智能铅酸蓄电池充电管理与修复系统设计

宋 鹤 陈超波 李继超 高 嵩

（西安工业大学电子信息工程学院陕西西安 710021）

智能铅酸蓄电池充电管理与修复系统设计

宋 鹤 陈超波 李继超 高 嵩

（西安工业大学电子信息工程学院陕西西安 710021）

0 引言

铅酸蓄电池最突出的莫过于电池极板的硫化［1］问题，它是大多数铅酸蓄电池过早损坏的根本原因。目前普通廉价的铅酸蓄电池充电器结构简单，以恒流充电方式为主，仅有少数产品采用较合理的充电方法，却价格不菲。针对铅酸电池的充电方法及设备进行了研究和改进，设计出了一种基于富士通微控制器MB9BF500N［2］的智能化的充电管理与修复［3］设备，旨在解决充电及硫化问题，以提高电池利用率和使用寿命。

1 硫化解决方案

目前解决硫化的较好方法有以下2种：

a.高频脉冲的方式。此方式采用高频的脉冲电流对电池充电，修复率约为60%，效果较好。但因其修复时间长，需数十小时以上，甚至一周的时间，效率比较低，对严重“硫化”的蓄电池修复效果不好。由于技术简单，目前有许多设备基于该技术。

b.复合式高频脉冲方式［4］。这种方式通过特殊的电路结构发生复合式高频正负脉冲。适当控制脉冲电流值，以较小的电流密度对正极板充电，基本上不会形成对正极板的损伤。对于密封电池来说，瞬间的充电电压使电极板所析出的氧气也可以通过氧循环在负极板上被吸收，电池也就不会形成失水。它具有快速性、修复效率高、耗电少、不会引起电池失水、正极板软化和改变电解液原结构等优点，对严重硫化的铅酸电池修复效果也较其他方法理想，修复率可达90% 以上，此技术的应用减少了电池的报废数量，具有较好的经济和环保效益。采用复合式高频脉冲方式方案来解决硫化问题。

2 系统总体设计

智能铅酸蓄电池充电管理与修复系统主要由电源系统电路、微控制器电路、电池状态监控系统、人机交互系统、脉冲发生电路以及充放电电路等构成。原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

设备电源取自市电系统，经整流后提供给DCDC模块，产生系统电源和充电电源。系统各个部件包括充电系统电源、CPU核心及外设供电。微控制器（MB9BF500N）是系统的核心，主要完成各个设备的控制与协调任务，如人机界面、报警、状态切换、实时状态监控等。电池状态监控系统则是完成实时的电池温度、电压、电流的数据采集任务，并送给微处理器做分析处理。由于MB9BF500N系列自带片内A／D，因此可以直接接受模拟信号输入；人机交互系统主要由液晶显示屏、按键、声光报警部件组成，完成必要的信息显示和与用户交互，使设备更加人性化，便于操作。脉冲发生系统用于产生可控的冲击脉冲电压，这个脉冲电压经过调制处理与放大后加到充电电路上，完成脉冲修复充电任务；充放电电路在CPU的控制下完成充放电过程。控制部件采用开关效果良好的MOS管构成，使电路具有更好的开关响应能力，更利于脉冲充电。

3 单元电路设计

3.1 电源系统电路设计

脉宽调制高频开关电源［5-6］原理如图2所示，交流输入电压经过滤波消除干扰后进入整流桥，输出包含较大纹波的直流电压，经大电容滤波得到较为平滑的直流高压。通过脉宽调制控制直流变换器的功率开关管，在变换器二次侧得到高频矩形波电压，再经过输出整流滤波器得到直流输出电压。脉宽调制器是此类变换器控制电路的核心，在由比较取样、误差放大、占空比控制所组成的闭环中，取样的输出电压与参考电压相比较进入误差放大器。误差放大器通过改变开关管驱动信号的脉冲宽度，实现对输出电压的控制，得到所需电压等级的稳定电压输出。采用新型单片TOPSwitch- GX249YN［7］芯片，不仅与线性稳压电源相比有许多优点，而且与传统的开关电源芯片如UC3842，SG3525芯片相比也显其优越性。

图2 脉宽调制高频开关电源原理框图

3.2 充电与修复电路的设计

系统充电与修复电路的原理如图3所示，脉冲发生与控制系统用于产生可控的冲击脉冲电压。脉冲电压由12 MHz晶振和反相器74LS04组成的振荡电路产生，经MCI1496与控制信号调制处理后，经过Q1和Q2两级放大后加到充电电路上，完成脉冲修复充电任务；充放电电路在CPU的控制下完成充放电过程［8］。控制部件采用开关效果良好的MOS管构成，使电路具有更好的开关响应能力，更利于脉冲充电。

3.3 电池状态监控电路设计

图3 充电与修复电路

监测的对象主要是电池组的电压和电流。电压由精密分压电阻R2，R3取得，经过LM324放大后送至微控制器的A／D口。蓄电池的充放电流经过R1采样电阻采样、放大，然后送至微控制器的A／D端口。对蓄电池进行检测的关键在于对电压采样的精确程度，因而采样电路设计得是否适当对整个系统至关重要。由于MB9BF500N内嵌的A／D转换器可以工作于5 V基准电压下，故采用图4所示的电流电压采集电路。该电路的最大好处是，不但可以保证采样值能随蓄电池端电压的变化相应地实时变化，而且能够使数据更加准确、可靠。

图4 电流电压采集监测电路

4 软件设计

软件设计直接影响着系统的功能。具体的充电和修复的流程图如图5、图6所示。①若选择了普通充电模式，则系统首先使电池进入预充电状态，并监测这一过程。当预充电成功后，系统将进入恒流充电阶段，这一阶段充电器对电池进行快速充电。若预充电不成功则报告充电失败，结束充电。当电池电压达到预定值时，转入恒压充电状态，同时监测电池因充电饱和而发出的充电结束信号，随后进入涓流充电，以保持电池电压。②若选择了修复模式，则系统将打开脉冲发生设备，产生修复脉冲，此模式下将完成一整套的修复工作，包括脉冲充电和电池放电等的若干次循环操作。在上述整个过程中，无论是处于普通模式还是修复模式，MCU都将实时监测充电电压、充电电流和电池温度的变化，一旦发现异常，将发出告警信号，并结束充电过程直至故障解除。

图6 电池修复流程

5 结束语

智能化充电设备将整个充电过程分为：预充电、恒流充电、恒压充电、浮充电共4个阶段，这是公认的较为理想的充电方式。同时充电时将采用充-停 放的循环方式进行，以防止电池发生析氢等次生问题，提高充电效率。每个阶段的开始与结束由微控制器依据采集到的和预设的数据来决定，以实现完全的智能化充电。修复功能能够修复蓄电池因硫化等非物理因素损坏所导致的容量下降、内阻增大等大多数常规故障，使电池重获新生。修复原理采用目前较为理想的脉冲电流充电修复方式，设备具有完整的基于软硬件结合方式的脉冲产生与功率驱动电路，以产生可控的、理想的修复脉冲，达到最佳修复效果。

［1］ 种晋，高文明.热电池硫化物正极材料放电机理研究进展［J］.电源技术，2009，33（3）：227- 230.

［2］ 郝得宁，赵晓荣.富士通微控制器的开发应用［J］.仪器仪表用户，2008，15（1）：58- 60.

［3］ 张波.铅酸电池失效模式与修复的电化学研究［D］.上海：华东理工大学，2011.

［4］ 程超会.多阶段正负脉冲铅酸蓄电池充电系统设计［D］.新乡：河南师范大学，2011.

［5］ 刘胜利.现代高频软开关电源应用技术［M］.北京：电子工业出版社，2001.

［6］ A I.Pressman.开关电源设计［M］.第3版.北京：电子工业出版社，2010.

［7］ 柏建国，王聪，魏幼平.TOPSwitch- GX系列单片开关电源的应用设计［J］.电力电子技术，2003，（8）：71- 73.

［8］ 韩晓东，傅春江，杜宇.判断电动车电池放电终止状态的新标准［J］.电池，2002，32（2）：117- 120.

Design of Intelligent Lead- acid Battery Charging Management and Repair System

SONG He CHEN Chaobo LI Jichao GAO Song
（Xi’an University of Technology，Electronic Information Engineering College，Xi’an 710021，China）

为了解决铅酸蓄电池充放电过程中的硫化问题，提出并设计了一种基于富士通微控制器MB9BF500N的智能化充电与修复于一体的铅酸蓄电池维护设备，采用TOPSwitch- GX249YN专用芯片，结合用复合式高频脉冲修复方式，实现了电路充电监控管理及电池的修复。实验表明利用该系统可以给常规的铅酸蓄电池充电管理和修复，较大程度的延长单颗电池的使用寿命。

铅酸蓄电池；硫化；充电；修复；智能化

In order to solve the sulfuration problem while charging and discharging a leadacid battery，an intelligent charging and repair device in the lead- acid battery maintenance equipment is developed and designed，said device being based on a FUJISTU MB9BF500N microcontroller.The monitoring and management of the repair of the battery circuit is achieved by using a TOPSwitch- GX249YN dedicated chip combined with high frequency pulse composite repair.Experiments show that the system can be applied in conventional lead- acid batteries for charging management and restoration，and the use life of individual batteries is extended.

lead- acid battery；sulfide；charging；repair；intelligent

TM910.6

A

1001- 2257（2015）08- 0053- 03

宋 鹤 （1990－），男，河南信阳人，硕士研究生，研究方向为智能化控制；陈超波 （1978－），男，浙江宁波人，硕士，副教授，研究方向为智能控制、多传感器数据融合、计算机控制及嵌入式系统；李继超 （1989－），男，陕西宝鸡人，硕士研究生，研究方向为智能控制和计算机控制；高 嵩 （1966－），男，陕西西安人，博士，教授，研究方向为智能控制和多传感器信息融合。

2015-03-06

陕西省教育厅科研计划项目（14JF009），陕西省工业科技攻关项目（2014K06-31）。