本实用新型后备电源用阀控铅酸蓄电池组电压监测和主动均衡装置，其特征在于：由主控单元和电压检测、均衡模块组成，主控单元与电压检测、均衡模块通过隔离的通讯总线相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：冉建国，陈胜军，陈良程，
申请(专利权)人：北京集能伟业电子科技有限公司，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]