基于脉冲原理的电压型在线保养装置设计

程建伟，朱诗顺，朱道伟，杨钢

（1.后勤工程学院学员旅，重庆401331；2.军事交通学院汽车工程系，天津 300161）

基于脉冲原理的电压型在线保养装置设计

程建伟1，朱诗顺2，朱道伟2，杨钢2

（1.后勤工程学院学员旅，重庆401331；2.军事交通学院汽车工程系，天津 300161）

通过研究铅酸蓄电池负极板硫化失效机理，设计了一套基于脉冲除硫技术，主电路采用Boost升压拓扑电路的电压型铅酸蓄电池在线自动保养装置。实验结果表明，所设计的装置可以通过硬件和软件程序的调节实现高频、高幅值的充放电脉冲，实现了对铅酸蓄电池的在线保养。

硫化失效；脉冲除硫；自动保养装置

起动型铅酸蓄电池是车辆装备使用必不可少的重要组成部分，每年的储备与使用消耗巨大，在车辆消耗器材中仅次于轮胎，占有重大比重。它具有间歇式的使用特点，在停用过程中缺乏对蓄电池及时必要的维护，会过早地造成蓄电池硫化失效，平均寿命只有两年甚至更少，有人形象地比喻为“起动型铅酸蓄电池不是用坏的而是长期不用放置坏的”。在放置期间铅酸蓄电池负极板放电产物硫酸铅会由微小的颗粒逐渐形成一种粗大坚硬的硫酸铅，造成蓄电池失效[1]。本文以12 V/ 180 Ah起动型铅酸蓄电池作为研究对象，设计了一种电压型在线自动保养装置。

1 铅酸蓄电池负极板硫化失效机理和脉冲除硫技术分析

1.1 负极板硫化机理

铅酸蓄电池在充放电过程中发生如下反应[2]：

蓄电池放电时正、负极的活性物质均通过化学反应转化为硫酸铅。硫酸铅在微观结构上呈疏松的海绵状，极板处于高势能状态。若不及时进行充电，导致亏电状态下电池放置时间过长，极板上的硫酸铅会从不稳定的高势能状态转变到低势能状态。并且多晶体系倾向于减小其表面自由能的方向发生变化，疏松多孔的硫酸铅晶体在双重作用下逐渐转变为晶粒粗大的硫化层[3]。小尺寸的结晶溶解度大于大尺寸的结晶，造成极板上的活性物质失效。由于正极板在充电过程中产生的氧原子有较强的氧化能力，硫酸铅会被氧化成原活性物质，因此，正极板不会受到硫化损伤，硫化只会发生在负极板上[4]。

1.2 脉冲除硫技术基本原理

脉冲除硫技术是通过外界装置对蓄电池的极板发送一定频率的激励信号。这种激励信号需与硫原子产生谐振，以将硫离子从最低能级（共价键能级）状态激活到高能级状态，使处于稳定共价键状态的硫离子逐渐剥离而转化为溶于电解液的游离子状态，促使晶粒粗大的硫酸铅逐渐溶解，恢复极板的活性。这种激励信号不但使陈旧的硫酸盐化层得以转化，对反应中生成的硫酸铅，也可以破坏其产生堆积和结晶的相对静止的条件，使之始终处于活性状态[5]。

2 铅酸蓄电池电压型保养装置硬件系统设计

2.1 保养装置系统组成和工作原理

如图1所示，装置的硬件系统由控制模块、检测模块、信号指示模块、电源模块、驱动模块、升压储能模块和功率MOSFET等模块组成。

教学实验包括实验前测试和实验后测试，教学实验于2015年9月至11月统一在足球场进行，10周，每周3课时，共计32个学时，教学对象分普通班与实验班，各为54人。

装置是以蓄电池为能源的自源装置。控制模块通过单片机和程序对MOS管驱动电路进行控制，进而控制功率MOSFET，控制其开通和关断的时间，实现充放电频率的调整。在MOSFET开通和关断的转换中，电容分别完成充电储存能量过程和放电对蓄电池充电过程，从而实现对蓄电池的充放电电压脉冲冲击。当蓄电池电压过低时，该装置可产生声光报警，提示人员对蓄电池进行及时充电。

图1 电压型保养装置系统示意图

2.2 保养装置工作电路设计

该装置采用基于ATtiny24单片机芯片的Boost升压拓扑电路，通过MOS管受占空比为的脉冲控制，交替导通或关断，以此来控制电感和电容组成的振荡电路，完成对蓄电池电压(12 V)的升高和降低，形成充放电脉冲，同时完成对蓄电池两端进行电压脉冲的充放电过程，装置主电路如图2所示，图3为装置MOS管驱动电路原理图。保险丝GP60主要在电路短路和过流时对电路起保护作用；D2为快速恢复二极管，主要起防止保养装置反接的功能；D3也为快速恢复二极管，主要功能是在为电容充电时阻断电感L3通路。

图2 保养装置主电路原理图

图3 保养装置MOS管驱动电路原理图

如图4所示，ATtiny24单片机的1脚提供单片机的工作电压，因为蓄电池两端的电压为12 V而单片机的工作电压为5 V，因此需要一个稳压调整器对电压进行转换，电压转换电路如图5所示。4脚有复位功能，如果在其最小脉冲宽度的时间内持续出现一个较低值则产生复位。6脚将一定频率的方波输送给MOS管的驱动电路，控制MOS管开通和关断的时间和频率。12脚是电压采样管脚，它的一端接在主电路保险丝GP60之后对电池电压进行采样，然后将数值提供给ATtiny单片机，在芯片内经过程序分析，通过10脚和11脚对发光二级管进行控制以及通过2脚对蜂鸣器进行控制，如果电池电压低于11.8 V时，保护器蜂鸣器报警，并且10脚和11脚的发光二级管交替闪亮。13脚通过精确稳压芯片431得到一个确定的电压，同时C4和C5并联滤除杂波，作为A/D转换的基准电压。14脚接地，5、8、9三脚空接。

图4 ATtiny24单片机基本工作外围电路图

图5 保养装置电源电压转换电路原理图

2.3 主电路关键元器件选型

2.3.1 电感和电容选型计算

保养模块主要靠Boost拓扑电路中的电感实现升压功能，然后把高压回充给蓄电池两端。主电路的输入电压IN为12 V，提升电压O为22 V，占空比为1/12，流经L2的平均充电电流约为0.7A，即O2=0.7 A；流经L3的平均充电电流约为3.2 A，即O3=3.2 A。

因此，通过电感L2的电流可由公式计算如下：

同理，通过电感L3的电流可由公式计算如下：

考虑到损耗，设计选择电感L3参数为额定电流4 A，电感量为60μH。

电容C1作为滤波电容，由于主电路提升电压达到22 V，为了避免瞬时出现的反激电动势击穿电容，设计选择电容C1的参数为电压等级35 V，电容量为标准220μF。

2.3.2 功率MOS开关管选型计算

由于保养装置的脉冲频率主要受MOS管开关频率的影响，为实现高频、高幅值脉冲，将MOS管的开关频率定位在8 kHz左右。由于MOS管的开启电压在4.3 V左右，选定的功率管的最大栅极电压应小于4.3 V。主电路可提升电压达22 V，考虑到电感产生的反激电动势能够达到90 V，所选用的功率开关管的耐压等级要超过117 V。同时考虑到流经电感L2的电流会瞬时达到3.5 A，所选用的功率开关管的峰值电流要超过4.6 A。根据以上条件并结合MOS管的结温和外壳温度，主电路设计选择的功率开关管型号为IRF630，此开关管的开启电压为4 V，耐压值为200 V，漏极和源极导通电阻为400 mΩ，25℃条件下所能承受的脉冲电流达到9 A，具有非常低的功耗。

3 保养装置控制程序设计

根据铅酸蓄电池保养装置的工作目的，其工作原理设计如图6所示。

图6 系统控制流程

首先对单片机内的程序进行初始化，包括各寄存器赋初始值，定时器/计数器和AD采集寄存器置零，中断控制的选择和中断功能的开启。在完成初始化后，整体程序进入while (1)循环。在循环中第一步先采集蓄电池两端的端电压，将此值与系统设置的参数进行对比，当电压小于程序设定值11.5 V时，程序认为蓄电池的电压过低，处于亏电或者半亏电状态，保养装置打开蜂鸣器和闪光二极管，出现报警声音和红绿灯交替闪亮，提示应对蓄电池进行充电。若此值大于或等于设定的参数，则认为蓄电池电压正常，保养模块开启在线保养功能。由于该装置始终并联在蓄电池的两极上，蓄电池在使用过程中，如进行大电流放电，此时端电压下降较快，由此造成的电压波动可能会导致CPU误判断而产生错误的操作。为了消除电压波动的影响，除了在采样电路中进行电容滤波外，在程序上使用了平均值滤波算法。

4 保养装置实验研究

本文所设计的蓄电池在线自动保养装置在蓄电池两端工作时如图7所示，其工作时有防反接功能。

实验时，利用示波器电压探头采集嵌入电压型保养装置的铅酸蓄电池极柱两端的电压波形，如图8所示。由图8可以看出在蓄电池两端可形成上升电压为10 V、下降电压为5 V的电压脉冲，并且脉冲放大后可以明显看到波形为正弦振荡脉冲，说明嵌入电压型保养装置的电压波形的幅值和频率已达到高频、高幅值的要求，可以实现对铅酸蓄电池的自动保养。

图7 蓄电池两端连接保养装置工作图

图8 嵌入电压型保养装置的蓄电池两端电压波形图

利用示波器电流探头采集嵌入电压型保养模块的铅酸蓄电池保养装置回路的电流波形，如图9所示。由图9可看出电压型保养模块的回路电流波形起伏较小，说明电压型保养装置的功耗很小，但是电压脉冲的参数更接近于高频、高幅值的要求，保养效果会更好。

图9 电压型保养模块回路电流波形图

5 结论

通过研究铅酸蓄电池负极板硫化和脉冲除硫技术的原理，研制了一套针对起动型铅酸蓄电池的电压型在线自动保养装置。

（1）蓄电池在线自动保养装置可以产生8 kHz频率和上升幅值为10 V、下降幅值为5 V的电压脉冲，能够有效防止铅酸蓄电池静置状态硫化结晶，从而实现对铅酸蓄电池的自动保养；

（2）保养装置升压部分采用Boost拓扑电路，提升电压的幅值和频率主要受MOS管的开关频率影响；

（3）装置采用数字电路控制，为消除电压波动的影响，防止CPU误判，除了在采样电路中进行电容滤波外，在程序上也采用了平均值滤波算法。

[1]张月滨，王星博，任永乐，等.延长铅酸蓄电池寿命的保护装置设计[J].起重运输机械，2007(10)：23-26.

[2]朱松然.铅酸蓄电池简述[M].2版.北京：机械工业出版社，2002：211.

[3]朱诗顺，杨钢，朱道伟，等.一种大容量牵引型铅酸蓄电池在线保养装置设计[J].军事交通学院学报，2011(11)：69-72.

[4]王金良，许凤山.脉冲技术应用于失效铅酸蓄电池恢复的研究[J].电池工业，2001(2)：51-55.

[5]刘东升，刘昉.军用封存蓄电池全自动维护系统[J].兵工自动化，2010(11)：55-56.

Design of an onlineautomaticmaintenance device based-on pulse theory

CHENG Jian-wei1,ZHU Shi-shun2,ZHU Dao-wei2,YANGGang2

Through analyzing the sulfation failure mechanism on negative plates of lead-acid batteries,the pulse-repairing technology was designed.An online auto maintenance equipment of voltage type based-on the Boost topology circuit asmain circuitwas designed.The test results show that via adjusting hardware devices and programs,the high-frequency and high-amp litude recharge-and-discharge pulses can be achieved,leading online maintenance for lead-acid battery.

sulfation failure;pulse-repairing technology;automatic maintenance device

TM 912

A

1002-087 X(2014)05-0883-03

2013-10-25

程建伟(1988—)，男，山东省人，硕士研究生，主要研究方向为车辆混合动力。