铅酸电池装配线短路检测的选型及应用

汪 敏

（江苏先特能源装备有限公司，江苏 南京 211100）

短路（Short circuit）是指在正常电路中电势不同的两点不正确地直接碰接或被阻抗（或电阻）非常小的导体接通时的情况。能够让电流通过的材料，导体依其导电性还能够细分为超导体、导体、半导体、及绝缘体。在科学及工程上常用利用欧姆来定义某一材料的导电程度。它们使电力极容易地通过它们。

当电流在导体内流过时，事实上是因为导体内的自由电荷(在金属中的自由电荷是电子,而在溶液中的自由电荷则为阴、阳离子)产生漂移而造成的，根据材料的不同，自由电荷的漂移方式也不相同：在超导体中，电子几乎不受原子核的干扰而能够快速移动；在导体内电子的移动受限于该材料所造成的电子的能阶大小；在半导体内，电子能够移动是因为电子-空穴效应；而绝缘体则是电子受限于分子所构成的共价键，使得电子要脱离原子是一件非常困难的事。因此，没有绝对绝缘的绝缘体，只要有足够大的能量（例如高压电）就可以使电子得以通过某绝缘体。

所以，我们所检测的极群是由导电材料构成，因为我们提供的电压也不可能无限高。比如不导电的铅膏和不导电的生板，如果用此类方法测试的结果一种是全部都合格，另一种全部都不合格。除非板栅裸露或正负极板栅裸露并且距离比正常装配的正负极距离近了检测才有效。

短路检测控制器作为极群短路系统的控制与管理的中心，承担着被检测极群的合格或不合格的鉴别任务。当在按要求设定的电压和泄漏电流情况下，超出设定值就判定为不合格品。但是，不同的隔板及不同的需求就要选用不同的控制系统；如果选择不恰当，则会导致检测工作不正常，甚至设备不能发挥作用。下面就分别描述一下各自的工作原理，供大家选择时参考。

1 设计选型难点

隔板[1-2]的作用：（1）防止正负电极板互相接触而发生电池内部短路；（2）使电池装配紧密，缩小电池体积；（3）防止极板变形，弯曲和活性物质脱落；（4）在极板间的多孔性隔板中贮存必要数量的电解液，以保证较高的导电性和电池反应的要求；（5）阻止一些对电极有害的物质通过隔板进行迁移和扩散。

不同短路检测系统中，由于生产电池的隔板种类不同，使设计不得不面对一些必须解决的新问题。

1.1 内阻大的选择

PE隔板具有较小的孔径，极低的电阻和极薄的基底，易于做成袋式，适用于蓄电池的连续化生产。PP隔板吸湿性小，易发生融体破裂，长期与热金属接触易分解。像此类隔板在常温下松装配的情况下测试出来的电流就要小，因为内阻比较大，所以相对来说需要使用连续性的持续加压上去，才能达到测试效果。

1.2 内阻小（湿度大）的选择

在阀控式铅酸蓄电池中普遍使用超细玻璃纤维隔板(AGM)，该隔板的主要功能是可使电极间的离子流动，具有极高的孔率；大的比表面积及良好的润湿性是能够吸附最大量的电解液的隔板主要特性。此类隔板的紧装配及隔板本身特性导致了与上面同样电压下测试出来的电流大很多。所以此类电池需要用脉冲的电压，因为只有如此才能达到这样的效果。

1.3 大电流高压的选择

当我们用常规的仪器测试时，当检测有报警时，一般情况下都会断开负载上的电压。因为控制器的变压器功率较低，不能输出很大的电流，所以，大电流的短路检测此时发挥了用处。当检测的板栅有短路时，电压持续加到负载上，直至烧出或大或小的痕迹，也有可能把隔板直接烧穿掉。

2 系统实现

2.1 工作框图[3]

高压控制器的设计采用带AD转换的单片机去控制。主要组成部分包括：(1)AD采样调理模块；(2)PWM驱动调节模块；(3)升压式调节模块；(4)智能通讯接口单元模块；(5)供电电源模块；(6)同步信号调理模块；（7）AC-DC模块。

不同的功能，由不同的模块组成，如图1所示。

图1 高压控制器组成示意图

2.2 工作原理

（1）连续电压测量控制器的PWM电路控制部分，由AC转换为DC电压输入到IN，再由DC转AC连接到OUT后升压，然后连接到负载去做测试，通过负载电流与设定电流比较判断合格或不合格。（2）脉冲式高压测量控制系统由硬件同步控制电路转换后，通过逐次采样判断是否到达峰值，连续判断确认后触发可控硅导通，产生的脉冲电压加到负载上，通过负载电流与设定电流比较判断合格或不合格。

3 硬件设计[3]

3.1 连续电压测试硬件设计

图2所示的是由连续高压测试所需的硬件电路和由四个MOS管构成全桥逆变电路。当DC-AC后，通过升压变压器得到50 Hz的交流高压，交流高压加到负载上后形成一个回路电流，通过电流互感器得到的电流信号经调理电路处理送到单片机进行处理。

图3所示，连续高压测试电流通过此电路调理后送CPU采样得到。

图2 全桥逆变电路工作原理图

图3 测试电流调理电路

3.2 脉冲测试硬件设计

图4所示为脉冲高压硬件设计核心控制部分。触发信号为CPU根据同步信号处理后输出很短的脉冲信号；高压交流输入是根据产品的需求提供所需要的电压值；到电压调理电路是根据产品需求设定的电压值送到调理电路后给CPU的AD采样显示；到电流调理电路是根据一定的负载所得回路电流的电压值，把此值送到调理电路后给CPU的AD采样显示，并与设定值进行比较判断是否合格；高压输出到负载是我们所输出的脉冲电压接到负载两端，形成一个电流回路。

图4 脉冲高压硬件设计

3.3 通讯接口单元

本单元使用RS-485标准数据信号采用差分传输方式，硬件主要为485通讯IC和附加的保护电路，可选择并联120 Ω电阻。通信地址号通过键盘编程设定。主要功能是把所测量的数据如输出电压、测量电流、电流设定报警值等数据送到上位机进行记录以方便以后查询。

4 实际应用方法

当我们选择好设备后，在现场如何进行参数的设定呢？特别是工艺人员对工艺参数必须要掌握一个度的把握。简单一点的做法就是将参数设定分为两种方式。

（1）根据实际情况设定一个报警电流值

首先我们设定一个所要求的电压，把电流报警设为最大，然后拿出我们认为合格品10～20只，分别测量记录显示电流值，以记录值最高者为基准，再放一点正偏差余量，以此作为设定的电流值作为工艺参数。这样的工作每个班都要做，操作起来麻烦一些，对要求高一些的厂家可以考虑。因为电流值变化受到影响的因素很多，装配的松紧、干燥的程度、天气的潮湿度等等都会有影响，所以不能固定一个值不变。（2）根据短路情况设定一个短路电流报警值

我们首先设定一个所需要的电压，把报警值设到最大，然后短路看显示最大值是多少，根据显示的电流值大小去设定一个略低于此值的（负偏差）报警设定值即可。这样的话每个班参数就可以不用再调整，简化了工艺和操作人员的工作，但对于装配松紧和干湿度要求较高的厂家就要另外调整。在调整过程中，脉冲工作方式不需要特别注意的地方；连续电压方式因为系统设计决定了电压过低会导致短路也不会报警，所以电压调低后一定要短路测试一下能否报警，电压高了也可能看不见电流显示值，所以直接把电流报警设定到略低于最大即可。

5 结论

短路检测控制系统在一定的条件下完全可以达到我们所设定的要求；经过不同厂家的使用反馈来看，选型非常关键。只要选对了型号并掌握了使用技巧，对于用户来说会达到事半功倍的效果，对提高电池产品品质有着不可估量的作用。

[1]刘广林.铅酸蓄电池工艺学概论[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]石光.铅酸蓄电池隔板[M].北京：化学工业出版社，2010.

[3]SLOSS A.ARM嵌入式系统开发：软件设计与优化[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.