直流與間歇高頻諧振脈沖疊加式鉛酸蓄電池修復(fù)儀

魏芝浩，王春芳

（青島大學(xué)電氣工程學(xué)院，青島 266071）

鉛酸蓄電池在使用過程中由于過放電或放置時間較長在其極板上會產(chǎn)生一些大小不一的硫酸鉛晶體，從而使蓄電池溶液的溶解度減小，造成蓄電池容量下降甚至報廢[1-3]。針對蓄電池的極板硫化問題，常用的修復(fù)方式有大電流修復(fù)法[4]、正負(fù)脈沖修復(fù)法[5-6]及高頻脈沖修復(fù)法[7-8]，大電流修復(fù)法不能修復(fù)硫化的蓄電池，且容易造成極板軟化，導(dǎo)致蓄電池永久失效；正負(fù)脈沖修復(fù)法可以防止蓄電池的硫化，但對已經(jīng)硫化的蓄電池修復(fù)效果不佳；而高頻脈沖修復(fù)法能夠很好地消除鉛酸蓄電池的硫化[9]。

本文針對高頻脈沖修復(fù)法,設(shè)計了一種新型修復(fù)儀。該修復(fù)儀以PIC單片機(jī)為控制核心，根據(jù)報廢電池容量的人工設(shè)定值及電池?fù)p壞程度的自動檢測值，將蓄電池修復(fù)過程分為4個修復(fù)階段，在不同階段系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的工作，對蓄電池進(jìn)行修復(fù)。

1 修復(fù)儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的修復(fù)儀結(jié)構(gòu)如圖1所示，該修復(fù)儀由輸出15 V的開關(guān)穩(wěn)壓電源、間歇式高頻脈沖修復(fù)電路及控制電路組成。15 V直流電與高頻諧振電路產(chǎn)生的脈沖波疊加后通過控制電路被用于蓄電池的修復(fù)，控制電路是以單片機(jī)PIC16F887為控制核心，同時由按鍵選擇、電壓檢測電路、電流檢測電路、充放電控制電路、驅(qū)動電路、LCD顯示電路、蜂鳴器及指示燈組成。當(dāng)用戶根據(jù)被修復(fù)的蓄電池的容量大小，通過按鍵選擇設(shè)定好容量后，按下啟動按鍵，由單片機(jī)控制繼電器KM1開通或關(guān)斷，從而控制修復(fù)儀是否工作；電壓、電流檢測電路把檢測到的電壓、電流信號傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過AD轉(zhuǎn)換后在LCD上顯示電壓、電流的大小，便于用戶實時監(jiān)測蓄電池的狀態(tài)[10-11]；驅(qū)動電路控制高頻諧振電路中開關(guān)管的開通關(guān)斷，單片機(jī)產(chǎn)生20 kHz變占空比的PWM控制波形，該控制波形經(jīng)驅(qū)動電路放大后直接驅(qū)動開關(guān)管；LCD顯示電路用來顯示修復(fù)儀的修復(fù)電壓、修復(fù)電流、修復(fù)進(jìn)度及修復(fù)時間；當(dāng)蓄電池出現(xiàn)反接、修復(fù)失敗時，單片機(jī)會控制指示燈亮同時會使蜂鳴器發(fā)出鳴叫進(jìn)行報警。

圖1 修復(fù)儀結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of repairing instrument

2 間歇式高頻脈沖修復(fù)電路

2.1 修復(fù)電路原理

間歇式高頻脈沖修復(fù)電路如圖2所示，主要由兩級構(gòu)成：前級為15 V的開關(guān)穩(wěn)壓電源，通過改變開關(guān)穩(wěn)壓電源的限流電阻來控制其輸出電流的大小，從而修復(fù)不同容量的鉛酸蓄電池；后級為高頻諧振電路和放電電路，高頻諧振電路產(chǎn)生豐富頻率的諧波信號，此信號同硫酸鉛晶體發(fā)生共振，從而可以擊碎各種形狀的硫酸鉛晶體，達(dá)到修復(fù)目的[12-16]。該修復(fù)系統(tǒng)的高頻諧振電路是由兩個相同的修復(fù)單元并聯(lián)組成，可以產(chǎn)生與硫酸鉛晶體發(fā)生共振的間歇高頻諧振脈沖，繼電器KM1控制修復(fù)儀是否工作，小阻值電阻R2和蓄電池構(gòu)成放電回路，繼電器KM2控制修復(fù)儀是否放電，蓄電池定時放電有助于提升修復(fù)效果。

圖2 間歇式高頻脈沖修復(fù)電路Fig.2 Repairing circuit with intermittent high-frequency pulse

2.2 修復(fù)電路的狀態(tài)分析

高頻諧振電路可由若干個修復(fù)單元并聯(lián)組成，修復(fù)單元的數(shù)量決定著修復(fù)儀所能修復(fù)蓄電池的容量范圍。修復(fù)單元的結(jié)構(gòu)如圖3所示，對含有一個修復(fù)單元的高頻諧振電路進(jìn)行狀態(tài)分析如下。

圖3 修復(fù)單元結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of repairing unit

狀態(tài)1：按下啟動按鍵，使修復(fù)儀啟動，開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uin給電容C1進(jìn)行充電，同時為蓄電池進(jìn)行充電，其狀態(tài)方程為

式中：iL1和iL2為電感L1和L2的電流；UC1為電容C1的電壓；UE為蓄電池兩端的電壓。

狀態(tài)2：開關(guān)管VT1導(dǎo)通，二極管D1反向截止，電感L3和電容C1構(gòu)成回路發(fā)生諧振，同時開關(guān)穩(wěn)壓電源為蓄電池進(jìn)行充電，其狀態(tài)方程為

式中，iL3為電感L3的電流。

狀態(tài)3：開關(guān)管VT1關(guān)斷，電感L3上的電流不能突變，通過二極管D1進(jìn)行續(xù)流，電容C1和電感L3為蓄電池充電，同時電感L2和電感L3構(gòu)成回路，其狀態(tài)方程為

狀態(tài)2和狀態(tài)3的不斷切換使高頻諧振電路產(chǎn)生尖峰電壓，從而得到了頻率豐富的高頻諧波。

當(dāng)開關(guān)管的驅(qū)動波形占空比變大時，修復(fù)儀輸出到蓄電池兩端的電壓諧波尖峰相應(yīng)變大，同時高頻諧波的能量也隨之變大，據(jù)此提出了變占空比的控制策略，即硫酸鉛晶體的不同大小擊碎時所需的能量不同?？筛鶕?jù)蓄電池的修復(fù)進(jìn)度選擇不同的占空比，考慮到主電路中電容的耐壓，因此占空比的選擇范圍為5%～15%。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制器設(shè)計

選用PIC16F887單片機(jī)作為控制器，其具有40引腳、8位CMOS閃存、最高頻率8 MHz內(nèi)部振蕩器、35個可單獨(dú)控制的I/O引腳、4個可輸出10位PWM的I/O引腳，完全能夠滿足控制系統(tǒng)的要求，此外還具有功耗低、性價比高、編程簡單等特點(diǎn)。

3.2 檢測電路設(shè)計

3.2.1 電壓檢測電路

為了實現(xiàn)主電路與控制電路的電氣隔離，防止主電路中的高頻諧波進(jìn)入到單片機(jī)控制系統(tǒng)中，造成單片機(jī)的損壞和較大的測量誤差，從而設(shè)計了以高精度線性光耦HCNR201為核心的電壓檢測電路[17]。電壓檢測電路如圖4所示。修復(fù)儀的輸出電壓經(jīng)分壓電阻分壓后送到電壓檢測電路的輸入端Uin處，然后經(jīng)過電壓檢測電路電氣隔離之后，其輸出端Uo接到單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換端口上。

圖4 電壓檢測電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of voltage detection circuit

HCNR201是一種高精度線性光耦，且滿足下列關(guān)系

式中：IPD1、IPD2分別為輸入、輸出二極管的電流；IF為發(fā)光二極管的電流；K1、K2分別為輸入、輸出二極管的電流傳輸比；K3為線性光耦的傳輸增益，其中線性光耦HCNR201的K3大約為1±0.05。由運(yùn)放的“虛斷”和“虛短”，可推出輸出與輸入的關(guān)系即電壓增益為

由式（9）可知電壓檢測電路的電壓增益只與電阻R8和R6的比值有關(guān)。所設(shè)計的電壓檢測電路需滿足：當(dāng)輸入電壓為0～3 V時，輸出電壓Uo線性對應(yīng)為0～3 V，故取電阻R6與R8相等，即電壓增益等于1。由實驗可得電壓檢測電路輸入電壓與輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。利用Mathcad將以上數(shù)據(jù)繪制成插值曲線，如圖5所示。

由表1和圖5可知，輸出電壓增加到3.59 V時，線性光耦達(dá)到了飽和，此時再增加輸入電壓，輸出電壓將保持不變；同時在0～3 V范圍內(nèi)，輸出電壓與輸入電壓呈線性關(guān)系，且電壓增益大約為1。故所設(shè)計的電壓檢測電路符合設(shè)計要求。

表1 輸入電壓與輸出電壓對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Relationship between input and output voltages V

圖5 電壓增益曲線Fig.5 Voltage gain curve

3.2.2 電流檢測電路

電流檢測是通過檢測采樣電阻R1的壓降實現(xiàn)，與電壓檢測電路的差別僅是增加了同向比例放大器，對采樣電阻R1的電壓信號進(jìn)行放大。電流檢測電路如圖6所示。采樣電阻R1上的電壓送到電流檢測電路的輸入端Uin處，先經(jīng)過同向比例放大器放大后，然后通過線性光耦實現(xiàn)電氣隔離，其輸出端Uo接到單片機(jī)的另一個AD轉(zhuǎn)換端口上。

圖6 電流檢測電路結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of current detection circuit

4 實驗驗證

基于以上分析，制作了1臺占空比可變、可修復(fù)不同容量鉛酸蓄電池的直流與間歇高頻諧振脈沖疊加式修復(fù)儀樣機(jī)，其開關(guān)頻率為20 kHz，占空比可調(diào)節(jié)范圍為5%～15%，可修復(fù)鉛酸蓄電池的容量范圍為20～400 Ah，主電路具體參數(shù)如表2所示。

直流與間歇高頻諧振脈沖疊加式鉛酸蓄電池修復(fù)儀對一臺容量為100 Ah的報廢蓄電池進(jìn)行修復(fù)實驗，其中修復(fù)周期為23 h。修復(fù)過程按時間劃分為4個階段：第1階段為第0～3 h，此階段根據(jù)鉛酸蓄電池的容量大小來設(shè)定開關(guān)穩(wěn)壓電源的限流電阻從而控制其輸出電流；第2階段為第3～4 h，在第3 h將開關(guān)穩(wěn)壓電源的限流電阻設(shè)為最小值，即開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電流為最大值；第3階段為第4～10 h，在第 4 h KM1關(guān)斷，KM2開通 2 s，鉛酸蓄電池進(jìn)行大電流放電，同時測量其放電電壓，也稱為RUN電壓，如果RUN電壓大于設(shè)定電壓，則修復(fù)儀繼續(xù)修復(fù)蓄電池，否則停止修復(fù)；第4階段為第10～23 h，第10 h與第4 h的工作過程相同，在第23 h測量RUN電壓，用來判斷鉛酸蓄電池是否修復(fù)成功。修復(fù)儀在修復(fù)過程中驅(qū)動電壓Ugs及輸出電壓Uo波形如圖7所示。

表2 樣機(jī)參數(shù)Tab.2 Parameters of prototype

圖7 驅(qū)動電壓及輸出電壓波形Fig.7 Waveforms of drive voltage and output voltage

在進(jìn)行鉛酸蓄電池修復(fù)時，先根據(jù)蓄電池的容量對修復(fù)儀進(jìn)行容量設(shè)定。修復(fù)儀首先采用15%的占空比針對體積比較大的硫酸鉛晶體，然后分別在第4、10 h，把開關(guān)管的占空比分別調(diào)節(jié)為10%、5%。在修復(fù)過程中每隔0.5 h記錄一次修復(fù)電壓和修復(fù)電流，并在第4、10、23 h測量蓄電池的RUN電壓，利用Matlab畫出上述參數(shù)的變化曲線如圖8（a）所示，在對鉛酸蓄電池多次修復(fù)之后，然后進(jìn)行蓄電池的放電實驗，每隔15 min記錄一次放電電壓和放電電流，鉛酸蓄電池的放電電壓減小到10.8 V時停止放電，其放電曲線如圖 8（b）所示。由圖 8（b）可知，蓄電池持續(xù)放電7.5 h，其平均放電電流為11 A，可計算得到蓄電池容量修復(fù)到約80 Ah，修復(fù)達(dá)到了總?cè)萘康?0%。

圖8 修復(fù)曲線與放電曲線Fig.8 Repairing and discharge curves

5 結(jié)語

本文設(shè)計了1臺直流與間歇高頻諧振脈沖疊加式鉛酸蓄電池修復(fù)儀，分析了修復(fù)原理及修復(fù)過程，進(jìn)行了鉛酸蓄電池的修復(fù)實驗和放電實驗。實驗結(jié)果表明：該修復(fù)儀具有對蓄電池?fù)p傷較小、修復(fù)效果較好等特點(diǎn) ，修復(fù)前鉛酸蓄電池的容量為30%，修復(fù)后可達(dá)到總?cè)萘康?0%以上；同時該修復(fù)儀具有操作簡單、顯示直觀、集成了人工智能等特點(diǎn)，對于節(jié)能環(huán)保、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)有著重要意義，應(yīng)用前景十分廣闊。