摘要：針對(duì)鉛酸蓄電池充放電過(guò)程中存在極板易硫化導(dǎo)致電池失效報(bào)廢現(xiàn)象，研制了一款高頻諧振式修復(fù)儀。采用恒壓電源疊加高頻諧振電路的方法，修復(fù)電路產(chǎn)生頻率豐富的諧波信號(hào)并與硫酸鉛晶體產(chǎn)生共振，從而溶解不同體積和形狀的硫酸鉛晶體，消除鉛酸蓄電池的硫化，恢復(fù)蓄電池原有容量。高頻諧振及放電電路作為主電路，以AVR單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行表明，所研究的修復(fù)系統(tǒng)可安全可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)硫化鉛酸蓄電池的修復(fù)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池；高頻諧振；單片機(jī)

1 引言

鉛酸蓄電池因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用可靠而得到廣泛應(yīng)用。由于鉛酸蓄電池經(jīng)常出現(xiàn)使用或維護(hù)不當(dāng)?shù)葐?wèn)題，其極板上會(huì)生成白色粗晶粒硫化鉛，簡(jiǎn)稱硫化或極化。鉛酸蓄電池的硫化會(huì)導(dǎo)致蓄電池內(nèi)阻增大，容量下降，使許多鉛酸蓄電池過(guò)早報(bào)廢，實(shí)際上報(bào)廢電池中有80％以上都可以修復(fù)而延長(zhǎng)使用壽命。隨著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的不斷應(yīng)用，利用高頻諧波與硫酸鉛晶體實(shí)現(xiàn)共振，并擊碎硫酸鉛晶體達(dá)到修復(fù)目的的方法比較有前景，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 修復(fù)儀主電路

2．1 直流恒壓電源

修復(fù)儀采用恒壓電源疊加高頻諧振的方法，在高頻諧振電路前級(jí)有一個(gè)15 V直流恒壓電源，修復(fù)儀并未將其與高頻諧振電路一體化，15 V直流恒壓電源限流電路如圖1所示。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)K0，K1，K2的關(guān)斷和閉合來(lái)改變限流電阻的大小，從而改變恒壓源的輸出電流大小。針對(duì)不同容量的鉛酸蓄電池，通過(guò)控制上述3個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)來(lái)設(shè)置不同的修復(fù)模式，使修復(fù)儀更加智能化。

2．2 高頻諧波及放電電路

高頻諧波及放電電路如圖2所示。15 V的直流電源系統(tǒng)的輸出經(jīng)過(guò)濾波電感送入修復(fù)單元，每個(gè)修復(fù)單元由2個(gè)電感、1個(gè)電容、1個(gè)二極管和1個(gè)開(kāi)關(guān)管組成。通過(guò)高頻脈沖控制開(kāi)關(guān)管VT3，VT4的開(kāi)通與關(guān)斷，電感與電容諧振產(chǎn)生的高頻諧波信號(hào)可與鉛酸蓄電池中硫酸鉛晶體共振而使得硫酸鉛晶體溶解，從而消除鉛酸蓄電池的硫化。修復(fù)電路中并聯(lián)修復(fù)單元的數(shù)量由所設(shè)計(jì)修復(fù)系統(tǒng)的修復(fù)電池容量范圍而定。此修復(fù)儀采用兩個(gè)修復(fù)單元并聯(lián)的方式。眾所周知，定時(shí)對(duì)電池放電有利于提升鉛酸蓄電池的修復(fù)效果，開(kāi)關(guān)管VT5與小阻值電阻串聯(lián)后接在蓄電池兩端，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通關(guān)斷達(dá)到給電池放電的目的。

3 修復(fù)儀控制系統(tǒng)

3．1 控制系統(tǒng)的組成

修復(fù)儀控制系統(tǒng)如圖3所示。

開(kāi)關(guān)管控制部分控制的開(kāi)關(guān)器件包括高頻諧波及放電電路中的VT3，VT4，VT5以及15 V直流恒壓電源限流電路中的K0，K1，K2。輸出電壓電流檢測(cè)部分包括修復(fù)儀輸出電壓電流檢測(cè)以及蓄電池正反接檢測(cè)。容量鍵盤(pán)選擇部分是根據(jù)需修復(fù)的鉛酸蓄電池的容量先調(diào)節(jié)鍵盤(pán)發(fā)送信號(hào)給單片機(jī)，再通過(guò)單片機(jī)控制K0，K1，K2來(lái)選擇不同的修復(fù)方式。蜂鳴器及指示燈控制部分包括蓄電池反接報(bào)警、修復(fù)失敗或者完成鳴叫通電指示、正在修復(fù)指示。LCD顯示部分包括修復(fù)儀輸出電壓電流、修復(fù)時(shí)間、電池容量、修復(fù)進(jìn)度。

3．2 開(kāi)關(guān)管控制電路

開(kāi)關(guān)管控制電路如圖4所示。SG3525及其外圍電路產(chǎn)生頻率為20 kHz，占空比為0．1的PWM信號(hào)。SG3525振蕩器頻率由外接電阻R2和電容CT1決定，f=1／[CT1(0．7R2+3RD)]，其中RD很小，可忽略不計(jì)。占空比調(diào)節(jié)則可通過(guò)滑動(dòng)RP1來(lái)完成。圖4中SG3525產(chǎn)生的PWM信號(hào)通過(guò)兩路PNP阻容耦合共射放大電路放大后控制開(kāi)關(guān)管VT3，VT4的開(kāi)通與關(guān)斷。

3．3 正反接及電壓電流檢測(cè)電路

正反接及電壓電流檢測(cè)電路如圖5所示。當(dāng)電池正接時(shí)，光耦A(yù)2導(dǎo)通且輸出正接檢測(cè)信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)控制指示燈亮表示蓄電池連接正確。BATT+代表的電壓信號(hào)流經(jīng)二極管和R3后傳送給單片機(jī)，再由單片機(jī)A／D轉(zhuǎn)換后在LCD顯示屏上顯示檢測(cè)電壓值。BATT-代表的電流信號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大器LM358放大后傳送給單片機(jī)，再由單片機(jī)A／D轉(zhuǎn)換后在LCD顯示屏上顯示檢測(cè)電流值。當(dāng)電池反接時(shí)，光耦A(yù)1導(dǎo)通且輸出反接檢測(cè)信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)控制蜂鳴器報(bào)警表示蓄電池反接。圖6為單片機(jī)程序工作流程。

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4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

高頻諧振式修復(fù)儀的主電路參數(shù)：L1=350μH，L2=L4=6．75 mH，L3=L5=142μH，C1=C2=100μF。采用AVR ATmega32單片機(jī)作為修復(fù)儀控制系統(tǒng)的主控器件，MOSFET VT3，VT4的開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz，占空比為0．1。開(kāi)關(guān)管VT3，VT4驅(qū)動(dòng)波形如圖7a所示。高頻諧振式鉛酸蓄電池修復(fù)儀工作時(shí)用電流鉗測(cè)得的輸出電壓、電流波形如圖7b所示。在VT3，VT4開(kāi)通關(guān)斷的瞬間，電感與電容諧振產(chǎn)生豐富的高頻諧波信號(hào)。

以一臺(tái)因硫化而報(bào)廢的鉛酸蓄電池(120 Ah)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，修復(fù)儀設(shè)計(jì)的修復(fù)周期為23 h，修復(fù)過(guò)程中每隔半小時(shí)對(duì)其修復(fù)電壓、電流即RUN電壓進(jìn)行了記錄，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)利用Matlab畫(huà)出修復(fù)過(guò)程中變量曲線如圖7c所示。在該鉛酸蓄電池一次修復(fù)完成后，對(duì)其進(jìn)行放電實(shí)

以上持續(xù)了約9 h，平均放電電流約為11 A，可計(jì)算出該蓄電池容量恢復(fù)到約100 Ah，達(dá)到了總?cè)萘康?0％。實(shí)驗(yàn)證明所研究的修復(fù)儀對(duì)因極板硫化而報(bào)廢的鉛酸蓄電池有很好的修復(fù)效果。

5 結(jié)論

研制了一臺(tái)高頻諧振式鉛酸蓄電池修復(fù)儀。實(shí)驗(yàn)及運(yùn)行結(jié)果表明，對(duì)由于硫化而損壞的鉛酸蓄電池進(jìn)行一次或數(shù)次修復(fù)后，其容量基本能恢復(fù)到總?cè)萘康?0％以上，具有很好的修復(fù)效果，降低了鉛酸蓄電池的報(bào)廢率。