基于脈沖原理的電壓型在線保養裝置設計

程建偉，朱詩順，朱道偉，楊鋼

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

基于脈沖原理的電壓型在線保養裝置設計

程建偉1，朱詩順2，朱道偉2，楊鋼2

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

通過研究鉛酸蓄電池負極板硫化失效機理，設計了一套基于脈沖除硫技術，主電路采用Boost升壓拓撲電路的電壓型鉛酸蓄電池在線自動保養裝置。實驗結果表明，所設計的裝置可以通過硬件和軟件程序的調節實現高頻、高幅值的充放電脈沖，實現了對鉛酸蓄電池的在線保養。

硫化失效；脈沖除硫；自動保養裝置

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，在停用過程中缺乏對蓄電池及時必要的維護，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極板放電產物硫酸鉛會由微小的顆粒逐漸形成一種粗大堅硬的硫酸鉛，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，設計了一種電壓型在線自動保養裝置。

1 鉛酸蓄電池負極板硫化失效機理和脈沖除硫技術分析

1.1 負極板硫化機理

鉛酸蓄電池在充放電過程中發生如下反應[2]：

蓄電池放電時正、負極的活性物質均通過化學反應轉化為硫酸鉛。硫酸鉛在微觀結構上呈疏松的海綿狀，極板處于高勢能狀態。若不及時進行充電，導致虧電狀態下電池放置時間過長，極板上的硫酸鉛會從不穩定的高勢能狀態轉變到低勢能狀態。并且多晶體系傾向于減小其表面自由能的方向發生變化，疏松多孔的硫酸鉛晶體在雙重作用下逐漸轉變為晶粒粗大的硫化層[3]。小尺寸的結晶溶解度大于大尺寸的結晶，造成極板上的活性物質失效。由于正極板在充電過程中產生的氧原子有較強的氧化能力，硫酸鉛會被氧化成原活性物質，因此，正極板不會受到硫化損傷，硫化只會發生在負極板上[4]。

1.2 脈沖除硫技術基本原理

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

2 鉛酸蓄電池電壓型保養裝置硬件系統設計

2.1 保養裝置系統組成和工作原理

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

教學實驗包括實驗前測試和實驗后測試，教學實驗于2015年9月至11月統一在足球場進行，10周，每周3課時，共計32個學時，教學對象分普通班與實驗班，各為54人。

裝置是以蓄電池為能源的自源裝置。控制模塊通過單片機和程序對MOS管驅動電路進行控制，進而控制功率MOSFET，控制其開通和關斷的時間，實現充放電頻率的調整。在MOSFET開通和關斷的轉換中，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，從而實現對蓄電池的充放電電壓脈沖沖擊。當蓄電池電壓過低時，該裝置可產生聲光報警，提示人員對蓄電池進行及時充電。

圖1 電壓型保養裝置系統示意圖

2.2 保養裝置工作電路設計

該裝置采用基于ATtiny24單片機芯片的Boost升壓拓撲電路，通過MOS管受占空比為的脈沖控制，交替導通或關斷，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，同時完成對蓄電池兩端進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管驅動電路原理圖。保險絲GP60主要在電路短路和過流時對電路起保護作用；D2為快速恢復二極管，主要起防止保養裝置反接的功能；D3也為快速恢復二極管，主要功能是在為電容充電時阻斷電感L3通路。

圖2 保養裝置主電路原理圖

圖3 保養裝置MOS管驅動電路原理圖

如圖4所示，ATtiny24單片機的1腳提供單片機的工作電壓，因為蓄電池兩端的電壓為12 V而單片機的工作電壓為5 V，因此需要一個穩壓調整器對電壓進行轉換，電壓轉換電路如圖5所示。4腳有復位功能，如果在其最小脈沖寬度的時間內持續出現一個較低值則產生復位。6腳將一定頻率的方波輸送給MOS管的驅動電路，控制MOS管開通和關斷的時間和頻率。12腳是電壓采樣管腳，它的一端接在主電路保險絲GP60之后對電池電壓進行采樣，然后將數值提供給ATtiny單片機，在芯片內經過程序分析，通過10腳和11腳對發光二級管進行控制以及通過2腳對蜂鳴器進行控制，如果電池電壓低于11.8 V時，保護器蜂鳴器報警，并且10腳和11腳的發光二級管交替閃亮。13腳通過精確穩壓芯片431得到一個確定的電壓，同時C4和C5并聯濾除雜波，作為A/D轉換的基準電壓。14腳接地，5、8、9三腳空接。

圖4 ATtiny24單片機基本工作外圍電路圖

圖5 保養裝置電源電壓轉換電路原理圖

2.3 主電路關鍵元器件選型

2.3.1 電感和電容選型計算

保養模塊主要靠Boost拓撲電路中的電感實現升壓功能，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L2的平均充電電流約為0.7A，即O2=0.7 A；流經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的電流可由公式計算如下：

同理，通過電感L3的電流可由公式計算如下：

考慮到損耗，設計選擇電感L3參數為額定電流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到22 V，為了避免瞬時出現的反激電動勢擊穿電容，設計選擇電容C1的參數為電壓等級35 V，電容量為標準220μF。

2.3.2 功率MOS開關管選型計算

由于保養裝置的脈沖頻率主要受MOS管開關頻率的影響，為實現高頻、高幅值脈沖，將MOS管的開關頻率定位在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小于4.3 V。主電路可提升電壓達22 V，考慮到電感產生的反激電動勢能夠達到90 V，所選用的功率開關管的耐壓等級要超過117 V。同時考慮到流經電感L2的電流會瞬時達到3.5 A，所選用的功率開關管的峰值電流要超過4.6 A。根據以上條件并結合MOS管的結溫和外殼溫度，主電路設計選擇的功率開關管型號為IRF630，此開關管的開啟電壓為4 V，耐壓值為200 V，漏極和源極導通電阻為400 mΩ，25℃條件下所能承受的脈沖電流達到9 A，具有非常低的功耗。

3 保養裝置控制程序設計

根據鉛酸蓄電池保養裝置的工作目的，其工作原理設計如圖6所示。

圖6 系統控制流程

首先對單片機內的程序進行初始化，包括各寄存器賦初始值，定時器/計數器和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，整體程序進入while (1)循環。在循環中第一步先采集蓄電池兩端的端電壓，將此值與系統設置的參數進行對比，當電壓小于程序設定值11.5 V時，程序認為蓄電池的電壓過低，處于虧電或者半虧電狀態，保養裝置打開蜂鳴器和閃光二極管，出現報警聲音和紅綠燈交替閃亮，提示應對蓄電池進行充電。若此值大于或等于設定的參數，則認為蓄電池電壓正常，保養模塊開啟在線保養功能。由于該裝置始終并聯在蓄電池的兩極上，蓄電池在使用過程中，如進行大電流放電，此時端電壓下降較快，由此造成的電壓波動可能會導致CPU誤判斷而產生錯誤的操作。為了消除電壓波動的影響，除了在采樣電路中進行電容濾波外，在程序上使用了平均值濾波算法。

4 保養裝置實驗研究

本文所設計的蓄電池在線自動保養裝置在蓄電池兩端工作時如圖7所示，其工作時有防反接功能。

實驗時，利用示波器電壓探頭采集嵌入電壓型保養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裝置的電壓波形的幅值和頻率已達到高頻、高幅值的要求，可以實現對鉛酸蓄電池的自動保養。

圖7 蓄電池兩端連接保養裝置工作圖

圖8 嵌入電壓型保養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模塊的鉛酸蓄電池保養裝置回路的電流波形，如圖9所示。由圖9可看出電壓型保養模塊的回路電流波形起伏較小，說明電壓型保養裝置的功耗很小，但是電壓脈沖的參數更接近于高頻、高幅值的要求，保養效果會更好。

圖9 電壓型保養模塊回路電流波形圖

5 結論

通過研究鉛酸蓄電池負極板硫化和脈沖除硫技術的原理，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裝置。

（1）蓄電池在線自動保養裝置可以產生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硫化結晶，從而實現對鉛酸蓄電池的自動保養；

（2）保養裝置升壓部分采用Boost拓撲電路，提升電壓的幅值和頻率主要受MOS管的開關頻率影響；

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

[1]張月濱，王星博，任永樂，等.延長鉛酸蓄電池壽命的保護裝置設計[J].起重運輸機械，2007(10)：23-26.

[2]朱松然.鉛酸蓄電池簡述[M].2版.北京：機械工業出版社，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裝置設計[J].軍事交通學院學報，2011(11)：69-72.

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

[5]劉東升，劉昉.軍用封存蓄電池全自動維護系統[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，主要研究方向為車輛混合動力。