一种免维护铅酸蓄电池无损检测方法及无损检测仪

技术领域

本发明涉及一种免维护铅酸蓄电池无损检测方法及无损检测仪。 

背景技术

目前各种车辆的保有量越来越多，而且近年来我国每年新增的各种机动车都超过1千万辆，每辆车上面均装有1或2只12V铅酸蓄电池，其中占90%以上都是免维护铅酸蓄电池。如果加上电动车所配的免维护铅酸蓄电池其数量相当庞大。 

而早期的开口式普通铅酸电池的检测可通过观察法、放电法、测比重三种方式检查电池的好坏，其准确率相当高。因为很多情况可通过加液孔观察电池内极板和电解液的变化情况判断电池的状况如是否硫化，脱粉等。配合放电表对电池短暂放电，可检查出焊接不良，单格短路，断路。再加上可测试电解液比重的变化判断电池的亏电情况，基本上90%的电池故障可通过上述方法检出。 

随着技术的进步，环保的要求，密封式免维护电池应用越来越广泛，加液式的普通开口式铅酸蓄电池逐步被淘汰。但密封式免维护铅酸电池的最大特点是密封，通过观察无法看到电池内部状况，也无法测电解液的比重，只又通过放电法检查蓄电池好坏，但由于其局限性，好多情况如电池硫化，微短路，脱粉等现象无法准确判定，造成大量电池误判，使本来可以使用的电池被误报废，造成了大量人力，物力，财力的浪费。有时为了准确判断蓄电池好坏，不得已将蓄电池表面塑料壳锯开，以观察其内部情况，不但造成了 电池损坏而且电池内部的电解液和铅还会对环境造成极大的污染。 

在目前这种情况下，如何研究出一种快速，方便，准确的判定免维护铅酸蓄电池好坏的方法，显得日益重要和迫切。 

发明内容

本发明的目的是提供一种免维护铅酸蓄电池无损检测方法，以解决现有检测方法资源浪费及污染环境的问题，同时提供一种使用该方法的无损检测仪。 

为了实现以上目的，本发明免维护铅酸蓄电池无损检测方法所采用的技术方案包括如下步骤： 

（1）首先对待测电池进行设定时间和设定电流的恒流放电，计算出待测电池的内阻r； 

（2）根据计算出的电池内阻和待测电池的充电状况对电池进行判定：当r＜r0时，r0为标准内阻，判定该电池为好电池；如果待测电池为已充电电池，当r＞r0时，判定该电池为坏电池；如果待测电池为未充电电池，当r＞r0时，需经过充电后再判定； 

（3）对需经过充电后再判定的待测电池进行设定时间和设定电压的恒压限流充电，根据设定时间到达后的充电电流大小进行判断：若设定时间后充电电流大于设定的电流阈值则可判定为好电池，若设定时间后充电电流小于设定的电流阈值则认为电池内部损坏。 

所述待测电池为12V铅酸蓄电池。 

所述步骤（1）中恒流放电的设定时间为5秒，设定电流为25A。 

所述步骤（3）中恒压限流充电的设定时间为10min，设定电压为15V， 限定电流为25A；设定的电流阈值为20A。 

所述步骤（2）中标准电池内阻的计算过程如下：对一个新电池按照步骤（1）的方法计算内阻，将该新电池内阻值的1.1倍作为标准内阻。 

本发明免维护铅酸蓄电池无损检测仪所采用的技术方案如下：包括控制器和用于与电源连接的可控整流电路，所述可控制流电路的输出端用于与蓄电池连接构成充电电路，充电电路中串接有充电控制开关；该检测仪还包括一个串接有放电控制开关和放电电阻的放电电路，所述控制器上连接有用于检测蓄电池电压的电压隔离检测电路和用于检测电流的电流传感器，所述充电控制开关、放电控制开关、电流传感器及可控整流电路均与控制器连接。 

所述放电电路中还连接有用于控制放电电流的一组开关管，所述开关管的控制端通过驱动电路与控制器连接。 

所述可控整流电路包括顺次连接的整流电路、由两个开关管构成的可控半桥逆变电路、变压器和不控整流电路。 

所述电流传感器为电流互感器，包括串接在放电电路中的放电电流互感器和串接在充电电路中的充电电流互感器。 

该检测仪还包括用于与蓄电池连接的接反保护电路，所述接反保护电路包括一个光耦，光耦的原边与蓄电池连接，光耦的副边两端分别与单片机和地相连。 

本发明的免维护铅酸蓄电池无损检测方法及无损检测仪先通过恒流放电计算出待测电池的内阻，并与标准内阻相比较，根据比较结果及电池的充电状态进行判断，如果是未经过充电的电池，若其内阻大于标准内阻则需再经过充电进行测试判断。该检测方法可以在不解剖电池的情况下，根据期间的 电压电流变化来判断蓄电池的好坏，准确判断免维护铅酸蓄电池好坏，提高了检测的准确率，避免造成大量蓄电池因判定不准而误报废，有其显著的经济效益和社会效益。该检测仪设置由控制器控制的充电电路和放电电路，对通过可控整流电路对充电及放电时的电流及电压进行调节，满足测试需要。 

附图说明

图1为本发明检测仪实施例的电路原理图； 

图2为好电池的充电曲线图； 

图3为有轻微硫化的电池充电曲线图； 

图4为内部严重硫化的电池充电曲线图； 

图5为坏电池的充电曲线图； 

图6为内部焊接不良的电池充电曲线图； 

图7为可控整流电路的原理图； 

图8为控制器的电路原理图； 

图9为电压隔离检测电路原理图； 

图10为半桥电路的第一驱动放大电路原理图； 

图11为半桥电路的第二驱动放大电路原理图； 

图12为PWM控制器原理图； 

图13A为接反保护电路正确连接的原理图； 

图13B为接反保护电路反接时的原理图； 

图14为过载保护电路原理图； 

图15为辅助电源电路原理图； 

图16为四端检测电路接线原理图； 

图17为开关驱动电路原理图。 

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。 

本发明免维护铅酸蓄电池无损检测方法，包括如下步骤： 

（1）首先对待测电池进行设定时间和设定电流的恒流放电，计算出待测电池的内阻r:r=(Vo-V1)/I,其中，Vo为放电前电压；V1为放电后电压,I为放电电流； 

（2）根据计算出的电池内阻和待测电池的充电状况对电池进行判定：当r＜r0时，r0为标准内阻，判定该电池为好电池；如果待测电池为已充电电池，当r＞r0时，判定该电池为坏电池；如果待测电池为未充电电池，当r＞r0时，需经过充电后再判定； 

标准电池内阻的计算过程如下：对一个新电池按照步骤（1）的方法计算内阻，将该新电池内阻值的1.1倍作为标准内阻。 

（3）对需经过充电后再判定的待测电池进行设定时间和设定电压的恒压限流充电，根据设定时间到达后的充电电流大小进行判断：若设定时间后充电电流大于设定的电流阈值则可判定为好电池，若设定时间后充电电流小于设定的电流阈值则认为电池内部损坏。 

本实施例中待测电池以12V铅酸蓄电池为例进行说明，恒压充电环节对电池的好坏的判断尤为重要，经过反复试验，结合电路发热量，确定步骤（1）中恒流放电的设定时间为5秒，设定电流为25A；步骤（3）中恒压限流充电的设定时间为10min，设定电压为15V，限定电流为25A；设定的电流阈值为20A，完全能够满足各种电池检测的要求。如果是好电池亏电则通过10分钟 15V恒压限流25A的充电，10分钟时的充电电流为25A。 

考虑到市场上的电池大多为旧电池，有些电池的可能会因存放造成电池有硫化现象，当极板硫化时内部极板表面会生成一层不导电的硫酸铅结晶，充电初期电流接受能力会有所差异，测试时内阻很大但充电时几分钟后随着硫酸铅结晶的逐步分解内阻逐步降低，充电电流逐步增大。一般好电池的内阻就是亏电也不会超过20毫欧，充电电流I=15/0.02=750A,因此如果不加限制电流很大。不过充电时因为是电化学反应还会受温度、粒子流动的动态内阻，浓差极化电阻等在内的因素影响，一般充电电流也不会达到此值，但如果电池亏电充电电流也会大于25A。考虑到市场上的电池都是使用过的电池，每只电池都会有一定的差异如桩头的氧化，内部极板的轻微硫化等因素，将设定电流阈值设定为20A,不影响电池的判定结果。充足后虽然内阻很小但内部金属铅已全部反应为硫酸铅，因此没有离子参与反应，电流就会变得很小。经实际测试10分钟的充电电流值大于20A，经充电后电池容量仍大于80%标准容量，也就是说对于测试内阻大于标准内阻的电池经充电后如果10分钟时的电流值大于20A即可判断为好电池，经充电后即可正常使用,否则可判断为电池报废应更换。 

电池充电过程中内阻的变化都是由大到小，从电压上的反应有两种请况：一是正常的电池亏电，充电时电压由低到高变化，一般是从12V升高到15V（免维护电池15V恒压充电），电流由大逐步减小到零；另一种是电池有硫化现象，这种情况充电电压一般是先高后低再高，呈波浪形，这是因为开始时极板上有一层硫酸铅结晶，内阻很大但充电几分钟后随着硫酸铅结晶的逐步分解内阻逐步降低，充电电压也会随着降低，充电电流逐步增大。当电压下 降到一定程度时即内部硫酸铅结晶分解到一定程度时电池已恢复为正常电池，充电电压就会逐步由低到高变化。 

下面以实际测试过的6-QW-68型免维护铅酸蓄电池为例，其主要测试过程如下： 

1.先对充好电后的新电池进行5S、25A放电测试，通过公式r=(Vo-V1)/I计算出电池的标准内阻，实际测试为4.6毫欧，将此内阻1.1倍即5.1毫欧作为标准内阻，经内阻测试小于此值的电池为充足电的好电池。 

2、通过对待测电池进行恒流放电计算其内阻，为了减少误判将标准内阻的2倍即10.2毫欧作为坏电池的界限，经测试内阻小于2倍标准内阻的可能为亏电的电池经充电后可正常，如果待测电池为已充电电池，大于2倍标准内阻的即判定为内部损坏，无法修复；如果待测电池为未充电电池，且其内阻大于标准内阻，再通过充电测试判断。 

如图2所示为好电池的充电曲线，电池经100%放电后，测试内阻6.5毫欧，10分钟后充电电流25A，说明电池亏电，经充电后正常。 

如图3所示为有轻微硫化的电池的充电曲线，其实测内阻为9毫欧，介于标准内阻和2倍标准内阻之间，但是由于其为未充电电池，需经充电后再判断。通过充电曲线可以看出，其充电电压由15V逐步降低，说明内阻在逐步降低，10分钟后充电电流为25A，说明电池已可修复为好电池。 

如图4所示为电池内部严重硫化的充电曲线，其实测内阻27毫欧，虽然大于2倍标准内阻，但是由于其为未充电电池，需经充电后再判断。通过充电曲线可以看出，充电时电流由0逐步上升，10分钟后电流25A，说明经充电后可修复为正常电池。 

如图5所示为坏电池的充电曲线，其实测内阻为16毫欧，大于2倍标准内阻，又进行了充电测试，通过充电曲线可以看出，充电时电流开始大后迅速减小为3A以下为坏电池，说明电池内部损坏，充不进电。 

如图6所示为内部焊接不良的电池充电曲线，测试时充电电流不稳定，出现充电曲线有毛刺，则可肯定为坏电池，多为内部虚焊或极板不良。 

以上提供了有限只电池的测试实例，电池全部为风帆6-QW-68型免维护铅酸蓄电池，经过大量电池的实际测试对比，上述测试方法判断准确率95%以上。 

本发明还提供了一种使用上述电池无损检测方法的检测仪，如图1所示，包括控制器和用于与电源连接的可控整流电路，可控制流电路的输出端用于与蓄电池连接构成充电电路，充电电路中串接有充电控制开关；该检测仪还包括一个串接有放电控制开关和放电电阻的放电电路，控制器上连接有用于检测蓄电池电压的电压隔离检测电路和用于检测电流的电流传感器，充电控制开关J1、放电控制开关J2、电流传感器及可控整流电路均与控制器连接。 

放电电路中还连接有用于控制放电电流的一组开关管(本实施例中为三个Q1～Q3（型号为IRF65N06的MOS管），当然根据开关管型号及功率的大小可选用的个数也不同)，开关管的控制端通过开关驱动电路（如图17所示）与控制器连接，控制器输出PWM信号通过开关驱动电路控制MOS开关管，使得放电电阻上的电流保持恒定。 

本实施例的电流传感器采用高精度霍尔直流电流传感器，包括串接在放电电路中的放电电流传感器器和串接在充电电路中的充电电流传感器，由于充电电流和放电电流的电流方向不同，为了减少极性变换环节造成的误差， 提高检测精度，因此采用两个电流传感器，传感器输出0-5V的电流信号直接由单片机的AD口读入。当然为降低成本，也可采用一个既可以测充电电流也可以测放电电流的双向电流传感器。 

如图7所示，本实施例的可控整流电路采用交流-直流—高频交流—可控直流的方式，包括顺次连接的电磁兼容电路、整流电路、由两个开关管构成的可控半桥逆变电路、变压器和不控整流电路，具体原理如下：先将电源的220V的交流电压通过由L1-2、L1-2组成的电磁兼容电路进行处理，再将处理后的电压经过整流电路BR1转换为300V直流电压，然后经由开关管Q1-5、Q1-6构成的可控半桥逆变电路将300V直流电压逆变为高频交流电压后，再通过变压器T调节，最后由不控整流电路将300V高频交流电压转换为15V的直流电压给蓄电池充电。 

如图8所示，本实施例的控制器采用STM32F103单片机，该单片机是以ARM为内核的嵌入式32位微控制器，64引脚，内置16个12位AD转换器，6个PWM控制器，各种接口非常丰富，是一款性能非常优越的单片机。 

单片机的FMQ端还连接有由BELL和控制开关Q1构成的报警电路；ADJ_MODE端连接有显示电路DISPLY，该显示电路采用触摸液晶显示屏，可通过串口接收单片机的数据，也可通过触摸屏发送指令给单片机，由单片机控制和调节充电电压、充电电流放电电流等参数。该单片机用于采集电池电压、电流、电池温度等数据，并将数据送到液晶显示屏显示，同时也可以直观显示充电曲线；还可以将数据通过RS485或USB接口传送到其他设备。另外，该单片机还输入连接有接有充电、放电、自动三个调节按键。 

单片机的电池电流检测显示A_IN端与图12中的A_IN端子连接；电池电 压检测显示端子V_IN与电池电压检测电路中的V_IN端子连接，电池电压检测的另一端与VOUT+端连接，该电路是充电机自身控制信号，起到预稳压作用。 

如图7所示，整流电路BR1输出端设有继电器JDQ2，用于实现预充电，三极管Q8控制JDQ2的线圈控制回路，三极管Q8的控制端标号为AC JDQ，连接到单片机的相应端子上；与VOUT+端连接的充电电路中串接有充电继电器JDQ1（即充电控制开关），JDQ1的线圈控制回路中连接有三级管Q7，Q7的控制端DC_JDQ连接到单片机的DC_JDQ端（如图8所示），以控制JDQ1的开断。 

如图9所示为本实施例的电压隔离检测电路，该电路电压输入端与蓄电池连接，其电压输出端与单片机连接，采用隔离光耦HCNR200来实现，HCNR200是一种高线性度模拟光电耦合器，具有一个发光二极管LED和两个受光二极管PD1、PD2，PD1和运放U1组成反馈电路监控LED发出的光，使LED输出的光信号更加稳定；PD2接收到光信号后，通过运放U2把接收到的电流转换为电压信号。该电路实现了由控制器对充电机进行微调。 

如图10～图12所示，由开关管Q1-5、Q1-6构成的可控半桥逆变电路通过电压调节驱动电路与单片机连接，具体结构如下：如图8所示，单片机的PWM和PWM1端分别连接相应的驱动放大电路，输出对应的信号V_REF（如图10所示）和A_ADJ（如图11所示），V_REF和A_ADJ再连接到PWM控制器U1（型号为KA3525）输出对应的驱动控制信号DRV1和DRV2（如图12所示），DRV1和DRV2再通过一个驱动变压器和驱动电路控制半桥电路的开关管Q1-5、Q1-6（如图7所示）。 

如图13A和图13B所示，本发明的充电机还包括一个接反保护电路， 该电路包括一个电阻和与其串接的光耦G，光耦G的原边与蓄电池连接，副边与单片机（DCFJJC端）和地相连，光耦的原边还并联有一个电容，其控制原理如下：当蓄电池连接正确时，光耦G不导通，D点为高电位；当蓄电池反接时，光耦G导通，D点电位拉低，并且将光耦接反信号传递给单片机，当单片机检测到蓄电池接反时，发出报警，并禁止充电继电器动作。 

如图14所示为本实施例的过载保护电路，变压器T原边设有一个用于保护的互感器CT（如图7所示），测量结果通过DL和DL1反馈到YBDL端子（DL、DL1经过二极管整流桥输出到YBDL），再通过三极管Q2连接到PWM控制器U1的SOFT_START端。 

如图15所示，本发明的充电机还包括一个辅助电源电路，该电路的输入端连接电磁兼容电路的输出端AC、AC1，输入的交流电压经整流电路后，再通过一个4路输出变压器转换为所需要的各种规格的直流电源，所述变压器的原边连接有一个斩波开关管Q3，Q3由PWM控制芯片U5（型号为UC3845）控制，以调节原边电压。 

如图16所示，本发明单片机的用于检测电压的输入端口通过电压检测线与检测电流的电流负载线分离的四端检测电路单独输入电池电压信号，也就是将充电的电流负载线和电压检测线分开，避免因负载线上的充电电流引起的线压降影响电池两端的电压测试精度，大大的提高了输出电压的精度，防止充电机因电压不准而损坏电池。 

如果需要对大批量电池进行检测，可通过各自单片机的CAN接口将多台检测仪连接成检测网络，并可由一台上位机对每个电池的检测情况进行监控，并将每只电池的数据存储打印。 

免维护铅酸蓄电池由于其外壳是密封的，因此电池的好坏无法通过外观检查发现电池的故障。本发明的充电机可以通过观察显示屏上蓄电池的充电曲线判断电池好坏，检查蓄电池是否内部存在故障，这个功能对于检察新电池内部焊接不良很有用，特别是汽车整机厂如果将内部焊接不良的电池装车，很可能因为车辆启动时电流较大，电池内部打火，造成电池爆炸，这种现象已经在某汽车生产厂家出现过。 

本发明检测仪的工作过程及原理如下： 

先接好电池，打开电源开关K后，通过触摸屏输入电池型号，电池ＣＣＡ值等参数后，按动“自动测试”按钮由单片机先吸合放电继电器J2，并按设定的放电电流通过ＰＷＭ控制开关管的导通状态使放电电阻上的电流保持恒定。放电5S后停止，计算出电池的内阻值，然后将测出的电池电压数据，电池内阻，电池的CCA值等在仪表上显示，单片机通过测试的内阻值与存储在内部的对应电池型号的标准内阻比较后，按放电数据将所测电池分为：好电池，需充电电池后再测，坏电池三种并显示。 

对于需要充电后再测的电池，则单片机自动打开充电继电器J1，充电电路工作，单片机控制充电电路按设定的电压、电流进行恒压限流充电，即恒压15V最大电流25A对电池充电10分钟。将充电曲线、充电电压、充电电流等参数显示在液晶屏上，并根据充电曲线及10分钟充电电流值小于20Ａ的电池为坏电池，10分钟电流值大于20Ａ的为好电池需充电电池两种，并把测试结果显示出来。在自动测试状态如果再次按动“自动”键则自动停止测试。如果只需要充电或放电则可按动相应的按键实现只充电或只放电功能，再次按动改键则自动停止工作。