閥控式鉛酸蓄電池活化修復儀的設計與應用

于小冬

（北京亞澳博信通信技術有限公司，北京 101300）

隨著信息、能源、電子技術的快速發(fā)展，閥控式鉛酸蓄電池(VRLAB)目前已被廣泛應用于電信運營、電力系統(tǒng)、通信專網(wǎng)、金融系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、公安系統(tǒng)、石油煤炭、大型工礦企業(yè)等領域。與普通的鉛酸蓄電池相比，VRLAB由于采用了內部氧復合技術，大大緩解了電解液的損耗，從而使其能夠在免維護狀態(tài)下長期工作，并具有體積小、防爆安全、電壓穩(wěn)定、無污染、質量輕、放電性能高、維護量小等優(yōu)點。但是，目前廣泛應用的VRLAB聲稱為免維護蓄電池，其實這種說法是不夠科學和準確的。確切地講，VRLAB應稱為“少維護蓄電池”，僅是指平時無須加酸液和水，無須調節(jié)電解液的密度。由于蓄電池平時都并聯(lián)在整流設備上并處于浮充狀態(tài)中，時間一長，蓄電池就會出現(xiàn)活化物質脫落、電解液干涸、極板變形、腐蝕及硫化等異常情況，從而導致蓄電池容量降低甚至失效，一旦市電中斷，極有可能釀成電力供電中斷等重大事故。

VRLAB在國內的大量安裝使用是從20世紀80年代末開始的，初期安裝的電池主要為進口產(chǎn)品，進入20世紀90年代末，國產(chǎn)電池在許多領域開始大量使用。大部分廠家聲稱其VRLAB的設計壽命在10年以上，但是，在實際使用中許多電池壽命只有5～6年時間，條件惡劣者2～3年后便會出現(xiàn)容量明顯下降現(xiàn)象。為此，有必要對嚴重影響電池使用壽命的原因進行研究。

隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的加快，特別是重、化工業(yè)和交通運輸?shù)目焖侔l(fā)展，能源需求量將大幅上升，經(jīng)濟發(fā)展面臨的能源約束矛盾和能源使用帶來的環(huán)境污染問題就更加突出。本項目是節(jié)能環(huán)保項目，是符合國家產(chǎn)業(yè)政策的。

1 總體思路

首先保證修復儀工作穩(wěn)定可靠；其次提高性能指標，設置完善的保護功能和人性化接口；再次簡化電路，優(yōu)化工藝，降低成本，提高生產(chǎn)效率。

充電單元設計，權衡五大隔離式電路拓撲的利弊，鑒于輸出功率及自身特點采用正激電路形式。

熱設計方面，充電單元鑒于熱交換理論，將功率器件直接貼在外殼上，發(fā)熱量較大的功率開關管、整流管直接貼在通風良好的外殼散熱器上；放電負載產(chǎn)生的熱量，由專用風扇進行冷卻，避免修復儀內部熱量的聚集。

整機密封無暴露在外的元器件，操作面板采用人性化斜坡設計，便于操作和查看顯示信息，顯示器采用貼膜處理，外殼全部采用不銹鋼釘，輸入/輸出接口采用快速連接插頭，保證在大電流下工作安全可靠。

2 技術方案

2.1 產(chǎn)品工作原理

如圖1所示，將蓄電池修復儀在線接入到電源系統(tǒng)中，可以對蓄電池進行活化修復處理，不影響用電實際負載的供電，當在修復的過程中遇到交流停電或修復儀自身故障等突發(fā)情況，修復儀旁路裝置啟動，被修復電池自動接入電源系統(tǒng)為實際負載供電，有效避免系統(tǒng)癱瘓的風險。

圖2所示為修復儀充電單元的工作原理圖，電源輸入單相220 VAC，經(jīng)EMI處理后，通過初級升壓預穩(wěn)壓技術在整流濾波和DC-DC功率轉換級之間串入一個有源Boost升壓型APFC電路作為前置級，通過控制電路的控制，一方面強迫輸入電流跟隨輸入電壓變化，從而實現(xiàn)高功率因數(shù)，另一方面反饋輸出電壓到控制電路使之穩(wěn)定，從而使DC/DC變換器的輸入實現(xiàn)預穩(wěn)。DC/DC變換電路采用正激電路形式，具有電路形式簡單、工作可靠等優(yōu)點。

2.2 參數(shù)設計

2.2.1充電單元參數(shù)設計

(1)輸出電壓范圍

按照閥控式鉛酸蓄電池充電機制要求[1]，工作于浮充狀態(tài)時充電電壓要求為2.27～2.30 V/單體，工作于均充狀態(tài)時充電電壓要求為2.35～2.40 V/單體。對于48 V電源系統(tǒng)來說，在實際電池使用過程中多為2 V電池串聯(lián)組成，所以修復儀充電單元的輸出電壓范圍必須滿足：浮充電壓為54.48～55.20 V，均充電壓為56.40～57.60 V。考慮到設計冗余本系統(tǒng)充電單元輸出電壓滿足：浮充電壓48.00～58.00 V，均充電壓56.00～61.00 V[2]。

(2)輸出紋波

通信局(基)站動力設備用后備蓄電池的維護，要求輸入諧波失真盡量小，充電輸出電壓穩(wěn)壓精度≤±0.5%，穩(wěn)流精度≤±1%，紋波系數(shù)≤0.5%。為此本修復儀采用偶合濾波專有技術加強了對充電電源輸出紋波的抑制處理，取得令人滿意的效果，經(jīng)檢測充電單元輸出紋波系數(shù)≤0.3%，實現(xiàn)對電池的無損傷充電修復。

(3)輸出限流保護

根據(jù)蓄電池充電特性曲線，結合實際荷電狀態(tài)，采用智能分段限流方式充電實現(xiàn)對蓄電池無損充電，分為涓流短時充電、恒流充電、恒壓充電。

涓流短時充電，充電器開始工作后，首先檢測蓄電池的電壓，若電池電壓低于1.8 V，說明蓄電池曾經(jīng)過度放電，為避免對蓄電池充電電流過大，造成熱失控，微處理器通過檢測蓄電池的電壓，對蓄電池實行穩(wěn)定小電流涓流充電，激活蓄電池。在涓流充電階段，電池電壓開始上升，當電池電壓升到能接受大電流充電的閥值時則轉入恒流充電階段。該階段為大電流恒流充電，電流值為I2，因蓄電池容量而異，一般為I2=0.1C(C為蓄電池組的容量)，在恒流充電狀態(tài)下，不斷檢測電池的端電壓，當電池電壓達到飽和電壓時，恒流充電狀態(tài)終止。進入恒壓充電階段,這時充電電壓保持不變,充電電流逐漸減小，當充電電流下降到恒流狀態(tài)下充電電流的1/10時，終止恒壓充電。

(4)充電終止控制

電池在充滿電后，如果不及時停止充電，電池的溫度將迅速上升。溫度的升高將加快蓄電池板柵腐蝕的速度及電解液的分解，從而縮短電池的壽命，使其容量下降。為了保證電池充足電又不過充，修復儀采用定時控制、溫度控制和電池電壓、電流綜合控制方法做到合理的充電終止控制。

2.2.2 智能控制單元設計

系統(tǒng)采用8位快速單片機控制電池充放電狀態(tài)、采集電池數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)拷貝、顯示電池狀態(tài)及設置參數(shù)等。電池活化由充電、放電兩個過程組成，單片機根據(jù)設置的參數(shù)自動由充電轉為放電。充電期間單片機通過和下位機的通信來控制模塊的輸出電壓及電流實現(xiàn)脈沖充電。放電期間單片機直接輸出PWM脈沖經(jīng)隔離電路控制放電負載實現(xiàn)恒流放電[3]。

檢測電路由各節(jié)電池的電壓、電流、溫度的檢測三部分組成。電壓檢測采用光耦繼電器把各節(jié)電池電壓接入系統(tǒng)，通過差分電路進行采樣。

2.2.3 放電單元設計

在智能化的蓄電池修復中，要求其具有通過面板按鍵無級設定放電電流功能；在整個電池的放電過程中，保持放電電流恒定功能。在蓄電池放電過程中，隨著放電時間的增加，蓄電池的電壓開始下降，對于固定負載放電勢必引起放電電流的下降。要想保證整個實驗過程中放電電流恒定，就必須能夠自動調整負載，本設計采用單片機智能控制，根據(jù)電流的變化產(chǎn)生PWM信號去調制放電負載，達到高精度的恒流放電電流。

2.3 結構設計

結構設計主要考慮布局、固定和散熱幾個方面。

(1)修復儀有多個功能單元組成，修復儀內部走線在不帶來干擾的情況下盡量美觀牢靠，裝配易于操作，這就要求合理布局；

(2)修復儀為便攜式設備，要通過振動、沖擊試驗要求，既要考慮好電感、變壓器等重器件的固定，又要考慮好功率管、大電容等承受能力薄弱的元件的固定，還要考慮外殼結構件的強度等問題；

(3)散熱處理，電源采用外置風冷，左側進風右側出風方式，本著盡一切可能將熱量導到殼外的思想，將發(fā)熱量較大的功率管直接貼在側面通風良好的散熱器上，保持冷卻風道的暢通；

(4)顯示及操作面板斜坡設計，便于操作和查看顯示信息。

2.4 可靠性設計

充電單元采用功率因數(shù)校正技術、輸入濾波及無源功率因數(shù)校正網(wǎng)絡，使得電源的功率因數(shù)能達到0.92以上，減小電源對電網(wǎng)的干擾并提高電源抗干擾特性。

在線活化修復技術的應用，使電池的修復不需要斷開電池與負載的連接，可以很好解決傳統(tǒng)容量放電的能量浪費和交流停電造成系統(tǒng)癱瘓風險。

均衡脈沖充電控制技術，在把蓄電池硫酸鹽化“不可逆”變成“可逆”的同時，基本上對電池極板沒有任何損傷，提高了蓄電池使用壽命。

元器件降額使用，接觸器、接插件、開關管、整流管電流應力降額50%以上。

設置完善保護功能，如交流停電旁路保護、充電單元輸出過欠壓、過溫、限流、短路保護等。

2.5 設計方案

功能設計，修復儀可以實現(xiàn)的功能有：(1)可對多種規(guī)格的單體或多節(jié)電池進行充電、放電、活化、檢測；(2)放電電流設定后，不因蓄電池組電壓的降低而改變，可以自動調整，實現(xiàn)恒流放電；(3)智能分段充電模式，實現(xiàn)均充/浮充、恒流/恒壓自動轉換功能；(4)設定循環(huán)充/放電次數(shù)，可對蓄電池進行活化，激活電池極板失效的活性物質，延長電池的使用壽命；(5)活化修復參數(shù)可以修改設定，并自動完成蓄電池組各種參數(shù)的測試；(6)遇到特殊情況自動停機保護功能。

結構設計，整機密封無暴露在外的元器件，操作面板采用人性化斜坡設計，便于操作和查看顯示信息，顯示器采用貼膜處理，外殼全部采用不銹鋼釘，輸入/輸出接口采用快速連接插頭，在大電流下工作安全可靠。

熱設計方面，充電單元鑒于熱交換理論，將功率器件直接貼在外殼上，發(fā)熱量較大的功率開關管、整流管直接貼在通風良好的外殼散熱器上；放電負載產(chǎn)生的熱量，由專用風扇進行冷卻，避免修復儀內部熱量的聚集。

安全設計，設置完善保護功能，如交流停電旁路保護、充電單元輸出過欠壓、過溫、限流、短路保護等。

3 關鍵技術及創(chuàng)新點

3.1 快速容量分析技術

在線放電5～10min即能找出最小落后單體，并大致判斷每個電池的剩余容量，放電1 h后能準確判斷總容量和各單體電池容量，測試完成后還會自動生成測試報告。這么短的時間即使做離線放電也不必擔心電池過放時交流停電造成的通訊中斷風險問題，具有節(jié)能、省時、維護成本低、活化效率高等先進性。

3.2 在線活化修復技術

在線活化修復技術的應用，使電池的修復不需要斷開電池與負載的連接，可以很好解決傳統(tǒng)容量放電的能量浪費和交流停電造成系統(tǒng)癱瘓的風險。

3.3 均衡脈沖充電技術

修復儀通過不斷的對鉛極板施加相適應的頻率，在電脈沖的作用下阻止金屬鉛的化學反應，根除硫酸鹽化層的產(chǎn)生，制止板柵變形，保持活性物質不脫落。在“活化儀”作用下，充電時形成的三合一(均衡、脈沖、頻率)均衡脈沖充電法，也阻止了電解液的酸類及其它有機物質對鉛極板的腐蝕，防止鉛極板腐爛，同時，對已產(chǎn)生惰性硫化物的鉛極板進行自動修復，使其恢復正常使用功能。

3.4 化學修復技術

化學修復技術是通過智能分析軟件，根據(jù)蓄電池靜置電壓、初始荷電狀態(tài)、充放電特性曲線及測得內阻等多項電池參數(shù)進行綜合分析，計算出極板有效活性物質數(shù)量，失水或失酸比例，通過化學方法加補充液或加酸調節(jié)，使蓄電池內部參與化學反應的電解液濃度達到設計值，容量達到最大程度恢復。

蓄電池充放電化學反應[4]：

電池總反應：

3.5 d u/d t防過充電技術

充電結束條件不是靠設定充電電壓，而檢測充電后期du/dt的變化率，做到確保各單體充滿而不過充。

3.6 分段限流恒壓充電技術

根據(jù)蓄電池充電特性曲線，結合實際荷電狀態(tài)，智能分段限流充電，實現(xiàn)無損充電。

3.7 充電過程溫度補償技術

活化修復過程充電電壓按照下面公式進行溫度補償，有效避免修復過程環(huán)境溫度及充電自身引起的熱失控效應，提高充電效率和可靠性。

4 成果的特點和水平

該活化儀具有高效、節(jié)能、高可靠等特點，集智能充電、精確放電、在線容量分析和活化為一體。表1為項目產(chǎn)品修復技術與國內同類產(chǎn)品進行對比。

傳統(tǒng)的處理方法比較復雜，采用大電流充電、活性劑置換、正負脈沖充電等，這些方法修復成功率低，存在一定的副作用。對于密封電池來說，瞬間的充電電壓使電極板所產(chǎn)生的氧氣也可以通過氧循環(huán)在負極板上被吸收，電池也就不會形成失水，所以這是一種區(qū)別于其它修復方式的“無損失”修復技術。

5 項目應用情況

本產(chǎn)品經(jīng)用戶使用滿足了用戶的要求，工作可靠，性能穩(wěn)定，保護功能完善，各接口方便使用；充電電源性能穩(wěn)定，工作效率高節(jié)能環(huán)保；均衡脈沖修復技術，可以把“不可逆”變成“可逆”，并且基本上對電池極板沒有任何損傷，這是鉛酸電池修復的重大突破。

[1]郭永榔.閥控式鉛酸蓄電池[M].北京：機械工業(yè)出版社,2007.

[2]周志敏,周紀海,紀愛華.閥控式密封鉛酸蓄電池實用技術/電源實用技術系列書[M].北京：中國電力出版社,2004.

[3]王聰.軟開關功率變換器及其應用[M].北京：科學出版社,2000.

[4]易清風,李東艷.環(huán)境電化學研究方法[M].北京:科學出版社,2006.