智能鉛酸蓄電池充電管理與修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計

宋 鶴 陳超波 李繼超 高 嵩

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院陜西西安 710021）

智能鉛酸蓄電池充電管理與修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計

宋 鶴 陳超波 李繼超 高 嵩

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院陜西西安 710021）

0 引言

鉛酸蓄電池最突出的莫過于電池極板的硫化［1］問題，它是大多數(shù)鉛酸蓄電池過早損壞的根本原因。目前普通廉價的鉛酸蓄電池充電器結(jié)構(gòu)簡單，以恒流充電方式為主，僅有少數(shù)產(chǎn)品采用較合理的充電方法，卻價格不菲。針對鉛酸電池的充電方法及設(shè)備進行了研究和改進，設(shè)計出了一種基于富士通微控制器MB9BF500N［2］的智能化的充電管理與修復(fù)［3］設(shè)備，旨在解決充電及硫化問題，以提高電池利用率和使用壽命。

1 硫化解決方案

目前解決硫化的較好方法有以下2種：

a.高頻脈沖的方式。此方式采用高頻的脈沖電流對電池充電，修復(fù)率約為60%，效果較好。但因其修復(fù)時間長，需數(shù)十小時以上，甚至一周的時間，效率比較低，對嚴重“硫化”的蓄電池修復(fù)效果不好。由于技術(shù)簡單，目前有許多設(shè)備基于該技術(shù)。

b.復(fù)合式高頻脈沖方式［4］。這種方式通過特殊的電路結(jié)構(gòu)發(fā)生復(fù)合式高頻正負脈沖。適當(dāng)控制脈沖電流值，以較小的電流密度對正極板充電，基本上不會形成對正極板的損傷。對于密封電池來說，瞬間的充電電壓使電極板所析出的氧氣也可以通過氧循環(huán)在負極板上被吸收，電池也就不會形成失水。它具有快速性、修復(fù)效率高、耗電少、不會引起電池失水、正極板軟化和改變電解液原結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，對嚴重硫化的鉛酸電池修復(fù)效果也較其他方法理想，修復(fù)率可達90% 以上，此技術(shù)的應(yīng)用減少了電池的報廢數(shù)量，具有較好的經(jīng)濟和環(huán)保效益。采用復(fù)合式高頻脈沖方式方案來解決硫化問題。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能鉛酸蓄電池充電管理與修復(fù)系統(tǒng)主要由電源系統(tǒng)電路、微控制器電路、電池狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、脈沖發(fā)生電路以及充放電電路等構(gòu)成。原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

設(shè)備電源取自市電系統(tǒng)，經(jīng)整流后提供給DCDC模塊，產(chǎn)生系統(tǒng)電源和充電電源。系統(tǒng)各個部件包括充電系統(tǒng)電源、CPU核心及外設(shè)供電。微控制器（MB9BF500N）是系統(tǒng)的核心，主要完成各個設(shè)備的控制與協(xié)調(diào)任務(wù)，如人機界面、報警、狀態(tài)切換、實時狀態(tài)監(jiān)控等。電池狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)則是完成實時的電池溫度、電壓、電流的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并送給微處理器做分析處理。由于MB9BF500N系列自帶片內(nèi)A／D，因此可以直接接受模擬信號輸入；人機交互系統(tǒng)主要由液晶顯示屏、按鍵、聲光報警部件組成，完成必要的信息顯示和與用戶交互，使設(shè)備更加人性化，便于操作。脈沖發(fā)生系統(tǒng)用于產(chǎn)生可控的沖擊脈沖電壓，這個脈沖電壓經(jīng)過調(diào)制處理與放大后加到充電電路上，完成脈沖修復(fù)充電任務(wù)；充放電電路在CPU的控制下完成充放電過程。控制部件采用開關(guān)效果良好的MOS管構(gòu)成，使電路具有更好的開關(guān)響應(yīng)能力，更利于脈沖充電。

3 單元電路設(shè)計

3.1 電源系統(tǒng)電路設(shè)計

脈寬調(diào)制高頻開關(guān)電源［5-6］原理如圖2所示，交流輸入電壓經(jīng)過濾波消除干擾后進入整流橋，輸出包含較大紋波的直流電壓，經(jīng)大電容濾波得到較為平滑的直流高壓。通過脈寬調(diào)制控制直流變換器的功率開關(guān)管，在變換器二次側(cè)得到高頻矩形波電壓，再經(jīng)過輸出整流濾波器得到直流輸出電壓。脈寬調(diào)制器是此類變換器控制電路的核心，在由比較取樣、誤差放大、占空比控制所組成的閉環(huán)中，取樣的輸出電壓與參考電壓相比較進入誤差放大器。誤差放大器通過改變開關(guān)管驅(qū)動信號的脈沖寬度，實現(xiàn)對輸出電壓的控制，得到所需電壓等級的穩(wěn)定電壓輸出。采用新型單片TOPSwitch- GX249YN［7］芯片，不僅與線性穩(wěn)壓電源相比有許多優(yōu)點，而且與傳統(tǒng)的開關(guān)電源芯片如UC3842，SG3525芯片相比也顯其優(yōu)越性。

圖2 脈寬調(diào)制高頻開關(guān)電源原理框圖

3.2 充電與修復(fù)電路的設(shè)計

系統(tǒng)充電與修復(fù)電路的原理如圖3所示，脈沖發(fā)生與控制系統(tǒng)用于產(chǎn)生可控的沖擊脈沖電壓。脈沖電壓由12 MHz晶振和反相器74LS04組成的振蕩電路產(chǎn)生，經(jīng)MCI1496與控制信號調(diào)制處理后，經(jīng)過Q1和Q2兩級放大后加到充電電路上，完成脈沖修復(fù)充電任務(wù)；充放電電路在CPU的控制下完成充放電過程［8］?？刂撇考捎瞄_關(guān)效果良好的MOS管構(gòu)成，使電路具有更好的開關(guān)響應(yīng)能力，更利于脈沖充電。

3.3 電池狀態(tài)監(jiān)控電路設(shè)計

圖3 充電與修復(fù)電路

監(jiān)測的對象主要是電池組的電壓和電流。電壓由精密分壓電阻R2，R3取得，經(jīng)過LM324放大后送至微控制器的A／D口。蓄電池的充放電流經(jīng)過R1采樣電阻采樣、放大，然后送至微控制器的A／D端口。對蓄電池進行檢測的關(guān)鍵在于對電壓采樣的精確程度，因而采樣電路設(shè)計得是否適當(dāng)對整個系統(tǒng)至關(guān)重要。由于MB9BF500N內(nèi)嵌的A／D轉(zhuǎn)換器可以工作于5 V基準電壓下，故采用圖4所示的電流電壓采集電路。該電路的最大好處是，不但可以保證采樣值能隨蓄電池端電壓的變化相應(yīng)地實時變化，而且能夠使數(shù)據(jù)更加準確、可靠。

圖4 電流電壓采集監(jiān)測電路

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計直接影響著系統(tǒng)的功能。具體的充電和修復(fù)的流程圖如圖5、圖6所示。①若選擇了普通充電模式，則系統(tǒng)首先使電池進入預(yù)充電狀態(tài)，并監(jiān)測這一過程。當(dāng)預(yù)充電成功后，系統(tǒng)將進入恒流充電階段，這一階段充電器對電池進行快速充電。若預(yù)充電不成功則報告充電失敗，結(jié)束充電。當(dāng)電池電壓達到預(yù)定值時，轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)，同時監(jiān)測電池因充電飽和而發(fā)出的充電結(jié)束信號，隨后進入涓流充電，以保持電池電壓。②若選擇了修復(fù)模式，則系統(tǒng)將打開脈沖發(fā)生設(shè)備，產(chǎn)生修復(fù)脈沖，此模式下將完成一整套的修復(fù)工作，包括脈沖充電和電池放電等的若干次循環(huán)操作。在上述整個過程中，無論是處于普通模式還是修復(fù)模式，MCU都將實時監(jiān)測充電電壓、充電電流和電池溫度的變化，一旦發(fā)現(xiàn)異常，將發(fā)出告警信號，并結(jié)束充電過程直至故障解除。

圖6 電池修復(fù)流程

5 結(jié)束語

智能化充電設(shè)備將整個充電過程分為：預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電、浮充電共4個階段，這是公認的較為理想的充電方式。同時充電時將采用充-停 放的循環(huán)方式進行，以防止電池發(fā)生析氫等次生問題，提高充電效率。每個階段的開始與結(jié)束由微控制器依據(jù)采集到的和預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)來決定，以實現(xiàn)完全的智能化充電。修復(fù)功能能夠修復(fù)蓄電池因硫化等非物理因素損壞所導(dǎo)致的容量下降、內(nèi)阻增大等大多數(shù)常規(guī)故障，使電池重獲新生。修復(fù)原理采用目前較為理想的脈沖電流充電修復(fù)方式，設(shè)備具有完整的基于軟硬件結(jié)合方式的脈沖產(chǎn)生與功率驅(qū)動電路，以產(chǎn)生可控的、理想的修復(fù)脈沖，達到最佳修復(fù)效果。

［1］ 種晉，高文明.熱電池硫化物正極材料放電機理研究進展［J］.電源技術(shù)，2009，33（3）：227- 230.

［2］ 郝得寧，趙曉榮.富士通微控制器的開發(fā)應(yīng)用［J］.儀器儀表用戶，2008，15（1）：58- 60.

［3］ 張波.鉛酸電池失效模式與修復(fù)的電化學(xué)研究［D］.上海：華東理工大學(xué)，2011.

［4］ 程超會.多階段正負脈沖鉛酸蓄電池充電系統(tǒng)設(shè)計［D］.新鄉(xiāng)：河南師范大學(xué)，2011.

［5］ 劉勝利.現(xiàn)代高頻軟開關(guān)電源應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2001.

［6］ A I.Pressman.開關(guān)電源設(shè)計［M］.第3版.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［7］ 柏建國，王聰，魏幼平.TOPSwitch- GX系列單片開關(guān)電源的應(yīng)用設(shè)計［J］.電力電子技術(shù)，2003，（8）：71- 73.

［8］ 韓曉東，傅春江，杜宇.判斷電動車電池放電終止?fàn)顟B(tài)的新標準［J］.電池，2002，32（2）：117- 120.

Design of Intelligent Lead- acid Battery Charging Management and Repair System

SONG He CHEN Chaobo LI Jichao GAO Song
（Xi’an University of Technology，Electronic Information Engineering College，Xi’an 710021，China）

為了解決鉛酸蓄電池充放電過程中的硫化問題，提出并設(shè)計了一種基于富士通微控制器MB9BF500N的智能化充電與修復(fù)于一體的鉛酸蓄電池維護設(shè)備，采用TOPSwitch- GX249YN專用芯片，結(jié)合用復(fù)合式高頻脈沖修復(fù)方式，實現(xiàn)了電路充電監(jiān)控管理及電池的修復(fù)。實驗表明利用該系統(tǒng)可以給常規(guī)的鉛酸蓄電池充電管理和修復(fù)，較大程度的延長單顆電池的使用壽命。

鉛酸蓄電池；硫化；充電；修復(fù)；智能化

In order to solve the sulfuration problem while charging and discharging a leadacid battery，an intelligent charging and repair device in the lead- acid battery maintenance equipment is developed and designed，said device being based on a FUJISTU MB9BF500N microcontroller.The monitoring and management of the repair of the battery circuit is achieved by using a TOPSwitch- GX249YN dedicated chip combined with high frequency pulse composite repair.Experiments show that the system can be applied in conventional lead- acid batteries for charging management and restoration，and the use life of individual batteries is extended.

lead- acid battery；sulfide；charging；repair；intelligent

TM910.6

A

1001- 2257（2015）08- 0053- 03

宋 鶴 （1990－），男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向為智能化控制；陳超波 （1978－），男，浙江寧波人，碩士，副教授，研究方向為智能控制、多傳感器數(shù)據(jù)融合、計算機控制及嵌入式系統(tǒng)；李繼超 （1989－），男，陜西寶雞人，碩士研究生，研究方向為智能控制和計算機控制；高 嵩 （1966－），男，陜西西安人，博士，教授，研究方向為智能控制和多傳感器信息融合。

2015-03-06

陜西省教育廳科研計劃項目（14JF009），陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項目（2014K06-31）。