鉛酸蓄電池硫化修復系統的設計

曾 潔 孫佳佳 張紅偉

(大連交通大學電氣信息學院，遼寧 大連 116028)

當前世界各國正積極發展新能源電池技術，但目前新能源電池技術尚不夠成熟，大規模生產和應用還存在問題。鉛酸蓄電池以其成熟的技術、低廉的價格、大電流放電及高可靠性等優點仍然被廣泛應用于諸多領域。鉛酸蓄電池若不加以管理就會出現極板硫酸鹽化問題，進而發生蓄電池特性降低而提前報廢的現象，勢必造成能源利用率下降和使用成本的提高[1]。針對該問題筆者提出了一套蓄電池硫化修復系統，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

蓄電池放電過程:鉛酸蓄電池在接通外電路后，正負極板之間的電勢差會在電池內形成電場，負極板上的電子會在電場的作用下從負極板經由外部電路流向正極板，這樣負極板源源不斷地為負載提供電子，同時電池內部發生一系列的化學反應，以提供持續的電能。其相應的化學反應式為[2]:

總反應 PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

蓄電池充電過程:蓄電池充電過程就是在兩極板之間接通直流電源，使放電過程中產生的硫酸鉛轉化成活性物質鉛和二氧化鉛，這樣就可以通過化學能的形式把電能存儲起來。鉛酸蓄電池充電過程化學反應方程式如下[2]：

總反應 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量放電或者在長時間充電不飽和的情況下，使得蓄電池極板上活性物質漸漸地轉化成粗大、堅硬的硫酸鉛晶體，并附著在極板的表面，阻止了硫酸溶液滲入和電流傳輸，蓄電池的內阻變大[3]。這樣就造成蓄電池充放電性能嚴重惡化，且應用常規的充電方式不能將硫酸鉛晶體轉化為二氧化鉛和鉛，使得電池放電量比正常值小很多，電池的壽命大打折扣。

復合脈沖諧振修復法的原理是運用頻率不同的脈沖來對硫酸鹽化的硫酸鉛晶體進行沖擊振蕩，抑制硫酸鉛晶體繼續生長并消除硫化現象，從而使鉛酸蓄電池內部硫化的硫酸鉛在充放電過程中參加電化學反應，由原來不可逆的硫酸鉛轉換成可逆的硫酸鉛，同時脈沖修復不會給蓄電池兩極板帶來傷害[4]。如果在鉛酸蓄電池充放電過程中脈沖前沿比較陡峭，通過傅立葉級數對脈沖頻譜展開分析，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 脈沖修復系統硬件電路設計

該系統應具有對電池工況參數的采集、修復及控制功能等。系統主要由微控制器單元、數據采集單元、上位機監控系統和脈沖修復單元4部分組成，圖1所示為系統的總體架構。

圖1 系統總體架構

2.1 電池工況參數采集電路設計

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程如圖2所示。微控制器通過光電耦合器來控制采樣電路中多路模擬開關的輸入通道地址，在同一時刻獲取其中一路單體電池電壓，然后經過運算放大器進行放大，最后再將采樣信號進行隔離輸出，經過隔離后的模擬電壓信號送給微控制器進行A/D轉換。

圖2 單體電池電壓巡檢過程

電壓巡檢單元包括兩個多路模擬開關AD7506，一個運放放大器AD620，一個光電耦合器TLP521-4和一個隔離放大器ISO122。該電路設計中只需7路差動輸入的電壓采樣通道，其中兩個AD7506的S1通道分別對基準電源取樣，其他S2～S7通道用來采集6節單體電池電壓。

2.1.2電流測量模塊

采用HEC100-C8型號的霍爾電流傳感器進行電流采集，此器件電流測量范圍±100A，通過管腳3輸出0～5V電壓，并通過RC濾波網后送給微控制器進行A/D轉換，電流測量電路如圖3所示。

圖3 電流測量電路

2.1.3溫度測量模塊

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

圖4 電池溫度測量電路

2.2 復合脈沖產生電路設計

2.2.1充放電修復工作過程

硫化的鉛酸蓄電池脈沖諧振修復工作過程如圖5所示。系統首先對硫化鉛酸蓄電池進行充電修復，等待充電修復完成后，為了提高鉛酸蓄電池的修復率，蓄電池靜止一段時間就應該對其進行放電修復。一個修復周期結束后，根據修復進度來調節控制脈沖頻率和幅值，再進行下一個周期的脈沖諧振修復過程。

圖5 脈沖諧振修復工作過程

2.2.2PWM脈沖輸出模塊電路設計

PWM脈沖輸出模塊的電路設計如圖6所示，微控制器產生兩路PWM信號，經過光電耦合器進行電壓隔離，來提高系統的可靠性和穩定性，再經過三極管放大電路將PWM信號進行放大，通過驅動電路來驅動場效應管。其中，微控制器引腳PD5為充電修復電路的脈沖輸出端，引腳PD7為放電修復電路的脈沖輸出端。

圖6 PWM脈沖輸出模塊的電路

2.2.3驅動電路設計

微控制器輸出的PWM經過三極管放大后送給驅動芯片，采用美國國際整流公司研制的IR2110驅動芯片，圖7為驅動電路圖。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電阻與開關管的柵極連接，從而實現由PWM脈沖控制開關管的導通與關斷的作用。

圖7 驅動電路

3 脈沖修復系統軟件程序設計

當啟動監控系統界面上的修復按鈕后，系統進行蓄電池修復功能，首先采集電池的電壓、電流和溫度，微控制器對其進行數據分析與處理，根據電池的修復情況調控脈沖的頻率和幅值。修復系統軟件設計流程如圖8所示。

4 鉛酸蓄電池硫化修復實驗

為了完成實驗，需要12V供電源、硫化的鉛酸蓄電池、脈沖電源、放電負載、電池修復控制電路、上位機及線束等。修復充電脈沖電源是本實驗室團隊自主開發的大功率脈沖電源，專門用于蓄電池充電之用。

4.1 電池充放電修復

首先啟動上位機監控系統控制面板上充電修復按鈕，對PWM脈沖頻率進行標定，并對充電器的充電電流大小進行調節，根據修復過程中的電壓、電流、溫度和剩余電量(soc)的變化來進一步調控脈沖頻率和充電電流，啟動文件存儲模塊將電池工況參數進行保存。當充電修復完成后，還要進行放電修復，并觀察電池參數的變化，經過幾個周期的充、放電修復，硫化問題得到解決。圖9為電池修復完成后滿充電情況下采集到的電池工況參數。

圖8 修復系統軟件設計流程

圖9 電池修復完成后的工況參數

4.2 實驗分析

鉛酸蓄電池硫酸鹽化修復實驗過程中采集的數據見表1。修復前滿充電時，其工況參數為：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。修復后滿充電時，其工況參數為：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 實驗數據分析

通過對鉛酸蓄電池修復前后實驗數據和參數波形進行分析可知，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。

5 結束語

通過對鉛酸蓄電池進行大量的研究與實驗，針對硫酸鹽化問題，開發了一套鉛酸蓄電池硫化修復系統。該系統采用復合脈沖諧振修復方法，對沖擊振蕩粗大的硫酸鉛晶體具有很好的效果。修復實驗結果表明修復后的蓄電池性能得到了明顯提高，修復系統實現了預設的基本功能并達到了設計要求。對硫化的鉛酸蓄電池展開修復研究，對促進資源再利用和環境保護具有一定意義。