CN111404224A - 一种蓄电池四象限赋能修复装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄电池四象限赋能修复的装置及方法，包括控制单元、电源负载切换单元以及电压电流四象限转换单元，控制单元分别连接电压电流四象限转换单元和电源负载切换单元，电源负载切换单元与电压电流四象限转换单元连接，电压电流四象限转换单元连接蓄电池正负极。本发明可以一体化的自动的实现电池的四象限双向充放电赋能，不需要多台设备分别完成各象限的功能；进而大幅度提升电池赋能效率，有效的降低电池赋能的成本。

Description

一种蓄电池四象限赋能修复装置及方法

技术领域

本发明涉及蓄电池修复赋能领域，特别是一种蓄电池四象限赋能修复的装置及方法。

背景技术

大多数直流供电系统中均使用串联成组的蓄电池作为重要的应急后备电源，当主电源断电后，蓄电池组将由后备电源变成主电源为负荷供电，电池长久使用后，容量下降严重，不能满足备电时长要求，成为废旧电池；废旧电池要么报废，回厂再早，这会造成环境污染和电池使用成本上升；废旧电池还可以进行修复赋能容量，以满足后备电源要求；好电池转变为废旧电池的原因有多种，电池极板硫酸结晶严重是造成容量下降的重要原因，常规添加硫酸液的修复方式无法解决此种问题。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种蓄电池四象限赋能修复的装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种蓄电池四象限赋能修复的装置，包括控制单元、电源负载切换单元以及电压电流四象限转换单元，控制单元分别连接电压电流四象限转换单元和电源负载切换单元，电源负载切换单元与电压电流四象限转换单元连接，电压电流四象限转换单元连接蓄电池正负极。

本发明中，电压电流四象限转换单元包括第一电容C1、第二电容C2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、储能电感L1；

储能电感L1的一端与第二电容C2相连，定义网络为V2；

储能电感L1的另一端与第三开关管Q3的一端和第四开关管Q4的一端连接，定义网络为A；

第二电容C2的另一端与第一开关管Q1的一端以及第二开关管Q2的一端连接，定义网络为GND2；

第一电容C1的一端与第一开关管Q1的另一端以及第三开关管Q3的另一端连接，定义网络为V1；

第一电容C1的另一端与第二开关管Q2的另一端以及第四开关管Q4的另一端连接，定义网络为GND1；

第一开关管Q1的控制端、第二开关管Q2的控制端、第三开关管Q3的控制端、第四开关管Q4的控制端分别连接到控制单元。

本发明中，蓄电池的正极连接网络V2，蓄电池的负极连接网络GND2；

网络V1接输入电源和负载切换单元的正极性端，GND1接输入电源和负载切换单元的负极性端。

本发明中，电源负载切换单元包括控制端口，控制端口与控制单元连接，控制单元发送控制信号给控制端口使得电源负载切换单元在供电电源或者放电负载之间切换。

本发明还公开了一种蓄电池四象限赋能修复的方法，包括如下步骤：

步骤1：控制单元先控制电源负载切换单元工作在电源状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第一象限，对蓄电池正向充电；

步骤2：控制单元采样到电池正向充满电后，控制单元控制电源负载切换单元工作在负载状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第四象限，对蓄电池正向放电；

步骤3：控制单元采样到电池电压放到0V后，控制单元控制电源负载切换单元工作在电源状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第三象限，对蓄电池反向充电；

步骤4：控制单元采样到电池反向充满电后，控制单元控制电源负载切换单元工作在负载状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第二象限，对蓄电池反向放电；

步骤5：控制单元采样到电池反向放电到0V后，控制单元控制电源负载切换单元工作在电源状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第一象限，对蓄电池正向充电，蓄电池充满电后，蓄电池的四象限正反向充放电赋能结束。

本发明中，步骤1具体为：

将蓄电池并接到第二电容C2两端，控制单元先控制电源负载切换单元工作在电源状态，V1相对于GND1为正，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第一象限，V2相对与GND2为正；电流为正，储能电感L1电流正向流向第二电容C2和蓄电池，此时蓄电池正向充电；控制单元控制第一开关管Q1关闭，第二开关管Q2导通；第三开关管Q3与第四开关管Q4高频率交替导通，以保证储能电感L1电流正向流向第二电容C2和蓄电池，蓄电池正向充电。

本发明中，步骤2具体为：

控制单元采样到电池正向充满电后，控制单元关闭第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，控制单元控制电源负载切换单元工作在负载状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第四象限，V2相对与GND2为正；电流为负，储能电感L1电流反向流出第二电容C2和蓄电池；此时蓄电池正向放电；控制单元控制第一开关管Q1关闭，第二开关管Q2导通；第三开关管Q3和第四开关管Q4高频率交替导通，以保证储能电感L1电流反向流出第二电容C2和蓄电池，蓄电池正向放电。

本发明中，步骤3具体为：

控制单元采样到电池电压放到0V后，控制单元关闭第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，控制单元控制电源负载切换单元工作在电源状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第三象限，V2相对与GND2为负；电流为负，储能电感L1电流反向流入第二电容C2和蓄电池；此时蓄电池反向充电；控制单元控制第三开关管Q3关闭，第四开关管Q4导通；第一开关管Q1和第二开关管Q2高频率交替导通，以保证储能电感L1电流反向流出第二电容C2和蓄电池，蓄电池反向充电。

本发明中，步骤4具体为：

控制单元采样到电池反向充满电后，控制单元关闭第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，控制单元控制电源负载切换单元工作在负载状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第二象限，V2相对与GND2为负；电流为正，储能电感L1电流正向流出第二电容C2和蓄电池；此时蓄电池反向放电；控制单元控制第三开关管Q3关闭，第四开关管Q4导通；第一开关管Q1和第二开关管Q2高频率交替导通，以保证储能电感L1电流正向流出第二电容C2和蓄电池，蓄电池反向放电。

本发明中，步骤5具体为：

控制单元采样到电池反向放电到0V后，控制单元关闭第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，控制单元控制电源负载切换单元工作在电源状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第一象限，V2相对与GND2为正；电流为正，储能电感L1电流正向流向第二电容C2和蓄电池；此时蓄电池正向充电；控制单元控制第一开关管Q1关闭，第二开关管Q2导通；第三开关管Q3和第四开关管Q4高频率交替导通，以保证储能电感L1电流正向流向第二电容C2和蓄电池，蓄电池正向充电；蓄电池充满电后，蓄电池的四象限正反向充放电赋能结束。

有益效果：本专利提供的装置和方法来可有效逆化硫酸铅结晶，特别是对负极板的PbSO4(O)晶体可以得到大幅度的减小。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明的蓄电池四象限赋能修复装置及方法示意图；

图2是本发明的蓄电池四象限赋能修复装置及方法的四象限电压电流抽象图；

图3是本发明的蓄电池四象限赋能修复装置及方法的电压电流四象限转换单元电路原理图。

具体实施方式

实施例：

如图1，本实施例公开了一种蓄电池四象限赋能修复的装置，包括控制单元、电源负载切换单元以及电压电流四象限转换单元，控制单元1分别连接电压电流四象限转换单元2和电源负载切换单元3，电源负载切换单元3与电压电流四象限转换单元2连接，电压电流四象限转换单元连接蓄电池正负极。

如图3，本实施例中，电压电流四象限转换单元2包括第一电容C1、第二电容C2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、储能电感L1；

储能电感L1的一端与第二电容C2相连，定义网络为V2；

储能电感L1的另一端与第三开关管Q3的一端和第四开关管Q4的一端连接，定义网络为A；

第二电容C2的另一端与第一开关管Q1的一端以及第二开关管Q2的一端连接，定义网络为GND2；

第一电容C1的一端与第一开关管Q1的另一端以及第三开关管Q3的另一端连接，定义网络为V1；

第一电容C1的另一端与第二开关管Q2的另一端以及第四开关管Q4的另一端连接，定义网络为GND1；

第一开关管Q1的控制端、第二开关管Q2的控制端、第三开关管Q3的控制端、第四开关管Q4的控制端分别连接到控制单元1。

本实施例中，蓄电池的正极连接网络V2，蓄电池的负极连接网络GND2；

网络V1接输入电源和负载切换单元的正极性端，GND1接输入电源和负载切换单元的负极性端。

本实施例中，电源负载切换单元3包括控制端口，控制端口与控制单元1连接，控制单元1发送控制信号给控制端口使得电源负载切换单元3在供电电源或者放电负载之间切换。

本实施例还公开了一种蓄电池四象限赋能修复的方法，包括如下步骤：

步骤1：控制单元先控制电源负载切换单元工作在电源状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第一象限，对蓄电池正向充电；

步骤2：控制单元采样到电池正向充满电后，控制单元控制电源负载切换单元工作在负载状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第四象限，对蓄电池正向放电；

步骤3：控制单元采样到电池电压放到0V后，控制单元控制电源负载切换单元工作在电源状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第三象限，对蓄电池反向充电；

步骤4：控制单元采样到电池反向充满电后，控制单元控制电源负载切换单元工作在负载状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第二象限，对蓄电池反向放电；

步骤5：控制单元采样到电池反向放电到0V后，控制单元控制电源负载切换单元工作在电源状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第一象限，对蓄电池正向充电，蓄电池充满电后，蓄电池的四象限正反向充放电赋能结束。

本实施例中，步骤1具体为：

将蓄电池并接到第二电容C2两端，控制单元先控制电源负载切换单元工作在电源状态，V1相对于GND1为正，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第一象限，V2相对与GND2为正；电流为正，储能电感L1电流正向流向第二电容C2和蓄电池，此时蓄电池正向充电；控制单元控制第一开关管Q1关闭，第二开关管Q2导通；第三开关管Q3与第四开关管Q4高频率交替导通，以保证储能电感L1电流正向流向第二电容C2和蓄电池，蓄电池正向充电。

本实施例中，步骤2具体为：

控制单元采样到电池正向充满电后，控制单元关闭第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，控制单元控制电源负载切换单元工作在负载状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第四象限，V2相对与GND2为正；电流为负，储能电感L1电流反向流出第二电容C2和蓄电池；此时蓄电池正向放电；控制单元控制第一开关管Q1关闭，第二开关管Q2导通；第三开关管Q3和第四开关管Q4高频率交替导通，以保证储能电感L1电流反向流出第二电容C2和蓄电池，蓄电池正向放电。

本实施例中，步骤3具体为：

控制单元采样到电池电压放到0V后，控制单元关闭第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，控制单元控制电源负载切换单元工作在电源状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第三象限，V2相对与GND2为负；电流为负，储能电感L1电流反向流入第二电容C2和蓄电池；此时蓄电池反向充电；控制单元控制第三开关管Q3关闭，第四开关管Q4导通；第一开关管Q1和第二开关管Q2高频率交替导通，以保证储能电感L1电流反向流出第二电容C2和蓄电池，蓄电池反向充电。

本实施例中，步骤4具体为：

控制单元采样到电池反向充满电后，控制单元关闭第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，控制单元控制电源负载切换单元工作在负载状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第二象限，V2相对与GND2为负；电流为正，储能电感L1电流正向流出第二电容C2和蓄电池；此时蓄电池反向放电；控制单元控制第三开关管Q3关闭，第四开关管Q4导通；第一开关管Q1和第二开关管Q2高频率交替导通，以保证储能电感L1电流正向流出第二电容C2和蓄电池，蓄电池反向放电。

本实施例中，步骤5具体为：

控制单元采样到电池反向放电到0V后，控制单元关闭第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，控制单元控制电源负载切换单元工作在电源状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第一象限，V2相对与GND2为正；电流为正，储能电感L1电流正向流向第二电容C2和蓄电池；此时蓄电池正向充电；控制单元控制第一开关管Q1关闭，第二开关管Q2导通；第三开关管Q3和第四开关管Q4高频率交替导通，以保证储能电感L1电流正向流向第二电容C2和蓄电池，蓄电池正向充电；蓄电池充满电后，蓄电池的四象限正反向充放电赋能结束。

铅酸电池的电极极板上有两种硫酸铅晶体，电池负极板上的是PbSO4(O)，电池正极板上的是PbSO4(R)。铅酸电池充放电对应内部是化学反应；正极板上的PbSO4(R)颗粒度大、结构蓬松，充电时，更容易活化为PbO2；负极板上的PbSO4(O)颗粒小，充电时，相对的难以还原为Pb；在电池的正向电压和正向电流充电，和正向电压负向电流放电的使用过程冲，过多的深度放电和过度放电等累计下来，负极板上的PbSO4(O)结晶原来越多，导致电池容量大幅下降；这是如果用负向电压和负向电流对电池反向充电到负压，然后再负向电压正向电流对电池放电，原负极板上的PbSO4(O)先转化为活性度较高的PbO2，然后又转化为PbSO4(R)，就会大幅度减少负极板的PbSO4(O)晶体数量，从而使电池容量得以修复；以上对电池的正反向电压电流充放电正好可以组成电压电流四象限，如图2所示。

控制单元的主控制芯片采用TI公司的TMS320F28335，控制单元里还有运放LM258、电阻、电容等组成采样调理电路，通过采样蓄电池端电压和流过电池的电流，识别电池电压和流过电池的电流，一并提供给主控芯片。

控制单元1控制电源负载切换单元3工作与电源工作模式，控制单元1控制电压电流四象限转换单元2使储能电感L110的平均电流I_L1从网络A流向网络V2，完成第一象限对电池正向充电；然后，控制单元1控制电压电流四象限转换单元2使储能电感L110的平均电流I_L1从网络V2流向网络A，完成第四象限对电池正向放电；然后，控制单元1控制电压电流四象限转换单元2使储能电感L110的平均电流I_L1继续从网络V2流向网络A，并使网络V2电压相对于网络GND2的电压为负，电池的正负极电压极性反向；完成第三象限对电池反向充电；然后，控制单元1控制电压电流四象限转换单元2使储能电感L110的平均电流I_L1从网络A流向网络V2，完成第三象限对电池反向放电。然后，控制单元1控制电源负载切换单元3工作与电源工作模式，控制单元1控制电压电流四象限转换单元2使储能电感L110的平均电流I_L1从网络A流向网络V2，再次完成第一象限对电池正向充电；至此完成电池的一轮四象限赋能修复。

本实施例可以一体化的自动的实现电池的四象限双向充放电赋能，不需要多台设备分别完成各象限的功能；大幅度减少人员的操作工作量，节约电池赋能时间，提升电池赋能效率，大幅度的降低电池赋能的成本。对旧铅酸电池按照本实施例，进行双向充放电赋能，可以有效逆化硫酸铅结晶，特别是对负极板的PbSO4(O)晶体可以得到大幅度的减小，有效增加就铅酸电池的容量，延长铅酸电池的寿命。用本实施例制作的一体化装置对旧铅酸电池进行修复，总有效率达80％以上。另对不能修复的电池进行内部解剖，发现均有物理损伤。下表为一组机房用旧铅酸电池，每一节电池标称容量为2V/500AH,共24节，使用本实施例制作的一体化装置进行修复的容量对比数据。

本发明提供了一种蓄电池四象限赋能修复的装置的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种蓄电池四象限赋能修复的装置，其特征在于，包括控制单元、电源负载切换单元以及电压电流四象限转换单元，控制单元(1)分别连接电压电流四象限转换单元(2)和电源负载切换单元(3)，电源负载切换单元(3)与电压电流四象限转换单元(2)连接，电压电流四象限转换单元连接蓄电池正负极。

2.根据权利要求1所述的一种蓄电池四象限赋能修复的装置，其特征在于，电压电流四象限转换单元(2)包括第一电容C1、第二电容C2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、储能电感L1；

储能电感L1的一端与第二电容C2相连，定义网络为V2；

储能电感L1的另一端与第三开关管Q3的一端和第四开关管Q4的一端连接，定义网络为A；

第二电容C2的另一端与第一开关管Q1的一端以及第二开关管Q2的一端连接，定义网络为GND2；

第一电容C1的一端与第一开关管Q1的另一端以及第三开关管Q3的另一端连接，定义网络为V1；

第一电容C1的另一端与第二开关管Q2的另一端以及第四开关管Q4的另一端连接，定义网络为GND1；

第一开关管Q1的控制端、第二开关管Q2的控制端、第三开关管Q3的控制端、第四开关管Q4的控制端分别连接到控制单元(1)。

3.根据权利要求2所述的一种蓄电池四象限赋能修复的装置，其特征在于，蓄电池的正极连接网络V2，蓄电池的负极连接网络GND2；

网络V1接输入电源和负载切换单元的正极性端，GND1接输入电源和负载切换单元的负极性端。

4.根据权利要求2所述的一种蓄电池四象限赋能修复的装置，其特征在于，电源负载切换单元(3)包括控制端口，控制端口与控制单元(1)连接，控制单元(1)发送控制信号给控制端口使得电源负载切换单元(3)在供电电源或者放电负载之间切换。

5.一种蓄电池四象限赋能修复的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：控制单元先控制电源负载切换单元工作在电源状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第一象限，对蓄电池正向充电；

步骤2：控制单元采样到电池正向充满电后，控制单元控制电源负载切换单元工作在负载状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第四象限，对蓄电池正向放电；

步骤3：控制单元采样到电池电压放到0V后，控制单元控制电源负载切换单元工作在电源状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第三象限，对蓄电池反向充电；

步骤4：控制单元采样到电池反向充满电后，控制单元控制电源负载切换单元工作在负载状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第二象限，对蓄电池反向放电；

步骤5：控制单元采样到电池反向放电到0V后，控制单元控制电源负载切换单元工作在电源状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第一象限，对蓄电池正向充电，蓄电池充满电后，蓄电池的四象限正反向充放电赋能结束。

6.根据权利要求5所述的一种蓄电池四象限赋能修复的方法，其特征在于，步骤1具体为：

将蓄电池并接到第二电容C2两端，控制单元先控制电源负载切换单元工作在电源状态，V1相对于GND1为正，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第一象限，V2相对与GND2为正；电流为正，储能电感L1电流正向流向第二电容C2和蓄电池，此时蓄电池正向充电；控制单元控制第一开关管Q1关闭，第二开关管Q2导通；第三开关管Q3与第四开关管Q4高频率交替导通，以保证储能电感L1电流正向流向第二电容C2和蓄电池，蓄电池正向充电。

7.根据权利要求5所述的一种蓄电池四象限赋能修复的方法，其特征在于，步骤2具体为：

控制单元采样到电池正向充满电后，控制单元关闭第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，控制单元控制电源负载切换单元工作在负载状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第四象限，V2相对与GND2为正；电流为负，储能电感L1电流反向流出第二电容C2和蓄电池；此时蓄电池正向放电；控制单元控制第一开关管Q1关闭，第二开关管Q2导通；第三开关管Q3和第四开关管Q4高频率交替导通，以保证储能电感L1电流反向流出第二电容C2和蓄电池，蓄电池正向放电。

8.根据权利要求5所述的一种蓄电池四象限赋能修复的方法，其特征在于，步骤3具体为：

控制单元采样到电池电压放到0V后，控制单元关闭第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，控制单元控制电源负载切换单元工作在电源状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第三象限，V2相对与GND2为负；电流为负，储能电感L1电流反向流入第二电容C2和蓄电池；此时蓄电池反向充电；控制单元控制第三开关管Q3关闭，第四开关管Q4导通；第一开关管Q1和第二开关管Q2高频率交替导通，以保证储能电感L1电流反向流出第二电容C2和蓄电池，蓄电池反向充电。

9.根据权利要求5所述的一种蓄电池四象限赋能修复的方法，其特征在于，步骤4具体为：

控制单元采样到电池反向充满电后，控制单元关闭第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，控制单元控制电源负载切换单元工作在负载状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第二象限，V2相对与GND2为负；电流为正，储能电感L1电流正向流出第二电容C2和蓄电池；此时蓄电池反向放电；控制单元控制第三开关管Q3关闭，第四开关管Q4导通；第一开关管Q1和第二开关管Q2高频率交替导通，以保证储能电感L1电流正向流出第二电容C2和蓄电池，蓄电池反向放电。

10.根据权利要求5所述的一种蓄电池四象限赋能修复的方法，其特征在于，步骤5具体为：

控制单元采样到电池反向放电到0V后，控制单元关闭第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，控制单元控制电源负载切换单元工作在电源状态，控制单元控制电压电流四象限转换单元工作在第一象限，V2相对与GND2为正；电流为正，储能电感L1电流正向流向第二电容C2和蓄电池；此时蓄电池正向充电；控制单元控制第一开关管Q1关闭，第二开关管Q2导通；第三开关管Q3和第四开关管Q4高频率交替导通，以保证储能电感L1电流正向流向第二电容C2和蓄电池，蓄电池正向充电；蓄电池充满电后，蓄电池的四象限正反向充放电赋能结束。

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