基于脈沖原理的電壓型在線保養(yǎng)裝置設(shè)計(jì)

程建偉，朱詩順，朱道偉，楊鋼

（1.后勤工程學(xué)院學(xué)員旅，重慶401331；2.軍事交通學(xué)院汽車工程系，天津 300161）

基于脈沖原理的電壓型在線保養(yǎng)裝置設(shè)計(jì)

程建偉1，朱詩順2，朱道偉2，楊鋼2

（1.后勤工程學(xué)院學(xué)員旅，重慶401331；2.軍事交通學(xué)院汽車工程系，天津 300161）

通過研究鉛酸蓄電池負(fù)極板硫化失效機(jī)理，設(shè)計(jì)了一套基于脈沖除硫技術(shù)，主電路采用Boost升壓拓?fù)潆娐返碾妷盒豌U酸蓄電池在線自動保養(yǎng)裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的裝置可以通過硬件和軟件程序的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)高頻、高幅值的充放電脈沖，實(shí)現(xiàn)了對鉛酸蓄電池的在線保養(yǎng)。

硫化失效；脈沖除硫；自動保養(yǎng)裝置

起動型鉛酸蓄電池是車輛裝備使用必不可少的重要組成部分，每年的儲備與使用消耗巨大，在車輛消耗器材中僅次于輪胎，占有重大比重。它具有間歇式的使用特點(diǎn)，在停用過程中缺乏對蓄電池及時(shí)必要的維護(hù)，會過早地造成蓄電池硫化失效，平均壽命只有兩年甚至更少，有人形象地比喻為“起動型鉛酸蓄電池不是用壞的而是長期不用放置壞的”。在放置期間鉛酸蓄電池負(fù)極板放電產(chǎn)物硫酸鉛會由微小的顆粒逐漸形成一種粗大堅(jiān)硬的硫酸鉛，造成蓄電池失效[1]。本文以12 V/ 180 Ah起動型鉛酸蓄電池作為研究對象，設(shè)計(jì)了一種電壓型在線自動保養(yǎng)裝置。

1 鉛酸蓄電池負(fù)極板硫化失效機(jī)理和脈沖除硫技術(shù)分析

1.1 負(fù)極板硫化機(jī)理

鉛酸蓄電池在充放電過程中發(fā)生如下反應(yīng)[2]：

蓄電池放電時(shí)正、負(fù)極的活性物質(zhì)均通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為硫酸鉛。硫酸鉛在微觀結(jié)構(gòu)上呈疏松的海綿狀，極板處于高勢能狀態(tài)。若不及時(shí)進(jìn)行充電，導(dǎo)致虧電狀態(tài)下電池放置時(shí)間過長，極板上的硫酸鉛會從不穩(wěn)定的高勢能狀態(tài)轉(zhuǎn)變到低勢能狀態(tài)。并且多晶體系傾向于減小其表面自由能的方向發(fā)生變化，疏松多孔的硫酸鉛晶體在雙重作用下逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я４执蟮牧蚧瘜覽3]。小尺寸的結(jié)晶溶解度大于大尺寸的結(jié)晶，造成極板上的活性物質(zhì)失效。由于正極板在充電過程中產(chǎn)生的氧原子有較強(qiáng)的氧化能力，硫酸鉛會被氧化成原活性物質(zhì)，因此，正極板不會受到硫化損傷，硫化只會發(fā)生在負(fù)極板上[4]。

1.2 脈沖除硫技術(shù)基本原理

脈沖除硫技術(shù)是通過外界裝置對蓄電池的極板發(fā)送一定頻率的激勵信號。這種激勵信號需與硫原子產(chǎn)生諧振，以將硫離子從最低能級（共價(jià)鍵能級）狀態(tài)激活到高能級狀態(tài)，使處于穩(wěn)定共價(jià)鍵狀態(tài)的硫離子逐漸剝離而轉(zhuǎn)化為溶于電解液的游離子狀態(tài)，促使晶粒粗大的硫酸鉛逐漸溶解，恢復(fù)極板的活性。這種激勵信號不但使陳舊的硫酸鹽化層得以轉(zhuǎn)化，對反應(yīng)中生成的硫酸鉛，也可以破壞其產(chǎn)生堆積和結(jié)晶的相對靜止的條件，使之始終處于活性狀態(tài)[5]。

2 鉛酸蓄電池電壓型保養(yǎng)裝置硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 保養(yǎng)裝置系統(tǒng)組成和工作原理

如圖1所示，裝置的硬件系統(tǒng)由控制模塊、檢測模塊、信號指示模塊、電源模塊、驅(qū)動模塊、升壓儲能模塊和功率MOSFET等模塊組成。

教學(xué)實(shí)驗(yàn)包括實(shí)驗(yàn)前測試和實(shí)驗(yàn)后測試，教學(xué)實(shí)驗(yàn)于2015年9月至11月統(tǒng)一在足球場進(jìn)行，10周，每周3課時(shí)，共計(jì)32個學(xué)時(shí)，教學(xué)對象分普通班與實(shí)驗(yàn)班，各為54人。

裝置是以蓄電池為能源的自源裝置?？刂颇K通過單片機(jī)和程序?qū)OS管驅(qū)動電路進(jìn)行控制，進(jìn)而控制功率MOSFET，控制其開通和關(guān)斷的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)充放電頻率的調(diào)整。在MOSFET開通和關(guān)斷的轉(zhuǎn)換中，電容分別完成充電儲存能量過程和放電對蓄電池充電過程，從而實(shí)現(xiàn)對蓄電池的充放電電壓脈沖沖擊。當(dāng)蓄電池電壓過低時(shí)，該裝置可產(chǎn)生聲光報(bào)警，提示人員對蓄電池進(jìn)行及時(shí)充電。

圖1 電壓型保養(yǎng)裝置系統(tǒng)示意圖

2.2 保養(yǎng)裝置工作電路設(shè)計(jì)

該裝置采用基于ATtiny24單片機(jī)芯片的Boost升壓拓?fù)潆娐?，通過MOS管受占空比為的脈沖控制，交替導(dǎo)通或關(guān)斷，以此來控制電感和電容組成的振蕩電路，完成對蓄電池電壓(12 V)的升高和降低，形成充放電脈沖，同時(shí)完成對蓄電池兩端進(jìn)行電壓脈沖的充放電過程，裝置主電路如圖2所示，圖3為裝置MOS管驅(qū)動電路原理圖。保險(xiǎn)絲GP60主要在電路短路和過流時(shí)對電路起保護(hù)作用；D2為快速恢復(fù)二極管，主要起防止保養(yǎng)裝置反接的功能；D3也為快速恢復(fù)二極管，主要功能是在為電容充電時(shí)阻斷電感L3通路。

圖2 保養(yǎng)裝置主電路原理圖

圖3 保養(yǎng)裝置MOS管驅(qū)動電路原理圖

如圖4所示，ATtiny24單片機(jī)的1腳提供單片機(jī)的工作電壓，因?yàn)樾铍姵貎啥说碾妷簽?2 V而單片機(jī)的工作電壓為5 V，因此需要一個穩(wěn)壓調(diào)整器對電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，電壓轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。4腳有復(fù)位功能，如果在其最小脈沖寬度的時(shí)間內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)一個較低值則產(chǎn)生復(fù)位。6腳將一定頻率的方波輸送給MOS管的驅(qū)動電路，控制MOS管開通和關(guān)斷的時(shí)間和頻率。12腳是電壓采樣管腳，它的一端接在主電路保險(xiǎn)絲GP60之后對電池電壓進(jìn)行采樣，然后將數(shù)值提供給ATtiny單片機(jī)，在芯片內(nèi)經(jīng)過程序分析，通過10腳和11腳對發(fā)光二級管進(jìn)行控制以及通過2腳對蜂鳴器進(jìn)行控制，如果電池電壓低于11.8 V時(shí)，保護(hù)器蜂鳴器報(bào)警，并且10腳和11腳的發(fā)光二級管交替閃亮。13腳通過精確穩(wěn)壓芯片431得到一個確定的電壓，同時(shí)C4和C5并聯(lián)濾除雜波，作為A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓。14腳接地，5、8、9三腳空接。

圖4 ATtiny24單片機(jī)基本工作外圍電路圖

圖5 保養(yǎng)裝置電源電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖

2.3 主電路關(guān)鍵元器件選型

2.3.1 電感和電容選型計(jì)算

保養(yǎng)模塊主要靠Boost拓?fù)潆娐分械碾姼袑?shí)現(xiàn)升壓功能，然后把高壓回充給蓄電池兩端。主電路的輸入電壓IN為12 V，提升電壓O為22 V，占空比為1/12，流經(jīng)L2的平均充電電流約為0.7A，即O2=0.7 A；流經(jīng)L3的平均充電電流約為3.2 A，即O3=3.2 A。

因此，通過電感L2的電流可由公式計(jì)算如下：

同理，通過電感L3的電流可由公式計(jì)算如下：

考慮到損耗，設(shè)計(jì)選擇電感L3參數(shù)為額定電流4 A，電感量為60μH。

電容C1作為濾波電容，由于主電路提升電壓達(dá)到22 V，為了避免瞬時(shí)出現(xiàn)的反激電動勢擊穿電容，設(shè)計(jì)選擇電容C1的參數(shù)為電壓等級35 V，電容量為標(biāo)準(zhǔn)220μF。

2.3.2 功率MOS開關(guān)管選型計(jì)算

由于保養(yǎng)裝置的脈沖頻率主要受MOS管開關(guān)頻率的影響，為實(shí)現(xiàn)高頻、高幅值脈沖，將MOS管的開關(guān)頻率定位在8 kHz左右。由于MOS管的開啟電壓在4.3 V左右，選定的功率管的最大柵極電壓應(yīng)小于4.3 V。主電路可提升電壓達(dá)22 V，考慮到電感產(chǎn)生的反激電動勢能夠達(dá)到90 V，所選用的功率開關(guān)管的耐壓等級要超過117 V。同時(shí)考慮到流經(jīng)電感L2的電流會瞬時(shí)達(dá)到3.5 A，所選用的功率開關(guān)管的峰值電流要超過4.6 A。根據(jù)以上條件并結(jié)合MOS管的結(jié)溫和外殼溫度，主電路設(shè)計(jì)選擇的功率開關(guān)管型號為IRF630，此開關(guān)管的開啟電壓為4 V，耐壓值為200 V，漏極和源極導(dǎo)通電阻為400 mΩ，25℃條件下所能承受的脈沖電流達(dá)到9 A，具有非常低的功耗。

3 保養(yǎng)裝置控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)鉛酸蓄電池保養(yǎng)裝置的工作目的，其工作原理設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)控制流程

首先對單片機(jī)內(nèi)的程序進(jìn)行初始化，包括各寄存器賦初始值，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和AD采集寄存器置零，中斷控制的選擇和中斷功能的開啟。在完成初始化后，整體程序進(jìn)入while (1)循環(huán)。在循環(huán)中第一步先采集蓄電池兩端的端電壓，將此值與系統(tǒng)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行對比，當(dāng)電壓小于程序設(shè)定值11.5 V時(shí)，程序認(rèn)為蓄電池的電壓過低，處于虧電或者半虧電狀態(tài)，保養(yǎng)裝置打開蜂鳴器和閃光二極管，出現(xiàn)報(bào)警聲音和紅綠燈交替閃亮，提示應(yīng)對蓄電池進(jìn)行充電。若此值大于或等于設(shè)定的參數(shù)，則認(rèn)為蓄電池電壓正常，保養(yǎng)模塊開啟在線保養(yǎng)功能。由于該裝置始終并聯(lián)在蓄電池的兩極上，蓄電池在使用過程中，如進(jìn)行大電流放電，此時(shí)端電壓下降較快，由此造成的電壓波動可能會導(dǎo)致CPU誤判斷而產(chǎn)生錯誤的操作。為了消除電壓波動的影響，除了在采樣電路中進(jìn)行電容濾波外，在程序上使用了平均值濾波算法。

4 保養(yǎng)裝置實(shí)驗(yàn)研究

本文所設(shè)計(jì)的蓄電池在線自動保養(yǎng)裝置在蓄電池兩端工作時(shí)如圖7所示，其工作時(shí)有防反接功能。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用示波器電壓探頭采集嵌入電壓型保養(yǎng)裝置的鉛酸蓄電池極柱兩端的電壓波形，如圖8所示。由圖8可以看出在蓄電池兩端可形成上升電壓為10 V、下降電壓為5 V的電壓脈沖，并且脈沖放大后可以明顯看到波形為正弦振蕩脈沖，說明嵌入電壓型保養(yǎng)裝置的電壓波形的幅值和頻率已達(dá)到高頻、高幅值的要求，可以實(shí)現(xiàn)對鉛酸蓄電池的自動保養(yǎng)。

圖7 蓄電池兩端連接保養(yǎng)裝置工作圖

圖8 嵌入電壓型保養(yǎng)裝置的蓄電池兩端電壓波形圖

利用示波器電流探頭采集嵌入電壓型保養(yǎng)模塊的鉛酸蓄電池保養(yǎng)裝置回路的電流波形，如圖9所示。由圖9可看出電壓型保養(yǎng)模塊的回路電流波形起伏較小，說明電壓型保養(yǎng)裝置的功耗很小，但是電壓脈沖的參數(shù)更接近于高頻、高幅值的要求，保養(yǎng)效果會更好。

圖9 電壓型保養(yǎng)模塊回路電流波形圖

5 結(jié)論

通過研究鉛酸蓄電池負(fù)極板硫化和脈沖除硫技術(shù)的原理，研制了一套針對起動型鉛酸蓄電池的電壓型在線自動保養(yǎng)裝置。

（1）蓄電池在線自動保養(yǎng)裝置可以產(chǎn)生8 kHz頻率和上升幅值為10 V、下降幅值為5 V的電壓脈沖，能夠有效防止鉛酸蓄電池靜置狀態(tài)硫化結(jié)晶，從而實(shí)現(xiàn)對鉛酸蓄電池的自動保養(yǎng)；

（2）保養(yǎng)裝置升壓部分采用Boost拓?fù)潆娐罚嵘妷旱姆岛皖l率主要受MOS管的開關(guān)頻率影響；

（3）裝置采用數(shù)字電路控制，為消除電壓波動的影響，防止CPU誤判，除了在采樣電路中進(jìn)行電容濾波外，在程序上也采用了平均值濾波算法。

[1]張?jiān)聻I，王星博，任永樂，等.延長鉛酸蓄電池壽命的保護(hù)裝置設(shè)計(jì)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2007(10)：23-26.

[2]朱松然.鉛酸蓄電池簡述[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：211.

[3]朱詩順，楊鋼，朱道偉，等.一種大容量牽引型鉛酸蓄電池在線保養(yǎng)裝置設(shè)計(jì)[J].軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(11)：69-72.

[4]王金良，許鳳山.脈沖技術(shù)應(yīng)用于失效鉛酸蓄電池恢復(fù)的研究[J].電池工業(yè)，2001(2)：51-55.

[5]劉東升，劉昉.軍用封存蓄電池全自動維護(hù)系統(tǒng)[J].兵工自動化，2010(11)：55-56.

Design of an onlineautomaticmaintenance device based-on pulse theory

CHENG Jian-wei1,ZHU Shi-shun2,ZHU Dao-wei2,YANGGang2

Through analyzing the sulfation failure mechanism on negative plates of lead-acid batteries,the pulse-repairing technology was designed.An online auto maintenance equipment of voltage type based-on the Boost topology circuit asmain circuitwas designed.The test results show that via adjusting hardware devices and programs,the high-frequency and high-amp litude recharge-and-discharge pulses can be achieved,leading online maintenance for lead-acid battery.

sulfation failure;pulse-repairing technology;automatic maintenance device

TM 912

A

1002-087 X(2014)05-0883-03

2013-10-25

程建偉(1988—)，男，山東省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐囕v混合動力。