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)用還存在問題。鉛酸蓄電池以其成熟的技術(shù)、低廉的價格、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出現(xiàn)極板硫酸鹽化問題，進(jìn)而發(fā)生蓄電池特性降低而提前報廢的現(xiàn)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(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

蓄電池放電過程:鉛酸蓄電池在接通外電路后，正負(fù)極板之間的電勢差會在電池內(nèi)形成電場，負(fù)極板上的電子會在電場的作用下從負(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(chǎn)生的硫酸鉛轉(zhuǎn)化成活性物質(zhì)鉛和二氧化鉛，這樣就可以通過化學(xué)能的形式把電能存儲起來。鉛酸蓄電池充電過程化學(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(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對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程中參加電化學(xué)反應(yīng)，由原來不可逆的硫酸鉛轉(zhuǎn)換成可逆的硫酸鉛，同時脈沖修復(fù)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(shù)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(fù)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

該系統(tǒng)應(yīng)具有對電池工況參數(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

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(guān)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(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，最后再將采樣信號進(jìn)行隔離輸出，經(jīng)過隔離后的模擬電壓信號送給微控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

圖2 單體電池電壓巡檢過程

電壓巡檢單元包括兩個多路模擬開關(guān)AD7506，一個運(yùn)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(shè)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(zhǔn)電源取樣，其他S2～S7通道用來采集6節(jié)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(jìn)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(wǎng)后送給微控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)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(shù)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(fù)合脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計

2.2.1充放電修復(fù)工作過程

硫化的鉛酸蓄電池脈沖諧振修復(fù)工作過程如圖5所示。系統(tǒng)首先對硫化鉛酸蓄電池進(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，蓄電池靜止一段時間就應(yīng)該對其進(jìn)行放電修復(fù)。一個修復(fù)周期結(jié)束后，根據(jù)修復(fù)進(jìn)度來調(diào)節(jié)控制脈沖頻率和幅值，再進(jìn)行下一個周期的脈沖諧振修復(fù)過程。

圖5 脈沖諧振修復(fù)工作過程

2.2.2PWM脈沖輸出模塊電路設(shè)計

PWM脈沖輸出模塊的電路設(shè)計如圖6所示，微控制器產(chǎn)生兩路PWM信號，經(jīng)過光電耦合器進(jìn)行電壓隔離，來提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，再經(jīng)過三極管放大電路將PWM信號進(jìn)行放大，通過驅(qū)動電路來驅(qū)動場效應(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)動電路設(shè)計

微控制器輸出的PWM經(jīng)過三極管放大后送給驅(qū)動芯片，采用美國國際整流公司研制的IR2110驅(qū)動芯片，圖7為驅(qū)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(guān)管的柵極連接，從而實(shí)現(xiàn)由PWM脈沖控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷的作用。

圖7 驅(qū)動電路

3 脈沖修復(fù)系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

當(dāng)啟動監(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)

首先啟動上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制面板上充電修復(fù)按鈕，對PWM脈沖頻率進(jìn)行標(biāo)定，并對充電器的充電電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)修復(fù)過程中的電壓、電流、溫度和剩余電量(soc)的變化來進(jìn)一步調(diào)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(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)過幾個周期的充、放電修復(fù)，硫化問題得到解決。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)過程中采集的數(shù)據(jù)見表1。修復(fù)前滿充電時，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，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

通過對鉛酸蓄電池修復(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。

5 結(jié)束語

通過對鉛酸蓄電池進(jìn)行大量的研究與實(shí)驗(yàn)，針對硫酸鹽化問題，開發(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)計要求。對硫化的鉛酸蓄電池展開修復(fù)研究，對促進(jìn)資源再利用和環(huán)境保護(hù)具有一定意義。