专利名称：一种高频谐振式铅酸蓄电池修复系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种对非物理性损坏铅酸蓄电池的修复系统及方法，尤其对硫化严重而报废的铅酸蓄电池进行修复。
背景技术：
铅酸蓄电池被广泛用于各种车辆、飞机、船舶、通信、UPS电源、EPS电源、风光发电等各行各业中。但在使用过程中，铅酸蓄电池的逐步硫化会导致电池内阻増大、容量下降、甚至过早报废。大量报废的铅酸蓄电池不仅污染环境，而且造成资源的极大浪费。目前，消除铅酸蓄电池硫化现象使用较多的方法为高频脉冲充电法，即向铅酸蓄电池施加高频脉冲电压使粗的硫酸铅结晶体重新转化为细的结晶体，使其能正常參与充放电化学反应。很多铅酸蓄电池修复装置应用这一理论，但这种方法存在着修复时间较长、工作效率较低、硫化严重时修复效果不佳等缺点，特别是对于不同损坏程度、不同容量的废旧电池，修复效果会 随操作员的不同而不同。
发明内容
针对铅酸蓄电池现有修复技术的不足，本发明提供了一种新颖的高频谐振式铅酸蓄电池修复系统及方法，即根据报废电池容量的人工设定值及电池损坏程度的自动检测值，修复系统可分阶段输出相应的恒定电流与高频谐振电流的组合，以此对蓄电池进行修复和充电，并定时进行放电运行测试。这种修复方法对蓄电池损伤较小，修复效率较高，系统装置在操作上不会因人而异，具有操作简单、显示直观，集成了人工智能的成份。本发明的技术方案为ー种高频谐振式铅酸蓄电池修复系统组成如图I所示包括开关电源组成的直流电源系统⑴、修复电路(2)、检测和保护电路(3)、待修复蓄电池(4)、单片机控制系统(5)、辅助电源(6)、设置按钮(7)、指示灯(8)、LCD显示(9)和蜂鸣器(10)。直流电源系统⑴为直流开关电源，根据单片机的信号给定，可以改变输出电流的限定值；修复电路(2)由一个或几个修复单元组成，修复单元和修复电路如图2所示。直流电源系统(I)的输出经过滤波电感(11)送入修复单元，每个修复单元由两个电感，ー个电容，一个ニ极管和ー个开关管组成，器件连接方式如图2中修复单元1(12)和修复单元n(13)所示。修复控制电路(14)由ー个8脚控制芯片及其外围电路组成，其产生的高频脉冲控制开关管Ql-Qn的开通与关断，电感与电容谐振产生的谐波信号可以与铅酸蓄电池中硫酸铅晶体共振而使得硫酸铅晶体溶解，从而消除铅酸蓄电池的硫化。修复电路(2)中并联修复単元的数量由所设计修复系统的修复电池容量范围而定。检测和保护电路(3)由电压检测、电流检测、电池正反接检测、继电器KMl和继电器KM2组成。电压检测由分压电阻R2和R3组成，铅酸蓄电池两端电压经电阻分压将电压信号送入单片机的AD转换引脚；电流检测用于检测铅酸蓄电池修复时的充电电流，可以由电流互感器或者串联电阻实现，检测的电流经放大后送入单片机的AD转换引脚；正反接检测电路用于检测蓄电池修复系统和蓄电池之间接线是否正确，若蓄电池正接，则正接信号有效，可以进行修复，若蓄电池接反，则反接信号有效，修复禁止；继电器KMl用于连接铅酸蓄电池与修复系统，用于控制蓄电池开始修复与停止修复，继电器KMl的控制信号由单片机控制系统(5)提供；继电器KM2用于给蓄电池进行放电以及检测蓄电池的运行电压，放电电阻Rl为ー个大功率小阻值电阻，阻值约为O. I Ω。待修复蓄电池⑷容量为20Ah_400Ah的铅酸蓄电池。单片机控制系统(5)为本发明铅酸蓄电池修复系统 的主控芯片，用于控制修复系统的工作过程，为40引脚单片机。辅助电源(6)为铅酸蓄电池修复系统的内部各部分提供辅助电压，包括5V的单片机及外围电路工作电压、12V的继电器工作电压和直流风扇工作电压。设置按钮(7)、指示灯⑶、IXD显示(9)和蜂鸣器(10)为蓄电池修复系统的人机控制界面，如图3所示。设置按钮(7)分为START/END按钮、UP按钮和DOWN按钮，START/END按钮用于开始和停止蓄电池的修复，UP按钮用于增大修复系统的设置容量，DOWN按钮用于减小修复系统的设置容量，设置容量増大或减小以IOAh为最小単位；指示灯(8)包括POWER灯、OK灯和NG灯，POWER灯被用于指示铅酸蓄电池修复系统上电指示，OK灯被用于铅酸蓄电池修复成功时的指示，NG灯被用于铅酸蓄电池修复失败时的指示；IXD显示屏(9)用于显示铅酸蓄电池修复系统的工作过程及工作状态，包括工作状态、蓄电池容量、电池电压、修复电流、蓄电池运行电压、蓄电池修复时间和蓄电池修复进度；蜂鸣器(10)在铅酸蓄电池修复成功、修复失败或者修复系统意外故障时产生声音提示工作人员。ー种高频谐振式铅酸蓄电池修复方法如图4所示修复系统输出的充电并修复电流为恒定电流和高频谐振电流的组合，整个修复过程按时间段分为4个阶段第I阶段为O到第3小时，此阶段铅酸蓄电池修复系统为铅酸蓄电池充电并修复，修复电流根据铅酸蓄电池的容量不同而有个最大限定值，当修复到3小时时，单片机控制直流电源系统将电流限定值设为最大；第2阶段为第3到第4小时，此阶段铅酸蓄电池修复系统为铅酸蓄电池充电并修复，当修复到第4小吋，KMl断开，KM2闭合一秒，铅酸蓄电池通过电阻Rl放电，单片机通过AD转换检测铅酸蓄电池的放电电压，若放电电压大于阈值电压，则继续修复，否则停止修复，显示电池损坏；第3阶段为第4小时到第10小时，此阶段铅酸蓄电池修复系统为铅酸蓄电池充电并修复，到第10小时，工作过程同第4小时；第4阶段为第10到第23小时，此阶段铅酸蓄电池修复系统为铅酸蓄电池充电并修复，工作过程同第4和10小时,若放电电压大于阈值电压,则修复完成,若小于阈值电压，则显示修复失败，停止修复。本发明将蓄电池修复过程分为4个阶段，利用修复系统在不同修复阶段输出的恒定电流和高频谐振电流的自适应组合，对硫酸铅的粗晶粒形成谐振，击碎粗晶粒，协助电化学还原反应，消除电池硫化。这种修复方法及系统具有对蓄电池损伤较小，修复效率较高，系统装置在操作上不会因人而异，具有操作简单、显示直观，集成了人工智能的成份等特点，这对于节能环保、发展低碳经济有着重要的意义，应用前景十分广阔。
图I为本发明的修复系统组成框2为本发明提出的修复单元电路及其谐振电流波形示意3为本发明修复系统的人机控制界面示意4为本发明的修复方法流程5为本发明的一个实施电路图
具体实施例方式图5为本发明对于电压为12V、容量为20Ah_400Ah的铅酸蓄电池的ー个具体实施案例，市电经两个开关SO和SI连接到两个开关电源SMPSl和SMPS2。SMPSl为蓄电池修复系统的辅助电源，提供一路12V电源给风扇FAN和继电器KM1、KM2的线圈，提供一路5V的电源供给单片机Ul及其外围控制电路；SMPS2为修复系统的直流稳压电源部分，提供一路15V的电源给修复电路，开关S2用于设定开关电源SMPS2输入电压为110VAC还是220VAC，继电器Kl、K2、K3和电阻R9、RlO、R20、R24构成修复电路的限流设定电路，通过设定三个继电器的开通与关断，可以改变开关电源SMPS2的输出电流的限定值，方便不同容量铅酸蓄电池的修复。单片机Ul的36、35、34脚控制06、07、08来控制继电器1(1、1(2、1(3的线圈。电感LI、L2、L3、L4、L5，电容CIO、C14，ニ极管D13和开关管Q1UQ12组成了铅酸蓄电池修复系统的修复电路，修复电路结构与前述修复电路部分相同，此案例应用两路修复单元并联。开关管Qll和Q12的控制信号由芯片U4及其外围电路提供，U4产生的PWM信号经由Q4、R42、R48、D4、C11和Q9、R45、R46、D5、C13组成的驱动电路送给开关管Qll和Q12的门极驱动其开通与关断。单片机Ul的4脚经过电阻R51和光耦A3控制芯片U4的供电。继电器KM1、KM2，电阻R55、R56，电容C20、C21，ニ极管Dll组成了铅酸蓄电池修复系统修复及检测控制电路，继电器KMl、KM2由单片机Ul控制，Ul的5脚和33脚通过控制三极管Q5和QlO来控制继电器KMl和KM2的吸合与断开，KMl吸合KM2断开时修复系统给电池供电修复，KM2吸合KMl断开时电阻R55给电池放电，检测其运行电压，KMl和KM2都断开时，电池不修复。光光耦Al、A2及其外围ニ极管和电容组成蓄电池修复系统的接线检测电路，当电池反接时，光耦Al内的光敏三极管导通，将高电平信号送至单片机Ul的19脚，当电池正接时，光耦A2内的光敏三极管导通，将高电平信号送至单片机Ul的18脚。R22、R54、C23构成了蓄电池修复系统的电压检测电路，蓄电池两端的电压经过电阻分压和电容滤波后送入单片机Ul的40脚，经Ul内部的AD转换后可算得电池的电压值。U3、R37、R39、R40、R41、C7、C19组成了蓄电池修复系统的电流检测电路，电阻R40的电压值经过U3组成的电路放大后，送入单片机Ul的39脚，经Ul内部的AD转换后可算得铅酸蓄电池修复的电流值。按钮S3、S4、S5分别连接至单片机Ul的1、2、3脚，S3用于控制修复的开始和停止，S4和S5分别用于电池容量设定时的上调和下调按钮，毎次上调和下调的值为10Ah，可修复的蓄电池容量最小为20Ah，最大为400Ah。Ul的14脚经过Q3控制蜂鸣器Fl的报警声音，当修复完成，修复失败，或修复中出现故障时，蜂鸣器报警。Ul的15脚通过Q2控制LED灯D15，当修复成功吋，D15变亮，Ul的16脚通过Ql控制LED等D16，当修复失败或电路故障时，D16变亮。Ul的17、20-29脚与IXD显示IXDl相连，可以控制IXDl显示修复系统的 工作状态，电压及电流值，修复时间，修复进度等工作情况，给人工操作带来极大的方便。
权利要求
1.一种高频谐振式铅酸蓄电池修复系统，由直流电源系统(I)、修复电路(2)、检测和保护电路(3)、待修复蓄电池(4)、单片机控制系统(5)、辅助电源(6)、设置按钮(7)、指示灯(8)、LCD显示(9)及蜂鸣器(10)连接而成，其特征在于直流电源系统(I)为一直流开关电源，根据单片机的给定信号，可以改变其输出电流的限定值；修复电路(2)由ー个或几个修复单元并联组成，其数量由所设计修复系统的修复电池容量范围而定；检测和保护电路(3)由电压检测、电流检测、电池正反接检测、继电器KMl和继电器KM2组成；待修复蓄电池(4)为容量20Ah-400Ah的铅酸蓄电池；单片机控制系统(5)采用40引脚单片机；辅助电源(6)为铅酸蓄电池修复系统的内部各部分提供辅助电压，包括5V的单片机及外围电路工作电压、12V的继电器工作电压和直流风扇工作电压；设置按钮(7)分为START/END按钮、UP按钮和DOWN按钮，START/END按钮用于开始和停止蓄电池的修复，UP按钮用于增大修复系统的设置容量，DOWN按钮用于减小修复系统的设置容量，设置容量増大或减小以IOAh为最小単位；指示灯(8)包括POWER灯、OK灯和NG灯，POWER灯被用于指示铅酸蓄电池修复系统上电指示，OK灯被用于铅酸蓄电池修复成功时的指示，NG灯被用于铅酸蓄电池修复失败时的指示；LCD显示屏(9)用于显示铅酸蓄电池修复系统的工作过程及工作状态，包括工作状态、蓄电池容量、电池电压、修复电流、蓄电池运行电压、蓄电池修复时间和蓄电池修复进度；蜂鸣器(10)在铅酸蓄电池修复成功、修复失败或者修复系统意外故障时产生声音提不工作人员。
2.根据权利要求I所述的ー种高频谐振式铅酸蓄电池修复系统，其特征在于直流电源系统(I)的输出经过滤波电感(11)送入修复单元1(12)和修复单元η (13)，每个修复单元由两个电感，一个电容，一个ニ极管和一个开关管连接而成组成，修复控制电路(14)由ー个8脚控制芯片及其外围电路组成，其产生的高频脉冲控制开关管Ql-Qn的开通与关断，电感与电容谐振产生的谐波信号可以与铅酸蓄电池中硫酸铅晶体共振而使得硫酸铅晶体溶解，从而消除铅酸蓄电池的硫化。
3.根据权利要求I所述的ー种高频谐振式铅酸蓄电池修复系统，其特征在于直流电源系统(I)的输出电流经过修复单元电路1(12)和修复单元η(13)后，在恒定直流电流的基础上叠加了ー个周期为20Khz的高频振荡电流信号，其振荡幅值由并联连接的修复单元数而定，恒定电流的大小由单片机(5)根据蓄电池容量而定，最后恒流并叠加高频振荡成分的电流信号被用于整个修复过程。
4.根据权利要求I所述的ー种高频谐振式铅酸蓄电池修复系统，其特征在于检测和保护电路(3)中，电压检测由分压电阻R2和R3组成，铅酸蓄电池两端电压经电阻分压将电压信号送入单片机的AD转换引脚；电流检测用于检测铅酸蓄电池修复时的充电电流，由电流互感器实现，检测的电流经放大后送入单片机的AD转换引脚；正反接检测电路用于检测蓄电池修复系统和蓄电池之间接线是否正确，若蓄电池正接，则正接信号有效，可以进行修复，若蓄电池接反，则反接信号有效，修复禁止；继电器KMl用于连接铅酸蓄电池与修复系统，用于控制蓄电池开始修复与停止修复，继电器KMl的控制信号由单片机控制系统(5)提供；继电器KM2用于给蓄电池进行放电以及检测蓄电池的运行电压，放电电阻Rl为ー个大功率小阻值电阻，阻值约为O. I Ω。
5.ー种高频谐振式铅酸蓄电池修复方法，用于对非物理性损坏的铅酸蓄电池修复，尤其对硫化严重而报废的铅酸蓄电池进行修复，其特征在于根据报废电池容量的人工设定值及电池损坏程度的自动检测值，将蓄电池修复过程分为4个充电并修复的阶段，在不同阶段系统输出相应的恒定电流和高频谐振电流的自适应组合，以此对蓄电池进行充电并修复。
6.根据权利要求I和5所述的ー种高频谐振式铅酸蓄电池修复系统及方法，其特征在于整个修复过程按时间段分为4个阶段，第I阶段为O到第3小时，此阶段铅酸蓄电池修复系统为铅酸蓄电池充电并修复，修复电流根据铅酸蓄电池的容量不同而有个最大限定值，当修复到3小时时，单片机控制直流电源系统将电流限定值设为最大；第2阶段为第3到第4小时，此阶段铅酸蓄电池修复系统为铅酸蓄电池充电并修复，当修复到第4小时，KMl断开，KM2闭合I秒，铅酸蓄电池通过电阻Rl放电，单片机通过AD转换检测铅酸蓄电池的放电电压，若放电电压大于阈值电压，则继续修复，否则停止修复，显示电池损坏；第3阶段为第4小时到第10小时，此阶段铅酸蓄电池修复系统为铅酸蓄电池充电并修复，到第10小 时，工作过程同第4小时；第4阶段为第10到第23小时，此阶段铅酸蓄电池修复系统为铅酸蓄电池充电并修复，工作过程同第4和10小时,若放电电压大于阈值电压,则修复完成，若小于阈值电压，则显示修复失败，停止修复。
全文摘要
一种对报废的铅酸蓄电池进行智能修复的系统及方法。整个修复系统由直流电源系统、修复单元电路、检测和保护电路、待修复的报废蓄电池、单片机控制系统、辅助电源、设置按钮、指示灯、LCD显示器及蜂鸣器组成。根据报废电池容量的人工设定值及电池损坏程度的自动检测值，将蓄电池修复过程分为4个充电并修复的阶段，在不同阶段系统输出相应的恒定电流和高频谐振电流的自适应组合，以此对蓄电池进行充电并修复。高频谐振电流由一个或几个修复单元电路并联产生，该谐振电流信号与铅酸蓄电池中硫酸铅晶体共振而使得硫酸铅晶体溶解，这样就消除了铅酸蓄电池的硫化，从而使蓄电池得以修复。
文档编号H01M10/42GK102646854SQ20111004638
公开日2012年8月22日 申请日期2011年2月22日 优先权日2011年2月22日
发明者徐勤超, 李强, 王春芳, 雷昳 申请人:青岛大学