铅酸蓄电池硫化修复系统的设计

曾 洁 孙佳佳 张红伟

(大连交通大学电气信息学院，辽宁 大连 116028)

当前世界各国正积极发展新能源电池技术，但目前新能源电池技术尚不够成熟，大规模生产和应用还存在问题。铅酸蓄电池以其成熟的技术、低廉的价格、大电流放电及高可靠性等优点仍然被广泛应用于诸多领域。铅酸蓄电池若不加以管理就会出现极板硫酸盐化问题，进而发生蓄电池特性降低而提前报废的现象，势必造成能源利用率下降和使用成本的提高[1]。针对该问题笔者提出了一套蓄电池硫化修复系统，使蓄电池性能得到明显提高。

1 铅酸蓄电池的工作原理及硫酸盐化①

1.1 铅酸蓄电池的工作原理

蓄电池放电过程:铅酸蓄电池在接通外电路后，正负极板之间的电势差会在电池内形成电场，负极板上的电子会在电场的作用下从负极板经由外部电路流向正极板，这样负极板源源不断地为负载提供电子，同时电池内部发生一系列的化学反应，以提供持续的电能。其相应的化学反应式为[2]:

总反应 PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

蓄电池充电过程:蓄电池充电过程就是在两极板之间接通直流电源，使放电过程中产生的硫酸铅转化成活性物质铅和二氧化铅，这样就可以通过化学能的形式把电能存储起来。铅酸蓄电池充电过程化学反应方程式如下[2]：

总反应 2PbSO4+2H2O=PbO2+Pb+2H2SO4

1.2 铅酸蓄电池的硫酸盐化

蓄电池极板硫酸盐化是指电池因过量放电或者在长时间充电不饱和的情况下，使得蓄电池极板上活性物质渐渐地转化成粗大、坚硬的硫酸铅晶体，并附着在极板的表面，阻止了硫酸溶液渗入和电流传输，蓄电池的内阻变大[3]。这样就造成蓄电池充放电性能严重恶化，且应用常规的充电方式不能将硫酸铅晶体转化为二氧化铅和铅，使得电池放电量比正常值小很多，电池的寿命大打折扣。

复合脉冲谐振修复法的原理是运用频率不同的脉冲来对硫酸盐化的硫酸铅晶体进行冲击振荡，抑制硫酸铅晶体继续生长并消除硫化现象，从而使铅酸蓄电池内部硫化的硫酸铅在充放电过程中参加电化学反应，由原来不可逆的硫酸铅转换成可逆的硫酸铅，同时脉冲修复不会给蓄电池两极板带来伤害[4]。如果在铅酸蓄电池充放电过程中脉冲前沿比较陡峭，通过傅立叶级数对脉冲频谱展开分析，其带有丰富的谐波分量，其中低频谐波成分振幅大，可以为大硫酸铅晶粒提供谐振能量，而高频谐波成分振幅小，可以为小硫酸铅晶粒提供谐振能量。

2 脉冲修复系统硬件电路设计

该系统应具有对电池工况参数的采集、修复及控制功能等。系统主要由微控制器单元、数据采集单元、上位机监控系统和脉冲修复单元4部分组成，图1所示为系统的总体架构。

图1 系统总体架构

2.1 电池工况参数采集电路设计

2.1.1单体电池电压巡检模块

单体电池电压的采样巡检过程如图2所示。微控制器通过光电耦合器来控制采样电路中多路模拟开关的输入通道地址，在同一时刻获取其中一路单体电池电压，然后经过运算放大器进行放大，最后再将采样信号进行隔离输出，经过隔离后的模拟电压信号送给微控制器进行A/D转换。

图2 单体电池电压巡检过程

电压巡检单元包括两个多路模拟开关AD7506，一个运放放大器AD620，一个光电耦合器TLP521-4和一个隔离放大器ISO122。该电路设计中只需7路差动输入的电压采样通道，其中两个AD7506的S1通道分别对基准电源取样，其他S2～S7通道用来采集6节单体电池电压。

2.1.2电流测量模块

采用HEC100-C8型号的霍尔电流传感器进行电流采集，此器件电流测量范围±100A，通过管脚3输出0～5V电压，并通过RC滤波网后送给微控制器进行A/D转换，电流测量电路如图3所示。

图3 电流测量电路

2.1.3温度测量模块

该电路使用数字温度传感器DS18B20作为温度测量芯片。采用单总线上挂接6个DS18B20的方式来测量电池温度，同时采用外部电源供电，使用这种方式需要一个4.7kΩ的上拉电阻来保证供电电流，图4所示为电池温度测量电路。

图4 电池温度测量电路

2.2 复合脉冲产生电路设计

2.2.1充放电修复工作过程

硫化的铅酸蓄电池脉冲谐振修复工作过程如图5所示。系统首先对硫化铅酸蓄电池进行充电修复，等待充电修复完成后，为了提高铅酸蓄电池的修复率，蓄电池静止一段时间就应该对其进行放电修复。一个修复周期结束后，根据修复进度来调节控制脉冲频率和幅值，再进行下一个周期的脉冲谐振修复过程。

图5 脉冲谐振修复工作过程

2.2.2PWM脉冲输出模块电路设计

PWM脉冲输出模块的电路设计如图6所示，微控制器产生两路PWM信号，经过光电耦合器进行电压隔离，来提高系统的可靠性和稳定性，再经过三极管放大电路将PWM信号进行放大，通过驱动电路来驱动场效应管。其中，微控制器引脚PD5为充电修复电路的脉冲输出端，引脚PD7为放电修复电路的脉冲输出端。

图6 PWM脉冲输出模块的电路

2.2.3驱动电路设计

微控制器输出的PWM经过三极管放大后送给驱动芯片，采用美国国际整流公司研制的IR2110驱动芯片，图7为驱动电路图。引脚HIN和LIN为逻辑输入电压端，引脚HO和LO为电压输出端，这两路输出的脉冲通过电阻与开关管的栅极连接，从而实现由PWM脉冲控制开关管的导通与关断的作用。

图7 驱动电路

3 脉冲修复系统软件程序设计

当启动监控系统界面上的修复按钮后，系统进行蓄电池修复功能，首先采集电池的电压、电流和温度，微控制器对其进行数据分析与处理，根据电池的修复情况调控脉冲的频率和幅值。修复系统软件设计流程如图8所示。

4 铅酸蓄电池硫化修复实验

为了完成实验，需要12V供电源、硫化的铅酸蓄电池、脉冲电源、放电负载、电池修复控制电路、上位机及线束等。修复充电脉冲电源是本实验室团队自主开发的大功率脉冲电源，专门用于蓄电池充电之用。

4.1 电池充放电修复

首先启动上位机监控系统控制面板上充电修复按钮，对PWM脉冲频率进行标定，并对充电器的充电电流大小进行调节，根据修复过程中的电压、电流、温度和剩余电量(soc)的变化来进一步调控脉冲频率和充电电流，启动文件存储模块将电池工况参数进行保存。当充电修复完成后，还要进行放电修复，并观察电池参数的变化，经过几个周期的充、放电修复，硫化问题得到解决。图9为电池修复完成后满充电情况下采集到的电池工况参数。

图8 修复系统软件设计流程

图9 电池修复完成后的工况参数

4.2 实验分析

铅酸蓄电池硫酸盐化修复实验过程中采集的数据见表1。修复前满充电时，其工况参数为：各单体电池电压均在1.80V附近，总电压为11.11V，soc为57.8%，单体电池温度在30～45℃之间变化。修复后满充电时，其工况参数为：各单体电池电压均在2.00V附近，总电压为12.02V，soc约为86.8%，单体电池温度维持在35℃左右。

表1 实验数据分析

通过对铅酸蓄电池修复前后实验数据和参数波形进行分析可知，铅酸蓄电池的性能有了明显提高，蓄电池的使用寿命得到了延长。

5 结束语

通过对铅酸蓄电池进行大量的研究与实验，针对硫酸盐化问题，开发了一套铅酸蓄电池硫化修复系统。该系统采用复合脉冲谐振修复方法，对冲击振荡粗大的硫酸铅晶体具有很好的效果。修复实验结果表明修复后的蓄电池性能得到了明显提高，修复系统实现了预设的基本功能并达到了设计要求。对硫化的铅酸蓄电池展开修复研究，对促进资源再利用和环境保护具有一定意义。