一种铅酸蓄电池容量修复电路设计

张 犇，黄雪珂

(江苏联合职业技术学院，南京 210024)

1859年由法国物理学家普兰特发明的铅酸蓄电池，因能量稳定、可靠性强、性价比高等优点，至今仍在交通、通信、电力等领域都有着广泛的使用。铅酸蓄电池主要分为铅及其氧化物制成的电极和硫酸电解液两部分，属于循环利用的二次电池，其工作原理是一种电化学过程：

放电是将化学能转化为电能输出的过程，铅酸蓄电池连接好外部电路，稀硫酸就会与阴、阳极板上的活性物质产生反应，生成硫酸铅。硫酸成分逐步减少，放电愈久，硫酸愈稀薄。同时，所消耗稀硫酸成分与放电量成正比关系，只要测得剩余电解液中的硫酸含量，即可得知放电量。充电是利用外接电能转化为化学能，使其内部活性物质再生。当充电时正负极板上硫酸铅会被分解还原成硫酸、铅及过氧化铅，硫酸含量逐渐增加。当两极的硫酸铅被还原成原来的活性物质时，电解液也恢复到放电前的含量，即充电结束。

1 铅酸蓄电池的硫化

1.1 现象

铅酸蓄电池在使用过程中往往寿命很短，这是因为在蓄电池极板上形成了白色粗状晶粒硫酸铅，这种结晶体附在极板上增加电池内阻，堵塞电离子通道，减小与电解液接触面积，使导电性能变差，导致充电时很难转化成二氧化铅和海绵状纯铅，这样的恶性循环会使得铅酸蓄电池容量下降，亏电状态闲置时间越长，蓄电池的损坏越严重，俗称硫化现象。

1.2 产生的原因

这种状况一般是由于蓄电池深度放电直至亏电造成的，如使用后没及时充电或者在起步、载重、上坡时，瞬间大电流放电等原因。现行充电器充电采用的是与通信电源类似的开关电源，即纯直流恒流转恒压充电方式。这种充电方式适用于放电深度不大于30%的铅酸蓄电池，但对于电极板表面形成硫酸结晶的蓄电池基本没有作用。

2 铅酸蓄电池修复电路的设计

为打破这些硫酸盐层的束缚，设计了蓄电池修复器，采用脉冲活化技术来打碎硫酸结晶，使其重新溶解回电解液中，极板上电子存储量增加，整个电池的蓄放电量自然也就增加了。

2.1 整体方案

整个修复器设计电路分为6个部分，分别是控制电路供电、脉冲发生器、驱动器、脉冲变换升压电路、输出电路和脉冲放电电路。

完整的系统框图和蓄电池性能修复装置电路原理图分别如图1和图2所示。

2.2 控制电路供电部分

由D3、C1、R1、R2、R3、R15、R16、R17、Z1、C2、R4、D7组成控制电路供电部分。D3是为了防止电动车充电器与修复装置之间的电源线接反设置的。如果一旦接反，修复装置将失去工作电源，将影响整个系统的用电安全。R1、R2、R3、R15、R16、R17、Z1、C2构成串联降压并联稳压电路，稳压值为12 V，提供给脉冲发生器等工作使用。R15、R16、R17是为60 V/72 V电动车充电系统备用的，R4、D7为电源接通指示。整个控制电路供电部分的作用是将电动车充电器输出的约57 V的直流电压转换成修复器内部电子电路所需的12 V直流电压。

图1 蓄电池性能修复装置电路框图

图2 蓄电池性能修复装置电路原理图

2.3 脉冲发生器、驱动器部分(集成模块内)

采用非对称多谐振荡器，核心集成模块为MDC-001，自带驱动器，输出占空比约为10%左右的正极性窄脉冲，并且以较高的输出驱动能力推动脉冲变换升压电路中的VMOS功率管。

2.4 脉冲变换升压电路

以VMOS功率场效应管为核心器件，在占空比约为10%左右的正极性窄脉冲的激励下，VMOS功率场效应管工作于开关状态，经储能电感产生高频脉冲电流对电瓶进行充电，脉冲变换升压电路如图3所示。

图3 脉冲变换升压电路

幅度足够大的正极性驱动脉冲加到VMOS功率场效应管Q1的栅极，使Q1的漏源导通，A点的电位近似为0，此时，D4反向截止，电瓶的放电电流只能通过R7～R10进行放电。Q1导通时间约为0.1 T(约0.9 μs)，电源电压直接加到储能电感L1上，L1中的电流IL线性上升，U的最大值为57 V，取L1=33 μH。

IL=UL△Ton/L1=57×0.9/33=1.55(A)。

流过L1的电流方向自左向右，L1两端的电压极性左正右负。正极性驱动脉冲过去之后，Q1截止，由于电感L1中的电流不能突变，但电流呈减小趋势，使得L1两端的电压UL极性反转，左负右正，UL的数值取决于关断时间的长短，UL=L1△IL/△Toff=33×1.55/{0.9×(1-0.1)/0.1}=6.3(V)，由于UL与+57 V电源电压串联，所以VA=57+UL=63.3(V)，由此可见，图3的电路起到了脉冲升压的作用。

2.5 输出部分和防倒流电路

图4为IL的波形和VMOS功率场效应管Q1漏极A点输出电压波形。从图4可以看出，当IL不连续时，A点输出电压波形的脉动加大，这种状态在直流电源里是不可取的，但是在修复器中确是非常可取的。为了防止电路中寄生参数会导致过高的尖峰电压击穿Q1，在电感L1上并联了R19、C6吸收电路。同时，功率场效应管Q1导通时，也可以作为脉冲放电功能，要控制放电电流的大小。R11、R12用来调节和限制充电电流。

以高出电动车充电器输出电压的高频脉冲对电瓶进行修复性充电，防倒流电路利用具有单向导电性功能的二极管D1、D2、D3构成，可以防止因停电电瓶对充电器倒灌电流。

2.6 脉冲放电电路

在输出充电电路中，加入占空比约为10%左右的窄脉冲放电电路，利用VMOS功率场效应管导通，对电瓶进行脉冲放电，能消除电解液中的浓度差，减小浓差极化。控制脉冲放电电流大小由电阻R7、R8、R9、R10构成。调整放电电路的参数，可以调整放电深度。

图4 IL波形与A点输出电压波形

3 实验数据

3.1 脉冲振荡器模块输出电压实测波形

输入端接入电动车充电器，如图5，脉冲振荡器模块输出的是正向窄脉冲，脉冲幅度约为1.7 V峰峰值，而示波器探头有10倍衰减，所以实际电压为17 V峰峰值；脉冲频率为109 kHz。

图5 脉冲振荡器小模块输出电压波形

3.2 空载时VMOS功率场效应管Q1漏极A点输出电压实测波形

空载时电感L1中的电流处于不连续状态。图6中，负脉冲表示为Q1导通，脉冲正台阶为升压脉冲，前沿的尖峰是电感L1与分布参数谐振产生的，R19与C6吸收了一部分尖峰谐振的能量，保护Q1不致被过高的尖峰电压击穿；脉冲平台为充电器的输出电压。

3.3 输出端接上+48 V电瓶，VMOS功率场效应管Q1漏极A点输出电压实测波形

此时电感L1中的电流处于连续状态。图7中脉冲峰峰值为115 V，有效值为64 V。改变R11、R12可以调节和限制充电电流。充电电流平均值约为600 mA。改变R7～R10可以调节和限制放电电流。放电峰值电流为120 mA。

图6 Q1漏极A点输出电压波形

图7 Q1漏极A点输出电压波形

4 结语

该铅酸蓄电池修复器是纯电子低压直流产品，正常使用寿命能够达到10 a以上，实验中所产生的电脉冲的频率由每秒数千次之低频升级成为每秒数十万次之高频脉冲，并且在充电过程中加入放电脉冲，能消除电解液中的浓度差，减小浓差极化。不但可以活化现有的铅酸蓄电池直到报废，同时可以有效地阻止硫化物的形成，继续保护新的蓄电池，延长铅酸蓄电池的寿命。