一種基于正負(fù)脈沖波法的變電站閥控鉛酸蓄電池延壽裝置的設(shè)計(jì)

謝旭琛，鐘 鑫，王軍玉，肖偉強(qiáng)，鄧月輝

（廣東電網(wǎng)責(zé)任有限公司惠州供電局，廣東 惠州 516001）

0 引 言

鉛酸蓄電池因具有成本低廉、沒有酸霧污染以及維護(hù)簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)，因而在變電站直流系統(tǒng)中得到了普遍應(yīng)用。鉛酸蓄電池的實(shí)際使用情景和使用情況對(duì)其壽命會(huì)產(chǎn)生顯著影響，特別是當(dāng)蓄電池發(fā)生頻率過(guò)高的過(guò)充電或者欠充電時(shí)，由于發(fā)生蓄電池內(nèi)部失水PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++SO42-導(dǎo)致的硫化現(xiàn)象。

1 鉛酸蓄電池硫酸鹽化的形成原因

過(guò)充電是指電池在充電時(shí)，在達(dá)到充滿狀態(tài)后還繼續(xù)充電的現(xiàn)象。這樣的做法可能導(dǎo)致電池內(nèi)壓升高、電池變形、漏液等情況發(fā)生，也會(huì)顯著降低電池的性能甚至損壞損壞。對(duì)于鉛酸蓄電池來(lái)說(shuō)，由于蓄電池內(nèi)部的電解液中溶劑的成分是水，水會(huì)被直流電力轉(zhuǎn)換成氣態(tài)的氫氣和氧氣，具體過(guò)程如下：

反復(fù)的電解和化合反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部的氣壓增大。蓄電池安全閥頻繁打開排氣過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致水蒸氣逸出，導(dǎo)致電解液中溶劑水分的含量降低。溶劑的減少會(huì)導(dǎo)致電解液的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加。電解液的粘度顯著增加將導(dǎo)致電解液中的正負(fù)離子的運(yùn)動(dòng)受阻，擴(kuò)散速度顯著降低，最終結(jié)果為鉛酸蓄電池電阻降低。同時(shí)，由于電化學(xué)反應(yīng)的阻力增加，容量也會(huì)顯著減小。

2 脈沖充電和消除硫酸鹽化的原理

2.1 脈沖充電法原理

脈沖充電采用正負(fù)脈沖交替方式，使蓄電池發(fā)生交替的充電和放電過(guò)程。在正脈沖過(guò)程中，蓄電池處于充電狀態(tài)；在負(fù)脈沖過(guò)程中，蓄電池處于放電狀態(tài)。

蓄電池在正脈沖充電過(guò)程中發(fā)生了以下的化學(xué)反應(yīng)。

電解液中的溶劑水會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，過(guò)程如下：

蓄電池的正極和負(fù)極發(fā)生的是原電池反應(yīng)，過(guò)程如下：

生成的氣體會(huì)在蓄電池內(nèi)部重新化合，過(guò)程如下：

2H2+O2=2H2O

由上述反應(yīng)可知，蓄電池在正脈沖充電過(guò)程中，會(huì)有鉛單質(zhì)、硫酸、二氧化鉛以及氫氣和氧氣的生成，同時(shí)生成的氣體會(huì)還原成水，并且伴隨著一定的氣體釋放現(xiàn)象。

根據(jù)極化原理和消除方式可知，在正脈沖充電完成后加入負(fù)脈沖，通過(guò)斷電測(cè)量的方式可以消除極化現(xiàn)象，使蓄電池充電時(shí)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間化合掉，減少析氣量和蓄電池充電的發(fā)熱量，從而減少蓄電池失水[1]，同時(shí)促使電解液中的陰陽(yáng)離子更好地?cái)U(kuò)散到陰陽(yáng)極板上，有利于下一輪充電的順利進(jìn)行。

2.2 消除硫酸鹽化原理

鉛酸蓄電池產(chǎn)生硫酸鹽化時(shí)，電極極板上的導(dǎo)電能力交叉的硫酸鹽晶體利用常規(guī)方法難以去除。同時(shí)，由于它的導(dǎo)電能力差，對(duì)蓄電池性能有著較為不利的影響。從固體物理上講，任何絕緣層在足夠高的電壓下都可以擊穿[2]。考慮利用瞬時(shí)的高電壓施加在導(dǎo)電能力差的硫酸鹽晶體兩端，由于具有高電壓和極其短暫的脈沖時(shí)間，可以確保在擊穿的同時(shí)不會(huì)引起過(guò)充電。在高電壓施加后再考慮施加負(fù)脈沖放電，可以避免極化現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而擊碎大硫酸鉛結(jié)晶，消除或減輕鉛酸蓄電池的硫酸鹽化，一定程度上恢復(fù)蓄電池的使用容量[3]。

3 正負(fù)脈沖修復(fù)器的電路設(shè)計(jì)

3.1 正負(fù)脈沖修復(fù)器原理

圖1是正負(fù)脈沖修復(fù)器的電路框圖，由穩(wěn)壓電源模塊、單片機(jī)控制模塊、脈沖波生成模塊、LED信號(hào)顯示模塊和光電耦合模塊構(gòu)成。其中，單片機(jī)控制模塊分別與脈沖波生成模塊、穩(wěn)壓電源模塊、電池狀態(tài)識(shí)別模塊、LED信號(hào)顯示模塊以及光電耦合模塊電路連接。

圖1 修復(fù)器電路框圖

穩(wěn)壓電源模塊連接鉛酸蓄電池，并將鉛酸電池輸出的不穩(wěn)定直流電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的交流電源輸出給單片機(jī)和脈沖波生成模塊；單片機(jī)控制模塊根據(jù)電池狀態(tài)識(shí)別模塊識(shí)別電壓控制脈沖波生成模塊的運(yùn)行以及判斷修復(fù)是否完成；脈沖波生成模塊生成掃頻脈沖波，所述掃頻脈沖波為頻率在峰值到谷值改變的脈沖波；光電耦合模塊將脈沖波生成模塊輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，再輸出到鉛酸蓄電池的一端，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出給鉛酸蓄電池；LED信號(hào)顯示模塊可以通過(guò)LED燈顏色顯示修復(fù)延壽是否完成。

3.2 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路的控制原理為峰值電流控制方式。裝置具體的控制采用UC3843固定頻率電流模式控制器?？刂齐娐沸酒饨与娐啡鐖D2所示。其中，引腳1具有補(bǔ)償功能，作為誤差放大器的輸出，用于環(huán)路補(bǔ)償；引腳2具有電壓反饋功能，外接一個(gè)電阻分壓器連接至蓄電池電源輸出；引腳3具有電流采樣功能，將一個(gè)正比于電感器電流的電壓接到此輸入，脈寬調(diào)制器用此輸出開關(guān)的導(dǎo)通；引腳4功能為RT/CT，通過(guò)將電阻RT及CT連接至引腳8的參考輸入以及電容CT連接至地，使得振蕩頻率和最大輸出占空比可調(diào)，本裝置采用的CT電容值為4.7 nF，RT電阻值為12 kΩ，工作頻率為300 Hz；引腳5作為電源正對(duì)地，用于減少控制電路中開關(guān)噪聲的影響；引腳6為輸出端，輸出直接驅(qū)動(dòng)N型MOS管IRF630M，峰值電流為1.0 A的電流經(jīng)過(guò)這個(gè)引腳發(fā)出；引腳7為此控制回路的正電源；引腳8為參考輸出，通過(guò)電阻RT向電容CT提供充電電流。

脈沖修復(fù)電路的控制流程集成在單片機(jī)內(nèi)，通過(guò)檢測(cè)蓄電池端電壓是否正常，判斷修復(fù)是否完成，從而控制輸出的PWM脈沖波?；玖鞒蹋?jiǎn)纹瑱C(jī)模式初始化，通過(guò)PWM脈沖模塊配置輸出脈沖波到蓄電池兩端進(jìn)行修復(fù)，通過(guò)檢測(cè)蓄電池端電壓判斷修復(fù)是否到位與有效。根據(jù)邏輯判據(jù)判斷修復(fù)結(jié)果，并且決定停止或者繼續(xù)修復(fù)。

圖2 控制芯片外接電路

3.3 PWM脈沖發(fā)生裝置設(shè)計(jì)

本裝置的脈沖發(fā)生裝置采用正負(fù)脈沖充電方式，PWM脈沖發(fā)生裝置采用正負(fù)脈沖充電的設(shè)計(jì)，具體流程為“正脈沖充電—停止充電—負(fù)脈沖放電—停止充電—正脈沖充電循環(huán)的過(guò)程”。周期內(nèi)嵌在單片機(jī)內(nèi)部，MOS管IRF630M控制脈沖，NPN型小功率三極管2N551用于積分放大和切斷脈沖輸出停止充電。通過(guò)UC3843電源控制器輸出的高低電平控制MOS管的正負(fù)脈沖的輸出，從而利用輸出的正負(fù)脈沖實(shí)現(xiàn)充電修復(fù)功能。

3.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)對(duì)2.4 V、500 Ah的變電站直流系統(tǒng)鉛酸蓄電池進(jìn)行除硫恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試待除硫的蓄電池內(nèi)阻為122 mΩ。先對(duì)其加入蒸餾水進(jìn)行處理，然后利用裝置對(duì)其進(jìn)行除硫恢復(fù)，實(shí)驗(yàn)后測(cè)得蓄電池內(nèi)阻5.3 mΩ，基本與新電池一致。使用蓄電池容量測(cè)試儀測(cè)得其容量合格。

4 結(jié) 論

鉛酸蓄電池采用脈沖充電發(fā)熱量相對(duì)較少、析氣少、失水少，脈動(dòng)電流有利于抑制硫酸鹽化。用高窄正負(fù)脈沖對(duì)因硫酸鹽化而造成容量下降的鉛酸蓄電池反復(fù)充電，可以在一定程度上恢復(fù)電池的容量，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命[4]，對(duì)于變電站直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了積極作用。