直流与间歇高频谐振脉冲叠加式铅酸蓄电池修复仪

魏芝浩，王春芳

（青岛大学电气工程学院，青岛 266071）

铅酸蓄电池在使用过程中由于过放电或放置时间较长在其极板上会产生一些大小不一的硫酸铅晶体，从而使蓄电池溶液的溶解度减小，造成蓄电池容量下降甚至报废[1-3]。针对蓄电池的极板硫化问题，常用的修复方式有大电流修复法[4]、正负脉冲修复法[5-6]及高频脉冲修复法[7-8]，大电流修复法不能修复硫化的蓄电池，且容易造成极板软化，导致蓄电池永久失效；正负脉冲修复法可以防止蓄电池的硫化，但对已经硫化的蓄电池修复效果不佳；而高频脉冲修复法能够很好地消除铅酸蓄电池的硫化[9]。

本文针对高频脉冲修复法,设计了一种新型修复仪。该修复仪以PIC单片机为控制核心，根据报废电池容量的人工设定值及电池损坏程度的自动检测值，将蓄电池修复过程分为4个修复阶段，在不同阶段系统进行相应的工作，对蓄电池进行修复。

1 修复仪的系统结构

所设计的修复仪结构如图1所示，该修复仪由输出15 V的开关稳压电源、间歇式高频脉冲修复电路及控制电路组成。15 V直流电与高频谐振电路产生的脉冲波叠加后通过控制电路被用于蓄电池的修复，控制电路是以单片机PIC16F887为控制核心，同时由按键选择、电压检测电路、电流检测电路、充放电控制电路、驱动电路、LCD显示电路、蜂鸣器及指示灯组成。当用户根据被修复的蓄电池的容量大小，通过按键选择设定好容量后，按下启动按键，由单片机控制继电器KM1开通或关断，从而控制修复仪是否工作；电压、电流检测电路把检测到的电压、电流信号传送给单片机，单片机通过AD转换后在LCD上显示电压、电流的大小，便于用户实时监测蓄电池的状态[10-11]；驱动电路控制高频谐振电路中开关管的开通关断，单片机产生20 kHz变占空比的PWM控制波形，该控制波形经驱动电路放大后直接驱动开关管；LCD显示电路用来显示修复仪的修复电压、修复电流、修复进度及修复时间；当蓄电池出现反接、修复失败时，单片机会控制指示灯亮同时会使蜂鸣器发出鸣叫进行报警。

图1 修复仪结构Fig.1 Structure of repairing instrument

2 间歇式高频脉冲修复电路

2.1 修复电路原理

间歇式高频脉冲修复电路如图2所示，主要由两级构成：前级为15 V的开关稳压电源，通过改变开关稳压电源的限流电阻来控制其输出电流的大小，从而修复不同容量的铅酸蓄电池；后级为高频谐振电路和放电电路，高频谐振电路产生丰富频率的谐波信号，此信号同硫酸铅晶体发生共振，从而可以击碎各种形状的硫酸铅晶体，达到修复目的[12-16]。该修复系统的高频谐振电路是由两个相同的修复单元并联组成，可以产生与硫酸铅晶体发生共振的间歇高频谐振脉冲，继电器KM1控制修复仪是否工作，小阻值电阻R2和蓄电池构成放电回路，继电器KM2控制修复仪是否放电，蓄电池定时放电有助于提升修复效果。

图2 间歇式高频脉冲修复电路Fig.2 Repairing circuit with intermittent high-frequency pulse

2.2 修复电路的状态分析

高频谐振电路可由若干个修复单元并联组成，修复单元的数量决定着修复仪所能修复蓄电池的容量范围。修复单元的结构如图3所示，对含有一个修复单元的高频谐振电路进行状态分析如下。

图3 修复单元结构Fig.3 Structure of repairing unit

状态1：按下启动按键，使修复仪启动，开关稳压电源的输出电压Uin给电容C1进行充电，同时为蓄电池进行充电，其状态方程为

式中：iL1和iL2为电感L1和L2的电流；UC1为电容C1的电压；UE为蓄电池两端的电压。

状态2：开关管VT1导通，二极管D1反向截止，电感L3和电容C1构成回路发生谐振，同时开关稳压电源为蓄电池进行充电，其状态方程为

式中，iL3为电感L3的电流。

状态3：开关管VT1关断，电感L3上的电流不能突变，通过二极管D1进行续流，电容C1和电感L3为蓄电池充电，同时电感L2和电感L3构成回路，其状态方程为

状态2和状态3的不断切换使高频谐振电路产生尖峰电压，从而得到了频率丰富的高频谐波。

当开关管的驱动波形占空比变大时，修复仪输出到蓄电池两端的电压谐波尖峰相应变大，同时高频谐波的能量也随之变大，据此提出了变占空比的控制策略，即硫酸铅晶体的不同大小击碎时所需的能量不同。可根据蓄电池的修复进度选择不同的占空比，考虑到主电路中电容的耐压，因此占空比的选择范围为5%～15%。

3 控制系统设计

3.1 控制器设计

选用PIC16F887单片机作为控制器，其具有40引脚、8位CMOS闪存、最高频率8 MHz内部振荡器、35个可单独控制的I/O引脚、4个可输出10位PWM的I/O引脚，完全能够满足控制系统的要求，此外还具有功耗低、性价比高、编程简单等特点。

3.2 检测电路设计

3.2.1 电压检测电路

为了实现主电路与控制电路的电气隔离，防止主电路中的高频谐波进入到单片机控制系统中，造成单片机的损坏和较大的测量误差，从而设计了以高精度线性光耦HCNR201为核心的电压检测电路[17]。电压检测电路如图4所示。修复仪的输出电压经分压电阻分压后送到电压检测电路的输入端Uin处，然后经过电压检测电路电气隔离之后，其输出端Uo接到单片机的AD转换端口上。

图4 电压检测电路结构Fig.4 Structure of voltage detection circuit

HCNR201是一种高精度线性光耦，且满足下列关系

式中：IPD1、IPD2分别为输入、输出二极管的电流；IF为发光二极管的电流；K1、K2分别为输入、输出二极管的电流传输比；K3为线性光耦的传输增益，其中线性光耦HCNR201的K3大约为1±0.05。由运放的“虚断”和“虚短”，可推出输出与输入的关系即电压增益为

由式（9）可知电压检测电路的电压增益只与电阻R8和R6的比值有关。所设计的电压检测电路需满足：当输入电压为0～3 V时，输出电压Uo线性对应为0～3 V，故取电阻R6与R8相等，即电压增益等于1。由实验可得电压检测电路输入电压与输出电压的对应关系如表1所示。利用Mathcad将以上数据绘制成插值曲线，如图5所示。

由表1和图5可知，输出电压增加到3.59 V时，线性光耦达到了饱和，此时再增加输入电压，输出电压将保持不变；同时在0～3 V范围内，输出电压与输入电压呈线性关系，且电压增益大约为1。故所设计的电压检测电路符合设计要求。

表1 输入电压与输出电压对应关系Tab.1 Relationship between input and output voltages V

图5 电压增益曲线Fig.5 Voltage gain curve

3.2.2 电流检测电路

电流检测是通过检测采样电阻R1的压降实现，与电压检测电路的差别仅是增加了同向比例放大器，对采样电阻R1的电压信号进行放大。电流检测电路如图6所示。采样电阻R1上的电压送到电流检测电路的输入端Uin处，先经过同向比例放大器放大后，然后通过线性光耦实现电气隔离，其输出端Uo接到单片机的另一个AD转换端口上。

图6 电流检测电路结构Fig.6 Structure of current detection circuit

4 实验验证

基于以上分析，制作了1台占空比可变、可修复不同容量铅酸蓄电池的直流与间歇高频谐振脉冲叠加式修复仪样机，其开关频率为20 kHz，占空比可调节范围为5%～15%，可修复铅酸蓄电池的容量范围为20～400 Ah，主电路具体参数如表2所示。

直流与间歇高频谐振脉冲叠加式铅酸蓄电池修复仪对一台容量为100 Ah的报废蓄电池进行修复实验，其中修复周期为23 h。修复过程按时间划分为4个阶段：第1阶段为第0～3 h，此阶段根据铅酸蓄电池的容量大小来设定开关稳压电源的限流电阻从而控制其输出电流；第2阶段为第3～4 h，在第3 h将开关稳压电源的限流电阻设为最小值，即开关稳压电源的输出电流为最大值；第3阶段为第4～10 h，在第 4 h KM1关断，KM2开通 2 s，铅酸蓄电池进行大电流放电，同时测量其放电电压，也称为RUN电压，如果RUN电压大于设定电压，则修复仪继续修复蓄电池，否则停止修复；第4阶段为第10～23 h，第10 h与第4 h的工作过程相同，在第23 h测量RUN电压，用来判断铅酸蓄电池是否修复成功。修复仪在修复过程中驱动电压Ugs及输出电压Uo波形如图7所示。

表2 样机参数Tab.2 Parameters of prototype

图7 驱动电压及输出电压波形Fig.7 Waveforms of drive voltage and output voltage

在进行铅酸蓄电池修复时，先根据蓄电池的容量对修复仪进行容量设定。修复仪首先采用15%的占空比针对体积比较大的硫酸铅晶体，然后分别在第4、10 h，把开关管的占空比分别调节为10%、5%。在修复过程中每隔0.5 h记录一次修复电压和修复电流，并在第4、10、23 h测量蓄电池的RUN电压，利用Matlab画出上述参数的变化曲线如图8（a）所示，在对铅酸蓄电池多次修复之后，然后进行蓄电池的放电实验，每隔15 min记录一次放电电压和放电电流，铅酸蓄电池的放电电压减小到10.8 V时停止放电，其放电曲线如图 8（b）所示。由图 8（b）可知，蓄电池持续放电7.5 h，其平均放电电流为11 A，可计算得到蓄电池容量修复到约80 Ah，修复达到了总容量的80%。

图8 修复曲线与放电曲线Fig.8 Repairing and discharge curves

5 结语

本文设计了1台直流与间歇高频谐振脉冲叠加式铅酸蓄电池修复仪，分析了修复原理及修复过程，进行了铅酸蓄电池的修复实验和放电实验。实验结果表明：该修复仪具有对蓄电池损伤较小、修复效果较好等特点 ，修复前铅酸蓄电池的容量为30%，修复后可达到总容量的80%以上；同时该修复仪具有操作简单、显示直观、集成了人工智能等特点，对于节能环保、发展低碳经济有着重要意义，应用前景十分广阔。