閥控式鉛酸蓄電池活化修復(fù)儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

于小冬

（北京亞澳博信通信技術(shù)有限公司，北京 101300）

隨著信息、能源、電子技術(shù)的快速發(fā)展，閥控式鉛酸蓄電池(VRLAB)目前已被廣泛應(yīng)用于電信運(yùn)營(yíng)、電力系統(tǒng)、通信專(zhuān)網(wǎng)、金融系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、公安系統(tǒng)、石油煤炭、大型工礦企業(yè)等領(lǐng)域。與普通的鉛酸蓄電池相比，VRLAB由于采用了內(nèi)部氧復(fù)合技術(shù)，大大緩解了電解液的損耗，從而使其能夠在免維護(hù)狀態(tài)下長(zhǎng)期工作，并具有體積小、防爆安全、電壓穩(wěn)定、無(wú)污染、質(zhì)量輕、放電性能高、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)。但是，目前廣泛應(yīng)用的VRLAB聲稱(chēng)為免維護(hù)蓄電池，其實(shí)這種說(shuō)法是不夠科學(xué)和準(zhǔn)確的。確切地講，VRLAB應(yīng)稱(chēng)為“少維護(hù)蓄電池”，僅是指平時(shí)無(wú)須加酸液和水，無(wú)須調(diào)節(jié)電解液的密度。由于蓄電池平時(shí)都并聯(lián)在整流設(shè)備上并處于浮充狀態(tài)中，時(shí)間一長(zhǎng)，蓄電池就會(huì)出現(xiàn)活化物質(zhì)脫落、電解液干涸、極板變形、腐蝕及硫化等異常情況，從而導(dǎo)致蓄電池容量降低甚至失效，一旦市電中斷，極有可能釀成電力供電中斷等重大事故。

VRLAB在國(guó)內(nèi)的大量安裝使用是從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始的，初期安裝的電池主要為進(jìn)口產(chǎn)品，進(jìn)入20世紀(jì)90年代末，國(guó)產(chǎn)電池在許多領(lǐng)域開(kāi)始大量使用。大部分廠家聲稱(chēng)其VRLAB的設(shè)計(jì)壽命在10年以上，但是，在實(shí)際使用中許多電池壽命只有5～6年時(shí)間，條件惡劣者2～3年后便會(huì)出現(xiàn)容量明顯下降現(xiàn)象。為此，有必要對(duì)嚴(yán)重影響電池使用壽命的原因進(jìn)行研究。

隨著我國(guó)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，特別是重、化工業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，能源需求量將大幅上升，經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的能源約束矛盾和能源使用帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題就更加突出。本項(xiàng)目是節(jié)能環(huán)保項(xiàng)目，是符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的。

1 總體思路

首先保證修復(fù)儀工作穩(wěn)定可靠；其次提高性能指標(biāo)，設(shè)置完善的保護(hù)功能和人性化接口；再次簡(jiǎn)化電路，優(yōu)化工藝，降低成本，提高生產(chǎn)效率。

充電單元設(shè)計(jì)，權(quán)衡五大隔離式電路拓?fù)涞睦?，鑒于輸出功率及自身特點(diǎn)采用正激電路形式。

熱設(shè)計(jì)方面，充電單元鑒于熱交換理論，將功率器件直接貼在外殼上，發(fā)熱量較大的功率開(kāi)關(guān)管、整流管直接貼在通風(fēng)良好的外殼散熱器上；放電負(fù)載產(chǎn)生的熱量，由專(zhuān)用風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，避免修復(fù)儀內(nèi)部熱量的聚集。

整機(jī)密封無(wú)暴露在外的元器件，操作面板采用人性化斜坡設(shè)計(jì)，便于操作和查看顯示信息，顯示器采用貼膜處理，外殼全部采用不銹鋼釘，輸入/輸出接口采用快速連接插頭，保證在大電流下工作安全可靠。

2 技術(shù)方案

2.1 產(chǎn)品工作原理

如圖1所示，將蓄電池修復(fù)儀在線接入到電源系統(tǒng)中，可以對(duì)蓄電池進(jìn)行活化修復(fù)處理，不影響用電實(shí)際負(fù)載的供電，當(dāng)在修復(fù)的過(guò)程中遇到交流停電或修復(fù)儀自身故障等突發(fā)情況，修復(fù)儀旁路裝置啟動(dòng)，被修復(fù)電池自動(dòng)接入電源系統(tǒng)為實(shí)際負(fù)載供電，有效避免系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2所示為修復(fù)儀充電單元的工作原理圖，電源輸入單相220 VAC，經(jīng)EMI處理后，通過(guò)初級(jí)升壓預(yù)穩(wěn)壓技術(shù)在整流濾波和DC-DC功率轉(zhuǎn)換級(jí)之間串入一個(gè)有源Boost升壓型APFC電路作為前置級(jí)，通過(guò)控制電路的控制，一方面強(qiáng)迫輸入電流跟隨輸入電壓變化，從而實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)，另一方面反饋輸出電壓到控制電路使之穩(wěn)定，從而使DC/DC變換器的輸入實(shí)現(xiàn)預(yù)穩(wěn)。DC/DC變換電路采用正激電路形式，具有電路形式簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1充電單元參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)輸出電壓范圍

按照閥控式鉛酸蓄電池充電機(jī)制要求[1]，工作于浮充狀態(tài)時(shí)充電電壓要求為2.27～2.30 V/單體，工作于均充狀態(tài)時(shí)充電電壓要求為2.35～2.40 V/單體。對(duì)于48 V電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在實(shí)際電池使用過(guò)程中多為2 V電池串聯(lián)組成，所以修復(fù)儀充電單元的輸出電壓范圍必須滿足：浮充電壓為54.48～55.20 V，均充電壓為56.40～57.60 V?？紤]到設(shè)計(jì)冗余本系統(tǒng)充電單元輸出電壓滿足：浮充電壓48.00～58.00 V，均充電壓56.00～61.00 V[2]。

(2)輸出紋波

通信局(基)站動(dòng)力設(shè)備用后備蓄電池的維護(hù)，要求輸入諧波失真盡量小，充電輸出電壓穩(wěn)壓精度≤±0.5%，穩(wěn)流精度≤±1%，紋波系數(shù)≤0.5%。為此本修復(fù)儀采用偶合濾波專(zhuān)有技術(shù)加強(qiáng)了對(duì)充電電源輸出紋波的抑制處理，取得令人滿意的效果，經(jīng)檢測(cè)充電單元輸出紋波系數(shù)≤0.3%，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的無(wú)損傷充電修復(fù)。

(3)輸出限流保護(hù)

根據(jù)蓄電池充電特性曲線，結(jié)合實(shí)際荷電狀態(tài)，采用智能分段限流方式充電實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池?zé)o損充電，分為涓流短時(shí)充電、恒流充電、恒壓充電。

涓流短時(shí)充電，充電器開(kāi)始工作后，首先檢測(cè)蓄電池的電壓，若電池電壓低于1.8 V，說(shuō)明蓄電池曾經(jīng)過(guò)度放電，為避免對(duì)蓄電池充電電流過(guò)大，造成熱失控，微處理器通過(guò)檢測(cè)蓄電池的電壓，對(duì)蓄電池實(shí)行穩(wěn)定小電流涓流充電，激活蓄電池。在涓流充電階段，電池電壓開(kāi)始上升，當(dāng)電池電壓升到能接受大電流充電的閥值時(shí)則轉(zhuǎn)入恒流充電階段。該階段為大電流恒流充電，電流值為I2，因蓄電池容量而異，一般為I2=0.1C(C為蓄電池組的容量)，在恒流充電狀態(tài)下，不斷檢測(cè)電池的端電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到飽和電壓時(shí)，恒流充電狀態(tài)終止。進(jìn)入恒壓充電階段,這時(shí)充電電壓保持不變,充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流下降到恒流狀態(tài)下充電電流的1/10時(shí)，終止恒壓充電。

(4)充電終止控制

電池在充滿電后，如果不及時(shí)停止充電，電池的溫度將迅速上升。溫度的升高將加快蓄電池板柵腐蝕的速度及電解液的分解，從而縮短電池的壽命，使其容量下降。為了保證電池充足電又不過(guò)充，修復(fù)儀采用定時(shí)控制、溫度控制和電池電壓、電流綜合控制方法做到合理的充電終止控制。

2.2.2 智能控制單元設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用8位快速單片機(jī)控制電池充放電狀態(tài)、采集電池?cái)?shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝、顯示電池狀態(tài)及設(shè)置參數(shù)等。電池活化由充電、放電兩個(gè)過(guò)程組成，單片機(jī)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)由充電轉(zhuǎn)為放電。充電期間單片機(jī)通過(guò)和下位機(jī)的通信來(lái)控制模塊的輸出電壓及電流實(shí)現(xiàn)脈沖充電。放電期間單片機(jī)直接輸出PWM脈沖經(jīng)隔離電路控制放電負(fù)載實(shí)現(xiàn)恒流放電[3]。

檢測(cè)電路由各節(jié)電池的電壓、電流、溫度的檢測(cè)三部分組成。電壓檢測(cè)采用光耦繼電器把各節(jié)電池電壓接入系統(tǒng)，通過(guò)差分電路進(jìn)行采樣。

2.2.3 放電單元設(shè)計(jì)

在智能化的蓄電池修復(fù)中，要求其具有通過(guò)面板按鍵無(wú)級(jí)設(shè)定放電電流功能；在整個(gè)電池的放電過(guò)程中，保持放電電流恒定功能。在蓄電池放電過(guò)程中，隨著放電時(shí)間的增加，蓄電池的電壓開(kāi)始下降，對(duì)于固定負(fù)載放電勢(shì)必引起放電電流的下降。要想保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中放電電流恒定，就必須能夠自動(dòng)調(diào)整負(fù)載，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)智能控制，根據(jù)電流的變化產(chǎn)生PWM信號(hào)去調(diào)制放電負(fù)載，達(dá)到高精度的恒流放電電流。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮布局、固定和散熱幾個(gè)方面。

(1)修復(fù)儀有多個(gè)功能單元組成，修復(fù)儀內(nèi)部走線在不帶來(lái)干擾的情況下盡量美觀牢靠，裝配易于操作，這就要求合理布局；

(2)修復(fù)儀為便攜式設(shè)備，要通過(guò)振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)要求，既要考慮好電感、變壓器等重器件的固定，又要考慮好功率管、大電容等承受能力薄弱的元件的固定，還要考慮外殼結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度等問(wèn)題；

(3)散熱處理，電源采用外置風(fēng)冷，左側(cè)進(jìn)風(fēng)右側(cè)出風(fēng)方式，本著盡一切可能將熱量導(dǎo)到殼外的思想，將發(fā)熱量較大的功率管直接貼在側(cè)面通風(fēng)良好的散熱器上，保持冷卻風(fēng)道的暢通；

(4)顯示及操作面板斜坡設(shè)計(jì)，便于操作和查看顯示信息。

2.4 可靠性設(shè)計(jì)

充電單元采用功率因數(shù)校正技術(shù)、輸入濾波及無(wú)源功率因數(shù)校正網(wǎng)絡(luò)，使得電源的功率因數(shù)能達(dá)到0.92以上，減小電源對(duì)電網(wǎng)的干擾并提高電源抗干擾特性。

在線活化修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，使電池的修復(fù)不需要斷開(kāi)電池與負(fù)載的連接，可以很好解決傳統(tǒng)容量放電的能量浪費(fèi)和交流停電造成系統(tǒng)癱瘓風(fēng)險(xiǎn)。

均衡脈沖充電控制技術(shù)，在把蓄電池硫酸鹽化“不可逆”變成“可逆”的同時(shí)，基本上對(duì)電池極板沒(méi)有任何損傷，提高了蓄電池使用壽命。

元器件降額使用，接觸器、接插件、開(kāi)關(guān)管、整流管電流應(yīng)力降額50%以上。

設(shè)置完善保護(hù)功能，如交流停電旁路保護(hù)、充電單元輸出過(guò)欠壓、過(guò)溫、限流、短路保護(hù)等。

2.5 設(shè)計(jì)方案

功能設(shè)計(jì)，修復(fù)儀可以實(shí)現(xiàn)的功能有：(1)可對(duì)多種規(guī)格的單體或多節(jié)電池進(jìn)行充電、放電、活化、檢測(cè)；(2)放電電流設(shè)定后，不因蓄電池組電壓的降低而改變，可以自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)恒流放電；(3)智能分段充電模式，實(shí)現(xiàn)均充/浮充、恒流/恒壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能；(4)設(shè)定循環(huán)充/放電次數(shù)，可對(duì)蓄電池進(jìn)行活化，激活電池極板失效的活性物質(zhì)，延長(zhǎng)電池的使用壽命；(5)活化修復(fù)參數(shù)可以修改設(shè)定，并自動(dòng)完成蓄電池組各種參數(shù)的測(cè)試；(6)遇到特殊情況自動(dòng)停機(jī)保護(hù)功能。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整機(jī)密封無(wú)暴露在外的元器件，操作面板采用人性化斜坡設(shè)計(jì)，便于操作和查看顯示信息，顯示器采用貼膜處理，外殼全部采用不銹鋼釘，輸入/輸出接口采用快速連接插頭，在大電流下工作安全可靠。

熱設(shè)計(jì)方面，充電單元鑒于熱交換理論，將功率器件直接貼在外殼上，發(fā)熱量較大的功率開(kāi)關(guān)管、整流管直接貼在通風(fēng)良好的外殼散熱器上；放電負(fù)載產(chǎn)生的熱量，由專(zhuān)用風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，避免修復(fù)儀內(nèi)部熱量的聚集。

安全設(shè)計(jì)，設(shè)置完善保護(hù)功能，如交流停電旁路保護(hù)、充電單元輸出過(guò)欠壓、過(guò)溫、限流、短路保護(hù)等。

3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 快速容量分析技術(shù)

在線放電5～10min即能找出最小落后單體，并大致判斷每個(gè)電池的剩余容量，放電1 h后能準(zhǔn)確判斷總?cè)萘亢透鲉误w電池容量，測(cè)試完成后還會(huì)自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告。這么短的時(shí)間即使做離線放電也不必?fù)?dān)心電池過(guò)放時(shí)交流停電造成的通訊中斷風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，具有節(jié)能、省時(shí)、維護(hù)成本低、活化效率高等先進(jìn)性。

3.2 在線活化修復(fù)技術(shù)

在線活化修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，使電池的修復(fù)不需要斷開(kāi)電池與負(fù)載的連接，可以很好解決傳統(tǒng)容量放電的能量浪費(fèi)和交流停電造成系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 均衡脈沖充電技術(shù)

修復(fù)儀通過(guò)不斷的對(duì)鉛極板施加相適應(yīng)的頻率，在電脈沖的作用下阻止金屬鉛的化學(xué)反應(yīng)，根除硫酸鹽化層的產(chǎn)生，制止板柵變形，保持活性物質(zhì)不脫落。在“活化儀”作用下，充電時(shí)形成的三合一(均衡、脈沖、頻率)均衡脈沖充電法，也阻止了電解液的酸類(lèi)及其它有機(jī)物質(zhì)對(duì)鉛極板的腐蝕，防止鉛極板腐爛，同時(shí)，對(duì)已產(chǎn)生惰性硫化物的鉛極板進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)，使其恢復(fù)正常使用功能。

3.4 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

化學(xué)修復(fù)技術(shù)是通過(guò)智能分析軟件，根據(jù)蓄電池靜置電壓、初始荷電狀態(tài)、充放電特性曲線及測(cè)得內(nèi)阻等多項(xiàng)電池參數(shù)進(jìn)行綜合分析，計(jì)算出極板有效活性物質(zhì)數(shù)量，失水或失酸比例，通過(guò)化學(xué)方法加補(bǔ)充液或加酸調(diào)節(jié)，使蓄電池內(nèi)部參與化學(xué)反應(yīng)的電解液濃度達(dá)到設(shè)計(jì)值，容量達(dá)到最大程度恢復(fù)。

蓄電池充放電化學(xué)反應(yīng)[4]：

電池總反應(yīng)：

3.5 d u/d t防過(guò)充電技術(shù)

充電結(jié)束條件不是靠設(shè)定充電電壓，而檢測(cè)充電后期du/dt的變化率，做到確保各單體充滿而不過(guò)充。

3.6 分段限流恒壓充電技術(shù)

根據(jù)蓄電池充電特性曲線，結(jié)合實(shí)際荷電狀態(tài)，智能分段限流充電，實(shí)現(xiàn)無(wú)損充電。

3.7 充電過(guò)程溫度補(bǔ)償技術(shù)

活化修復(fù)過(guò)程充電電壓按照下面公式進(jìn)行溫度補(bǔ)償，有效避免修復(fù)過(guò)程環(huán)境溫度及充電自身引起的熱失控效應(yīng)，提高充電效率和可靠性。

4 成果的特點(diǎn)和水平

該活化儀具有高效、節(jié)能、高可靠等特點(diǎn)，集智能充電、精確放電、在線容量分析和活化為一體。表1為項(xiàng)目產(chǎn)品修復(fù)技術(shù)與國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比。

傳統(tǒng)的處理方法比較復(fù)雜，采用大電流充電、活性劑置換、正負(fù)脈沖充電等，這些方法修復(fù)成功率低，存在一定的副作用。對(duì)于密封電池來(lái)說(shuō)，瞬間的充電電壓使電極板所產(chǎn)生的氧氣也可以通過(guò)氧循環(huán)在負(fù)極板上被吸收，電池也就不會(huì)形成失水，所以這是一種區(qū)別于其它修復(fù)方式的“無(wú)損失”修復(fù)技術(shù)。

5 項(xiàng)目應(yīng)用情況

本產(chǎn)品經(jīng)用戶(hù)使用滿足了用戶(hù)的要求，工作可靠，性能穩(wěn)定，保護(hù)功能完善，各接口方便使用；充電電源性能穩(wěn)定，工作效率高節(jié)能環(huán)保；均衡脈沖修復(fù)技術(shù)，可以把“不可逆”變成“可逆”，并且基本上對(duì)電池極板沒(méi)有任何損傷，這是鉛酸電池修復(fù)的重大突破。

[1]郭永榔.閥控式鉛酸蓄電池[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2]周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛(ài)華.閥控式密封鉛酸蓄電池實(shí)用技術(shù)/電源實(shí)用技術(shù)系列書(shū)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2004.

[3]王聰.軟開(kāi)關(guān)功率變換器及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,2000.

[4]易清風(fēng),李東艷.環(huán)境電化學(xué)研究方法[M].北京:科學(xué)出版社,2006.