鉛酸蓄電池脈沖修復(fù)器的研究

張芯語

（黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引 言

鉛酸蓄電池應(yīng)用于電動汽車、電力系統(tǒng)、通信基站以及各種供電設(shè)備的備用電源[1]。然而，大多數(shù)鉛酸蓄電池由于運行狀況惡劣、使用不合理等因素，導(dǎo)致其容量下降而提前失效[2]。鉛酸蓄電池過早報廢不僅會導(dǎo)致資源浪費，增加用電設(shè)備的維護(hù)更換成本，而且會造成環(huán)境污染[3]。因此，對硫化的蓄電池進(jìn)行修復(fù)具有重要意義。

1 鉛酸蓄電池的工作及硫化原理

鉛酸蓄電池由正負(fù)極板、隔板、電解液和極柱等結(jié)構(gòu)組成。它的正極活性物質(zhì)為二氧化鉛，負(fù)極活性物質(zhì)為海綿狀鉛。放電時，正極得到電子生成硫酸鉛，負(fù)極失去電子生成硫酸鉛，從而從負(fù)極板不斷產(chǎn)生電子傳到正極板產(chǎn)生電流。充電時，硫酸鉛又重新轉(zhuǎn)化成二氧化鉛和海綿狀鉛[4-7]。

總反應(yīng)化學(xué)方程式：

鉛酸蓄電池硫化是指放電過程中產(chǎn)生的硫酸鉛在放電完成后沒有及時轉(zhuǎn)化成活性物質(zhì)鉛和二氧化鉛。這些未經(jīng)轉(zhuǎn)化的硫酸鉛會逐漸在極板上轉(zhuǎn)化成堅硬粗大的硫酸鉛結(jié)晶，而這些結(jié)晶在充電時不僅不能重新轉(zhuǎn)化成活性物質(zhì)鉛和二氧化鉛，而且會阻礙電解液的滲透，增加蓄電池內(nèi)阻，進(jìn)而導(dǎo)致鉛酸蓄電池失效[8-10]。

脈沖修復(fù)電路的原理是通過硬件電路產(chǎn)生高頻脈沖修復(fù)波形，利用脈沖修復(fù)波形和硫酸鉛結(jié)晶體產(chǎn)生共振，從而擊碎硫酸鉛結(jié)晶，使其轉(zhuǎn)化成能參與反應(yīng)的小顆粒硫酸鉛，從而達(dá)到修復(fù)的目的。

2 脈沖修復(fù)硬件電路設(shè)計

2.1 修復(fù)電路原理圖

圖1為脈沖修復(fù)電路的框圖。該電路由反激供電電路、脈沖修復(fù)電路以及單片機(jī)控制電路組成。基本工作原理：市電經(jīng)整流橋整流電容濾波后變成311 V直流，311 V直流電經(jīng)反激電路降壓變?yōu)?3.8 V充電電壓，再經(jīng)過單片機(jī)控制的脈沖修復(fù)電路產(chǎn)生脈沖修復(fù)波形對蓄電池進(jìn)行修復(fù)。

圖1 修復(fù)電路框圖

修復(fù)電路原理如圖2所示，其中R1、C2和D1構(gòu)成RCD吸收電路。抑制開關(guān)過程中，由于漏感過大而形成過電流。通過合理選擇參數(shù)，使在Q1關(guān)斷過程中R1恰好消耗漏感的能量從而抑制電流尖峰，通過控制Q2的開通和關(guān)斷來形成高頻脈沖修復(fù)波形，對蓄電池進(jìn)行修復(fù)。

2.2 控制電路的設(shè)計

本文反激電路的控制電路選用峰值電流模式的控制方式。具體地，選用UC3843作為反激電路的PWM控制器。UC3843內(nèi)部包括5 V基準(zhǔn)源，用于誤差放大和峰值電流比較，并可以提供最大1 A電流的驅(qū)動電路，可以直接驅(qū)動Q1管。對UC3843外部電路設(shè)計，如圖3所示。其中，US、IS分別為反饋的輸出電壓和Q1管上的電流信號，R1、C1構(gòu)成補償網(wǎng)絡(luò)對反饋電壓進(jìn)行補償，R2、C2決定了輸出驅(qū)動波形的頻率，Vref為5 V基準(zhǔn)源，OUT引腳輸出驅(qū)動信號給反激電路的Q1管。

圖2 修復(fù)電路原理圖

圖3 UC3843外圍電路的設(shè)計

脈沖修復(fù)電路的控制流程，如圖4所示。

3 實驗驗證

鉛酸蓄電池脈沖修復(fù)電源工作時，用示波器測得的驅(qū)動波形和輸出電流波形如圖5所示。

圖5 實驗波形

4 結(jié) 論

研制了一臺鉛酸蓄電池脈沖修復(fù)電源。前級反激電路通過峰值電流模式控制產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓，限制MOS管流過的峰值電流保護(hù)MOS管；后級經(jīng)單片機(jī)控制產(chǎn)生脈沖修復(fù)波形與大顆粒硫酸鉛晶體發(fā)生共振達(dá)到修復(fù)目的。實驗驗證，該電源對于硫化的鉛酸蓄電池具有良好的修復(fù)效果，降低了鉛酸蓄電池的報廢率。

圖4 脈沖修復(fù)電路控制流程圖