一種基于正負脈沖波法的變電站閥控鉛酸蓄電池延壽裝置的設計

謝旭琛，鐘 鑫，王軍玉，肖偉強，鄧月輝

（廣東電網(wǎng)責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簡單方便的優(yōu)點，因而在變電站直流系統(tǒng)中得到了普遍應用。鉛酸蓄電池的實際使用情景和使用情況對其壽命會產(chǎn)生顯著影響，特別是當蓄電池發(fā)生頻率過高的過充電或者欠充電時，由于發(fā)生蓄電池內(nèi)部失水PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++SO42-導致的硫化現(xiàn)象。

1 鉛酸蓄電池硫酸鹽化的形成原因

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

反復的電解和化合反應會導致蓄電池內(nèi)部的氣壓增大。蓄電池安全閥頻繁打開排氣過程中會導致水蒸氣逸出，導致電解液中溶劑水分的含量降低。溶劑的減少會導致電解液的溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)顯著增加。電解液的粘度顯著增加將導致電解液中的正負離子的運動受阻，擴散速度顯著降低，最終結(jié)果為鉛酸蓄電池電阻降低。同時，由于電化學反應的阻力增加，容量也會顯著減小。

2 脈沖充電和消除硫酸鹽化的原理

2.1 脈沖充電法原理

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

蓄電池在正脈沖充電過程中發(fā)生了以下的化學反應。

電解液中的溶劑水會發(fā)生水解反應，過程如下：

蓄電池的正極和負極發(fā)生的是原電池反應，過程如下：

生成的氣體會在蓄電池內(nèi)部重新化合，過程如下：

2H2+O2=2H2O

由上述反應可知，蓄電池在正脈沖充電過程中，會有鉛單質(zhì)、硫酸、二氧化鉛以及氫氣和氧氣的生成，同時生成的氣體會還原成水，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脈沖，通過斷電測量的方式可以消除極化現(xiàn)象，使蓄電池充電時產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時間化合掉，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]，同時促使電解液中的陰陽離子更好地擴散到陰陽極板上，有利于下一輪充電的順利進行。

2.2 消除硫酸鹽化原理

鉛酸蓄電池產(chǎn)生硫酸鹽化時，電極極板上的導電能力交叉的硫酸鹽晶體利用常規(guī)方法難以去除。同時，由于它的導電能力差，對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]?？紤]利用瞬時的高電壓施加在導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間，可以確保在擊穿的同時不會引起過充電。在高電壓施加后再考慮施加負脈沖放電，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，一定程度上恢復蓄電池的使用容量[3]。

3 正負脈沖修復器的電路設計

3.1 正負脈沖修復器原理

圖1是正負脈沖修復器的電路框圖，由穩(wěn)壓電源模塊、單片機控制模塊、脈沖波生成模塊、LED信號顯示模塊和光電耦合模塊構(gòu)成。其中，單片機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)識別模塊、LED信號顯示模塊以及光電耦合模塊電路連接。

圖1 修復器電路框圖

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和脈沖波生成模塊；單片機控制模塊根據(jù)電池狀態(tài)識別模塊識別電壓控制脈沖波生成模塊的運行以及判斷修復是否完成；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轉(zhuǎn)換為光信號，再輸出到鉛酸蓄電池的一端，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出給鉛酸蓄電池；LED信號顯示模塊可以通過LED燈顏色顯示修復延壽是否完成。

3.2 控制電路設計

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具有補償功能，作為誤差放大器的輸出，用于環(huán)路補償；引腳2具有電壓反饋功能，外接一個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)的導通；引腳4功能為RT/CT，通過將電阻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N型MOS管IRF630M，峰值電流為1.0 A的電流經(jīng)過這個引腳發(fā)出；引腳7為此控制回路的正電源；引腳8為參考輸出，通過電阻RT向電容CT提供充電電流。

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

圖2 控制芯片外接電路

3.3 PWM脈沖發(fā)生裝置設計

本裝置的脈沖發(fā)生裝置采用正負脈沖充電方式，PWM脈沖發(fā)生裝置采用正負脈沖充電的設計，具體流程為“正脈沖充電—停止充電—負脈沖放電—停止充電—正脈沖充電循環(huán)的過程”。周期內(nèi)嵌在單片機內(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UC3843電源控制器輸出的高低電平控制MOS管的正負脈沖的輸出，從而利用輸出的正負脈沖實現(xiàn)充電修復功能。

3.4 實驗測試

通過對2.4 V、500 Ah的變電站直流系統(tǒng)鉛酸蓄電池進行除硫恢復實驗，測試待除硫的蓄電池內(nèi)阻為122 mΩ。先對其加入蒸餾水進行處理，然后利用裝置對其進行除硫恢復，實驗后測得蓄電池內(nèi)阻5.3 mΩ，基本與新電池一致。使用蓄電池容量測試儀測得其容量合格。

4 結(jié) 論

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