高頻諧振式鉛酸蓄電池修復系統的研究

摘要：針對鉛酸蓄電池充放電過程中存在極板易硫化導致電池失效報廢現象，研制了一款高頻諧振式修復儀。采用恒壓電源疊加高頻諧振電路的方法，修復電路產生頻率豐富的諧波信號并與硫酸鉛晶體產生共振，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單片機為核心設計了控制系統。實驗和運行表明，所研究的修復系統可安全可靠地實現對硫化鉛酸蓄電池的修復，達到了設計要求。

關鍵詞：鉛酸蓄電池；高頻諧振；單片機

1 引言

鉛酸蓄電池因其結構簡單、價格低廉、使用可靠而得到廣泛應用。由于鉛酸蓄電池經常出現使用或維護不當等問題，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致蓄電池內阻增大，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％以上都可以修復而延長使用壽命。隨著開關電源技術的不斷應用，利用高頻諧波與硫酸鉛晶體實現共振，并擊碎硫酸鉛晶體達到修復目的的方法比較有前景，具有重要的經濟效益和社會效益。

2 修復儀主電路

2．1 直流恒壓電源

修復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K0，K1，K2的關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個開關的狀態來設置不同的修復模式，使修復儀更加智能化。

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的直流電源系統的輸出經過濾波電感送入修復單元，每個修復單元由2個電感、1個電容、1個二極管和1個開關管組成。通過高頻脈沖控制開關管VT3，VT4的開通與關斷，電感與電容諧振產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。修復電路中并聯修復單元的數量由所設計修復系統的修復電池容量范圍而定。此修復儀采用兩個修復單元并聯的方式。眾所周知，定時對電池放電有利于提升鉛酸蓄電池的修復效果，開關管VT5與小阻值電阻串聯后接在蓄電池兩端，通過控制開關管的開通關斷達到給電池放電的目的。

3 修復儀控制系統

3．1 控制系統的組成

修復儀控制系統如圖3所示。

開關管控制部分控制的開關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需修復的鉛酸蓄電池的容量先調節鍵盤發送信號給單片機，再通過單片機控制K0，K1，K2來選擇不同的修復方式。蜂鳴器及指示燈控制部分包括蓄電池反接報警、修復失敗或者完成鳴叫通電指示、正在修復指示。LCD顯示部分包括修復儀輸出電壓電流、修復時間、電池容量、修復進度。

3．2 開關管控制電路

開關管控制電路如圖4所示。SG3525及其外圍電路產生頻率為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。占空比調節則可通過滑動RP1來完成。圖4中SG3525產生的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管VT3，VT4的開通與關斷。

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。當電池正接時，光耦A2導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二極管和R3后傳送給單片機，再由單片機A／D轉換后在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轉換后在LCD顯示屏上顯示檢測電流值。當電池反接時，光耦A1導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。