CN1512645A - 智能蓄电池在线修复系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能蓄电池在线修复系统和方法。蓄电池修复系统包括扫荡－共振频率模块和同步－干扰抑制模块，可用于在线修复电池组，所述电池组通常为多个蓄电池的串联电池组且通常处于浮充状态。扫荡－共振频率模块向电池组连续传送具有可变频率、宽度和幅度的连续扫描脉冲，并同时检测并分析电池组的电池电压差和落后电池的内阻通量变化，以确定共振状态，然后应用具有特定频率、宽度和幅度范围的共振脉冲，以修复落后电池并恢复所述电池组的一致性和可靠性，从而改善电信、电力配电设备及不间断电源(UPS)系统的系统可靠性。

Description

智能蓄电池在线修复系统和方法
技术领域
本发明涉及一种智能蓄电池在线修复系统和方法，用于在线修复电信、电力配电及UPS(不间断电源)系统应用中的电池组，并且同时使得应用负载的脉动纹波最小化，以使干扰最小。
背景技术
通常，电信工业、电力工业及UPS等行业均消耗大量的蓄电池。这些蓄电池在工作数年之后就要更换。这项工作本身的成本花费很高而且还需要大量人力。更为严重的是，在处置这些废蓄电池过程中会对环境造成破坏。
许多蓄电池由于本身的硫酸化作用而过早地出现使用寿命终止的迹象。实际上，被废弃的电池中有90％是可以利用蓄电池修复系统进行修复的。然而，现有技术的采用脉动技术的电池修复系统仅限于恢复硫酸化程度较轻的蓄电池。另外，因修复系统中存在纹波干扰，所以无法对敏感的电信及UPS设备进行在线的修复操作。
美国专利US 3,963,976公开了一种脉冲电流电池充电方法和装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能蓄电池在线修复系统和方法。在根据本发明的系统和方法中，显著的区别特征是采用了扫荡-共振频率技术和同步-干扰抑制技术。
所述扫荡-共振频率技术能够产生具有可变频率、宽度及幅度的扫描脉冲，共振频率根据电池类型、硫酸化程度、放电状态等的不同而可以在很大的范围内变化。本发明的系统对由多个蓄电池组成的电池组的电池电压一致性以及落后电池的IR(内阻通量)变化进行分析，以便确定电信、电力配电和UPS系统的设备的后备电池组的硫酸化晶体的共振状态。相比之下，现有技术的装置仅产生几种脉冲，并且仅可在离线状态下用于单个电池。
根据本发明的一种在线修复系统，用于在线修复电信、电力配电及UPS系统中应用的电池组，其特征在于，所述系统包括：一个扫荡-共振频率模块，用于向所述电池组连续传送具有可变频率、宽度及幅度的连续扫描脉冲；一个同步-干扰抑制模块，用于将系统的负载中的脉动纹波抑制到小于0.5％。
所述扫荡-共振频率模块可包括一个振荡器电路，所述振荡器电路可包括一个频率调整器、一个宽度调整器和一个幅度调整器，用于产生所述可变频率、宽度及幅度的连续扫描脉冲。
所述扫荡-共振频率模块还可包括一个比较器电路，用于检测和分析所述电池组的电池电压差以及落后电池的IR变化，以确定共振状态并向主控制器反馈一个信号。
所述扫荡-共振频率模块还可包括一个微控制器，该微控制器利用可编程的特定算法控制所述频率调整器、宽度调整器和幅度调整器，以便使所述振荡器输出所述共振脉冲来修复所述电池组。
所述连续扫描脉冲是指1KHz-500KHz范围内的可变频率以及可变脉冲宽度和幅度的脉冲。
所述共振脉冲是指覆盖所述电池组的各电池的共振状态的特定频带以及特定宽度和幅度内的一系列特定脉冲。
所述频率调整器可包括一个可变电阻串联部分，使得该频率调整器具有用微步距步进马达和微电子开关进行准确调整的极宽范围的脉冲频率。
所述宽度调整器可包括一个可变电阻串联部分，使得该宽度调整器具有用微步距步进马达和微电子开关进行准确调整的脉冲宽度。
所述幅度调整器可包括一个可变电阻串联部分，使得该幅度调整器具有用微步距步进马达和微电子开关进行准确调整的脉冲幅度。
根据本发明的一种在线修复方法，用于在线修复电信、电力配电及UPS系统中应用的电池组，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)将具有可变频率、宽度及幅度的连续扫描脉冲连续应用于所述电池组，
b)检测并分析所述电池组的电池电压一致性及其中的落后电池的IR变化，以确定所述电池组中各电池的所述共振状态，以及
c)应用具有特定频率、宽度及幅度范围的所述共振脉冲，以修复所述落后电池并恢复所述电池组的一致性和可靠性。
本发明的系统和方法可用于由多个蓄电池组成的大型蓄电池组，这种蓄电池组可用于电信、电力和UPS系统，而不是像现有技术的系统那样仅可用于适于汽车和电器的一个或两个电池。
本发明的系统和方法可在线地对蓄电池组进行修复而不会对敏感的负载造成负面影响，而现有技术的系统由于纹波干扰而仅可非在线使用。
本发明的系统和方法可由编程的算法产生变频、变宽和变幅的连续扫描脉冲，而现有技术的系统只能够产生变频的脉冲。
本发明的系统和方法可用于分析蓄电池组中不同电池的电压差和落后电池的IR变化，以确定所述电池组的共振状态，从而改善电信、电力和UPS系统的可靠性，而现有技术的系统只能够分析单个电池的电压以确定充电是否足够。
附图说明
图1a示出根据本发明的系统的连接方框图，所述系统用于在线修复电信、电力配电及UPS系统应用的电池组的修复；
图1b示出根据本发明的系统的操作原理图；
图2示出图1a所示系统中的扫荡-共振频率模块示意图，用于形成在线修复电信、电力配电及UPS系统应用中的后备电池组。
具体实施方式
参照图1a，根据本发明的系统1中包括两个模块：一个扫荡-共振频率模块2和一个同步-干扰抑制模块3。
扫荡-共振频率模块2与用作后备并且通常处于浮充状态的蓄电池组4的端子并联连接，以便对该后备电池组进行在线修复。一个DC(直流)电源系统5在向该后备电池组4提供浮充充电的同时还向负载6输出电流。该负载可以是电信设备、或者是电力配电设备、或者是UPS系统，这类负载对纹波干扰7很敏感。
同步-干扰抑制模块3串联连接在电池组4的输出端子上，以便抑制使输出到负载6的纹波最小。电信、电力配电及UPS系统的纹波系数要求一般为＜1％。该同步-干扰抑制模块3中由所述系统的主控制器进行同步控制的纳米晶体环形包(Nano-crystalline toroid package)可以使纹波干扰7减少至几乎为直线8的情形，即：对于负载6的纹波系数仅为＜0.5％。
参照图1b，该图是根据本发明的在线修复系统1的工作原理示意图。扫荡-共振频率控制2a的原理在于：扫荡-共振频率模块2产生具有可变频率、宽度及幅度的扫描脉冲9，以连续可变的方式对电池组4进行扫荡(操作10)，检测并分析电池组4的电池电压差(操作11)以及落后电池的IR(内阻通量)变化(操作12)，以确定硫酸化晶体的共振状态。一旦找到并确定共振(操作13)，扫荡-共振频率模块2就可以相应地输出在特定频率、宽度及幅度范围内的共振脉冲14，以修复落后电池及恢复电池组的一致性和可靠性。
脉冲对于消除盐化的作用2b的原理在于：硫酸铅离子具有五个不同的能带15。随着时间的过去，该硫酸铅离子会从较不稳定的键(较高能带)向稳定的共价键(较低能带)跃迁。在其最低能带15a中，硫形成由八个原子构成的环状分子。这些分子像卵石般层叠，从而由一层环状分子覆盖表面。这些分子非常稳定，使环状的八个原子的图案表现出能够抗断裂的稳定键合排列。根据量子理论，对于稳定跃迁16，各能带都有其唯一的频率。要去掉硫酸铅沉积，需要用称作“共振脉冲”14的特殊脉冲将特定能量传递给硫酸铅的键，以便激发该硫分子逐步向高的能带跃迁，最终到达最高能带15b并在这种状态下保持稳定。只有在这种最高能带状态下，硫酸铅才能够完全转换为最不稳定的分子，并且能够从蓄电池极板上去掉而成为Pb-(即离子17)和SO4 +(即离子18)的自由离子状态，然后通过充电转换为硫酸电解液(H2SO4)，从而将极板恢复到正常状态。
电信、电力配电及UPS系统中应用的电池组的问题通常首先表现为因硫酸化21a而导致的容量损失、落后电池的IR上升以及电池组的一致性变差。随着越来越严重的硫酸化，落后电池的IR以及电池组的一致性变差变得越来越恶化，并最终引起整个电池组的突然崩溃，同时使电信、电力配电及UPS系统的可靠性变差。
利用根据本发明的共振脉冲进行线消除硫酸盐化之后，可使电池组恢复容量，显著减少了落后电池的IR，并且还实现了良好的电池电压一致性。因此，系统的可靠性得到改善。
参照图2，扫荡-共振频率模块2被用于对电信、电力配电及UPS系统中应用的后备电池组4进行在线修复，这种电池组通常是多个串联的大型电池组38。
在电信应用中，后备电池组4通常为24V(或48V)系统，它包括12个(或24个)串联的2V类型电池；在电力配电应用中，根据需要，电池组一般为115V(或220V)系统，它包括10个(或18个)串联的12V类型、或者55个(或108个)串联的2V类型电池；在UPS系统应用中，电池组通常为192V、240V或384V系统，它包括16个、20个或32个串联的12V类型电池。
在这些应用中，电池组4在大多数时间处于浮充状态，因此，电池的使用寿命及系统的可靠性在理论上应当是非常好的。然而，由于电池组4中的一些电池出现过硫酸化，引起整个电池组的一致性变差，从而可导致可能长期处于充电不足情况的落后电池，反过来，落后电池又引起更严重的硫酸化作用，所以整个电池组不到设计寿命甚至只到一半寿命就不得不因容量骤损而更换。另外，更为糟糕的是，电池组的一致性变差可能引起越来越多越来越严重滞后的电池，反过来又导致电池组的一致性越来越恶化。这就可能陷入一种恶性循环，最终导致整个电池组的突然崩溃。
根据本发明的修复系统1的扫荡-共振频率模块2由AC(交流)电力线18供电，扼流圈电感19(L)和二极管(20)用于整流，输出电容21(C)用于将来自电力线18的AC电压转换为DC电压。
振荡器电路22包括一个振荡器23，该振荡器由主控制器27经连接器B控制，以产生一系列尖峰脉冲。振荡器电路22还包括一个频率调整器24、一个宽度调整器25和一个幅度调整器26，它们均由主控制器27独立地经连接器C、D和E进行控制，以调整振荡器23来产生特定脉冲。一般来说，振荡器23根据主控制器27中的可编程算法产生具有1KHz-500KHz范围内的可变频率、可变宽度和幅度的扫描脉冲。一旦主控制器27经连接器E从比较器电路28接收电池组的共振完成信号，振荡器23就能够输出特定频率、宽度及幅度范围内的特定脉冲。
所述频率调整器24、宽度调整器25以及幅度调整器26是可变电阻串联部分，它们由主控制器27中可编程算法控制的微步距步进马达和微电子开关进行准确的调整。场效应晶体管29能够从振荡器23向变压器的初级绕组30输出幅度由幅度调整器26进行调整的加强脉冲，该脉冲再被耦合到次级绕组31，以将特定脉冲输出到整个串联电池组38的端子，同时也输出到其中的落后电池39。
二极管32用于保护负极，而固态继电器33a和33b用于在系统意外地从串联电池组38断开连接但仍然由AC线路19供电的事故下保护系统，因为这种情况可能导至系统损坏。
比较器电路28包括两个电压和IR传感器34和35，它们可以分别安装在串联电池组38的落后电池39及最高正常电池40的端子上，以检测该落后电池和该最高正常电池的单体浮充电压及IR，并传送给比较器36。
比较器36是一个模数算法器，它分析电池组的电池电压差和落后电池的IR(内阻通量)变化，以便确定是否达到了整个电池组的共振状态。
液晶显示器37显示电池电压差及IR(内阻通量)的参数变化，使用户便于了解修复效果。
主控制器27还可以将信号通过连接器G传送给同步-干扰抑制模块3的辅助控制器，以便使所述系统的同步-干扰抑制模块3所处理的能带与振荡器电路22输出到串联电池组38的频带同步，从而同步控制纳米晶体环形包使输出到负载6的纹波干扰抑制到最小。
以上以举例的方式对根据本发明的系统和方法进行了说明。但上述说明并不应造成对本发明的限制。本领域的普通技术人员应能够清楚地知道，在不脱离本发明的本质和范围的情况下，可以对本发明的系统和方法进行各种修改或改进，而这些修改或改进均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种在线修复系统，用于在线修复电信、电力配电及不间断电源系统中应用的电池组，其特征在于，所述系统包括：
一个扫荡-共振频率模块，用于向所述电池组连续传送具有可变频率、宽度及幅度的连续扫描脉冲；
一个同步-干扰抑制模块，用于将上述应用的系统设备的负载中的脉动纹波抑制到小于0.5％。
2.如权利要求1所述的在线修复系统，其特征在于，所述扫荡-共振频率模块包括一个振荡器电路，所述振荡器电路包括一个频率调整器、一个宽度调整器和一个幅度调整器，用于产生所述可变频率、宽度及幅度的连续扫描脉冲。
3.如权利要求2所述的在线修复系统，其特征在于，所述扫荡-共振频率模块还包括一个比较器电路，用于检测和分析所述电池组的电池电压差以及落后电池的内阻通量变化，以确定共振状态并向主控制器反馈一个信号。
4.如权利要求3所述的在线修复系统，其特征在于，所述扫荡-共振频率模块还包括一个微控制器，该微控制器利用可编程的特定算法控制所述频率调整器、宽度调整器和幅度调整器，以便使所述振荡器输出所述共振脉冲来修复所述电池组。
5.如权利要求2所述的在线修复系统，其特征在于，所述连续扫描脉冲是指1KHz-500KHz范围内的可变频率以及可变脉冲宽度和幅度的脉冲。
6.如权利要求4所述的在线修复系统，其特征在于，所述共振脉冲是指覆盖所述电池组的各电池的共振状态的特定频带以及特定宽度和幅度内的一系列特定脉冲。
7.如权利要求4所述的在线修复系统，其特征在于，所述频率调整器包括一个可变电阻串联部分，使得该频率调整器具有用微步距步进马达和微电子开关进行准确调整的极宽范围的脉冲频率。
8.如权利要求4所述的在线修复系统，其特征在于，所述宽度调整器包括一个可变电阻串联部分，使得该宽度调整器具有用微步距步进马达和微电子开关进行准确调整的脉冲宽度。
9.如权利要求4所述的在线修复系统。其特征在于，所述幅度调整器包括一个可变电阻串联部分，使得该幅度调整器具有用微步距步进马达和微电子开关进行准确调整的脉冲幅度。
10.一种在线修复方法，用于在线修复电信、电力配电及不间断电源系统中应用的电池组，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)将具有可变频率、宽度及幅度的扫描脉冲连续应用于所述电池组，
b)检测并分析所述电池组的电池电压差及落后电池的内阻通量变化，以确定所述电池组中各电池的所述共振状态，以及
c)应用具有特定频率、宽度及幅度范围的所述共振脉冲，以修复所述落后电池并恢复所述电池组的一致性和可靠性。
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