阀控式铅酸蓄电池活化修复仪的设计与应用

于小冬

（北京亚澳博信通信技术有限公司，北京 101300）

随着信息、能源、电子技术的快速发展，阀控式铅酸蓄电池(VRLAB)目前已被广泛应用于电信运营、电力系统、通信专网、金融系统、交通系统、公安系统、石油煤炭、大型工矿企业等领域。与普通的铅酸蓄电池相比，VRLAB由于采用了内部氧复合技术，大大缓解了电解液的损耗，从而使其能够在免维护状态下长期工作，并具有体积小、防爆安全、电压稳定、无污染、质量轻、放电性能高、维护量小等优点。但是，目前广泛应用的VRLAB声称为免维护蓄电池，其实这种说法是不够科学和准确的。确切地讲，VRLAB应称为“少维护蓄电池”，仅是指平时无须加酸液和水，无须调节电解液的密度。由于蓄电池平时都并联在整流设备上并处于浮充状态中，时间一长，蓄电池就会出现活化物质脱落、电解液干涸、极板变形、腐蚀及硫化等异常情况，从而导致蓄电池容量降低甚至失效，一旦市电中断，极有可能酿成电力供电中断等重大事故。

VRLAB在国内的大量安装使用是从20世纪80年代末开始的，初期安装的电池主要为进口产品，进入20世纪90年代末，国产电池在许多领域开始大量使用。大部分厂家声称其VRLAB的设计寿命在10年以上，但是，在实际使用中许多电池寿命只有5～6年时间，条件恶劣者2～3年后便会出现容量明显下降现象。为此，有必要对严重影响电池使用寿命的原因进行研究。

随着我国工业化和城镇化进程的加快，特别是重、化工业和交通运输的快速发展，能源需求量将大幅上升，经济发展面临的能源约束矛盾和能源使用带来的环境污染问题就更加突出。本项目是节能环保项目，是符合国家产业政策的。

1 总体思路

首先保证修复仪工作稳定可靠；其次提高性能指标，设置完善的保护功能和人性化接口；再次简化电路，优化工艺，降低成本，提高生产效率。

充电单元设计，权衡五大隔离式电路拓扑的利弊，鉴于输出功率及自身特点采用正激电路形式。

热设计方面，充电单元鉴于热交换理论，将功率器件直接贴在外壳上，发热量较大的功率开关管、整流管直接贴在通风良好的外壳散热器上；放电负载产生的热量，由专用风扇进行冷却，避免修复仪内部热量的聚集。

整机密封无暴露在外的元器件，操作面板采用人性化斜坡设计，便于操作和查看显示信息，显示器采用贴膜处理，外壳全部采用不锈钢钉，输入/输出接口采用快速连接插头，保证在大电流下工作安全可靠。

2 技术方案

2.1 产品工作原理

如图1所示，将蓄电池修复仪在线接入到电源系统中，可以对蓄电池进行活化修复处理，不影响用电实际负载的供电，当在修复的过程中遇到交流停电或修复仪自身故障等突发情况，修复仪旁路装置启动，被修复电池自动接入电源系统为实际负载供电，有效避免系统瘫痪的风险。

图2所示为修复仪充电单元的工作原理图，电源输入单相220 VAC，经EMI处理后，通过初级升压预稳压技术在整流滤波和DC-DC功率转换级之间串入一个有源Boost升压型APFC电路作为前置级，通过控制电路的控制，一方面强迫输入电流跟随输入电压变化，从而实现高功率因数，另一方面反馈输出电压到控制电路使之稳定，从而使DC/DC变换器的输入实现预稳。DC/DC变换电路采用正激电路形式，具有电路形式简单、工作可靠等优点。

2.2 参数设计

2.2.1充电单元参数设计

(1)输出电压范围

按照阀控式铅酸蓄电池充电机制要求[1]，工作于浮充状态时充电电压要求为2.27～2.30 V/单体，工作于均充状态时充电电压要求为2.35～2.40 V/单体。对于48 V电源系统来说，在实际电池使用过程中多为2 V电池串联组成，所以修复仪充电单元的输出电压范围必须满足：浮充电压为54.48～55.20 V，均充电压为56.40～57.60 V。考虑到设计冗余本系统充电单元输出电压满足：浮充电压48.00～58.00 V，均充电压56.00～61.00 V[2]。

(2)输出纹波

通信局(基)站动力设备用后备蓄电池的维护，要求输入谐波失真尽量小，充电输出电压稳压精度≤±0.5%，稳流精度≤±1%，纹波系数≤0.5%。为此本修复仪采用偶合滤波专有技术加强了对充电电源输出纹波的抑制处理，取得令人满意的效果，经检测充电单元输出纹波系数≤0.3%，实现对电池的无损伤充电修复。

(3)输出限流保护

根据蓄电池充电特性曲线，结合实际荷电状态，采用智能分段限流方式充电实现对蓄电池无损充电，分为涓流短时充电、恒流充电、恒压充电。

涓流短时充电，充电器开始工作后，首先检测蓄电池的电压，若电池电压低于1.8 V，说明蓄电池曾经过度放电，为避免对蓄电池充电电流过大，造成热失控，微处理器通过检测蓄电池的电压，对蓄电池实行稳定小电流涓流充电，激活蓄电池。在涓流充电阶段，电池电压开始上升，当电池电压升到能接受大电流充电的阀值时则转入恒流充电阶段。该阶段为大电流恒流充电，电流值为I2，因蓄电池容量而异，一般为I2=0.1C(C为蓄电池组的容量)，在恒流充电状态下，不断检测电池的端电压，当电池电压达到饱和电压时，恒流充电状态终止。进入恒压充电阶段,这时充电电压保持不变,充电电流逐渐减小，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10时，终止恒压充电。

(4)充电终止控制

电池在充满电后，如果不及时停止充电，电池的温度将迅速上升。温度的升高将加快蓄电池板栅腐蚀的速度及电解液的分解，从而缩短电池的寿命，使其容量下降。为了保证电池充足电又不过充，修复仪采用定时控制、温度控制和电池电压、电流综合控制方法做到合理的充电终止控制。

2.2.2 智能控制单元设计

系统采用8位快速单片机控制电池充放电状态、采集电池数据、进行数据拷贝、显示电池状态及设置参数等。电池活化由充电、放电两个过程组成，单片机根据设置的参数自动由充电转为放电。充电期间单片机通过和下位机的通信来控制模块的输出电压及电流实现脉冲充电。放电期间单片机直接输出PWM脉冲经隔离电路控制放电负载实现恒流放电[3]。

检测电路由各节电池的电压、电流、温度的检测三部分组成。电压检测采用光耦继电器把各节电池电压接入系统，通过差分电路进行采样。

2.2.3 放电单元设计

在智能化的蓄电池修复中，要求其具有通过面板按键无级设定放电电流功能；在整个电池的放电过程中，保持放电电流恒定功能。在蓄电池放电过程中，随着放电时间的增加，蓄电池的电压开始下降，对于固定负载放电势必引起放电电流的下降。要想保证整个实验过程中放电电流恒定，就必须能够自动调整负载，本设计采用单片机智能控制，根据电流的变化产生PWM信号去调制放电负载，达到高精度的恒流放电电流。

2.3 结构设计

结构设计主要考虑布局、固定和散热几个方面。

(1)修复仪有多个功能单元组成，修复仪内部走线在不带来干扰的情况下尽量美观牢靠，装配易于操作，这就要求合理布局；

(2)修复仪为便携式设备，要通过振动、冲击试验要求，既要考虑好电感、变压器等重器件的固定，又要考虑好功率管、大电容等承受能力薄弱的元件的固定，还要考虑外壳结构件的强度等问题；

(3)散热处理，电源采用外置风冷，左侧进风右侧出风方式，本着尽一切可能将热量导到壳外的思想，将发热量较大的功率管直接贴在侧面通风良好的散热器上，保持冷却风道的畅通；

(4)显示及操作面板斜坡设计，便于操作和查看显示信息。

2.4 可靠性设计

充电单元采用功率因数校正技术、输入滤波及无源功率因数校正网络，使得电源的功率因数能达到0.92以上，减小电源对电网的干扰并提高电源抗干扰特性。

在线活化修复技术的应用，使电池的修复不需要断开电池与负载的连接，可以很好解决传统容量放电的能量浪费和交流停电造成系统瘫痪风险。

均衡脉冲充电控制技术，在把蓄电池硫酸盐化“不可逆”变成“可逆”的同时，基本上对电池极板没有任何损伤，提高了蓄电池使用寿命。

元器件降额使用，接触器、接插件、开关管、整流管电流应力降额50%以上。

设置完善保护功能，如交流停电旁路保护、充电单元输出过欠压、过温、限流、短路保护等。

2.5 设计方案

功能设计，修复仪可以实现的功能有：(1)可对多种规格的单体或多节电池进行充电、放电、活化、检测；(2)放电电流设定后，不因蓄电池组电压的降低而改变，可以自动调整，实现恒流放电；(3)智能分段充电模式，实现均充/浮充、恒流/恒压自动转换功能；(4)设定循环充/放电次数，可对蓄电池进行活化，激活电池极板失效的活性物质，延长电池的使用寿命；(5)活化修复参数可以修改设定，并自动完成蓄电池组各种参数的测试；(6)遇到特殊情况自动停机保护功能。

结构设计，整机密封无暴露在外的元器件，操作面板采用人性化斜坡设计，便于操作和查看显示信息，显示器采用贴膜处理，外壳全部采用不锈钢钉，输入/输出接口采用快速连接插头，在大电流下工作安全可靠。

热设计方面，充电单元鉴于热交换理论，将功率器件直接贴在外壳上，发热量较大的功率开关管、整流管直接贴在通风良好的外壳散热器上；放电负载产生的热量，由专用风扇进行冷却，避免修复仪内部热量的聚集。

安全设计，设置完善保护功能，如交流停电旁路保护、充电单元输出过欠压、过温、限流、短路保护等。

3 关键技术及创新点

3.1 快速容量分析技术

在线放电5～10min即能找出最小落后单体，并大致判断每个电池的剩余容量，放电1 h后能准确判断总容量和各单体电池容量，测试完成后还会自动生成测试报告。这么短的时间即使做离线放电也不必担心电池过放时交流停电造成的通讯中断风险问题，具有节能、省时、维护成本低、活化效率高等先进性。

3.2 在线活化修复技术

在线活化修复技术的应用，使电池的修复不需要断开电池与负载的连接，可以很好解决传统容量放电的能量浪费和交流停电造成系统瘫痪的风险。

3.3 均衡脉冲充电技术

修复仪通过不断的对铅极板施加相适应的频率，在电脉冲的作用下阻止金属铅的化学反应，根除硫酸盐化层的产生，制止板栅变形，保持活性物质不脱落。在“活化仪”作用下，充电时形成的三合一(均衡、脉冲、频率)均衡脉冲充电法，也阻止了电解液的酸类及其它有机物质对铅极板的腐蚀，防止铅极板腐烂，同时，对已产生惰性硫化物的铅极板进行自动修复，使其恢复正常使用功能。

3.4 化学修复技术

化学修复技术是通过智能分析软件，根据蓄电池静置电压、初始荷电状态、充放电特性曲线及测得内阻等多项电池参数进行综合分析，计算出极板有效活性物质数量，失水或失酸比例，通过化学方法加补充液或加酸调节，使蓄电池内部参与化学反应的电解液浓度达到设计值，容量达到最大程度恢复。

蓄电池充放电化学反应[4]：

电池总反应：

3.5 d u/d t防过充电技术

充电结束条件不是靠设定充电电压，而检测充电后期du/dt的变化率，做到确保各单体充满而不过充。

3.6 分段限流恒压充电技术

根据蓄电池充电特性曲线，结合实际荷电状态，智能分段限流充电，实现无损充电。

3.7 充电过程温度补偿技术

活化修复过程充电电压按照下面公式进行温度补偿，有效避免修复过程环境温度及充电自身引起的热失控效应，提高充电效率和可靠性。

4 成果的特点和水平

该活化仪具有高效、节能、高可靠等特点，集智能充电、精确放电、在线容量分析和活化为一体。表1为项目产品修复技术与国内同类产品进行对比。

传统的处理方法比较复杂，采用大电流充电、活性剂置换、正负脉冲充电等，这些方法修复成功率低，存在一定的副作用。对于密封电池来说，瞬间的充电电压使电极板所产生的氧气也可以通过氧循环在负极板上被吸收，电池也就不会形成失水，所以这是一种区别于其它修复方式的“无损失”修复技术。

5 项目应用情况

本产品经用户使用满足了用户的要求，工作可靠，性能稳定，保护功能完善，各接口方便使用；充电电源性能稳定，工作效率高节能环保；均衡脉冲修复技术，可以把“不可逆”变成“可逆”，并且基本上对电池极板没有任何损伤，这是铅酸电池修复的重大突破。

[1]郭永榔.阀控式铅酸蓄电池[M].北京：机械工业出版社,2007.

[2]周志敏,周纪海,纪爱华.阀控式密封铅酸蓄电池实用技术/电源实用技术系列书[M].北京：中国电力出版社,2004.

[3]王聪.软开关功率变换器及其应用[M].北京：科学出版社,2000.

[4]易清风,李东艳.环境电化学研究方法[M].北京:科学出版社,2006.