CN115051049A - 一种蓄电池能量保护装置、方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蓄电池能量保护装置、方法和系统，属于电源技术领域，解决了现有蓄电池硫化造成的容量下降的问题。装置包括正向高频脉冲波形生成模块用于生成正向高频脉冲波形；滤波电容器用于对正向高频脉冲波形进行滤波以通过以预定频率充放电生成负向高频脉冲波形并与滤波后的正向高频脉冲波形叠加以生成复合谐波脉冲电流；第一光电耦合器用于与滤波电容器并联连接，从控制电路接收高频脉冲信号并基于高频脉冲信号向场效应晶体管提供开关控制信号；场效应晶体管利用开关控制信号控制场效应晶体管的导通和关断，使得复合谐波脉冲电流按照预定频率与蓄电池的硫化晶体产生共振以修复蓄电池。复合谐波脉冲电流与硫化结晶体产生共振以修复蓄电池。

Description

一种蓄电池能量保护装置、方法和系统
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种蓄电池能量保护装置、方法和系统。
背景技术
铅酸蓄电池的失效跟生成工艺、使用方式、环境等因素都有很大关系。电池的失效是失水伴随硫化造成电池内阻增加，电池受容性降低后充电过程产生热，从而加速失水和硫化，到一定程度后电解液密度过高出现极板软化、腐蚀、鼓包直至电池报废。
蓄电池硫化的原因包括以下不正常使用：大电流放电、小电流深度放电、充电不及时、长期搁置以及长时间浮充条件下不放电。
铅酸蓄电池工作在放电状态时在电解液中会形成硫酸铅，当硫酸铅的浓度达到一定的阈值时就会发生结晶，结晶后的硫酸铅不能再参与到循环反应中，从而造成铅酸蓄电池容量下降。
目前常用方法为高频振谐修复，即通过产生高频共振电流与已经硫化的硫酸铅晶体产生共振，从而击碎硫酸铅结晶，以使硫酸铅晶体可以重新参与到循环反应中，最终达到恢复蓄电池容量的目的。
然而，现有技术在修复过程中，存在损伤电池和硫酸铅晶体除去不彻底的问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种蓄电池能量保护装置，用以解决现有蓄电池硫化造成的容量下降的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种蓄电池能量保护装置，包括修复电路和控制电路，所述修复电路包括正向高频脉冲波形生成模块、滤波电容器、第一光电耦合器、场效应晶体管，其中，所述正向高频脉冲波形生成模块，用于生成正向高频脉冲波形；所述滤波电容器，用于对所述正向高频脉冲波形进行滤波以通过以预定频率充放电生成负向高频脉冲波形，并与滤波后的正向高频脉冲波形叠加以生成复合谐波脉冲电流；所述第一光电耦合器，用于与所述滤波电容器并联连接，从所述控制电路接收高频脉冲信号并基于所述高频脉冲信号向所述场效应晶体管提供开关控制信号，其中，所述高频脉冲信号具有所述预定频率；以及所述场效应晶体管，利用所述开关控制信号控制所述场效应晶体管的导通和关断，使得所述复合谐波脉冲电流按照所述预定频率与蓄电池的硫化晶体产生共振以修复所述蓄电池。
上述技术方案的有益效果如下：通过第一整流器生成正向高频脉冲波形，通过滤波电容器生成负向高频脉冲波形，并与正向高频脉冲波形叠加以生成复合谐波脉冲电流；利用开关控制信号控制场效应晶体管的导通和关断，使得复合谐波脉冲电流按照高频脉冲信号的预定频率与蓄电池的硫化结晶体产生共振以修复蓄电池。另外，第一光电耦合器将控制电路和修复电路进行光电隔离，基于高频脉冲信号向场效应晶体管提供开关控制信号，进而通过场效应晶体管的导通和关断，使滤波电容器能够以同样的预定频率进行瞬间充放电。
基于上述装置的进一步改进，所述滤波电容器为低内阻高通电容器，所述滤波电容器包括正极板端和负极板端，所述正极板端与所述第一整流器的正极输出端连接；以及所述负极板端与所述第一整流器的负极输出端以及第一电源电压连接。
基于上述装置的进一步改进，所述修复电路还包括第一电阻器、第二电阻器和第三电阻器，所述第一光电耦合器包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，其中，所述第一输入端，接收所述高频脉冲信号；所述第二输入端，经由所述第三电阻器与所述滤波电容器的负极板端连接；所述第一输出端，经由所述第一电阻器与所述场效应晶体管的栅极连接；以及所述第二输出端，经由所述第二电阻器与所述滤波电容器的正极板端连接。
基于上述装置的进一步改进，所述修复电路还包括第四电阻器，其中，所述场效应晶体管的漏极连接至所述蓄电池的负极；以及所述场效应晶体管的源极接地；以及所述场效应晶体管的栅极经由所述第四电阻器接地。
基于上述装置的进一步改进，所述修复电路还包括发光二极管、第五电阻器、限流电阻器和熔断器，其中，所述发光二极管和所述第五电阻器，所述发光二极管的阴极连接至所述第五电阻器的一端；所述限流电阻器，一端连接至所述蓄电池的正极和所述第一发光二极管的阳极，另一端连接至所述熔断器的一端和所述第五电阻器的另一端；以及所述熔断器，另一端连接至所述滤波电容器的正极板端。
基于上述装置的进一步改进，正向高频脉冲波形生成模块包括变压器和第一整流器，其中，所述变压器，用于通过初级绕组经由热保护器接收电源电压，并将所述电源电压变换为第一交流电压；所述第一整流器，用于对所述第一交流电压进行整流以生成正向高频脉冲波形。
基于上述装置的进一步改进，所述控制电路包括第二整流器、第二滤波器、第二光电耦合器、稳压器和高频脉冲信号生成器，其中，所述第二整流器，与所述变压器的第二次级绕组连接，并对所述第二次级绕组输出的第二交流电压进行整流，所述第二交流电压不同于所述第一交流电压；所述第二滤波器，与所述第二整流器的正极输出端和负极输出端连接，以对整流后的电压信号进行滤波；所述稳压器，与所述第二滤波器连接，以对滤波后的电压信号进行稳压；以及所述第二光电耦合器，与所述稳压器和所述高频脉冲信号生成器连接，其中，所述高频脉冲信号生成器基于所述第二光电耦合器的输出信号生成所述高频脉冲信号。
基于上述装置的进一步改进，所述控制电路还包括二极管，所述第二滤波器包括并联的第一电容器和第二电容器，其中，所述第一电容器和所述第二电容器的正极端与所述第二整流器的正极输出端连接，以及所述第一电容器和所述第二电容器的负极端与所述第二整流器的负极输出端连接；所述稳压器包括输入端、接地端和输出端，其中，所述输入端与所述第一电容器的正极端连接；所述输出端与所述第二电容器的正极端连接；以及所述接地端与所述第一电容器和所述第二电容器的负极端连接；以及所述二极管，阴极连接至所述稳压器的输入端，以及阳极连接至所述稳压器的输出端。
基于上述装置的进一步改进，所述控制电路还包括稳压二极管和第五电阻器，所述第五电阻器的一端与所述稳压二极管的阴极连接并将连接点作为公共节点，所述第五电阻器的另一端与所述第二电容器的正极端连接，以及所述稳压二极管的阳极与所述第二电容器的负极端连接；所述第二光电耦合器包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，其中，所述第二光电耦合器的第一输入端与所述公共节点连接，所述第二光电耦合器的第二输入端与所述限流电阻器的一端连接，所述第二光电耦合器的第一输出端与所述第五电阻器的另一端和所述限流电阻器的另一端连接，以及所述第二光电耦合器的第二输出端与所述高频脉冲信号生成器的输入端连接。
基于上述装置的进一步改进，所述控制电路还包括第三电容器、可调电阻器、第六电阻器，所述高频脉冲信号生成器包括555芯片和4017芯片，其中，所述555芯片的触发端子和阈值端子连接在一起并且经由所述第三电容器与所述第二电容器的负极端连接；所述555芯片的接地端子与所述第二电容器的负极端连接；所述可调电阻器连接在所述555芯片的放电端子和触发端子之间；所述555芯片的放电端子经由所述第六电阻器连接至所述第二光电耦合器的第二输出端；所述555芯片的复位端子和供电信号端子连接至所述第二光电耦合器的第二输出端；以及所述555芯片的输出端子连接至所述4017芯片的时钟信号端子。
基于上述装置的进一步改进，所述控制电路还包括第七电阻器，所述第七电阻器的一端连接至所述4017芯片的时钟信号端子，另一端连接至所述第二电容器的负极端；所述4017芯片的禁止端子连接至所述第二光电耦合器的第二输出端；所述4017芯片的复位端子和CK端子连接至所述第二电容器的负极端；以及所述4017芯片的高频脉冲信号输出端子连接至所述第一光电耦合器的第一输入端。
另一方面，本发明实施例提供了一种蓄电池能量保护方法，包括：对第一交流电压进行整流以生成正向高频脉冲波形；通过滤波电容器对所述正向高频脉冲波形进行滤波以预定频率充放电生成负向高频脉冲波形，并与滤波后的正向高频脉冲波形叠加以生成复合谐波脉冲电流；接收高频脉冲信号并基于所述高频脉冲信号向场效应晶体管提供开关控制信号，其中，所述高频脉冲信号具有所述预定频率；以及利用所述开关控制信号控制所述场效应晶体管的导通和关断，使得所述复合谐波脉冲电流按照所述预定频率与所述蓄电池的硫化晶体产生共振以修复所述蓄电池。
基于上述方法的进一步改进，蓄电池能量保护方法还包括：将限流电阻器连接在滤波电容器的正极板端和所述蓄电池的正极之间；检测所述限流电阻器两端的电压，并将检测电压提供给所述控制电路以控制所述控制电路中的光电耦合器的频率。
基于上述方法的进一步改进，在接收高频脉冲信号之前，还包括：由控制电路生成所述高频脉冲信号。
基于上述方法的进一步改进，由控制电路生成所述高频脉冲信号进一步包括：将所述电源电压变换为第二交流电压；对所述第二交流电压进行整流并对整流电压进行稳压；将所述控制电路与检测所述检测电压的检测电路光电隔离，并基于所述检测电压生成555芯片和4017芯片的控制信号；所述555芯片基于所述控制信号生成时钟信号；所述4017芯片基于所述控制信号和所述时钟信号生成所述高频脉冲信号。
又一方面，本发明实施例提供了一种蓄电池能量保护系统，包括：控制装置和根据上述实施例所述的多个蓄电池能量保护装置，每个蓄电池能量保护装置以一一对应的方式与蓄电池连接，所述控制装置，用于分时控制所述多个蓄电池能量保护装置，使得同一时间段内仅一个蓄电池能量保护装置工作以修复与其连接的蓄电池。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、通过第一整流器生成正向高频脉冲波形，通过滤波电容器生成负向高频脉冲波形，并与正向高频脉冲波形叠加以生成复合谐波脉冲电流；利用开关控制信号控制场效应晶体管的导通和关断，使得复合谐波脉冲电流按照高频脉冲信号的预定频率与蓄电池的硫化结晶体产生共振以修复蓄电池。电流型复合谐波脉冲中的负脉冲作用到蓄电池，通过负电子撞击，在电池微观内部表现为对电池放电，其正脉冲通过正电子撞击，在电池微观内部表现为对电池充电，在这样的微观环境中通过对电池进行循环充放电，提高电池充放电活性。
2、第一光电耦合器将控制电路和修复电路进行光电隔离，基于高频脉冲信号向场效应晶体管提供开关控制信号，进而通过场效应晶体管的导通和关断，使滤波电容器能够以同样的预定频率进行瞬间充放电。
3、通过复合谐波脉冲电流与铅酸蓄电池硫化结晶体产生共振，(1)能有效改善蓄电池组的均衡特性，提高电池组综合放电能力；(2)获得对蓄电池的修复效率≥90％；(3)对蓄电池的修复属无损修复，不损伤电池极板。
4、通过采用电流型输出工作设计来改善电池组的均衡特性；由于电池组是串联工作，所以通过这样的设计，其输出的脉冲电流能使电池组中的每只电池都能获得均匀的能量(电流)，从而使每只电池都能得到很好的维护，有利于提高电池组的均衡性。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为根据本发明实施例的蓄电池能量保护装置的框图。
图2为根据本发明实施例的蓄电池能量保护装置的部分修复电路示意图。
图3为根据本发明实施例的蓄电池能量保护装置的另一部分修复电路的示意图。
图4为根据本发明实施例的蓄电池能量保护装置的另一部分修复电路的示意图。
图5为根据本发明实施例的蓄电池能量保护装置的控制电路的示意图。
图6为根据本发明实施例的蓄电池能量保护方法的流程图。
图7为根据本发明实施例的蓄电池能量保护系统的部分修复电路示意图。
图8和图9为根据本发明实施例的蓄电池能量保护系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在修复铅酸蓄电池时，电流和电压不好控制，容易造成铅酸蓄电池温度升高，甚至铅酸蓄电池热失控，从而导致铅酸蓄电池出现损伤。此外，不同晶粒尺寸的晶体，其对应的共振频率也会不同。现有技术在高频振谐时，其频率会在特定范围内波动，即现有技术击碎硫酸铅晶体后，破碎的晶体的颗粒通常维持在特定的尺寸，因此硫酸铅晶体的颗粒恢复不到初始的粉末状态，会极大地限制电池的修复效果。
本发明的一个具体实施例，公开了一种蓄电池能量保护装置。参考图1，蓄电池能量保护装置包括修复电路和控制电路120。修复电路包括正向高频脉冲波形生成模块100、滤波电容器106、第一光电耦合器108、场效应晶体管110。正向高频脉冲波形生成模块100，用于生成正向高频脉冲波形；滤波电容器106，用于对正向高频脉冲波形进行滤波以通过以预定频率充放电生成负向高频脉冲波形，并与滤波后的正向高频脉冲波形叠加以生成复合谐波脉冲电流；第一光电耦合器108，用于与滤波电容器并联连接，从控制电路120接收高频脉冲信号并基于高频脉冲信号向场效应晶体管110提供开关控制信号，其中，高频脉冲信号具有预定频率；以及场效应晶体管110，利用开关控制信号控制场效应晶体管110的导通和关断，使得复合谐波脉冲电流按照预定频率与蓄电池112的硫化晶体产生共振以修复蓄电池112。
上述技术方案的有益效果如下：正向高频脉冲波形生成模块生成正向高频脉冲波形，通过滤波电容器生成负向高频脉冲波形，并与正向高频脉冲波形叠加以生成复合谐波脉冲电流；利用开关控制信号控制场效应晶体管的导通和关断，使得复合谐波脉冲电流按照高频脉冲信号的预定频率与蓄电池的硫化结晶体产生共振以修复蓄电池。另外，第一光电耦合器将控制电路和修复电路进行光电隔离，基于高频脉冲信号向场效应晶体管提供开关控制信号，进而通过场效应晶体管的导通和关断，使滤波电容器能够以同样的预定频率进行瞬间充放电。
下文中，参考图1至图5，对根据本发明实施例的蓄电池能量保护装置进行详细描述。
参考图1，蓄电池能量保护装置包括修复电路和控制电路120。修复电路包括正向高频脉冲波形生成模块100、滤波电容器106、第一光电耦合器108和场效应晶体管110。正向高频脉冲波形生成模块100包括变压器102和第一整流器104。蓄电池112可以包括电池组。
下文中，参考图2至图5，对根据本发明的实施例的蓄电池能量保护装置进行详细描述。蓄电池能量保护装置包括修复电路和控制电路120。修复电路包括变压器102、第一整流器104、滤波电容器106、第一光电耦合器108、场效应晶体管110、第一电阻器R1至第五电阻器R5、发光二极管LED1、限流电阻器PR、第一熔断器F1和第二熔断器F2。蓄电池包括电池组112。
参考图2，正向高频脉冲波形生成模块100用于生成正向高频脉冲波形。正向高频脉冲波形生成模块100包括变压器102和第一整流器104。变压器102，用于通过初级绕组接收电源电压，并将电源电压变换为第一交流电压。第一整流器104，用于对第一交流电压进行整流以生成正向高频脉冲波形。具体地，变压器102，其初级绕组接收电源电压，将电源电压变换为第一交流电压并经由其第一次级绕组输出。变压器102的初级绕组接收电源电压200V。初级绕组连接70℃的热保护器和3.15A的第一熔断器F1，该第一熔断器F1是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开。将220V的电源电压变换为15V的第一交流电压并经由其第一次级绕组输出第一交流电压。第一整流器104与变压器102的第一次级绕组连接，将第一交流电压整流为脉动电压。第一整流器104为整流桥，该整流桥的正极输出端连接20V直流电压。该整流桥的负极输出端连接至第一电源电压Vcc。
滤波电容器106，用于对正向高频脉冲波形进行滤波以通过以预定频率充放电生成负向高频脉冲波形，并与滤波后的正向高频脉冲波形叠加以生成复合谐波脉冲电流。滤波电容器106与第一整流器104的输出端连接以对脉动电压进行低频滤波。参考图2，滤波电容器C为低内阻高通电容器，滤波电容器C的电容值为3300μF。滤波电容器C包括正极板端和负极板端，其中，正极板端与第一整流器的正极输出端连接；以及负极板端与第一整流器的负极输出端以及第一电源电压Vcc连接。
参考图4，第一光电耦合器108，用于与滤波电容器并联连接，从控制电路120接收高频脉冲信号并基于高频脉冲信号向场效应晶体管110提供开关控制信号，其中，高频脉冲信号具有预定频率。第一光电耦合器108，用于将控制电路和修复电路进行光电隔离。具体地，第一光电耦合器108与滤波电容器106并联连接，从控制电路120接收高频脉冲信号并向场效应晶体管提供开关控制信号。第一光电耦合器108包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端。第一输入端接收高频脉冲信号，即，连接至4017芯片的输出管脚Q3。例如，高频脉冲信号的频率在7KHz～10KHz的范围内，优选地，8.33KHz。第二输入端经由第三电阻器R3与滤波电容器C的负极板端连接，例如，第三电阻器R3的电阻值为2KΩ。第一输出端经由第一电阻器R1与场效应晶体管75NF75的栅极G连接，例如，第一电阻器R1的电阻值为10Ω。第二输出端R2经由第二电阻器R2与20V直流电压和滤波电容器C的正极板端连接，例如，第二电阻器R2的电阻值为2KΩ。具体地，第一光电耦合器包括发光二极管和光敏双向开关器件。发光二极管基于高频脉冲信号以高频脉冲信号的频率发光；以及光敏双向开关器件，接收发光二极管发出的光并基于光生成开关控制信号。
第一光电耦合器每分钟进行数以千次的加载，极大增加了负向谐波高频脉冲的频率。如此，正向谐波高频脉冲和负向谐波高频脉冲混合后，复合谐波脉冲的脉冲具有更大的频率变化范围，以便于将更小粒径的硫酸铅晶体击碎。此外第一光电耦合器高频启动时，在一个振荡周期内，电容只是充了一点电，输入信号就由高电平跳变为低电平，此时电容器就要开始放电，这会极大减小负向谐波高频脉冲的振幅。这意味着，正向谐波高频脉冲和负向谐波高频脉冲混合后，复合谐波脉冲的脉冲具有更多的振幅。在本发明中，复合谐波脉冲的低频部分振幅大，高频部分振幅小，使得不同粒径的硫酸铅晶体在适宜的能量下发生共振，如此既能实现破碎硫酸铅晶体，又能防止过剩能量累积造成铅酸电池温度升高。
参考图3和图4，场效应晶体管110，利用开关控制信号控制场效应晶体管110的导通和关断，使得复合谐波脉冲电流按照预定频率与蓄电池112的硫化晶体产生共振以修复蓄电池112。具体地，场效应晶体管110利用开关控制信号控制场效应晶体管110的导通和关断，并与电池组112的负极连接，以及电池组112的正极与滤波电容器106连接。场效应晶体管110的漏极D连接至电池组112的负极；以及场效应晶体管110的源极S接地(即，图4中的电源电压Vcc)；场效应晶体管110的栅极G经由第四电阻器R4接地，例如，第四电阻器R4的电阻值为680Ω。参考图3和图4，发光二极管LED1和第五电阻器R5是可选地。发光二极管LED1的阴极连接至第五电阻器R5的一端，例如，第五电阻器R5的电阻值为5.1KΩ。限流电阻器PR，一端连接至电池组112的正极和第一发光二极管LED1的阳极，另一端连接至第二熔断器F2的一端和第五电阻器R5的另一端，例如，限流电阻器PR的电阻值为2Ω；以及第二熔断器F2，另一端连接至滤波电容器C的正极板端。LED1是由主控电路回路中检测限流电阻器工作限流电阻器两端产生的电压发光的，也是提供给MODBUS卡采集频率的输入信号。
与现有技术相比，本实施例提供的蓄电池能量保护装置中，保护电路能够起到分流和限流的作用，保证击碎硫酸铅晶体过程中铅蓄电池不会出现蓄电池热失控。
参考图5，控制电路120包括第二整流器、第二滤波器、第二光电耦合器、稳压器、高频脉冲信号生成器、二极管、稳压二极管、第六电阻器R6、第三电容器C3、可调电阻器W、第七电阻器R7和第八电阻器R8。
第二整流器与变压器的第二次级绕组连接，并对第二次级绕组输出的第二交流电压进行整流，第二交流电压不同于第一交流电压，该第二交流电压为12V。具体地，第二整流器为整流桥，用于对12V的第二交流电压进行整流。
第二滤波器与第二整流器的正极输出端和负极输出端连接，以对整流后的电压信号进行滤波。第二滤波器包括并联的第一电容器C1和第二电容器C2。第一电容器C1和第二电容器C2的正极端与第二整流器的正极输出端连接，以及第一电容器C1和第二电容器C2的负极端与第二整流器的负极输出端连接。第一电容器C1和第二电容器C2的电容值均为1000μF。
稳压器与第二滤波器连接，以对滤波后的电压信号进行稳压。稳压器包括输入端Vin(端子1)、接地端GND(端子2)和输出端Vout(端子3)，其中，输入端Vin与第一电容器C1的正极端连接；输出端Vout与第二电容器C2的正极端连接；以及接地端GND与第一电容器C1和第二电容器C2的负极端连接。二极管的阴极连接至稳压器的输入端，以及二极管的阳极连接至稳压器的输出端。该二极管的型号为IN4007。第六电阻器R6的一端与稳压二极管的阴极连接并将连接节点作为公共节点，第六电阻器R6的另一端与第二电容器C2的正极端连接，以及稳压二极管的阳极与第二电容器C2的负极端连接，例如，该第六电阻器R6的电阻值为2KΩ。稳压二极管的稳压值为3V。例如，稳压器可以为7812芯片。三端稳压集成电路7812，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
第二光电耦合器，与稳压器和高频脉冲信号生成器连接，其中，高频脉冲信号生成器基于第二光电耦合器的输出信号生成高频脉冲信号。第二光电耦合器包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端。第二光电耦合器的第一输入端与公共节点连接，即，公共节点为第六电阻器R6与稳压二极管的阴极之间的连接节点。第二光电耦合器的第二输入端与修复电路100的限流电阻器PR的一端MODBUS(例如，MODBUS卡提供的采样频率偏移输出的控制信号输入端)连接。第二光电耦合器的第一输出端与第六电阻器R6的另一端和修复电路100的限流电阻器PR的另一端MODBUS连接。第二光电耦合器的第二输出端与高频脉冲信号生成器的输入端连接。例如，第二光电耦合器的型号为AQY211。具体地，该第二光电耦合器包括发光二极管和光敏双向开关器件。发光二极管，基于高频脉冲信号以高频脉冲信号的频率发光；以及光敏双向开关器件，接收发光二极管发出的光并基于光生成开关控制信号。
高频脉冲信号生成器包括555芯片和4017芯片。下文中，分别对555芯片和4017芯片的管脚和管脚连接进行详细描述。
555芯片的管脚
Figure BDA0003220186460000131
4017芯片是十进制计数器/脉冲分配器。INH端子为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。
555芯片的触发端子TRIG(端子2)和阈值端子THR(端子6)连接在一起并且经由第三电容器C3与第二电容器C2的负极端连接，例如，第三电容器C3的电容值为471PF；555芯片的接地端子GND(端子1)与第二电容器C2的负极端连接；可调电阻器W连接在555芯片的放电端子DIS(端子7)和触发端子THR之间，例如，可调电阻器W的电阻值为25KΩ；555芯片的放电端子DIS经由第七电阻器R7连接至第二光电耦合器的第二输出端，例如，该第七电阻器R7的电阻值为12KΩ；555芯片的复位端子R(端子4)和供电信号端子VCC(端子8)连接至第二光电耦合器的第二输出端；555芯片的输出端子Q(端子3)连接至4017芯片的时钟信号端子。555芯片的CVolt端子(端子5)空置。第八电阻器R8的一端连接至4017芯片的时钟信号端子CLK(端子14)，另一端连接至第二电容器的负极端或者供电信号端子VCC，例如，该第八电阻器R8的电阻值为1KΩ；4017芯片的禁止端子INH连接至第二光电耦合器的第二输出端；4017芯片的复位端子RST(端子15)和CK端子(端子13)连接至第二电容器C2的负极端；以及4017芯片的高频脉冲信号输出端子Q3(端子Q7)连接至第一光电耦合器的第一输入端。
电流型工作技术：产品输出的脉冲电流是采用脉动电流与电流型复合谐波发生电路相结合产生的，是KHZ以上量级的真正意义上的脉冲电流，其输出的脉冲电流强度是按0.01C～0.05C进行设计，完全满足技术规范要求。波纹干扰抑制技术：产品在大电流输出状态下，自身独特的低脉冲波纹技术对站点负载没有干扰(小于40mv)，符合系统要求(小于100mv)，为行业提供绿色安全的电源。
因为电路中存在有非线性的用电设备，比如：直流整流设备、冲击负荷、线路上有电感的存在等，使得在50Hz正弦电压作用下的电流波形，不是正弦的了，谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波，而基波是指其频率与工频(50Hz)相同的分量造成电流相位滞后引起的不是50Hz的其他频率的电流波形，这些不是50Hz的波形，就是谐波。设备由于自身的工作特点，即使供给理想的正弦波电压，它们取用的电流也是非正弦的，即有谐波电流存在。
由于上图2中电容器并联在第一光电耦合器(图4)两端，当光电耦合器TLP785以每分钟8.33kHz的频率加载并控制75NF75场效应管通断时，根据图4原理，并联在两端的电容器则也以同样频率进行瞬间充放电。利用特定电容器的高通低阻特性，由于上图2中大电容具备快速储存电荷(脉动电压)能力，其电荷承载频率也较高，通过瞬间放电形成脉冲高频波形，释放到图4中蓄电池两端的电路中，与来自整流桥产生的正向高频脉冲波形进行叠加，最终形成复合谐波脉冲波形。并通过反电动势的作用将复合谐波脉冲电流能量(强度)作用到图2电池组两端，再配合复合谐波与硫酸铅晶体形成的共振，从而击碎硫酸铅晶体。
光电耦合器TLP785以每分钟8.33KHz的频率加载并控制场效应管通断，是图5中4017芯片输出8.33KHz的信号输出到光电耦合器TLP785，控制75NF75场效应管以每一分钟8.33KHz的频率开闭，从而让电容器以同样频率进行瞬间放电。例如，8.33KHz是最佳共振消除硫化的频率。
任何晶体在分子结构确定后都有谐振频率，其谐振频率与晶体的尺寸有关，晶体的尺寸越大，谐振频率越低，如果采用前沿陡峭的脉冲电流，利用傅立叶级数进行频率分析可以知道脉冲会产生丰富的谐波成分，其低频部分振幅大，高频部分振幅小。这样，大硫酸铅结晶获得的能量大，小硫酸铅结晶获得的能量小。谐波脉冲振荡修复保养技术原理就是通过运用复合谐波脉冲能量冲击硫酸铅粗晶粒，使其脉冲频率与硫酸铅结晶体固有频率产生共振，当能量足够时，把蓄电池在实际使用环境下通过充电无法还原的硫酸铅晶体击碎溶解于硫酸电解液，重新参与化学反应，使得电池长期处于没有不可还原的硫酸铅晶体下，从而延长电池使用寿命，提高电源系统的安全可靠性。
本发明采用了独特的分时循环纹波抑制干扰技术，其输出的纹波干扰值，即为本产品工作脉冲参数所描述的“脉冲单格幅度值”<40mv，极端状态下<60mv，符合并满足电网应用环境的要求；以上问题中所提及的“输出纹波干扰值”，即为工信部规定的在3.4～150KHz频率段(本发明的蓄电池能量保护装置的输出脉冲频率段则为7KHz～10KHz)的“宽频杂音电压值”，其要求≤100mV有效值。
例如，在电路中设计有多重保护：输出过流保护、短路保护、连线反接保护及故障保护等。保护电路能够起到分流和限流的作用，保证击碎硫酸铅晶体过程中铅蓄电池不会出现蓄电池热失控。
蓄电池在线修复养护技术是能够对蓄电池实际使用寿命起到延长和保护的作用，可以使蓄电池最大使用寿命接近于理论设计寿命值。蓄电池的设计使用寿命为10年以上。
本发明的另一个具体实施例，公开了一种蓄电池能量保护方法。参考图6，蓄电池能量保护方法包括：在步骤S602中，对第一交流电压进行整流以生成正向高频脉冲波形。具体地，通过变压器将电源电压变换为第一交流电压，并通过整流桥对第一交流电压进行整流。在步骤S604中，通过滤波电容器对正向高频脉冲波形进行滤波，以预定频率充放电生成负向高频脉冲波形，并与滤波后的正向高频脉冲波形叠加以生成复合谐波脉冲电流。在步骤S606中，接收高频脉冲信号并基于高频脉冲信号向场效应晶体管提供开关控制信号，其中，高频脉冲信号具有预定频率。通过第一光电耦合器108将控制电路和修复电路进行光电隔离，接收高频脉冲信号，基于接收到的高频脉冲信号以预定频率发光，然后生成具有预定频率的开关控制信号。在步骤S608中，利用开关控制信号控制场效应晶体管的导通和关断，使得复合谐波脉冲电流按照预定频率与蓄电池的硫化晶体产生共振以修复蓄电池。
蓄电池能量保护方法还包括将限流电阻器连接在滤波电容器的正极板端和蓄电池的正极之间；检测限流电阻器两端的电压，并将检测电压提供给控制电路以控制控制电路中的光电耦合器的频率。
在接收高频脉冲信号之前，蓄电池能量保护方法还包括：由控制电路生成高频脉冲信号。由控制电路生成高频脉冲信号进一步包括：将电源电压变换为第二交流电压；对第二交流电压进行整流并对整流电压进行稳压；将控制电路与检测检测电压的检测电路光电隔离，并基于检测电压生成555芯片和4017芯片的控制信号；555芯片基于控制信号生成时钟信号；4017芯片基于控制信号和时钟信号生成高频脉冲信号。
在实际应用中，一个系统中存在多个电池组，如果同时修复，这些电池组的修复需要消耗大量时间和能源，并增加负载。此外，多组复合谐波脉冲同时传导时，各组复合谐波脉冲之间会相会影响，从而降低修复效率和修复效果。
本发明的又一个具体实施例，公开了能够解决上述问题的一种蓄电池能量保护系统。蓄电池能量保护系统包括：控制装置和根据上述实施例所述的多个蓄电池能量保护装置，每个蓄电池能量保护装置以一一对应的方式与蓄电池连接，控制装置，用于分时控制多个蓄电池能量保护装置，使得同一时间段内仅一个蓄电池能量保护装置工作以修复与其连接的蓄电池。
具体地，参考图7，多个蓄电池能量保护装置包括多绕组变压器和多个整流桥D1至D6，即，变压器部分包括一个初级绕组和多个次级绕组。具体地，次级绕组Tran_V11和Tran_V12与整流桥D2的端子2和3连接，整流桥D2的端子1和4之间连接在滤波电容器C1两端，整流桥D2的端子1与直流电源电压20V1连接，整流桥D2的端子4与接地端GND1连接。次级绕组Tran_V21和Tran_V22与整流桥D3的端子2和3连接，整流桥D3的端子1和4之间连接在滤波电容器C2两端，整流桥D3的端子1与直流电源电压20V2连接，整流桥D3的端子4与接地端GND2连接。次级绕组Tran_V31和Tran_V32与整流桥D4的端子2和3连接，整流桥D4的端子1和4之间连接在滤波电容器C3两端，整流桥D4的端子1与直流电源电压20V3连接，整流桥D4的端子4与接地端GND3连接。次级绕组Tran_V41和Tran_V42与整流桥D5的端子2和3连接，整流桥D5的端子1和4之间连接在滤波电容器C4两端，整流桥D5的端子1与直流电源电压20V4连接，整流桥D5的端子4与接地端GND4连接。次级绕组Tran_V51和Tran_V52与整流桥D6的端子2和3连接，整流桥D6的端子1和4之间连接在滤波电容器C5两端，整流桥D6的端子1与直流电源电压20V5连接，整流桥D6的端子4与接地端GND5连接。滤波电容器C1、C2、C3、C4和C5的电容值为3300μf。次级绕组Tran_V01和Tran_V02与整流桥D1的端子2和3连接，整流桥D1的端子1和4用于控制电路，整流桥D2的端子4与接地端GND连接。
参考图8，电源保护模块HLP包括：热保护器和熔断器，与变压器的初级绕组连接。参考图2，热保护器为70℃的热保护器和熔断器为3.15A的熔断器F1，该熔断器F1是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开。电池管理系统(Battery Management System，简称为BMS)包括第一电池管理系统BMS1、第二电池管理系统BMS2、第三电池管理系统BMS3和第四电池管理系统BMS4分别与各自的电池组连接以各电池组进行分时管理。电池管理系统包括根据以上实施例的蓄电池能量保护装置。
参考图9，电源保护模块与电池管理系统连接。具体地，电池管理系统包括检测电路、维护电路、管理电路、谐波共振纹波抑制电路、系统保护电路以及以上实施例所述的多个蓄电池能量保护装置。例如，模块1、模块2、模块3和模块4均为蓄电池能量保护装置。每个模块与一个蓄电池连接以构成一个回路，以能够用于修复与其连接的14V的蓄电池。
蓄电池能量保护系统中，通过开关控制蓄电池能量保护装置的修复电路。修复电路连接待修复的电池组(或者蓄电池)，且修复电路与待修复的电池组一一对应。如此，只要闭合相应的开关，就可实现只对相应的电池组进行修复。
为了进一步提高电池组修复效率，采用计时开关，以实现精确地控制每一个电池组的修复时间或修复程度，以便于节省时间和节省能源。例如，设置修复程度为80％，这样既能兼顾电池组的工作效率又能节省电能和修复时间。
下文中，以具体实例的方式对分时工作进行详细描述。
各回路不在同一分时时间段内工作，就不会同时产生电磁场，从而干扰减小了。分时工作，由于同一时刻只有一个回路工作，其他回路不需耗电，所以降低了功耗，而且是在宏观上保证了去硫化效果不变。
由于脉冲消除硫化能量需求(0.01C～0.05C电流强度)，要提供这么大的能量，这么大的能量如果不是分时工作，则脉冲电流作用于蓄电池组内阻上，蓄电池组会产生脉冲干扰电压。各回路不在同时工作，针对蓄电池组的其它几组蓄电池就没有输入脉冲电流作用于蓄电池组，蓄电池组两端就不会产生脉冲干扰电压，满足了通讯行业对于脉冲干扰标准要求(100mv以下)，同时蓄电池能量保护装置设备同一时间段内只有一路工作，其它回路不工作，因此降低了设备的功耗。
例如，一台主机连接了若干个终端模块；每个终端有一组蓄电池用户在使用；主机同一时间段只能向一组终端模块提供资源，使终端模块进入工作状态；系统采用分时方式处理服务请求。
多路性(多用户同时性)：多用户同时在各自终端上使用同一资源，充分发挥系统的效率。独立性：用户可彼此独立操作，互不干扰，互不混淆。影响响应时间的因素：终端数目多少、时间片的大小。
蓄电池能量保护系统的优点如下：1)促进了设备系统的应用，一个分时系统可带多路终端蓄电池组，同时为多组用户使用。2)便于资源共享，为扩展工作组设计提供良好的环境。与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、通过第一整流器生成正向高频脉冲波形，通过滤波电容器生成负向高频脉冲波形，并与正向高频脉冲波形叠加以生成复合谐波脉冲电流；利用开关控制信号控制场效应晶体管的导通和关断，使得复合谐波脉冲电流按照高频脉冲信号的预定频率与蓄电池的硫化结晶体产生共振以修复蓄电池。电流型复合谐波脉冲中的负脉冲作用到蓄电池，通过负电子撞击，在电池微观内部表现为对电池放电，其正脉冲通过正电子撞击，在电池微观内部表现为对电池充电，在这样的微观环境中通过对电池进行循环充放电，提高电池充放电活性。
2、第一光电耦合器将控制电路和修复电路进行光电隔离，基于高频脉冲信号向场效应晶体管提供开关控制信号，进而通过场效应晶体管的导通和关断，使滤波电容器能够以同样的预定频率进行瞬间充放电。
3、通过复合谐波脉冲电流与铅酸蓄电池硫化结晶体产生共振：(1)能有效改善蓄电池组的均衡特性，提高电池组综合放电能力；(2)获得对蓄电池的修复效率≥90％；以及(3)对蓄电池的修复属无损修复，不损伤电池极板。
4、通过采用电流型输出工作设计来改善电池组的均衡特性；由于电池组是串联工作，所以通过这样的设计，其输出的脉冲电流能使电池组中的每只电池都能获得均匀的能量(电流)，从而使每只电池都能得到很好的维护，有利于提高电池组的均衡性。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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之内。

Claims (16)

1.一种蓄电池能量保护装置，其特征在于，包括修复电路和控制电路，所述修复电路包括正向高频脉冲波形生成模块、滤波电容器、第一光电耦合器、场效应晶体管，其中，
所述正向高频脉冲波形生成模块，用于生成正向高频脉冲波形；
所述滤波电容器，用于对所述正向高频脉冲波形整流电压进行滤波，通过以预定频率充放电生成负向高频脉冲波形，并与滤波后的正向高频脉冲波形叠加以生成复合谐波脉冲电流；
所述第一光电耦合器，用于与所述滤波电容器并联连接，从所述控制电路接收高频脉冲信号并基于所述高频脉冲信号向所述场效应晶体管提供开关控制信号，其中，所述高频脉冲信号具有所述预定频率；以及
所述场效应晶体管，利用所述开关控制信号控制所述场效应晶体管的导通和关断，使得所述复合谐波脉冲电流按照所述预定频率与蓄电池的硫化晶体产生共振以修复所述蓄电池。
2.根据权利要求1所述的蓄电池能量保护装置，其特征在于，所述滤波电容器为低内阻高通电容器，所述滤波电容器包括正极板端和负极板端，
所述正极板端与所述第一整流器的正极输出端连接；以及
所述负极板端与所述第一整流器的负极输出端以及第一电源电压连接。
3.根据权利要求2所述的蓄电池能量保护装置，其特征在于，所述修复电路还包括第一电阻器、第二电阻器和第三电阻器，所述第一光电耦合器包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，其中，
所述第一输入端，接收所述高频脉冲信号；
所述第二输入端，经由所述第三电阻器与所述滤波电容器的负极板端连接；
所述第一输出端，经由所述第一电阻器与所述场效应晶体管的栅极连接；以及
所述第二输出端，经由所述第二电阻器与所述滤波电容器的正极板端连接。
4.根据权利要求3所述的蓄电池能量保护装置，其特征在于，所述修复电路还包括第四电阻器，其中，
所述场效应晶体管的漏极连接至所述蓄电池的负极；以及
所述场效应晶体管的源极接地；以及
所述场效应晶体管的栅极经由所述第四电阻器接地。
5.根据权利要求4所述的蓄电池能量保护装置，其特征在于，所述修复电路还包括发光二极管、第五电阻器、限流电阻器和熔断器，其中，
所述发光二极管和所述第五电阻器连接，所述发光二极管的阴极连接至所述第五电阻器的一端；
所述限流电阻器，一端连接至所述蓄电池的正极和所述第一发光二极管的阳极，另一端连接至所述熔断器的一端和所述第五电阻器的另一端；以及
所述熔断器，另一端连接至所述滤波电容器的正极板端。
6.根据权利要求1所述的蓄电池能量保护装置，其特征在于，正向高频脉冲波形生成模块包括变压器和第一整流器，其中，
所述变压器，用于通过初级绕组经由热保护器接收电源电压，并将所述电源电压变换为第一交流电压；以及
所述第一整流器，用于对所述第一交流电压进行整流以生成正向高频脉冲波形。
7.根据权利要求6所述的蓄电池能量保护装置，其特征在于，所述控制电路包括第二整流器、第二滤波器、第二光电耦合器、稳压器和高频脉冲信号生成器，其中，
所述第二整流器，与所述变压器的第二次级绕组连接，并对所述第二次级绕组输出的第二交流电压进行整流，所述第二交流电压不同于所述第一交流电压；
所述第二滤波器，与所述第二整流器的正极输出端和负极输出端连接，以对整流后的电压信号进行滤波；
所述稳压器，与所述第二滤波器连接，以对滤波后的电压信号进行稳压；以及
所述第二光电耦合器，与所述稳压器和所述高频脉冲信号生成器连接，其中，所述高频脉冲信号生成器基于所述第二光电耦合器的输出信号生成所述高频脉冲信号。
8.根据权利要求7所述的蓄电池能量保护装置，其特征在于，所述控制电路还包括二极管，所述第二滤波器包括并联的第一电容器和第二电容器，其中，
所述第一电容器和所述第二电容器的正极端与所述第二整流器的正极输出端连接，以及所述第一电容器和所述第二电容器的负极端与所述第二整流器的负极输出端连接；
所述稳压器包括输入端、接地端和输出端，其中，所述输入端与所述第一电容器的正极端连接；所述输出端与所述第二电容器的正极端连接；以及所述接地端与所述第一电容器和所述第二电容器的负极端连接；以及
所述二极管，阴极连接至所述稳压器的输入端，以及阳极连接至所述稳压器的输出端。
9.根据权利要求8所述的蓄电池能量保护装置，其特征在于，所述控制电路还包括稳压二极管和第五电阻器，
所述第五电阻器的一端与所述稳压二极管的阴极连接并将连接点作为公共节点，所述第五电阻器的另一端与所述第二电容器的正极端连接，以及所述稳压二极管的阳极与所述第二电容器的负极端连接；
所述第二光电耦合器包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，其中，所述第二光电耦合器的第一输入端与所述公共节点连接，所述第二光电耦合器的第二输入端与所述限流电阻器的一端连接，所述第二光电耦合器的第一输出端与所述第五电阻器的另一端和所述限流电阻器的另一端连接，以及所述第二光电耦合器的第二输出端与所述高频脉冲信号生成器的输入端连接。
10.根据权利要求8所述的蓄电池能量保护装置，其特征在于，所述控制电路还包括第三电容器、可调电阻器、第六电阻器，所述高频脉冲信号生成器包括555芯片和4017芯片，其中，
所述555芯片的触发端子和阈值端子连接在一起并且经由所述第三电容器与所述第二电容器的负极端连接；
所述555芯片的接地端子与所述第二电容器的负极端连接；
所述可调电阻器连接在所述555芯片的放电端子和触发端子之间；
所述555芯片的放电端子经由所述第六电阻器连接至所述第二光电耦合器的第二输出端；
所述555芯片的复位端子和供电信号端子连接至所述第二光电耦合器的第二输出端；以及
所述555芯片的输出端子连接至所述4017芯片的时钟信号端子。
11.根据权利要求9所述的蓄电池能量保护装置，其特征在于，所述控制电路还包括第七电阻器，
所述第七电阻器的一端连接至所述4017芯片的时钟信号端子，另一端连接至所述第二电容器的负极端；
所述4017芯片的禁止端子连接至所述第二光电耦合器的第二输出端；
所述4017芯片的复位端子和CK端子连接至所述第二电容器的负极端；以及
所述4017芯片的高频脉冲信号输出端子连接至所述第一光电耦合器的第一输入端。
12.一种蓄电池能量保护方法，其特征在于，包括：
对第一交流电压进行整流以生成正向高频脉冲波形；
通过滤波电容器对所述正向高频脉冲波形进行滤波以预定频率充放电生成负向高频脉冲波形，并与滤波后的正向高频脉冲波形叠加以生成复合谐波脉冲电流；
接收高频脉冲信号并基于所述高频脉冲信号向场效应晶体管提供开关控制信号，其中，所述高频脉冲信号具有所述预定频率；以及
利用所述开关控制信号控制所述场效应晶体管的导通和关断，使得所述复合谐波脉冲电流按照所述预定频率与所述蓄电池的硫化晶体产生共振以修复所述蓄电池。
13.根据权利要求12所述的蓄电池能量保护方法，其特征在于，还包括：
将限流电阻器连接在滤波电容器的正极板端和所述蓄电池的正极之间；
检测所述限流电阻器两端的电压，并将检测电压提供给所述控制电路以控制所述控制电路中的光电耦合器的频率。
14.根据权利要求13所述的蓄电池能量保护方法，其特征在于，在接收高频脉冲信号之前，还包括：由控制电路生成所述高频脉冲信号。
15.根据权利要求14所述的蓄电池能量保护方法，其特征在于，由控制电路生成所述高频脉冲信号进一步包括：
将所述电源电压变换为第二交流电压；
对所述第二交流电压进行整流并对整流电压进行稳压；
将所述控制电路与检测所述检测电压的检测电路光电隔离，并基于所述检测电压生成555芯片和4017芯片的控制信号；
所述555芯片基于所述控制信号生成时钟信号；
所述4017芯片基于所述控制信号和所述时钟信号生成所述高频脉冲信号。
16.一种蓄电池能量保护系统，其特征在于，包括：控制装置和根据权利要求1至11中的任一项所述的多个蓄电池能量保护装置，每个蓄电池能量保护装置以一一对应的方式与蓄电池连接，
所述控制装置，用于分时控制所述多个蓄电池能量保护装置，使得同一时间段内仅一个蓄电池能量保护装置工作以修复与其连接的蓄电池。
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