一种基于正负脉冲波法的变电站阀控铅酸蓄电池延寿装置的设计

谢旭琛，钟 鑫，王军玉，肖伟强，邓月辉

（广东电网责任有限公司惠州供电局，广东 惠州 516001）

0 引 言

铅酸蓄电池因具有成本低廉、没有酸雾污染以及维护简单方便的优点，因而在变电站直流系统中得到了普遍应用。铅酸蓄电池的实际使用情景和使用情况对其寿命会产生显著影响，特别是当蓄电池发生频率过高的过充电或者欠充电时，由于发生蓄电池内部失水PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++SO42-导致的硫化现象。

1 铅酸蓄电池硫酸盐化的形成原因

过充电是指电池在充电时，在达到充满状态后还继续充电的现象。这样的做法可能导致电池内压升高、电池变形、漏液等情况发生，也会显著降低电池的性能甚至损坏损坏。对于铅酸蓄电池来说，由于蓄电池内部的电解液中溶剂的成分是水，水会被直流电力转换成气态的氢气和氧气，具体过程如下：

反复的电解和化合反应会导致蓄电池内部的气压增大。蓄电池安全阀频繁打开排气过程中会导致水蒸气逸出，导致电解液中溶剂水分的含量降低。溶剂的减少会导致电解液的溶质质量分数显著增加。电解液的粘度显著增加将导致电解液中的正负离子的运动受阻，扩散速度显著降低，最终结果为铅酸蓄电池电阻降低。同时，由于电化学反应的阻力增加，容量也会显著减小。

2 脉冲充电和消除硫酸盐化的原理

2.1 脉冲充电法原理

脉冲充电采用正负脉冲交替方式，使蓄电池发生交替的充电和放电过程。在正脉冲过程中，蓄电池处于充电状态；在负脉冲过程中，蓄电池处于放电状态。

蓄电池在正脉冲充电过程中发生了以下的化学反应。

电解液中的溶剂水会发生水解反应，过程如下：

蓄电池的正极和负极发生的是原电池反应，过程如下：

生成的气体会在蓄电池内部重新化合，过程如下：

2H2+O2=2H2O

由上述反应可知，蓄电池在正脉冲充电过程中，会有铅单质、硫酸、二氧化铅以及氢气和氧气的生成，同时生成的气体会还原成水，并且伴随着一定的气体释放现象。

根据极化原理和消除方式可知，在正脉冲充电完成后加入负脉冲，通过断电测量的方式可以消除极化现象，使蓄电池充电时产生的氧气和氢气有时间化合掉，减少析气量和蓄电池充电的发热量，从而减少蓄电池失水[1]，同时促使电解液中的阴阳离子更好地扩散到阴阳极板上，有利于下一轮充电的顺利进行。

2.2 消除硫酸盐化原理

铅酸蓄电池产生硫酸盐化时，电极极板上的导电能力交叉的硫酸盐晶体利用常规方法难以去除。同时，由于它的导电能力差，对蓄电池性能有着较为不利的影响。从固体物理上讲，任何绝缘层在足够高的电压下都可以击穿[2]。考虑利用瞬时的高电压施加在导电能力差的硫酸盐晶体两端，由于具有高电压和极其短暂的脉冲时间，可以确保在击穿的同时不会引起过充电。在高电压施加后再考虑施加负脉冲放电，可以避免极化现象的出现，从而击碎大硫酸铅结晶，消除或减轻铅酸蓄电池的硫酸盐化，一定程度上恢复蓄电池的使用容量[3]。

3 正负脉冲修复器的电路设计

3.1 正负脉冲修复器原理

图1是正负脉冲修复器的电路框图，由稳压电源模块、单片机控制模块、脉冲波生成模块、LED信号显示模块和光电耦合模块构成。其中，单片机控制模块分别与脉冲波生成模块、稳压电源模块、电池状态识别模块、LED信号显示模块以及光电耦合模块电路连接。

图1 修复器电路框图

稳压电源模块连接铅酸蓄电池，并将铅酸电池输出的不稳定直流电源转换为稳定的交流电源输出给单片机和脉冲波生成模块；单片机控制模块根据电池状态识别模块识别电压控制脉冲波生成模块的运行以及判断修复是否完成；脉冲波生成模块生成扫频脉冲波，所述扫频脉冲波为频率在峰值到谷值改变的脉冲波；光电耦合模块将脉冲波生成模块输出的电信号转换为光信号，再输出到铅酸蓄电池的一端，将光信号转换为电信号输出给铅酸蓄电池；LED信号显示模块可以通过LED灯颜色显示修复延寿是否完成。

3.2 控制电路设计

控制电路的控制原理为峰值电流控制方式。装置具体的控制采用UC3843固定频率电流模式控制器。控制电路芯片外接电路如图2所示。其中，引脚1具有补偿功能，作为误差放大器的输出，用于环路补偿；引脚2具有电压反馈功能，外接一个电阻分压器连接至蓄电池电源输出；引脚3具有电流采样功能，将一个正比于电感器电流的电压接到此输入，脉宽调制器用此输出开关的导通；引脚4功能为RT/CT，通过将电阻RT及CT连接至引脚8的参考输入以及电容CT连接至地，使得振荡频率和最大输出占空比可调，本装置采用的CT电容值为4.7 nF，RT电阻值为12 kΩ，工作频率为300 Hz；引脚5作为电源正对地，用于减少控制电路中开关噪声的影响；引脚6为输出端，输出直接驱动N型MOS管IRF630M，峰值电流为1.0 A的电流经过这个引脚发出；引脚7为此控制回路的正电源；引脚8为参考输出，通过电阻RT向电容CT提供充电电流。

脉冲修复电路的控制流程集成在单片机内，通过检测蓄电池端电压是否正常，判断修复是否完成，从而控制输出的PWM脉冲波。基本流程：单片机模式初始化，通过PWM脉冲模块配置输出脉冲波到蓄电池两端进行修复，通过检测蓄电池端电压判断修复是否到位与有效。根据逻辑判据判断修复结果，并且决定停止或者继续修复。

图2 控制芯片外接电路

3.3 PWM脉冲发生装置设计

本装置的脉冲发生装置采用正负脉冲充电方式，PWM脉冲发生装置采用正负脉冲充电的设计，具体流程为“正脉冲充电—停止充电—负脉冲放电—停止充电—正脉冲充电循环的过程”。周期内嵌在单片机内部，MOS管IRF630M控制脉冲，NPN型小功率三极管2N551用于积分放大和切断脉冲输出停止充电。通过UC3843电源控制器输出的高低电平控制MOS管的正负脉冲的输出，从而利用输出的正负脉冲实现充电修复功能。

3.4 实验测试

通过对2.4 V、500 Ah的变电站直流系统铅酸蓄电池进行除硫恢复实验，测试待除硫的蓄电池内阻为122 mΩ。先对其加入蒸馏水进行处理，然后利用装置对其进行除硫恢复，实验后测得蓄电池内阻5.3 mΩ，基本与新电池一致。使用蓄电池容量测试仪测得其容量合格。

4 结 论

铅酸蓄电池采用脉冲充电发热量相对较少、析气少、失水少，脉动电流有利于抑制硫酸盐化。用高窄正负脉冲对因硫酸盐化而造成容量下降的铅酸蓄电池反复充电，可以在一定程度上恢复电池的容量，延长蓄电池的使用寿命[4]，对于变电站直流系统安全稳定运行起到了积极作用。