摘要：針對鉛酸蓄電池充放電過程中存在極板易硫化導(dǎo)致電池失效報廢現(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單片機為核心設(shè)計了控制系統(tǒng)。實驗和運行表明，所研究的修復(fù)系統(tǒng)可安全可靠地實現(xiàn)對硫化鉛酸蓄電池的修復(fù)，達(dá)到了設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池；高頻諧振；單片機
1 引言
鉛酸蓄電池因其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、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)葐栴}，其極板上會生成白色粗晶粒硫化鉛，簡稱硫化或極化。鉛酸蓄電池的硫化會導(dǎo)致蓄電池內(nèi)阻增大，容量下降，使許多鉛酸蓄電池過早報廢，實際上報廢電池中有80％以上都可以修復(fù)而延長使用壽命。隨著開關(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)濟效益和社會效益。
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有一個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。通過控制開關(guān)K0，K1，K2的關(guān)斷和閉合來改變限流電阻的大小，從而改變恒壓源的輸出電流大小。針對不同容量的鉛酸蓄電池，通過控制上述3個開關(guān)的狀態(tài)來設(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)過濾波電感送入修復(fù)單元，每個修復(fù)單元由2個電感、1個電容、1個二極管和1個開關(guān)管組成。通過高頻脈沖控制開關(guān)管VT3，VT4的開通與關(guān)斷，電感與電容諧振產(chǎn)生的高頻諧波信號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)儀采用兩個修復(fù)單元并聯(lián)的方式。眾所周知，定時對電池放電有利于提升鉛酸蓄電池的修復(fù)效果，開關(guān)管VT5與小阻值電阻串聯(lián)后接在蓄電池兩端，通過控制開關(guān)管的開通關(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。
開關(guān)管控制部分控制的開關(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。輸出電壓電流檢測部分包括修復(fù)儀輸出電壓電流檢測以及蓄電池正反接檢測。容量鍵盤選擇部分是根據(jù)需修復(fù)的鉛酸蓄電池的容量先調(diào)節(jié)鍵盤發(fā)送信號給單片機，再通過單片機控制K0，K1，K2來選擇不同的修復(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)時間、電池容量、修復(fù)進(jìn)度。
3．2 開關(guān)管控制電路
開關(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。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。占空比調(diào)節(jié)則可通過滑動RP1來完成。圖4中SG3525產(chǎn)生的PWM信號通過兩路PNP阻容耦合共射放大電路放大后控制開關(guān)管VT3，VT4的開通與關(guān)斷。
3．3 正反接及電壓電流檢測電路
正反接及電壓電流檢測電路如圖5所示。當(dāng)電池正接時，光耦A(yù)2導(dǎo)通且輸出正接檢測信號給單片機，單片機控制指示燈亮表示蓄電池連接正確。BATT+代表的電壓信號流經(jīng)二極管和R3后傳送給單片機，再由單片機A／D轉(zhuǎn)換后在LCD顯示屏上顯示檢測電壓值。BATT-代表的電流信號通過運算放大器LM358放大后傳送給單片機，再由單片機A／D轉(zhuǎn)換后在LCD顯示屏上顯示檢測電流值。當(dāng)電池反接時，光耦A(yù)1導(dǎo)通且輸出反接檢測信號給單片機，單片機控制蜂鳴器報警表示蓄電池反接。圖6為單片機程序工作流程。
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4 實驗結(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單片機作為修復(fù)儀控制系統(tǒng)的主控器件，MOSFET VT3，VT4的開關(guān)頻率為20 kHz，占空比為0．1。開關(guān)管VT3，VT4驅(qū)動波形如圖7a所示。高頻諧振式鉛酸蓄電池修復(fù)儀工作時用電流鉗測得的輸出電壓、電流波形如圖7b所示。在VT3，VT4開通關(guān)斷的瞬間，電感與電容諧振產(chǎn)生豐富的高頻諧波信號。
以一臺因硫化而報廢的鉛酸蓄電池(120 Ah)作為實驗對象，修復(fù)儀設(shè)計的修復(fù)周期為23 h，修復(fù)過程中每隔半小時對其修復(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畫出修復(fù)過程中變量曲線如圖7c所示。在該鉛酸蓄電池一次修復(fù)完成后，對其進(jìn)行放電實
以上持續(xù)了約9 h，平均放電電流約為11 A，可計算出該蓄電池容量恢復(fù)到約100 Ah，達(dá)到了總?cè)萘康?0％。實驗證明所研究的修復(fù)儀對因極板硫化而報廢的鉛酸蓄電池有很好的修復(fù)效果。
5 結(jié)論
研制了一臺高頻諧振式鉛酸蓄電池修復(fù)儀。實驗及運行結(jié)果表明，對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廢率。
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