一种铅酸蓄电池的正负脉冲充电与容量修复装置的制作方法

本实用新型属于铅酸蓄电池充电技术领域，具体涉及一种铅酸蓄电池的正负脉冲充电与容量修复装置。

背景技术：

近年来，随着汽车工业、电动车辆、光伏发电等产业的快速发展，蓄电池的需求量越来越大，铅酸蓄电池具有制造成本低、污染小等优点，因而得到了广泛的使用。一般铅酸蓄电池设计寿命为5～6年。但事实上，因为使用和维护不当，铅酸蓄电池使用寿命常常达不到设计年限。影响铅酸蓄电池使用寿命的主要因素是蓄电池经常性的过充电或欠充电，导致铅酸蓄电池内部电解液失水，以及发生硫酸盐化，造成蓄电池使用容量下降，蓄电池失去了应有的供电能力。由于用一般的充电器对蓄电池充电时常常存在过充电，经常性的过充电会使蓄电池内电解液失水，电解液浓度增大，导致蓄电池容量下降，甚至因失水干涸造成蓄电池失效；铅酸蓄电池若经常性的欠充电，电池经常充不满，电池内的硫酸铅得不到及时的完全还原，会逐渐在负极表面形成一层白色致密坚硬的硫酸铅结晶体，即硫酸盐化。这种硫酸铅结晶体附着在负极板表面阻碍电解液的正常扩散和电化学反应，造成蓄电池容量下降。而采用正负脉冲充电能够减少蓄电池内电解液中水的电解和蒸发，减少蓄电池内部气泡的产生和发热量，有利于延长蓄电池的使用寿命。铅酸蓄电池产生硫酸盐化后，附着于极板表面白色的硫酸铅结晶颗粒用常规的充电方法很难还原，导致电池容量下降。如果对高电阻率的硫酸铅结晶施加周期性的高窄脉冲电压，由于脉冲宽度窄，脉冲充电电流的平均值不大，就可以在击穿粗大硫酸铅结晶的同时，不至于形成大量析气，也避免阳极损伤。高窄脉冲后加入负窄脉冲放电，使发生的微充电来不及形成析气。这样就可击碎大硫酸铅结晶，消除或减轻铅酸蓄电池的硫酸盐化，在一定程度上恢复蓄电池的使用容量。我国是世界上铅酸蓄电池的生产和使用大国，延长铅酸蓄电池的使用寿命，不但可以降低资源消耗和使用开支，还有利于减少处理报废铅酸蓄电池对生态环境造成的不良影响。

比如，目前电动自行车的使用很普遍，其一般采用铅酸蓄电池作为动力电源，采用12V阀控密封铅酸蓄电池作为单只电池串联组成达到所需的电源电压；例如48V电动自行车电池由4只12V铅酸蓄电池串联而成，电动自行车电池容量下降后，多数是其中一只电池容量下降造成，多只电池同时有问题的概率不大，只要对容量下降的这只电池进行修复，就能够恢复电动自行车电池的使用。专业的铅酸蓄电池容量修复仪虽然功能齐全：包含容量检测、放电、充电、容量修复等功能，但是其设备体积较大，价格较贵，性价比不高，不适合家庭个人购买和使用，而现有的便携式铅酸蓄电池充电器功能单一，且多数为传统的高频开关整流稳压充电电路，不利于延长蓄电池的使用寿命。由于专业的铅酸蓄电池容量修复器成本高、体积大，不适合家庭个人购买和使用，所以在电动自行车蓄电池使用容量下降后，多数用户一般是购买新电池替换全部旧电池，其实替换下来的旧电池有很多还是可以继续使用一段时间的，若有成本低、体积小、通过转换开关实现“充电”和“修复”两种功能的铅酸蓄电池正负脉冲充电与容量修复器，用户就有可能会尝试修复容量下降的旧电池，以延长电动自行车电池的使用时间。

技术实现要素：

本实用新型的目的为解决现有技术的上述问题，提供了一种铅酸蓄电池的充电与修复电路，本实用新型能够减少蓄电池内电解液中水的电解和蒸发，减少蓄电池内部气泡的产生和发热量，降低铅酸蓄电池产生“热失控”和 “硫酸盐化”的机率，有利于延长蓄电池的使用寿命；消除或减轻铅酸蓄电池的硫酸盐化，在一定程度上恢复蓄电池的使用容量。本实用新型还能够手动调节蓄电池初始充电电流的大小，避免因蓄电池端电压过低造成初始充电电流过大。为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种铅酸蓄电池的正负脉冲充电与容量修复装置，低频市电电源经整流滤波后输入充电器与蓄电池BT组成的充电回路中，其特征在于：充电器设置有取样电路，取样电路跨接于充电器输出电路的正、负输出端，取样电路的低压输出端与第一功能转换开关的一端连接，所述第一功能转换开关的另一端连接至充电器输出电路的负输出端，充电器输出电路的正、负输出端之间还跨接有稳压电路，所述稳压电路的低压输出端为矩形波振荡输出电路供电，所述矩形波振荡输出电路输出端一路与第一波形转换电路的输入端连接，所述第一波形转换电路的输出端与第二受控开关的控制端连接，所述第二受控开关并接于蓄电池BT两端，矩形波振荡输出电路输出端的另一路与第二功能转换开关的输入端连接，所述第二功能转换开关的输出端与第二波形转换电路的输入端连接，所述第二波形转换电路的输出端与第一受控开关的控制端连接，所述第一受控开关串联在充电器与蓄电池BT组成的充电回路中，所述第一波形转换电路为第二电容C₂和第五电阻R₅组成的微分电路，所述第二波形转换电路为第一电容C₁和第六电阻R₆组成的微分电路，所述第一受控开关为N沟道场效应管Q₁，所述第二受控开关为P沟道场效应管Q₂，所述第一功能转换开关和第二功能转换开关为双刀双控开关K，所述第一功能转换开关共有e端、d端、f端三个接线端子，所述第二功能转换开关共有a端、b端、c端三个接线端子，第一功能转换开关的刀闸与第二功能转换开关的刀闸相连，由同一个手柄控制。

通过切换第一功能转换开关和第二功能转换开关将蓄电池BT置于充电或容量修复状态，第一波形转换电路、第二波形转换电路负责将矩形波脉冲转换为正负相间的尖顶脉冲，接着通过改变矩形波振荡输出电路的输出脉冲频率、占空比来控制第一受控开关、第二受控开关的导通或截止的时间和频率，最终达到以合适的电流值、合理的充放电时间和频率给蓄电池BT充电或修复容量的目的。

优选的，所述取样电路由第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃依次串联组成，其中第一电阻R₁的自由端接在充电器的正输出端，第一电阻R₁与第二电阻R₂的公共端接光电耦合器的输入端，第二电阻R₂与第三电阻R₃的公共端串第一功能转换开关的常开开关后接充电器的负输出端，第三电阻R₃的自由端接充电器的负输出端。

通过切换第一功能转换开关来改变采样电路的电阻值，进而改变采样电路反馈检测输出端的电压值U_f，从而改变高频变压器T₁的输出电压U₀，使蓄电池BT获得充电或修复容量时所需的合适电压值。

优选的，所述稳压电路由第九电阻R₉和稳压二极管D_Z串联組成，第九电阻R₉一端接在充电器输出电路的正输出端，第九电阻R₉另一端接稳压二极管D_Z的阴极，所述稳压二极管D_Z的阳极接在充电器输出电路的负输出端，稳压二极管D_Z的阴极为低压输出端U_CC，为矩形波振荡输出电路供电。

稳压电路为矩形波振荡输出电路的555定时器、充电回路提供工作电压。

优选的，所述矩形波振荡输出电路由555定时器、第七电阻R₇、第八电阻R₈、第一整流二极管D₁、第二整流二极管D₂、第一可调电位器R_P1、第二可调电位器R_P2、第三电容C₃、第四电容C₄组成，所述555定时器的接地端接地，控制端串联第三电容C₃后接地，阈值端与触发输入端并接在第一可调电位器R_P1的中间抽头,该第一可调电位器R_P1的中间抽头串联第四电容C₄后接地，所述第一可调电位器R_P1的第一固定端接在第一可调电位器R_P1的中间抽头与第四电容C₄的连接电路，所述第一可调电位器R_P1的第二固定端与第二可调电位器R_P2的中间抽头相连,所述第二可调电位器R_P2的第一固定端与第一整流二极管D₁的阳极相连，所述第一整流二极管D₁的阴极串第八电阻R₈后接555定时器的放电端，第二可调电位器R_P2的第二固定端与第二整流二极管D₂的阴极相连，所述第二整流二极管D₂的阳极接555定时器的放电端，所述555定时器的放电端串联第七电阻R₇后接稳压二极管D_Z的阴极即低压输出端U_CC。

充电电路：输入电压U_CC-R₇-D₂-RP₂-RP₁-C₄，放电电路：C₄-RP₁-RP₂-D₁-R₈-放电端，由上述充电电路、放电电路即构成555定时器多谐振荡电路的调节网络，这样通过改变第二可调电位器R_P2的阻值即可调节555定时器输出脉冲的占空比，改变第一可调电位器R_P1的阻值即可调节555定时器输出脉冲的频率。

优选的，所述555定时器的输出端一路串联第二电容C₂后接P沟道场效应管Q₂的栅极，所述P沟道场效应管Q₂的漏极接蓄电池BT的负极，所述蓄电池BT的正极接在充电器的正输出端，蓄电池BT正极与P沟道场效应管Q₂的源极之间串有第四电阻R₄，P沟道场效应管Q₂源极接在充电器的正输出端，所述第五电阻R₅并接于P沟道场效应管Q₂的源极和栅极，555定时器输出端的另一路串第二功能转换开关的常闭开关后接N沟道场效应管Q₁的栅极，所述第二功能转换开关的常开开关依次串联第一电容C₁、第六电阻R₆后接地，所述N沟道场效应管Q₁的源极接充电器的负输出端后接地，N沟道场效应管Q₁的漏极接蓄电池BT的负极。

通过切换第二功能转换开关来投切第二波形转换电路，由第一波形转换电路、第二波形转换电路将矩形波脉冲信号转换为正负相间的尖顶脉冲信号，通过正负相间的尖顶脉冲信号来驱动N沟道场效应管Q₁和P沟道场效应管Q₂的导通或截止，从而能够控制蓄电池BT充、放电的时间和频率。

优选的，所述充电器还设置有高频整流滤波电路，所述高频整流滤波电路由第三整流二极管D₃和第五电容C₅依次串联组成，其中第三整流二极管D₃正向串接于充电器正输出电路，第五电容C₅跨接在充电器输出电路的正、负输出端。

高频变压器输出的电压波形经高频整流滤波电路后为取样电路提供稳定的直流电压，其中第三整流二极管D₃起到单向整流作用，第五电容C₅起到滤波的作用。

优选的，所述充电器还设置有光耦合电压负反馈电路，所述光耦合电压负反馈电路的输入端与取样电路的反馈检测输出端U_f相连，所述光耦合电压负反馈电路的输出端经电源块连接至高频变压器T₁的原边，所述光耦合电压负反馈电路的主要元件为光电耦合器。

所述光耦合电压负反馈电路主要起到从取样电路采集电压反馈信号并根据采样信号调整高频变压器T₁输出电压的作用，所述光电耦合器起到将高频变压器T₁原边与取样电路进行电气隔离的作用，所述电源块内置有开关晶体管，通过开关晶体管的通断来控制高频变压器T₁的输入电压进而能够调整高频变压器T₁的输出电压。

综上所述，本实用新型采用了上述方案后，具有以下有益效果：

(1)、本实用新型的充电脉冲的占空比可以手动调节，使初始充电电流的平均值适合不同容量的铅酸蓄电池充电，即用0.1～0.3倍铅酸蓄电池标称容量的电流充电，避免了被充电的铅酸蓄电池电压过低时造成初始充电电流过大的问题，克服了现有的充电器只适合某特定容量的铅酸蓄电池充电的缺点。

(2)、本实用新型采用正负脉冲充电，能够减少蓄电池内电解液中水的电解和蒸发，减少蓄电池内部气泡的产生和发热量，降低铅酸蓄电池产生“热失控”和 “硫酸盐化”的机率，有利于延长蓄电池的使用寿命。

(3)、本实用新型对已产生“硫酸盐化”的铅酸蓄电池采用周期性的高窄脉冲进行修复性的充电，高窄脉冲后加入负窄脉冲放电，使发生的微充电来不及形成析气同时也能避免阳极损伤，这样就可击碎大硫酸铅结晶，消除或减轻铅酸蓄电池的硫酸盐化，在一定程度上能够恢复铅酸蓄电池容量的使用容量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显然，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一种铅酸蓄电池的正负脉冲充电与容量修复装置的结构示意图。

图2是本实用新型一种铅酸蓄电池的正负脉冲充电与容量修复装置的电路原理图。

图3是本实用新型未接蓄电池时的正负脉冲充电波形图。

图4是本实用新型未接蓄电池时的正负脉冲修复充电波形图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

结合图1，一种铅酸蓄电池的正负脉冲充电与容量修复装置，低频市电电源经整流滤波后输入充电器与蓄电池BT组成的充电回路中，其特征在于：充电器设置有取样电路，取样电路跨接于充电器输出电路的正、负输出端，取样电路的低压输出端与第一功能转换开关的一端连接，所述第一功能转换开关的另一端连接至充电器输出电路的负输出端，充电器输出电路的正、负输出端之间还跨接有稳压电路，所述稳压电路的低压输出端为矩形波振荡输出电路供电，所述矩形波振荡输出电路输出端一路与第一波形转换电路的输入端连接，所述第一波形转换电路的输出端与第二受控开关的控制端连接，所述第二受控开关并接于蓄电池BT两端，矩形波振荡输出电路输出端的另一路与第二功能转换开关的输入端连接，所述第二功能转换开关的输出端与第二波形转换电路的输入端连接，所述第二波形转换电路的输出端与第一受控开关的控制端连接，所述第一受控开关串联在充电器与蓄电池BT组成的充电回路中，所述第一波形转换电路为第二电容C₂和第五电阻R₅组成的微分电路，所述第二波形转换电路为第一电容C₁和第六电阻R₆组成的微分电路，所述第一受控开关为N沟道场效应管Q₁，所述第二受控开关为P沟道场效应管Q₂，所述第一功能转换开关和第二功能转换开关为双刀双控开关K，所述第一功能转换开关共有e端、d端、f端三个接线端子，所述第二功能转换开关共有a端、b端、c端三个接线端子，第一功能转换开关的刀闸与第二功能转换开关的刀闸相连，由同一个手柄控制。

结合图2，所述取样电路由第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃依次串联组成，其中第一电阻R₁的自由端接在充电器的正输出端，第一电阻R₁与第二电阻R₂的公共端接光电耦合器的输入端，第二电阻R₂与第三电阻R₃的公共端串第一功能转换开关的常开开关后接充电器的负输出端，第三电阻R₃的自由端接充电器的负输出端，所述稳压电路由第九电阻R₉和稳压二极管D_Z串联組成，第九电阻R₉一端接在充电器输出电路的正输出端，第九电阻R₉另一端接稳压二极管D_Z的阴极，所述稳压二极管D_Z的阳极接在充电器输出电路的负输出端，稳压二极管D_Z的阴极为低压输出端U_CC，为矩形波振荡输出电路供电。所述矩形波振荡输出电路由555定时器、第七电阻R₇、第八电阻R₈、第一整流二极管D₁、第二整流二极管D₂、第一可调电位器R_P1、第二可调电位器R_P2、第三电容C₃、第四电容C₄组成，所述555定时器的接地端(引脚1）接地，控制端（引脚5）串联第三电容C₃后接地，阈值端（引脚6）与触发输入端（引脚2）并接在第一可调电位器R_P1的中间抽头,该第一可调电位器R_P1的中间抽头串联第四电容C₄后接地，所述第一可调电位器R_P1的第一固定端接在第一可调电位器R_P1的中间抽头与第四电容C₄的连接电路，所述第一可调电位器R_P1的第二固定端与第二可调电位器R_P2的中间抽头相连，所述第二可调电位器R_P2的第一固定端与第一整流二极管D₁的阳极相连，所述第一整流二极管D₁的阴极串第八电阻R₈后接555定时器的放电端（引脚7），第二可调电位器R_P2的第二固定端与第二整流二极管D₂的阴极相连，所述第二整流二极管D₂的阳极接555定时器的放电端（引脚7），所述555定时器的放电端串联第七电阻R₇后接稳压二极管D_Z的阴极即低压输出端U_CC，所述555定时器的输出端（引脚3）一路串联第二电容C₂后接P沟道场效应管Q₂的栅极，所述P沟道场效应管Q₂的漏极接蓄电池BT的负极，所述蓄电池BT的正极接在充电器的正输出端，蓄电池BT正极与P沟道场效应管Q₂的源极之间串有第四电阻R₄，P沟道场效应管Q₂源极接在充电器的正输出端，所述第五电阻R₅并接于P沟道场效应管Q₂的源极和栅极，555定时器输出端（引脚3）的另一路串第二功能转换开关的常闭开关后接N沟道场效应管Q₁的栅极，所述第二功能转换开关的常开开关依次串联第一电容C₁、第六电阻R₆后接地，所述N沟道场效应管Q₁的源极接充电器的负输出端后接地，N沟道场效应管Q₁的漏极接蓄电池BT的负极。所述充电器还设置有高频整流滤波电路，所述高频整流滤波电路由第三整流二极管D₃和第五电容C₅依次串联组成，其中第三整流二极管D₃正向串接于充电器正输出电路，第五电容C₅跨接在充电器输出电路的正、负输出端。所述充电器还设置有光耦合电压负反馈电路，所述光耦合电压负反馈电路的输入端与取样电路的反馈检测输出端U_f相连，所述光耦合电压负反馈电路的输出端经电源块连接至高频变压器T₁的原边，所述光耦合电压负反馈电路的主要元件为光电耦合器。

在本实用新型实施例中，如图2所示，所述第一可调电位器R_P1和第二可调电位器R_P2的阻值为50kΩ-100kΩ，555定时器的输出端（引脚3）输出频率为6-20kHz，占空比为10%-95%的矩形脉冲波，所述电源块为STRG9656。当第一功能转换开关的f端和d端接通、第二功能转换开关的b端和c端接通时，将充电器置于“充电”状态，充电器的直流输出电压U_o约为15V，稳压电路的低压输出端U_CC向555定时器的工作电压输入端（引脚8）、复位端（引脚4）以及充电电路：输入电压U_CC-R₇-D₂-R_P2-R_P1-C₄提供一个高电平电压信号，同时555定时器的输出端(引脚3）向外输出周期性矩形脉冲，由于第二功能转换开关的c端和b端已接通，因此该矩形脉冲信号直接驱动N沟道场效应管Q₁周期性的导通和截止。在N沟道场效应管Q₁导通时即蓄电池BT的充电回路导通，直流电压U_o加载到蓄电池BT的正、负端给蓄电池BT充电。在N沟道场效应管Q₁截止时，蓄电池BT两端得不到直流电压U_o，这时蓄电池BT两端只能得到幅值约14.2V周期性的正脉冲电压，与此同时，555定时器输出的周期性矩形脉冲经第一波形转换电路处理后，到达P沟道场效应管Q₂栅极的是正负相间的尖顶脉冲，负尖顶脉冲使Q₂管导通，此时蓄电池BT通过导通的P沟道场效应管Q₂和限流电阻R₄放电。由于负尖顶脉冲持续时间很短，所以P沟道场效应管Q₂导通时间也很短，这样形成了蓄电池BT瞬时放电的负脉冲。在P沟道场效应管Q₂瞬间导通时，N沟道场效应管Q₁仍处于截止状态，这时未接蓄电池BT的正负脉冲充电波形如图3所示，此时555定时器输出的正脉冲占空比最大，由此可知调节555定时器的输出脉冲占空比即调节第二可调电位器R_P2的阻值，就可以调节初始充电电流的大小。由于放电的负脉冲持续时间很短，而正脉冲持续时间远大于负脉冲持续时间，所以蓄电池BT整体上是在充电，从而实现了蓄电池的正负脉冲充电。

在本实用新型实施例中，如图2所示，当第一功能转换开关的f端和e端接通、第二功能转换开关的a端和c端接通时，将充电器置于“修复充电”状态，此时取样电阻R₃被短接，充电器输出的光耦合电压负反馈减弱，从而直流输出电压U_o提高至约28V，此时555定时器输出端(引脚3）输出的周期性矩形脉冲经过第二波形转换电路处理后，到达N沟道场效应管Q₁栅极的是正负相间的尖顶脉冲，正尖顶脉冲驱动N沟道场效应管Q₁导通，其它时间N沟道场效应管Q₁截止。由于正尖顶脉冲持续时间短，因此N沟道场效应管Q₁导通时间也短，从而直流电压U_o只能短时间加载到蓄电池BT的两端，这样蓄电池BT两端就只能得到约为25.6V的高幅值窄正脉冲。与此同时，555定时器输出端（引脚3）输出的周期性矩形脉冲经第一波形转换电路处理后，到达P沟道场效应管Q₂栅极的是正负相间的尖顶脉冲，负尖顶脉冲使P沟道场效应管Q₂导通，此时蓄电池BT通过导通的P沟道场效应管Q₂和限流电阻R₄放电。由于负尖顶脉冲持续时间很短，所以P沟道场效应管Q₂导通时间也很短，这样就形成了蓄电池BT瞬时放电的负脉冲。在P沟道场效应管Q₂瞬间导通时，N沟道场效应管Q₁仍处于截止状态，负脉冲之后是脉冲停歇期，如图4所示，这种情况下555定时器输出的正脉冲占空比最大，其正脉冲占空比可微调减小。

本正负脉冲充电与容量修复器的初始充电电流大小可调，避免被充电的蓄电池电压过低时造成初始充电电流过大的问题，以适合不同额定容量的铅酸蓄电池对初始充电电流大小的要求，即一般要求用0.1C～0.3C（C为蓄电池的额定容量）大小的电流充电，克服了现有的充电器只适合某特定容量的铅酸蓄电池充电的缺点。另外，通过调节矩形波振荡电路的频率即调节第一可调电位器R_P1来调整充电脉冲的频率，配合充电脉冲占空比的调节使初始充电电流的大小符合要求，而且充电脉冲频率会随电池充满电后自动降低，使充电电流在单位时间内的平均值减少，避免电池过充电，从而避免了充电电路长时间的工作，减少充电时间过长带来的“热失控”和 “硫酸盐化”的机率。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在实用新型的保护范围之内。