高频谐振式铅酸蓄电池修复系统的研究

摘要：针对铅酸蓄电池充放电过程中存在极板易硫化导致电池失效报废现象，研制了一款高频谐振式修复仪。采用恒压电源叠加高频谐振电路的方法，修复电路产生频率丰富的谐波信号并与硫酸铅晶体产生共振，从而溶解不同体积和形状的硫酸铅晶体，消除铅酸蓄电池的硫化，恢复蓄电池原有容量。高频谐振及放电电路作为主电路，以AVR单片机为核心设计了控制系统。实验和运行表明，所研究的修复系统可安全可靠地实现对硫化铅酸蓄电池的修复，达到了设计要求。

关键词：铅酸蓄电池；高频谐振；单片机

1 引言

铅酸蓄电池因其结构简单、价格低廉、使用可靠而得到广泛应用。由于铅酸蓄电池经常出现使用或维护不当等问题，其极板上会生成白色粗晶粒硫化铅，简称硫化或极化。铅酸蓄电池的硫化会导致蓄电池内阻增大，容量下降，使许多铅酸蓄电池过早报废，实际上报废电池中有80％以上都可以修复而延长使用寿命。随着开关电源技术的不断应用，利用高频谐波与硫酸铅晶体实现共振，并击碎硫酸铅晶体达到修复目的的方法比较有前景，具有重要的经济效益和社会效益。

2 修复仪主电路

2．1 直流恒压电源

修复仪采用恒压电源叠加高频谐振的方法，在高频谐振电路前级有一个15 V直流恒压电源，修复仪并未将其与高频谐振电路一体化，15 V直流恒压电源限流电路如图1所示。通过控制开关K0，K1，K2的关断和闭合来改变限流电阻的大小，从而改变恒压源的输出电流大小。针对不同容量的铅酸蓄电池，通过控制上述3个开关的状态来设置不同的修复模式，使修复仪更加智能化。

2．2 高频谐波及放电电路

高频谐波及放电电路如图2所示。15 V的直流电源系统的输出经过滤波电感送入修复单元，每个修复单元由2个电感、1个电容、1个二极管和1个开关管组成。通过高频脉冲控制开关管VT3，VT4的开通与关断，电感与电容谐振产生的高频谐波信号可与铅酸蓄电池中硫酸铅晶体共振而使得硫酸铅晶体溶解，从而消除铅酸蓄电池的硫化。修复电路中并联修复单元的数量由所设计修复系统的修复电池容量范围而定。此修复仪采用两个修复单元并联的方式。众所周知，定时对电池放电有利于提升铅酸蓄电池的修复效果，开关管VT5与小阻值电阻串联后接在蓄电池两端，通过控制开关管的开通关断达到给电池放电的目的。

3 修复仪控制系统

3．1 控制系统的组成

修复仪控制系统如图3所示。

开关管控制部分控制的开关器件包括高频谐波及放电电路中的VT3，VT4，VT5以及15 V直流恒压电源限流电路中的K0，K1，K2。输出电压电流检测部分包括修复仪输出电压电流检测以及蓄电池正反接检测。容量键盘选择部分是根据需修复的铅酸蓄电池的容量先调节键盘发送信号给单片机，再通过单片机控制K0，K1，K2来选择不同的修复方式。蜂鸣器及指示灯控制部分包括蓄电池反接报警、修复失败或者完成鸣叫通电指示、正在修复指示。LCD显示部分包括修复仪输出电压电流、修复时间、电池容量、修复进度。

3．2 开关管控制电路

开关管控制电路如图4所示。SG3525及其外围电路产生频率为20 kHz，占空比为0．1的PWM信号。SG3525振荡器频率由外接电阻R2和电容CT1决定，f=1／[CT1(0．7R2+3RD)]，其中RD很小，可忽略不计。占空比调节则可通过滑动RP1来完成。图4中SG3525产生的PWM信号通过两路PNP阻容耦合共射放大电路放大后控制开关管VT3，VT4的开通与关断。

3．3 正反接及电压电流检测电路

正反接及电压电流检测电路如图5所示。当电池正接时，光耦A2导通且输出正接检测信号给单片机，单片机控制指示灯亮表示蓄电池连接正确。BATT+代表的电压信号流经二极管和R3后传送给单片机，再由单片机A／D转换后在LCD显示屏上显示检测电压值。BATT-代表的电流信号通过运算放大器LM358放大后传送给单片机，再由单片机A／D转换后在LCD显示屏上显示检测电流值。当电池反接时，光耦A1导通且输出反接检测信号给单片机，单片机控制蜂鸣器报警表示蓄电池反接。图6为单片机程序工作流程。

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4 实验结果

高频谐振式修复仪的主电路参数：L1=350μH，L2=L4=6．75 mH，L3=L5=142μH，C1=C2=100μF。采用AVR ATmega32单片机作为修复仪控制系统的主控器件，MOSFET VT3，VT4的开关频率为20 kHz，占空比为0．1。开关管VT3，VT4驱动波形如图7a所示。高频谐振式铅酸蓄电池修复仪工作时用电流钳测得的输出电压、电流波形如图7b所示。在VT3，VT4开通关断的瞬间，电感与电容谐振产生丰富的高频谐波信号。

以一台因硫化而报废的铅酸蓄电池(120 Ah)作为实验对象，修复仪设计的修复周期为23 h，修复过程中每隔半小时对其修复电压、电流即RUN电压进行了记录，根据记录的数据利用Matlab画出修复过程中变量曲线如图7c所示。在该铅酸蓄电池一次修复完成后，对其进行放电实

以上持续了约9 h，平均放电电流约为11 A，可计算出该蓄电池容量恢复到约100 Ah，达到了总容量的80％。实验证明所研究的修复仪对因极板硫化而报废的铅酸蓄电池有很好的修复效果。

5 结论

研制了一台高频谐振式铅酸蓄电池修复仪。实验及运行结果表明，对由于硫化而损坏的铅酸蓄电池进行一次或数次修复后，其容量基本能恢复到总容量的80％以上，具有很好的修复效果，降低了铅酸蓄电池的报废率。