鉛酸蓄電池組電壓自動(dòng)平衡儀

1　引言

鉛酸蓄電池被廣泛用于郵電、鐵路、電力以及其它通訊部門。它具有使用方便、性能穩(wěn)定、維護(hù)量少等優(yōu)點(diǎn)，受到用戶歡迎。但在使用中，鉛酸蓄電池組主要是作后備電源使用，且大多數(shù)時(shí)間處于浮充電狀態(tài)。在此狀態(tài)下，蓄電池組自放電發(fā)生的能量損失在浮充電過(guò)程中得到補(bǔ)償；當(dāng)直流供電設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，由蓄電池對(duì)負(fù)載提供電能，保證負(fù)載的正常工作。但是電池組在浮充工作時(shí)，單體電池的端電壓由于種種原因會(huì)出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，如果得不到及時(shí)處理將直接影響整組蓄電池的壽命。

2　單體電池端電壓不平衡分析

電池組在浮充工作時(shí)，充電設(shè)備對(duì)蓄電池組始終給出一個(gè)特定的浮充電壓值和電流值，在長(zhǎng)期的浮充電過(guò)程中，由于電池?zé)崃W(xué)因素（電解液濃度、溫度、活性物質(zhì)的狀態(tài)等）和動(dòng)力學(xué)因素（電流密度、電池結(jié)構(gòu)、極板成分等）的影響，蓄電池組中各個(gè)單塊電池的浮充電壓必然出現(xiàn)高低不同，也是各單塊電池工作狀況的集中反映。端電壓已經(jīng)很高的電池有可能已充足了電，如果繼續(xù)充電將大部分變成熱量而損失掉，結(jié)果導(dǎo)致該電池失水，甚至熱失控而損壞；而端電壓比較低的電池，正常的浮充電流已經(jīng)無(wú)法滿足其需要，須補(bǔ)充大電流才有可能趕上整組電池浮充電壓的平均值。而“均充充電”是無(wú)法使端電壓嚴(yán)重不平衡的單體電池得到完全平衡的。“均充充電”時(shí)，充電設(shè)備是按照恒定的電量對(duì)電池組中的每個(gè)電池進(jìn)行平均充電，若充電電流或充電時(shí)間控制不當(dāng)，有可能加大電池間的差異。因此，要想從根本上減小電池組端電壓的差異，使之符合用電設(shè)備的要求，延長(zhǎng)電池組的壽命，通常采用人工方法分別對(duì)每一只“落后”電池作單獨(dú)處理，這樣，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)工，目前簡(jiǎn)便可行的方法就是裝接自動(dòng)電池組電壓平衡儀，保證電池組在整個(gè)工作過(guò)程中各個(gè)電池的端電壓始終保持平衡，從而減少電池組的維護(hù)量，延長(zhǎng)電池組的工作壽命。

3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖
“鉛酸蓄電池組電池電壓自動(dòng)平衡儀”是由充電電路、檢測(cè)電路、比較放大電路、控制電路（含溫度補(bǔ)償電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、A/D 轉(zhuǎn)換器等）和實(shí)時(shí)顯示電路組成（時(shí)鐘、存儲(chǔ)打印、數(shù)據(jù)和圖形傳輸以及實(shí)時(shí)報(bào)警等部分），如圖1所示。

充電電路交流輸入，以單片機(jī)為管理核心的充電設(shè)備。開機(jī)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)電池組中電池的數(shù)量，可根據(jù)接入電池的數(shù)量自動(dòng)完成最高充電電壓設(shè)置，以“恒流—恒壓 —浮充”三段式充電法對(duì)電池進(jìn)行充電。三段式充電設(shè)計(jì)可避免因?yàn)闆](méi)有及時(shí)關(guān)閉充電機(jī)而導(dǎo)致電池的過(guò)充電或欠充電。檢測(cè)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組的容量和各個(gè)單體電池的端電壓等技術(shù)參數(shù)，通過(guò)顯示電路顯示并傳輸給控制電路。如果單體電池端電壓出現(xiàn)不平衡，檢測(cè)電路得到的電壓與基準(zhǔn)電壓經(jīng)誤差放大電路放大后，將該信號(hào)傳輸給控制電路，對(duì)落后單體電池進(jìn)行補(bǔ)充充電；而對(duì)高于浮充電壓的單體電池進(jìn)行泄放電處理。

（2）工作原理

“鉛酸蓄電池組電池電壓自動(dòng)平衡儀”是一臺(tái)自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)較高的電池組測(cè)量維護(hù)設(shè)備。工作時(shí)，它以設(shè)定的浮充電壓和浮充電流對(duì)電池組充電，當(dāng)巡檢到電池組中有落后電池時(shí)，就會(huì)及時(shí)給予補(bǔ)充均衡。如果某個(gè)電池的電壓落后太多，則由內(nèi)置的充電電路（小充電機(jī)）對(duì)落后電池作浮充之外的單獨(dú)充電，此時(shí)該只電池中所流過(guò)的電流是：I=I浮+I充。而電池組中總的浮充電流不變，仍然保持設(shè)定值；在高于浮充電壓的電池中，啟動(dòng)放電電路，此時(shí)該只電池中所流過(guò)的電流是由兩部分組成:I總=I分+I池，總電流是由通過(guò)分流器上的電流和通過(guò)電池極板的電流。我們將電池的分流電壓的起點(diǎn)設(shè)定在2.25V，分流終止電壓設(shè)定在 2.30V。當(dāng)電池端電壓在2.25V至2.30V之間，平衡器都會(huì)使高于2.25V以上的電量旁路，使電池的端電壓保持在2.25V。因此，該設(shè)備能起到分流和補(bǔ)充充電作用，不但能有效地避免正常電池因過(guò)充電而受損，同時(shí)又能夠主動(dòng)地對(duì)“落后”電池自動(dòng)適量地補(bǔ)充充電，使落后電池的端電壓達(dá)到正常值，因而可以使全組電池的端電壓始終保持一致。

信號(hào)的搜集和信號(hào)的處理都是由單片機(jī)來(lái)完成的。由模擬信號(hào)采集器將到的電池電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，送到單片機(jī)中進(jìn)行識(shí)別和量化處理，將處理后的信號(hào)送至執(zhí)行電路去執(zhí)行：平衡電池端電壓；控制小充電機(jī)的接通與斷開；顯示電池的容量；實(shí)時(shí)儲(chǔ)存和打印電池的各項(xiàng)參數(shù)等。

（3） 溫度補(bǔ)償

當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，電池的輸出容量和端電壓都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化,這時(shí)的電池浮充電壓和充電電流均需要作相應(yīng)的調(diào)整，否則會(huì)造成電池?fù)p害，并影響到電池的使用壽命。本設(shè)備設(shè)計(jì)了隨溫度變化而自動(dòng)調(diào)整浮充電壓的電路?？刂齐娐房梢允闺姵亟M在浮充電壓隨外界環(huán)境溫度的變化而自動(dòng)作相應(yīng)的調(diào)整，用以補(bǔ)償因環(huán)境溫度變化而導(dǎo)致的電池端電壓的變化。

4　主控程序

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。主程序由初始化程序、鍵掃描和分析程序，開機(jī)后，由鍵輸入控制工作狀態(tài)，巡檢各個(gè)電池的端電壓并顯示。分別調(diào)用相應(yīng)的子程序，如圖2所示。

5　主要技術(shù)指標(biāo)

平衡電壓：2.25V±0.01V
泄放電流：0.3 A～5A
充電電流：3A～6A
總電壓測(cè)量精度：0.001V
通訊接口： RS232
整機(jī)重量：約3.5Kg
體 積：88×265×480mm

6　結(jié)論

“鉛酸蓄電池組電池電壓自動(dòng)平衡儀”是一種綜合測(cè)量控制儀器，它不僅具有對(duì)電池端電壓的自動(dòng)平衡和控制功能，同時(shí)又具有主動(dòng)補(bǔ)充充電和泄放電獨(dú)特等功能，主要面向部隊(duì)、移動(dòng)通信、電力和電信等用戶，特別適用于高山及邊遠(yuǎn)地點(diǎn)的基站，海島等無(wú)人值守基站的電池自動(dòng)維護(hù)和保養(yǎng)。


參考文獻(xiàn)：

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