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中国智能交通协会

电子站牌的蓄电池充放电保护系统

2021-07-22   来源:中国智能交通协会


孙慧宁,王帅,毕孝法


  0引言
  随着电子设备的发展,户外电子设备的种类和数量急剧增多,例如智能电子站牌,户外智能广告机,自动售货机等。以智能电子站牌为例,以供电方式可分为有市电供电站牌、路灯供电站牌和太阳能站牌三种。市电供电站牌总电源直接接入220V市电,无需其他储电设备站牌即可正常供电。电子站牌的工作时间一般为清晨到夜间,而路灯的工作时间是傍晚至凌晨,两者的工作时间是不同步的,使用路灯供电的电子站牌必须使用蓄电池作为直接电源,晚上路灯工作时给蓄电池充电,白天蓄电池放电供电子站牌正常工作。太阳能站牌白天利用太阳能发电为站牌提供电源,同时为储电设备充电;当太阳下山后,太阳能发电停止,电子站牌完全依靠储电设备蓄电池供电。
  受环境因素影响,市电供电的电子站牌所占比例很小,多数电子站牌的供电还是依靠蓄电池。因蓄电池过充过放都会影响蓄电池使用寿命,甚至影响设备稳定运行,所以当使用蓄电池供电时,需要对充放电进行控制管理,保证蓄电池能够正常充放电。
  1蓄电池特性
  常见的蓄电池有铅酸蓄电池和碱性蓄电池,这里以铅酸蓄电池为例,铅蓄电池具有化学能和电能转化效率高,充放电循环次数多,端电压高,容量大的特点。铅酸电池释放化学能的过程(放电)是负极进行氧化,正极进行还原过程;电池补充化学能(充电)的过程则是负极进行还原,正极进行氧化的过程[1]。
  铅蓄电池放电反应和充电反应互为可逆反应。放电反应消耗电解液中的硫酸(H2SO4),生成水(H2O),结束时硫酸容易的浓度(密度/比重)下降。充电时极板中的硫酸铅转变为铅和二氧化铅,把硫酸根(SO42-)放回电解液,与水形成硫酸(H2SO4),浓度又逐渐上升,最后达到一稳定值。因此可以用池中硫酸溶液的密度(比重)来衡量电池充放电的程度[2]。
 在放电过程中,蓄电池内的电化学反应吸收热量,内阻产生的热量被电化学反应吸收,所以放电时蓄电池温升较低。在充电过程中,蓄电池内的电化学反应释放热量;此外,充电电流流过蓄电池的内阻时,也产生热量,蓄电池的温度因此升高,蓄电池充电电流越大,温升越高。刚充足电的蓄电池电压高,电解液浓,能量多,所以要特别注意和小心避免发生短路[3]。
  充电时还伴随着一个很难避免的副反应,就是电解水生成氢气和氧气。特别时充电后期,电压升高了,电能主要消耗在电解水方面,而且对极板活性物质很不利。因此在充电过程中要对蓄电池进行过充电保护[4]。
  2充放电保护原理
  根据蓄电池的参数提前设定该电池的过放保护电压及恢复电压,当电池电压达到恢复电压后,蓄电池为负载设备正常供电;在放电过程中达到过放电压以下时,蓄电池停止给负载供电,充电器开始工作,为负载提供电源的同时给蓄电池充电;当蓄电池电压达到恢复电压后,充电完成,充电器停止工作,蓄电池为负载供电。
  20世纪60年代中期,美国科学家马斯提出了以最低析气率为前提的铅酸蓄电池可接受的充电电流曲线,I=I0 e – at。如图1所示,实验表明,如果充电电流按这条曲线变化,就可以大大缩短充电时间,并且对电池的容量和寿命没有影响[5]。


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图1 可接受电流曲线


  在充电过程中,只要充电电流不超过铅酸蓄电池可接受的电流,其内部就不会产生大量的气泡。而常规充电一般采用先恒流、后恒压的两阶段充电法,在充电过程初期,充电电流远远小于铅酸蓄电池可接受的充电电流,因而充电时间大大延长;在充电过程后期,充电电流又大于铅酸蓄电池可接受的电流,因而铅酸蓄电池内部将产生大量的气泡[6]。如果在整个充电过程中能使实际的充电电流始终等于或接近于铅酸蓄电池可接受的充电电流,则充电速度就可大大加快,而且析气率也可控制在很低的范围内,这就是快速充电的基本理论依据[7]。

  3电压电流采集和检测原理
  根据系统功能需求,分别对外部电源输入和蓄电池输出端进行两路电压采集(原理图见图2图3),对蓄电池输出端进行一路电流采集(原理图见图4)。通过对外部电源输入电压采集判定当前蓄电池充电器是否需要工作;通过对蓄电池输出端采集的电压值判断当前蓄电池的工作状态(是否大于恢复电压或是否小于过放保护电压),通过对蓄电池输出端采集的电流值判断蓄电池是否过流或处于短路状态。根据电压电流采集值判断当前蓄电池和充电器的工作状态,从而进行过流保护或过放恢复。


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图2外部电源输入电压采集及控制器电源电路


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图3蓄电池输出电压采集电路


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图4蓄电池输出电流采集电路


  4系统应用拓扑图
  蓄电池与电源之间的拓扑原理(原理图见图5)。


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图5 充放电保护器拓扑图


  5系统功能设计
  1)电池电压自识别(9V~30V),电流15A;
  2)具备短路保护、短路恢复、过流保护、过流恢复、过放保护、过放恢复;
  3)过放保护及恢复电压值使用拨码开关分为两档,分别对应常用的12V和24V蓄电池;
  4)输入输出电流≤15A;
  5)利用一路232串口主动定时上传电压值;
  6)工作温度范围-20℃~70℃
  6软件参数
  unsigned char Discharge_Flg:蓄电池工作状态(详细状态见表1);
  unsigned char BattVolLevel_Flg:蓄电池电压等级(详细分级见表2);
  unsigned int BattProVol:过放保护电压值;
  unsigned int BattRecVol:恢复电压值;
  unsigned char BattProDelayTimeCnt:保护延时时间。


表1 蓄电池工作状态

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表2蓄电池点压等级


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  7串口通讯
  使用R232通讯与上层板或上位机通讯,主动定时间

  隔固定时间(10s,可更改)上传蓄电池电压值。波特率9600,数据位8,停止位1,无校验位,共上传两个字节的电压值,高8位在前,低8位在后,上传值为实际电压值的10倍。
  8相关技术状态


表3相关技术指标

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  9结论
  为保证蓄电池正常充放电,需要严格控制蓄电池充放电电压值在正常范围内,针对于户外电子产品所使用蓄电池人工控制充放电是不现实的,利用单片机设计一款可智能检测蓄电池电压控制充放电过程的控制板自行控制,利用串口通讯可将实时电压值上传到远程服务器,后台可对户外所有产品蓄电池状态进行监督,大幅度降低工作量的前提下,高质量实现对蓄电池充放电的保护。

 

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