鉛酸蓄電池硫化修復(fù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曾 潔 孫佳佳 張紅偉

(大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)

當(dāng)前世界各國(guó)正積極發(fā)展新能源電池技術(shù)，但目前新能源電池技術(shù)尚不夠成熟，大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用還存在問(wèn)題。鉛酸蓄電池以其成熟的技術(shù)、低廉的價(jià)格、大電流放電及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)仍然被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。鉛酸蓄電池若不加以管理就會(huì)出現(xiàn)極板硫酸鹽化問(wèn)題，進(jìn)而發(fā)生蓄電池特性降低而提前報(bào)廢的現(xiàn)象，勢(shì)必造成能源利用率下降和使用成本的提高[1]。針對(duì)該問(wèn)題筆者提出了一套蓄電池硫化修復(fù)系統(tǒng)，使蓄電池性能得到明顯提高。

1 鉛酸蓄電池的工作原理及硫酸鹽化①

1.1 鉛酸蓄電池的工作原理

蓄電池放電過(guò)程:鉛酸蓄電池在接通外電路后，正負(fù)極板之間的電勢(shì)差會(huì)在電池內(nèi)形成電場(chǎng)，負(fù)極板上的電子會(huì)在電場(chǎng)的作用下從負(fù)極板經(jīng)由外部電路流向正極板，這樣負(fù)極板源源不斷地為負(fù)載提供電子，同時(shí)電池內(nèi)部發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，以提供持續(xù)的電能。其相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式為[2]:

總反應(yīng) PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

蓄電池充電過(guò)程:蓄電池充電過(guò)程就是在兩極板之間接通直流電源，使放電過(guò)程中產(chǎn)生的硫酸鉛轉(zhuǎn)化成活性物質(zhì)鉛和二氧化鉛，這樣就可以通過(guò)化學(xué)能的形式把電能存儲(chǔ)起來(lái)。鉛酸蓄電池充電過(guò)程化學(xué)反應(yīng)方程式如下[2]：

總反應(yīng) 2PbSO4+2H2O=PbO2+Pb+2H2SO4

1.2 鉛酸蓄電池的硫酸鹽化

蓄電池極板硫酸鹽化是指電池因過(guò)量放電或者在長(zhǎng)時(shí)間充電不飽和的情況下，使得蓄電池極板上活性物質(zhì)漸漸地轉(zhuǎn)化成粗大、堅(jiān)硬的硫酸鉛晶體，并附著在極板的表面，阻止了硫酸溶液滲入和電流傳輸，蓄電池的內(nèi)阻變大[3]。這樣就造成蓄電池充放電性能嚴(yán)重惡化，且應(yīng)用常規(guī)的充電方式不能將硫酸鉛晶體轉(zhuǎn)化為二氧化鉛和鉛，使得電池放電量比正常值小很多，電池的壽命大打折扣。

復(fù)合脈沖諧振修復(fù)法的原理是運(yùn)用頻率不同的脈沖來(lái)對(duì)硫酸鹽化的硫酸鉛晶體進(jìn)行沖擊振蕩，抑制硫酸鉛晶體繼續(xù)生長(zhǎng)并消除硫化現(xiàn)象，從而使鉛酸蓄電池內(nèi)部硫化的硫酸鉛在充放電過(guò)程中參加電化學(xué)反應(yīng)，由原來(lái)不可逆的硫酸鉛轉(zhuǎn)換成可逆的硫酸鉛，同時(shí)脈沖修復(fù)不會(huì)給蓄電池兩極板帶來(lái)傷害[4]。如果在鉛酸蓄電池充放電過(guò)程中脈沖前沿比較陡峭，通過(guò)傅立葉級(jí)數(shù)對(duì)脈沖頻譜展開(kāi)分析，其帶有豐富的諧波分量，其中低頻諧波成分振幅大，可以為大硫酸鉛晶粒提供諧振能量，而高頻諧波成分振幅小，可以為小硫酸鉛晶粒提供諧振能量。

2 脈沖修復(fù)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)電池工況參數(shù)的采集、修復(fù)及控制功能等。系統(tǒng)主要由微控制器單元、數(shù)據(jù)采集單元、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和脈沖修復(fù)單元4部分組成，圖1所示為系統(tǒng)的總體架構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 電池工況參數(shù)采集電路設(shè)計(jì)

2.1.1單體電池電壓巡檢模塊

單體電池電壓的采樣巡檢過(guò)程如圖2所示。微控制器通過(guò)光電耦合器來(lái)控制采樣電路中多路模擬開(kāi)關(guān)的輸入通道地址，在同一時(shí)刻獲取其中一路單體電池電壓，然后經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，最后再將采樣信號(hào)進(jìn)行隔離輸出，經(jīng)過(guò)隔離后的模擬電壓信號(hào)送給微控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

圖2 單體電池電壓巡檢過(guò)程

電壓巡檢單元包括兩個(gè)多路模擬開(kāi)關(guān)AD7506，一個(gè)運(yùn)放放大器AD620，一個(gè)光電耦合器TLP521-4和一個(gè)隔離放大器ISO122。該電路設(shè)計(jì)中只需7路差動(dòng)輸入的電壓采樣通道，其中兩個(gè)AD7506的S1通道分別對(duì)基準(zhǔn)電源取樣，其他S2～S7通道用來(lái)采集6節(jié)單體電池電壓。

2.1.2電流測(cè)量模塊

采用HEC100-C8型號(hào)的霍爾電流傳感器進(jìn)行電流采集，此器件電流測(cè)量范圍±100A，通過(guò)管腳3輸出0～5V電壓，并通過(guò)RC濾波網(wǎng)后送給微控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，電流測(cè)量電路如圖3所示。

圖3 電流測(cè)量電路

2.1.3溫度測(cè)量模塊

該電路使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫度測(cè)量芯片。采用單總線上掛接6個(gè)DS18B20的方式來(lái)測(cè)量電池溫度，同時(shí)采用外部電源供電，使用這種方式需要一個(gè)4.7kΩ的上拉電阻來(lái)保證供電電流，圖4所示為電池溫度測(cè)量電路。

圖4 電池溫度測(cè)量電路

2.2 復(fù)合脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

2.2.1充放電修復(fù)工作過(guò)程

硫化的鉛酸蓄電池脈沖諧振修復(fù)工作過(guò)程如圖5所示。系統(tǒng)首先對(duì)硫化鉛酸蓄電池進(jìn)行充電修復(fù)，等待充電修復(fù)完成后，為了提高鉛酸蓄電池的修復(fù)率，蓄電池靜止一段時(shí)間就應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行放電修復(fù)。一個(gè)修復(fù)周期結(jié)束后，根據(jù)修復(fù)進(jìn)度來(lái)調(diào)節(jié)控制脈沖頻率和幅值，再進(jìn)行下一個(gè)周期的脈沖諧振修復(fù)過(guò)程。

圖5 脈沖諧振修復(fù)工作過(guò)程

2.2.2PWM脈沖輸出模塊電路設(shè)計(jì)

PWM脈沖輸出模塊的電路設(shè)計(jì)如圖6所示，微控制器產(chǎn)生兩路PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電耦合器進(jìn)行電壓隔離，來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，再經(jīng)過(guò)三極管放大電路將PWM信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管。其中，微控制器引腳PD5為充電修復(fù)電路的脈沖輸出端，引腳PD7為放電修復(fù)電路的脈沖輸出端。

圖6 PWM脈沖輸出模塊的電路

2.2.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

微控制器輸出的PWM經(jīng)過(guò)三極管放大后送給驅(qū)動(dòng)芯片，采用美國(guó)國(guó)際整流公司研制的IR2110驅(qū)動(dòng)芯片，圖7為驅(qū)動(dòng)電路圖。引腳HIN和LIN為邏輯輸入電壓端，引腳HO和LO為電壓輸出端，這兩路輸出的脈沖通過(guò)電阻與開(kāi)關(guān)管的柵極連接，從而實(shí)現(xiàn)由PWM脈沖控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷的作用。

圖7 驅(qū)動(dòng)電路

3 脈沖修復(fù)系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

當(dāng)啟動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)界面上的修復(fù)按鈕后，系統(tǒng)進(jìn)行蓄電池修復(fù)功能，首先采集電池的電壓、電流和溫度，微控制器對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，根據(jù)電池的修復(fù)情況調(diào)控脈沖的頻率和幅值。修復(fù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

4 鉛酸蓄電池硫化修復(fù)實(shí)驗(yàn)

為了完成實(shí)驗(yàn)，需要12V供電源、硫化的鉛酸蓄電池、脈沖電源、放電負(fù)載、電池修復(fù)控制電路、上位機(jī)及線束等。修復(fù)充電脈沖電源是本實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的大功率脈沖電源，專門用于蓄電池充電之用。

4.1 電池充放電修復(fù)

首先啟動(dòng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制面板上充電修復(fù)按鈕，對(duì)PWM脈沖頻率進(jìn)行標(biāo)定，并對(duì)充電器的充電電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)修復(fù)過(guò)程中的電壓、電流、溫度和剩余電量(soc)的變化來(lái)進(jìn)一步調(diào)控脈沖頻率和充電電流，啟動(dòng)文件存儲(chǔ)模塊將電池工況參數(shù)進(jìn)行保存。當(dāng)充電修復(fù)完成后，還要進(jìn)行放電修復(fù)，并觀察電池參數(shù)的變化，經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期的充、放電修復(fù)，硫化問(wèn)題得到解決。圖9為電池修復(fù)完成后滿充電情況下采集到的電池工況參數(shù)。

圖8 修復(fù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

圖9 電池修復(fù)完成后的工況參數(shù)

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

鉛酸蓄電池硫酸鹽化修復(fù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。修復(fù)前滿充電時(shí)，其工況參數(shù)為：各單體電池電壓均在1.80V附近，總電壓為11.11V，soc為57.8%，單體電池溫度在30～45℃之間變化。修復(fù)后滿充電時(shí)，其工況參數(shù)為：各單體電池電壓均在2.00V附近，總電壓為12.02V，soc約為86.8%，單體電池溫度維持在35℃左右。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)鉛酸蓄電池修復(fù)前后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和參數(shù)波形進(jìn)行分析可知，鉛酸蓄電池的性能有了明顯提高，蓄電池的使用壽命得到了延長(zhǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行大量的研究與實(shí)驗(yàn)，針對(duì)硫酸鹽化問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一套鉛酸蓄電池硫化修復(fù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用復(fù)合脈沖諧振修復(fù)方法，對(duì)沖擊振蕩粗大的硫酸鉛晶體具有很好的效果。修復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明修復(fù)后的蓄電池性能得到了明顯提高，修復(fù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)的基本功能并達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。對(duì)硫化的鉛酸蓄電池展開(kāi)修復(fù)研究，對(duì)促進(jìn)資源再利用和環(huán)境保護(hù)具有一定意義。