CN102694211B - 一种用于电动车辆的蓄电池在线修复的装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于电动车辆的蓄电池在线修复的装置及系统，所述装置在不影响电池发热和车辆行驶里程的情况下，根据检测的电池电压信号，控制电流激励单元输出大小及频率可调的放电电流，对电池进行在线修复；同时，持续的电流修复，使电池在充电或闲置状态时难以硫化，达到了防止硫化的效果。此外，所述装置具有低电压检测功能，能够有效防止电池的过放电，从而保护了电池。本发明的技术方案电池修复过程简单，修复条件适用性强，修复效率高且能够实现在任何条件下对电池进行在线修复，可将电池的使用寿命提升30%以上。

Description

一种用于电动车辆的蓄电池在线修复的装置及系统

技术领域

本发明涉及蓄电池维护技术领域，尤其涉及一种用于电动车辆的蓄电池在线修复的装置及系统。

背景技术

铅酸蓄电池是一种应用广泛的动力电源，具有可靠性好，价格便宜，原材料易得等优点。近年来，随着电动自行车技术的不断发展、加上其经济实用又环保的优势，电动自行车的市场占有率不断增长，对铅酸蓄电池的需求不断增加。蓄电池在使用过程中，如果电池的使用和维护不善，由于不完全放电，过量放电或者在放电状态下长时间未使用等原因发生硫化，基板上形成了粗粒的硫酸铅结晶，这种结晶导电性差，体积大，结晶后的硫酸铅充电时不但不能再还原成氧化铅，还会沉淀附着在电极板上，造成了电极板工作面积下降，电池容量不断下降，导致蓄电池失效或损坏。蓄电池硫化是不可避免的，但蓄电池失效后，铅作为重金属存在毒性，对环境会产生影响，因此，降低蓄电池的硫化速度，延长蓄电池的使用寿命，不仅能够降低运行成本，也能顺应环保的需求。

现有的铅酸蓄电池修复技术，通常都是对电池进行离线修复，如：1）采用大电流充电，使大的硫酸铅结晶产生负阻击穿来溶解；2）采用脉冲充电法，在充电过程中加入负脉冲，以消除电池负极板硫酸盐恢复容量；3）添加活性剂的化学方法等。

采用上述蓄电池修复技术，采用添加活性剂的化学方法进行电池修复，修复的效果不明显；采用大电流充电修复，如充电电流过大，会导致电池发热严重而导致电池损坏；采用脉冲充电进行修复，成本过高，周期过长，并且存在脉冲频率相对固定，无法对不同体积的不可逆硫酸铅晶体共振达到最佳去硫效果的问题。上述方法只能在电池不使用的情况下进行修复，即离线修复，使修复效率低、修复条件局限性大且修复过程复杂。

因此，需要一种能够简化电池修复过程，具有广泛适用性的能够对电池进行在线修复的装置及系统。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷和不足，本发明提出一种用于电动车辆的蓄电池在线修复的装置及系统，解决了目前电池修复过程复杂，修复条件局限性大，修复效率低且只能在离线条件下继续电池修复的问题。

本发明所采用的技术方案如下：

一种用于电动车辆的蓄电池在线修复的装置，所述装置包括电压检测单元、控制单元、电流激励单元和接口单元，其中，所述接口单元用于接收外部电池提供的电源信号及外部信号检测单元提供的检测信号，所述电压检测单元用于检测电池的电压信号，所述控制单元根据信号检测单元提供的检测信号控制所述修复装置的工作状态，并根据所述电压检测单元检测的电池电压信号控制所述电流激励单元输出大小及频率可调的放电电流，对电池进行在线修复。

进一步地，所述外部信号检测单元用于检测车辆处于运行状态时的运行电流，并将所述运行电流与预设的电流阈值进行比较，所述控制单元根据比较结果控制所述修复装置的工作状态：当检测的车辆运行电流大于预设的电流阈值时，所述控制单元控制所述电池修复装置不工作；当检测的车辆运行电流小于或等于预设的电流阈值时，所述控制单元根据电压检测单元检测的电池电压信号调节电流激励单元输出电流的大小及频率，对电池进行在线修复。

进一步地，所述预设的电流阈值为车辆处于运行状态时，通过电池放电驱动电机工作的电流。

进一步地，当电压检测单元检测的电池电压达到预设的电压阈值时，所述控制单元控制电池修复装置停止工作。

进一步地，所述控制单元包括第一控制电路和第二控制电路，当车辆处于运行状态时，所述第一控制电路根据外部信号检测单元提供的检测信号控制电池修复装置的工作状态，并在电池修复装置处于工作状态时，根据电压检测单元检测的电池电压信号调节电流激励单元输出激励电流的大小及频率；当车辆处于闲置或者充电状态时，所述第二控制电路控制电池修复装置工作，并根据电压检测单元检测的电池电压信号调节电流激励单元输出激励电流的大小及频率。

进一步地，所述电流激励单元包括脉冲电流单元和恒定电流单元，所述脉冲电流单元输出大小及频率可调的脉冲电流，所述恒定电流单元输出恒定电流，所述脉冲电流与恒定电流同时对电池进行修复。

进一步地，所述脉冲电流单元包括脉冲发生电路和脉冲电流电路，所述脉冲发生电路用于产生脉冲波形，所述脉冲电流电路根据所述脉冲波形产生相应的脉冲放电电流；所述恒定电流单元包括恒定电压源、第一开关控制电路、负载和负载电流反馈电路，当电池修复装置处于工作状态时，所述控制单元控制第一开关控制电路工作，恒定电流单元输出电流，通过负载电流反馈电路调节输出恒定电流。

进一步地，所述脉冲电流采用上升沿陡峭的高频电流对电池进行修复。

进一步地，所述单个脉冲电流的持续时间为1μs-10μs。

本发明还公开一种用于电动车辆的蓄电池在线修复的系统，所述系统包括电池修复装置、电池和车辆控制装置，所述电池修复装置包括电压检测单元、控制单元、电流激励单元和接口单元，所述车辆控制装置包括信号检测单元，其中，所述电池修复装置通过所述接口单元与电池及车辆控制装置连接，同时所述电池与车辆控制装置连接，所述信号检测单元用于检测车辆处于运行状态时的运行电流，并将所述运行电流与预设的电流阈值进行比较，所述控制单元根据比较结果控制所述电池修复装置的工作状态，并根据所述电压检测单元检测的电池电压信号控制所述电流激励单元输出大小及频率可调的放电电流，对电池进行在线修复。

本发明的技术方案，在不影响电池发热和车辆行驶里程的情况下，根据检测的电池电压信号，控制电流激励单元输出大小及频率可调的放电电流，达到在线击碎硫化晶体的效果；同时，持续的电流修复，使电池在充电或闲置状态时难以硫化，从而达到了防止硫化的效果；此外，所述装置具有低电压阈值功能，能够有效防止电池的过放电，从而保护了电池。本发明的技术方案电池修复过程简单，修复条件适用性强，修复效率高且能够实现在任何条件下对电池进行在线修复。

附图说明

图1为本发明实施例的用于电动车辆的蓄电池在线修复的装置原理框图；

图2为本发明实施例的输出的激励电流示意图；

图3为本发明实施例的用于电动车辆的蓄电池在线修复的系统原理框图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以详细说明。

本发明的蓄电池在线修复装置可应用于任何采用铅酸蓄电池进行供电的装置或设备。本实施例中以对应用于电动车辆的铅酸蓄电池进行在线修复为例进行说明。

图1为本发明实施例的用于电动车辆的蓄电池在线修复的装置原理框图。如图1所示，所述电池修复装置包括电压检测单元101、控制单元102、电流激励单元103和接口单元104，其中，所述接口单元104用于接收外部电池提供的电源信号及外部信号检测单元提供的检测信号，所述电压检测单元101用于检测电池的电压信号，所述控制单元102根据信号检测单元提供的检测信号控制所述修复装置的工作状态，并根据所述电压检测单元检测的电池电压信号控制所述电流激励单元104输出大小及频率可调的放电电流，对电池进行在线修复。

所述外部信号检测单元用于检测车辆处于运行状态时的运行电流，并将所述运行电流与预设的电流阈值进行比较，所述控制单元102根据比较结果控制所述修复装置的工作状态：当检测的车辆运行电流大于预设的电流阈值时，所述控制单元102控制所述电池修复装置不工作；当检测的车辆运行电流小于或等于预设的电流阈值时，所述控制单元102根据电压检测单元101检测的电池电压信号调节电流激励单元103输出电流的大小及频率，对电池进行在线修复。

所述预设的电流阈值为车辆处于运行状态时，通过电池放电驱动电机工作的电流。

所述控制单元102包括第一控制电路和第二控制电路，当车辆处于运行状态时，所述第一控制电路根据外部信号检测单元提供的检测信号控制电池修复装置的工作状态，并在电池修复装置处于工作状态时，根据电压检测单元检测的电池电压信号调节电流激励单元输出激励电流的大小及频率；当车辆处于闲置或者充电状态时，所述第二控制电路控制电池修复装置工作，并根据电压检测单元检测的电池电压信号调节电流激励单元输出激励电流的大小及频率。

所述电流激励单元103包括脉冲电流单元和恒定电流单元，所述控制单元102根据检测的电压信号控制所述脉冲电流单元输出大小及频率可调的脉冲电流，所述控制单元102控制所述恒定电流单元输出恒定电流，所述脉冲电流与恒定电流同时对电池进行修复。

所述脉冲电流单元包括脉冲发生电路和脉冲电流电路，所述脉冲发生电路用于产生整形过的脉冲波形，进而驱动脉冲电流的产生，所述脉冲电流电路根据整形后的脉冲波形控制产生相应的脉冲放电电流；所述恒定电流单元包括恒定电压源、第一开关控制电路、负载和负载电流反馈电路，当电池修复装置处于工作状态时，所述控制单元控制第一开关控制电路工作，使恒定电流单元输出电流，为了使输出的电流稳定，通过负载电流反馈电路进行调节，输出恒定电流。

所述电池修复装置具有低电压检测功能，无论车辆处于何种工作状态，当电池修复装置工作时，电压检测单元对电池电压进行检测，当检测的电池电压达到预设的阈值时，所述控制单元控制所述电池修复装置停止工作，能够有效防止电池过放电对电池产生影响，从而保护电池。此处电池电压阈值的设置可以根据电池本身的特点或者根据实际需要进行设置。

在车辆运行过程中，控制单元102根据电压检测单元101检测的电池电压值调节脉冲的频率以及脉冲电流的大小，在延长电池使用时间的同时，增加了电池修复的效果。

由于铅酸蓄电池在长时间静态闲置的情况下，容易形成硫化，因此，在静态时给蓄电池提供一个恒定的脉冲电流放电，避免闲置而引起的硫化现象，能够有效防止硫化晶体的产生。在电池闲置状态下，第二控制电路控制电池修复装置工作，第二控制电路根据电压检测单元检测的电压信号调整脉冲电流单元输出大小及频率可调的脉冲电流；同时，第二控制电路控制恒定电流单元的第一开关控制电路工作，恒定电流单元通过负载电流反馈电路使输出恒定的放电电流，脉冲电流与恒定电流同时对电池进行修复。但如果恒定放电电流过大，则会引起蓄电池在短时间内放电过多导致电池过放电的现象，对蓄电池造成损害，因此，电池闲置状态下的恒定电流的取值以电池IC电流的0.1%以下为宜，参见图2所示输出的激励电流示意图中Is所表示的电流。

当蓄电池处于充电状态时，第二控制电路控制电池修复装置工作，第二控制电路根据电压检测模块检测的电池电压调整脉冲电流单元输出大小及频率可调的脉冲电流；同时，第二控制电路控制第一开关控制电路工作，使恒定电流单元输出一个恒定的电流，脉冲电流与恒定电流同时对电池进行修复。

图3为本发明实施例的用于电动车辆的蓄电池在线修复的系统原理框图。所述系统包括电池修复装置301、电池302和车辆控制装置303，所述电池修复装置301包括电压检测单元、控制单元、电流激励单元和接口单元，所述车辆控制装置303包括信号检测单元，其中，所述电池修复装置301通过所述接口单元与电池302及车辆控制装置303连接，同时所述电池302与车辆控制装置303连接，所述信号检测单元用于检测车辆处于运行状态时电池的放电电流，所述信号比较单元用于检测车辆处于运行状态时的运行电流，并将所述运行电流与预设的电流阈值进行比较，所述控制单元根据比较结果控制所述电池修复装置的工作状态，并根据所述电压检测单元检测的电池电压信号控制所述电流激励单元输出大小及频率可调的放电电流，对电池进行在线修复。

此外，车辆控制装置303还包括电机驱动控制单元、速度调节单元和附加功能单元，所述附加功能单元用于对信号进行采集，输出信号到速度调节单元，并对所述车辆控制装置进行保护；所述速度调节单元用于对附加功能单元采集的信号进行计算，并根据信号检测单元检测的车辆运行电流控制电机驱动电流的大小，同时提供电机驱动控制单元的驱动指令；所述电机驱动控制单元用于对电机进行控制，提供电机驱动的输出。

本系统控制电池在线修复的过程说明如下：

通常，电池容量在70%以上时，电池电压较高，采用大电流放电，电流(Ich)可达到200mA~300mA，放电频率(Fch)可达到40K~50K；而电池容量在70%以下时，电流(Ich)改为100mA~200mA，放电频率(Fch)则降为30K~40K。

当车辆处于运行状态时，信号检测单元检测车辆的运行电流，并将所述车辆运行电流与与预设的电流阈值进行比较，所述第一控制电路根据比较结果控制所述修复装置的工作状态。所述预设的电流阈值为车辆处于运行状态时，通过电池放电驱动电机工作的电流。如预设的电流阈值为200mA，当信号检测单元检测的车辆运行电流大于200mA（如220mA）时，超过预设的电流阈值，车辆的负载很大，由于电池本身存在大电流的放电，此时就不需要电池修复装置进行工作，因此，在电池大电流放电的情况下，第一控制电路控制电池修复装置不进行工作；随着电能的不断消耗，当信号检测单元检测的车辆运行电流小于或等于200mA（如100mA），第一控制电路控制电池修复装置处于工作状态，第一控制电路根据所述电压检测单元检测的电池电压控制脉冲发生电路产生大小及频率变化的脉冲波形，驱动脉冲电流电路，脉冲电流电路根据所述脉冲波形输出相应的脉冲放电电流，同时，第一控制电路控制恒定电流单元的第一开关控制电路工作，产生一个恒定的电流，所述脉冲电流和恒定电流同时对电池进行在线修复。为了保护电池，防止过放电现象，当电池容量达到初始容量的10%以下时，第一控制电路控制电池修复装置停止工作。在车辆行驶过程中，如果电池出现由于大电流放电造成的电池容量过低，即电池电压过低时，第一控制电路控制电池修复装置将停止工作。

当车辆处于闲置或者充电状态时，车辆控制控制装置不工作，电池对电机无电流输出，此时不能根据信号检测单元的输出结果控制电池修复装置工作，因此在车辆处于闲置或者充电状态时，由第二控制电路控制电池修复装置工作。第二控制电路根据所述电压检测单元检测电池电压信号控制脉冲发生电路产生大小及频率变化的脉冲波形，驱动脉冲电流电路，脉冲电流电路根据所述脉冲波形输出相应的脉冲放电电流，同时，第二控制电路控制恒定电流单元的第一开关控制电路工作，产生一个恒定的电流，所述脉冲电流和恒定电流同时对电池进行修复。为了保护电池，防止过放电现象，当电池容量达到初始容量的10%以下时，第二控制电路控制电池修复装置停止工作。在闲置过程中，电池修复装置将持续工作直至电池容量降到原先的10%以下；在充电过程中，电池修复装置将伴随充电过程一直工作。

本实施例中脉冲电流单元输出上升沿陡峭的脉冲电流，利用脉冲电流的上升沿中包含的高频成分击碎硫化晶体。图2为本发明实施例的输出的激励电流示意图，本实施例中脉冲电流波形的上升沿时间Ton为1μs～5μs之内，所以单个电流波形的宽度则在1μs～10μs之间，以此来进行对硫化晶体击穿的工作，从而实现对电池进行在线修复。

通过实验得知,如脉冲的上升沿时间过长,对电池的修复效果不明显,如上升沿时间短,对电池的修复效果比较明显,但是脉冲时间过短对器件的要求也相应提高，采用本实施例中上升沿的时间范围，在不更新现有器件的基础上，使电池在线修复的效果最优。

此外，电池修复装置具有低电压检测功能，无论车辆处于何种工作状态，当电池修复装置工作时，电压检测单元对电池电压进行检测，当检测的电池电压达到预设的阈值时，所述控制单元控制所述电池修复装置停止工作，能够有效防止电池过放电对电池产生影响，从而保护电池。此处电池电压阈值的设置可以根据电池本身的特点或者根据实际需要进行设置。

本发明的技术方案，在不影响电池发热和车辆行驶里程的情况下，根据检测的电池电压信号，控制电流激励单元输出大小及频率可调的放电电流，在线对电池进行修复；同时，持续的电流修复，使电池在充电或闲置状态时难以硫化，从而达到了防止硫化的效果；所述装置具有低电压检测功能，能够有效防止电池的过放电，从而保护了电池。本发明的技术方案的电池修复装置体积小巧，发热量明显小于现有的修复装置，电池修复过程简单，修复条件适用性强，修复效率高且能够实现在任何条件下对电池进行在线修复，可将电池的使用寿命提升30%以上，降低了成本。

上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于电动车辆的蓄电池在线修复的装置，所述装置包括电压检测单元、控制单元、电流激励单元和接口单元，其中，所述接口单元用于接收外部电池提供的电源信号及外部信号检测单元提供的检测信号，所述电压检测单元用于检测电池的电压信号，所述控制单元根据信号检测单元提供的检测信号控制所述修复装置的工作状态，并根据所述电压检测单元检测的电池电压信号控制所述电流激励单元输出大小及频率可调的放电电流，对电池进行在线修复，所述外部信号检测单元用于检测车辆处于运行状态时的运行电流，并将所述运行电流与预设的电流阈值进行比较，所述控制单元根据比较结果控制所述修复装置的工作状态：当检测的车辆运行电流大于预设的电流阈值时，所述控制单元控制所述电池修复装置不工作；当检测的车辆运行电流小于或等于预设的电流阈值时，所述控制单元根据电压检测单元检测的电池电压信号调节电流激励单元输出电流的大小及频率，对电池进行在线修复。

2.根据权利要求1所述的用于电动车辆的蓄电池在线修复的装置，其特征在于，所述预设的电流阈值为车辆处于运行状态时，通过电池放电驱动电机工作的电流。

3.根据权利要求1所述的用于电动车辆的蓄电池在线修复的装置，其特征在于，当电压检测单元检测的电池电压达到预设的电压阈值时，所述控制单元控制电池修复装置停止工作。

4.根据权利要求1所述的用于电动车辆的蓄电池在线修复的装置，其特征在于，所述控制单元包括第一控制电路和第二控制电路，当车辆处于运行状态时，所述第一控制电路根据外部信号检测单元提供的检测信号控制电池修复装置的工作状态，并在电池修复装置处于工作状态时，根据电压检测单元检测的电池电压信号调节电流激励单元输出激励电流的大小及频率；当车辆处于闲置或者充电状态时，所述第二控制电路控制电池修复装置工作，并根据电压检测单元检测的电池电压信号调节电流激励单元输出激励电流的大小及频率。

5.根据权利要求1所述的用于电动车辆的蓄电池在线修复的装置，其特征在于，所述电流激励单元包括脉冲电流单元和恒定电流单元，所述脉冲电流单元输出大小及频率可调的脉冲电流，所述恒定电流单元输出恒定电流，所述脉冲电流与恒定电流同时对电池进行修复。

6.根据权利要求5所述的用于电动车辆的蓄电池在线修复的装置，其特征在于，所述脉冲电流单元包括脉冲发生电路和脉冲电流电路，所述脉冲发生电路用于产生脉冲波形，所述脉冲电流电路根据所述脉冲波形产生相应的脉冲放电电流；所述恒定电流单元包括恒定电压源、第一开关控制电路、负载和负载电流反馈电路，当电池修复装置处于工作状态时，所述控制单元控制第一开关控制电路工作，恒定电流单元输出电流，通过负载电流反馈电路调节输出恒定电流。

7.根据权利要求5所述的用于电动车辆的蓄电池在线修复的装置，其特征在于，所述脉冲电流采用上升沿陡峭的高频电流对电池进行修复。

8.根据权利要求7所述的用于电动车辆的蓄电池在线修复的装置，其特征在于，单个所述脉冲电流的持续时间为1μs-10μs。

9.一种用于电动车辆的蓄电池在线修复的系统，所述系统包括电池修复装置、电池和车辆控制装置，其特征在于，所述电池修复装置包括电压检测单元、控制单元、电流激励单元和接口单元，所述车辆控制装置包括信号检测单元，其中，所述电池修复装置通过所述接口单元与电池及车辆控制装置连接，同时所述电池与车辆控制装置连接，所述信号检测单元用于检测车辆处于运行状态时的运行电流，并将所述运行电流与预设的电流阈值进行比较，所述控制单元根据比较结果控制所述电池修复装置的工作状态，并根据所述电压检测单元检测的电池电压信号控制所述电流激励单元输出大小及频率可调的放电电流，对电池进行在线修复。