CN104900926A - 一种高频共振式铅酸蓄电池修复装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电学技术领域，涉及一种高频共振式铅酸蓄电池修复装置及方法，蓄电池修复主电路的输入端与开关电源电连接，第一电阻和第二电阻串联组成电压检测电路电流互感器分别与电解电容和蓄电池的负极电连接，单片机控制电路分别与驱动电路、偏置电路、显示电路和辅助电源电连接，辅助电源分别与显示电路和电流互感器电连接，其结构简单，使用方便，成本低，能耗少，电能利用率高，对蓄电池损害小，延长蓄电池的使用寿命。

Description

一种高频共振式铅酸蓄电池修复装置及方法

技术领域：

本发明属于电学技术领域，涉及一种电池修复设备及工艺，特别是一种高频共振式铅酸蓄电池修复装置及方法。

背景技术：

铅酸蓄电池，又称铅蓄电池，是蓄电池的一种，电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池，作为能够提供给市场，被人们使用和消费，并满足人们相关需求的铅酸蓄电池来说，自其1859年被法国人普兰特发明开始，在化学电源中一直占有绝对优势，而经过一百多年的发展、改进，铅酸蓄电池无论是能量密度、循环寿命还是高倍率放电等特性都得到了相关行业的普遍认可。如今，铅酸蓄电池在理论研究方面，在产品种类及品种、产品电气性能等方面都得到了长足的进步，不论是在交通、通信、电力、军事还是在航海、航空各个经济领域，都起到了不可缺少的重要作用。在电动自行车行业内的应用也得到充足的进展和持续的磨合。但是铅酸蓄电池由于充电方法不恰当、维护不够等原因，常常会发生失效报废的问题，如板栅腐蚀导致变形、活性物质软化并脱落、高温失控、硫酸盐化，目前针对这种问题，主要的修复方法为添加活性剂、大电流修复法、负脉冲修复法、高频脉冲修复法、复合脉冲共振法，这些修复方法工艺复杂，能耗高，不能同时满足硫酸铅粗结晶体对不同能量和不同频率的需求。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种高频共振式铅酸蓄电池修复装置及方法，根据晶体共振击碎原理，用适当的能量在特定的频率下与硫酸铅晶体共振来实现击碎硫酸铅去硫化的目的来修复铅酸蓄电池。

为了实现上述目的，本发明所述高频共振式铅酸蓄电池修复装置的主体结构包括开关电源、蓄电池修复主电路、电压检测电路、电流互感器、辅助电源、单片机控制电路、偏置电路、驱动电路和显示电路；蓄电池修复主电路由电解电容、充电开关管、第一二极管、放电开关管、第二二极管、滤波电感和蓄电池按电学原理组合构成，蓄电池修复主电路形成锯齿波尖峰电流，蓄电池修复主电路的输入端与开关电源电连接，电解电容为开关电源的输出滤波电容；第一电阻和第二电阻串联组成电压检测电路，用于检测蓄电池两端的输出电压和修复进度；电流互感器分别与电解电容和蓄电池的负极电连接，用于检测流过蓄电池的电流，并调控蓄电池修复主电路的平均修复电流，使蓄电池流过的平均电流修复电流稳定；单片机控制电路分别与驱动电路、偏置电路、显示电路和辅助电源电连接，偏置电路将电流互感器检测到的负电流转化为正电流以供采样；电流互感器检测到的电流值经过偏置电路与第二电阻上的分压值一起送入单片机控制电路，该电流值经单片机控制电路运算后给出PWM控制信号，并将PWM控制信号传输至驱动电路，驱动电路产生第一驱动和第二驱动两路驱动信号，分别用于控制充电开关管和放电开关管；在蓄电池正常修复时，单片机控制电路不给开关电源输出PWM封锁信号，当蓄电池间歇时，单片机控制电路给开关电源输出PWM封锁信号，将开关电源关断；辅助电源分别与显示电路和电流互感器电连接，显示电路显示蓄电池的修复信息；单片机控制电路作为修复主电路的核心，用于控制充电开关管和放电开关管的交替导通，并在蓄电池间歇时给开关电源发送PWM封锁信号，蓄电池在每个修复周期均存在修复与放电过程，修复时，充电开关管导通，放电开关管断开，第二二极管用于续流；放电时，充电开关管断开，放电开关管导通，第一二极管用于续流。

本发明实现高频共振式铅酸蓄电池修复的具体过程为：

(1)、打开开关电源，对单片机控制电路上的单片机初始化，并对单片机控制电路的PWM工作模式进行配置，此时，显示电路的指示灯红灯亮；

(2)、通过电压检测电路对蓄电池的端电压进行检测，若蓄电池不需要修复，则单片机控制电路给出PWM封锁信号，闭锁PWM，停止修复，显示电路的指示灯变绿，提示修复完毕；若电池需要修复，则单片机控制电路上单片机根据蓄电池E的硫化程度选择相应的平均修复电流及修复频率；

(3)、设置修复段时间m，进行蓄电池修复，当m>0时，蓄电池修复未结束，继续进行修复，当m<0时，蓄电池修复结束，进行间歇；

(4)、设置间歇时间n开始间歇，当n>0时，间歇未结束，继续间歇，当n<0时，间歇结束；

(5)、判断是否达到定时检测时间，若未达到定时检测时间，则返回步骤(3)，重新回到修复段进行修复，若达到定时检测时间，则返回步骤(2)，重新检测蓄电池端电压，并判断修复是否有效，若修复无效，则闭锁PWM，停止修复，指示灯红灯亮，显示修复失败；若修复有效，则判断修复是否完成；

(6)、若蓄电池已修复完成，则闭锁PWM，停止修复，且指示灯变绿，提示修复完毕；若电池未完成修复，则根据修复进度选择相应的平均修复电流及修复频率，继续进行蓄电池修复，如此循环进行，直到电池修复完成。

本发明的工作原理是根据硫酸铅晶体在特定频率下与适当的能量发生共振来实现硫酸铅晶体的击碎，修复电流在每个开关周期内呈锯齿波形状迅速振荡，在尖峰点与修复电压一同提供共振所需的能量，从而击碎硫酸铅晶体；开始时，先采用较高的电流尖峰，用以击碎大块硫酸铅晶体，随着修复过程的进展，大块硫酸铅晶体转变为中块或小块，此时与硫酸铅晶体共振所需的能量降低，因此，当修复到一定程度时，适当降低平均修复电流，改变修复频率减小电流纹波，从而降低尖峰处的能量；平均修复电流通过单片机来保持相对恒定，修复频率通过单片机来改变，可以实现变频修复，从而增强修复效果；每个开关周期，修复电流为锯齿波电流，均存在电流为零的时刻，使充电开关管和放电开关管都工作在零电压软开关状态，以提高修复电路的效率；每个开关周期的放电能在一定程度上抑制温升，且放电电能可以储存到电解电容中，在修复时重新使用，达到节能的目的；一般修复一段时间后让蓄电池间歇一会，防止蓄电池内部温升过高；修复时，一个开关周期内充电开关管的导通时间比放电开关管的导通长。

本发明通过调整充电开关管和放电开关管的占空比来稳定平均修复电流的大小，单片机控制电路内部通过输出的两路PWM波形改变充电开关管和放电开关管的占空比和开关频率，进而控制两个开关管的导通时间及开关频率，实现对尖峰电流的控制。

本发明与现有技术相比，利用晶体共振原理，在特定频率下用适当的能量将硫酸铅晶体击碎，每个开关周期的小放电可以在一定程度上抑制温升，且放电电能可以存储到开关电源1的电容中，在修复时重新传输给铅酸蓄电池，具有节能作用，并且可以在修复过程中实现变频，从而能更好的将不同大小的硫酸铅结晶体击碎，蓄电池修复电路作为发明的重点，能够改变修复电流的尖峰及修复频率来实现硫酸铅粗结晶体不同能量和不同频率的需求；其结构简单，使用方便，成本低，能耗少，电能利用率高，对蓄电池损害小，延长蓄电池的使用寿命。

附图说明：

图1为本发明所述高频共振式铅酸蓄电池修复装置的电学原理结构示意图。

图2为本发明所述高频共振式铅酸蓄电池修复方案图。

图3为本发明蓄电池修复电流波形图。

图4为本发明所述高频共振式铅酸蓄电池修复的工作流程示意框图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

实施例：

本实施例所述高频共振式铅酸蓄电池修复装置的主体结构包括开关电源1、蓄电池修复主电路2、电压检测电路3、电流互感器4、辅助电源5、单片机控制电路6、偏置电路7、驱动电路8和显示电路9；蓄电池修复主电路2由电解电容C1、充电开关管V1、第一二极管D1、放电开关管V2、第二二极管D2、滤波电感L和蓄电池E按电学原理组合构成，形成锯齿波尖峰电流，蓄电池修复主电路2的输入端与开关电源1电连接，电解电容C1为开关电源1的输出滤波电容；第一电阻R1和第二电阻R2串联组成电压检测电路3，用于检测蓄电池E两端的输出电压和修复进度；电流互感器4分别与电解电容C1和蓄电池E的负极电连接，用于检测流过蓄电池E的电流，调控蓄电池修复主电路2的平均修复电流，使蓄电池E流过的平均电流修复电流稳定；单片机控制电路6分别与驱动电路8、偏置电路7、显示电路9和辅助电源5电连接，偏置电路7将电流互感器4检测到的负电流转化为正电流以供采样；电流互感器4检测到的电流值经过偏置电路7与第二电阻R2上的分压值一起送入单片机控制电路6，该电流值经单片机控制电路6运算后给出PWM控制信号，并将PWM控制信号传输至驱动电路8，驱动电路产生第一驱动10和第二驱动11两路驱动信号，分别用于控制充电开关管V1和放电开关管V2；在蓄电池E正常修复时，单片机控制电路6不给开关电源1输出PWM封锁信号，当蓄电池E间歇时，单片机控制电路6给开关电源1输出PWM封锁信号，将开关电源1关断；辅助电源5分别与显示电路9和电流互感器4电连接，显示电路9显示蓄电池E的修复信息；单片机控制电路6作为修复主电路的核心，用于控制充电开关管V1和放电开关管V2的交替导通，并在蓄电池E间歇时给开关电源1发送PWM封锁信号，蓄电池E在每个修复周期均存在修复与放电过程，修复时，充电开关管V1导通，放电开关管V2断开，第二二极管D2用于续流；放电时，充电开关管V1断开，放电开关管V2导通，第一二极管D1用于续流。

本实施例实现高频共振式铅酸蓄电池修复的具体过程为：

(1)、打开开关电源1，对单片机控制电路6上的单片机初始化，并对单片机控制电路6的PWM工作模式进行配置，此时，显示电路9的指示灯红灯亮；

(2)、通过电压检测电路3对蓄电池E的端电压进行检测，若蓄电池E不需要修复，则单片机控制电路6给出PWM封锁信号，闭锁PWM，停止修复，显示电路9的指示灯变绿，提示修复完毕；若电池需要修复，则单片机控制电路6上单片机根据蓄电池E的硫化程度选择相应的平均修复电流及修复频率；

(3)、设置修复段时间m为M进行蓄电池修复，当m>0时，蓄电池修复段未结束，继续进行修复，当m<0时，蓄电池修复段结束，进行间歇；

(4)、设置间歇时间n为N，开始间歇，当n>0时，间歇未结束，继续间歇，当n<0时，间歇结束；

(5)、判断是否达到定时检测时间，若未达到定时检测时间，则返回步骤(3)，重新回到修复段进行修复，若达到定时检测时间，则返回步骤(2)，重新检测蓄电池端电压，并判断修复是否有效，若修复无效，则闭锁PWM，停止修复，指示灯红灯亮，显示修复失败；若修复有效，则判断修复是否完成；

(6)、若蓄电池已修复完成，则闭锁PWM，停止修复，且指示灯变绿，提示修复完毕；若电池未完成修复，则根据修复进度选择相应的平均修复电流及修复频率，继续进行蓄电池修复，如此循环进行，直到电池修复完成。

本实施例的工作原理是根据硫酸铅晶体在特定频率下与适当的能量发生共振来实现硫酸铅晶体的击碎，修复电流在每个开关周期内呈锯齿波形状迅速振荡，在尖峰点与修复电压一同提供共振所需的能量，从而击碎硫酸铅晶体；开始时，先采用较高的电流尖峰，用以击碎大块硫酸铅晶体，随着修复过程的进展，大块硫酸铅晶体转变为中块或小块，此时与硫酸铅晶体共振所需的能量降低，因此，当修复到一定程度时，适当降低平均修复电流，改变修复频率减小电流纹波，从而降低尖峰处的能量；平均修复电流通过单片机来保持相对恒定，修复频率通过单片机来改变，可以实现变频修复，从而增强修复效果；每个开关周期，修复电流为锯齿波电流，均存在电流为零的时刻，使充电开关管V1和放电开关管V2都工作在零电压软开关状态，以提高修复电路的效率；每个开关周期的放电能在一定程度上抑制温升，且放电电能可以储存到电解电容C1中，在修复时重新使用，达到节能的目的；一般修复一段时间后让蓄电池E间歇一会，防止蓄电池E内部温升过高；修复时，一个开关周期内充电开关管V1的导通时间比放电开关管V2的导通长。

本实施例通过调整充电开关管V1和放电开关管V2的占空比来稳定平均修复电流的大小，单片机控制电路6内部通过输出的两路PWM波形改变充电开关管V1和放电开关管V2的占空比和开关频率，进而控制两个开关管的导通时间及开关频率，实现对尖峰电流的控制。

本实施例所述蓄电池修复主电路2为双向Buck-Boost直流变换电路，铅酸蓄电池修复电流尖峰时工作在在Buck模式，小电流放电时工作在Boost模式，实现能量的双向流动；充电开关管V1和放电开关管V2分别对应蓄电池的修复和放电，并由单片机控制电路6上的单片机经专用驱动芯片进行控制，可更改修复峰值和放电时间；该电路有三种工作状态：一是滤波电感L的电流恒大于零时，工作在硬开关Buck状态；二是电感电流有过零点时，工作在软开关状态，此时当平均电流大于零，为Buck模式；当平均电流小于零，为Boost模式；三是电感电流恒小于零时，工作在硬开关Boost放电状态；本实施例充放电时采用第二种工作状态，两个开关管均工作于软开关状态，从而实现修复和放电，第二种状态有六个工作阶段，如图3所示：

t0-t1：在t0时刻之前，充电开关管V1导通，放电开关管V2关断，电感电流线性增加。在t0时刻，充电开关管V1被关断，放电开关管V2此时仍处于关断状态，电感电流达到峰值，由于电感电流不能突变，第二二极管D2开始自然续流，同时电感电流开始线性减小；

t1-t2：在t1时刻，放电开关管V2零电压导通，第二电极管D2的续流使其两端电压为零，电感电流继续线性减小；

t2-t3：此阶段放电开关管V2继续保持导通状态。电感电流继续减小到零，并开始反极性线性增加，此时蓄电池开始放电；

t3-t4：在t3时刻，放电开关管V2被关断，第一二极管D1开始自然续流，电感电流继续反极性增加；

t4-t5：在t4时刻，同理充电开关管V1两端的电压为零，充电开关管V1开始零电压导通。电感放电电流开始线性减小。在t5时刻电感的电流再次减小到零，并继而反向增大；

t5-t6：充电开关管V1继续保持通态，电感电流线性增加，在t6时刻开始下一个开关周期。

为使两个开关管在零电压下开通，充电开关管V1必须在t3-t5阶段导通，而放电开关管V2必须在t0-t2阶段导通。通过合理的设计电感，就可工作在第二种工作状态，即软开关状态。

Claims (2)

1.一种高频共振式铅酸蓄电池修复装置，其特征在于主体结构包括开关电源、蓄电池修复主电路、电压检测电路、电流互感器、辅助电源、单片机控制电路、偏置电路、驱动电路和显示电路；蓄电池修复主电路由电解电容、充电开关管、第一二极管、放电开关管、第二二极管、滤波电感和蓄电池按电学原理组合构成，蓄电池修复主电路形成锯齿波尖峰电流，蓄电池修复主电路的输入端与开关电源电连接，电解电容为开关电源的输出滤波电容；第一电阻和第二电阻串联组成电压检测电路，用于检测蓄电池两端的输出电压和修复进度；电流互感器分别与电解电容和蓄电池的负极电连接，用于检测流过蓄电池的电流，并调控蓄电池修复主电路的平均修复电流，使蓄电池流过的平均电流修复电流稳定；单片机控制电路分别与驱动电路、偏置电路、显示电路和辅助电源电连接，偏置电路将电流互感器检测到的负电流转化为正电流以供采样；电流互感器检测到的电流值经过偏置电路与第二电阻上的分压值一起送入单片机控制电路，该电流值经单片机控制电路运算后给出PWM控制信号，并将PWM控制信号传输至驱动电路，驱动电路产生第一驱动和第二驱动两路驱动信号，分别用于控制充电开关管和放电开关管；在蓄电池正常修复时，单片机控制电路不给开关电源输出PWM封锁信号，当蓄电池间歇时，单片机控制电路给开关电源输出PWM封锁信号，将开关电源关断；辅助电源分别与显示电路和电流互感器电连接，显示电路显示蓄电池的修复信息；单片机控制电路作为修复主电路的核心，用于控制充电开关管和放电开关管的交替导通，并在蓄电池间歇时给开关电源发送PWM封锁信号，蓄电池在每个修复周期中均存在修复与放电过程，修复时，充电开关管导通，放电开关管断开，第二二极管用于续流；放电时，充电开关管断开，放电开关管导通，第一二极管用于续流。

2.一种采用如权利要求1所述高频共振式铅酸蓄电池修复装置实现高频共振式铅酸蓄电池修复的方法，其特征在于具体修复过程为：

(1)、打开开关电源，对单片机控制电路上的单片机初始化，并对单片机控制电路的PWM工作模式进行配置，此时，显示电路的指示灯亮红灯；

(2)、通过电压检测电路对蓄电池的端电压进行检测，若蓄电池不需要修复，则单片机控制电路给出PWM封锁信号，闭锁PWM，停止修复，显示电路的指示灯亮绿灯，提示修复完毕；若电池需要修复，则单片机控制电路上单片机根据蓄电池E的硫化程度选择相应的平均修复电流及修复频率；

(3)、设置修复段时间m，进行蓄电池修复，当m>0时，蓄电池修复未结束，继续进行修复，当m<0时，蓄电池修复结束，进行间歇；

(4)、设置间歇时间n开始间歇，当n>0时，间歇未结束，继续间歇，当n<0时，间歇结束；

(5)、判断是否达到定时检测时间，若未达到定时检测时间，则返回步骤(3)，重新回到修复段进行修复，若达到定时检测时间，则返回步骤(2)，重新检测蓄电池端电压，并判断修复是否有效，若修复无效，则闭锁PWM，停止修复，指示灯红灯亮，显示修复失败；若修复有效，则判断修复是否完成；

(6)、若蓄电池已修复完成，则闭锁PWM，停止修复，且指示灯亮绿灯，提示修复完毕；若电池未完成修复，则根据修复进度选择相应的平均修复电流及修复频率，继续进行蓄电池修复，如此循环进行，直到电池修复完成。