免維護(hù)鉛酸電池智能快速充電系統(tǒng)

　　1.引言

　　自1859年法國(guó)物理學(xué)家普蘭特(Plante)發(fā)明了鉛酸蓄電池至今已有140年的歷史。鉛酸蓄電池有著成本低，適用性寬，可逆性好，大電流放電性能良好，單體電池電壓高，并可制成密封免維護(hù)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛地應(yīng)用于車輛啟動(dòng)、郵電、電力、鐵路、礦山、采掘、計(jì)算機(jī)UPS等各個(gè)領(lǐng)域中。蓄電池也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及國(guó)防建設(shè)的重要能源，在許多行業(yè)的發(fā)展中，也迫切需要容量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充電時(shí)間短、價(jià)格低的蓄電池。而快速充電技術(shù)也成為了其中的關(guān)鍵技術(shù)，它對(duì)電池的使用有著非常重要的影響。目前，國(guó)內(nèi)外都在不斷地研究這一技術(shù)，而在快速充電技術(shù)中引入計(jì)算機(jī)控制，是非常有效的，且有著非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益。而單片機(jī)又以其低廉的成本，靈活的控制方式而得到業(yè)界的青睞，本系統(tǒng)就是以AT89C2051單片機(jī)為核心，集測(cè)量與控制為一體的智能化快速充電系統(tǒng)。

　　2.快速充電的機(jī)理

　　鉛酸蓄電池快速充電技術(shù)是在常規(guī)充電技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，不論采用何種充電制度進(jìn)行充電，鉛酸蓄電池充電的成流過程都要遵守雙極硫酸鹽化理論，即其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

　　按常規(guī)充電法，充電電流安培數(shù)，不應(yīng)超過蓄電池待充電的安時(shí)數(shù)。這樣，才可保證在整個(gè)充電過程中，產(chǎn)生氣體和溫升的狀況符合要求。因此，常規(guī)的蓄電池其充電方法都采用小電流的恒壓或恒流充電，充電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10至20多個(gè)小時(shí)，給實(shí)際使用帶來許多的不便。為了縮短電池的充電時(shí)間，國(guó)內(nèi)外一直都在不斷地研究和開發(fā)快速充電方法和技術(shù)。

　　1967年美國(guó)人麥斯(J. A. Mas)提出了蓄電池充電的三個(gè)定律后，這些理論就成為了我們研究快速充電技術(shù)的基礎(chǔ)。蓄電池有著如下的充電特性：

　　(1)蓄電池充電接受能力隨放電深度而變化。如果以相同大小的電流放電，則，放出電量越多，充電接受率α越高，充電接受電流越大。即有如下關(guān)系：

　　又因　　

　　故有

　　I0——開始充電時(shí)的最大初始電流值。

　　C——放電容量。

　　K——常數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)求出。

　　(2)對(duì)于任何給定的放電深度，充電接受率：

　　又因I0=αC，所以

　　Id——放電電流。

　　常數(shù)K和k可由實(shí)驗(yàn)得出。

　　上式表明，蓄電池的充電接受率取決于它的放電歷史，以小電流長(zhǎng)時(shí)間放電的蓄電池，充電接受率低，相反，以大電流短時(shí)間放電的蓄電池，充電接受率高。

　　(3)一個(gè)蓄電池經(jīng)幾種放電率放電，其充電接受電流是各個(gè)放電率下接受電流之和。即：　 It = I1+I2+I3+……

　　同時(shí)服從：

　　It——總接受電流。

　　Ct——放出的總電量。

　　αt——總的充電接受率。

　　放電可使全部放掉的電量Ct增加，同時(shí)也使總的充電接受電流It增加。因此，蓄電池在充電前或充電過程中適當(dāng)?shù)胤烹姡瑢?huì)增加充電接受率αt。

　　按照麥斯理論，我們對(duì)充電過程中的充電電流進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，即用大電流充電，并在充電過程中，短暫地停止充電，在停充期間加入放電脈沖，打破蓄電池充電指數(shù)曲線自然接受特性的限制。但是，理論和實(shí)踐證明，蓄電池的充放電是一個(gè)非常復(fù)雜的電化學(xué)過程，由快速充電的電化機(jī)理可知，影響快速充電的重要因素是蓄電池的電極極化現(xiàn)象，這是一切二次電池所共有的，包括有歐姆極化、濃差極化和電化學(xué)極化。而蓄電池的電極極化現(xiàn)象，又可以通過在充電過程中適時(shí)加入放電脈沖來消除。因此，要實(shí)現(xiàn)快速充電，就需要多方面的控制，其控制特點(diǎn)為：

　　(1) 多變量——諸如要控制蓄電池內(nèi)的溫度、充電電流的大小、充電的間隔時(shí)間、去極化脈沖的設(shè)置等。

　　(2) 非線性——充電電流應(yīng)隨充電的進(jìn)行而逐漸降低，否則，會(huì)造成出氣和溫升的增加。

　　(3) 離散性——隨著蓄電池的放電狀態(tài)、使用和保存歷史的不同，即使是相同型號(hào)、相同容量的同類蓄電池的充電情況也不一樣。

　　對(duì)于如此復(fù)雜的充電過程，使用傳統(tǒng)的充電電路顯然難以控制，因此，也影響了快速充電的效果。為了能更有效地實(shí)現(xiàn)快速充電，必須使用先進(jìn)的控制手段，我們利用單片機(jī)構(gòu)造了一個(gè)具有自動(dòng)檢測(cè)功能的蓄電池充電實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。根據(jù)蓄電池快速充電的機(jī)理，對(duì)充電的電池進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，適時(shí)發(fā)出去極化脈沖及調(diào)整充電電流，力求以較高的充電平均電流進(jìn)行充電，而且還能有效地抑制氣體的析出。從而達(dá)到快速充電的目的。

　　3.智能充電系統(tǒng)的構(gòu)成

　　本系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)為核心，它是高性能的8位CMOS單片微型計(jì)算機(jī)。片內(nèi)帶有2K可重編程的Flash EPROM，足夠存放一般的控制程序;具有豐富的I/O控制功能;片內(nèi)帶有2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;多個(gè)中斷源;一個(gè)精密模擬比較器。它對(duì)許多嵌入式控制應(yīng)用提供了一種高度靈活和低成本的解決辦法。

　　根據(jù)系統(tǒng)功能的需要，組成的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　該系統(tǒng)包括幾個(gè)主要部分：

　　(1) 以AT89C2051單片機(jī)作為整個(gè)智能充電系統(tǒng)的控制核心，用于數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算及輸入輸出控制。

　　(2) 電壓檢測(cè)電路

　　由RC電路與AT89C2051單片機(jī)的內(nèi)置積分模擬比較器組成，用于電池電壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)，該電路同時(shí)將檢測(cè)到的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量提供給計(jì)算機(jī)處理。

　　(3) 去極化放電電路

　　由RC放電回路與MOSFET電子開關(guān)組成，電池的充電狀態(tài)信息經(jīng)單片機(jī)處理后，根據(jù)需要經(jīng)由AT89C2051的I/O口適時(shí)發(fā)出去極化脈沖，控制開關(guān)閉合接通放電回路，以消除電池的極化現(xiàn)象，也可以消除某些電池的不良記憶，提高它的充電接受率。

　　(4) 充電控制電路

　　采用輸出電壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)的高頻開關(guān)式充電電源。并且加入適度的電流負(fù)反饋，使輸出特性變軟，避免充電器在加載瞬間的電流沖擊，并具有一定的恒流作用。

　　(5) 狀態(tài)顯示電路

　　狀態(tài)顯示電路由不同的指示燈組成，根據(jù)不同的工作狀態(tài)由單片機(jī)控制顯示充電中或充電結(jié)束狀態(tài)。

　　4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)軟件使用MCS-51匯編指令編寫，并固化于片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器中，使用極為方便。程序的流程圖如圖2所示。

　　整個(gè)系統(tǒng)的控制過程為：蓄電池組開始充電一段時(shí)間后，檢測(cè)電池電壓，當(dāng)達(dá)到電池出氣點(diǎn)電壓(約2.4V/單體)時(shí)，停止充電，然后進(jìn)行大電流(約2C)放電去極化，時(shí)間為1ms，充放電曲線如圖3所示。放電后，再檢測(cè)電池狀態(tài)，進(jìn)行去極化效果檢測(cè)，達(dá)到去極化效果則回轉(zhuǎn)充電，否則，再次進(jìn)行去極化放電，直至達(dá)到去極化要求的效果才回轉(zhuǎn)充電。如果連續(xù)放電n次(n=3)，電池電壓變化很小，則充電完成并結(jié)束充電狀態(tài)。

　　5.系統(tǒng)的工作與性能評(píng)估

　　我們用本系統(tǒng)對(duì)24V12AH免維護(hù)鉛酸電池組進(jìn)行快速充電試驗(yàn)，首先以1安培放電，放電終止電壓為20V。充電電流取8A(0.66C)，充電50分鐘后，蓄電池組端電壓達(dá)到24.5V，在充電至40分鐘左右，去極化周期逐步縮短，充電電流下降到6.2A，經(jīng)過2小時(shí)10分后，充電自動(dòng)結(jié)束，蓄電池組終止電壓為28.8V，5分鐘后測(cè)試電池組端電壓為27.6V。外殼溫升15.6℃。

　　放電試驗(yàn)是用1安培放電(負(fù)載用可調(diào)電阻)放電終止電壓為20V時(shí)，放電時(shí)間為11小時(shí)25分，即充滿率達(dá)到95﹪。通過充、放電試驗(yàn)，證明本充電控制系統(tǒng)是可行的。

　　6.討論

　　1) 快速充電的唯一辦法是遵照麥斯定律，利用充電-放電去極化的方式提高充電速度。

　　2)充電速度越高，充電器的容量要相應(yīng)增大。但是充電器的成本不成比例增加。如果進(jìn)一步加大充電電流，充電的速度還可以進(jìn)一步提高。但是，充電速度過高可能會(huì)帶來一些新的問題，必須通過實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)的改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)。有專家認(rèn)為，在快速充電過程中，只要溫升能控制得合理，對(duì)電池的壽命和電池內(nèi)部單體電池電壓均衡都有好處。

　　3) 本快速充電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的充電器相比，可以較大范圍地提高充電速度，縮短充電時(shí)間。但是，充電器復(fù)雜系數(shù)略有增加。僅僅是增加了一個(gè)單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)控制環(huán)節(jié)和一個(gè)MOSFET電子開關(guān)及RC放電電路。因此，不失為一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的快速充電電路。

　　7.結(jié)論

　　綠色革命的一個(gè)重要體現(xiàn)是綠色交通。因此，很多國(guó)家都在致力于電動(dòng)車的開發(fā)和研究。然而，蓄電池的快速充電依然是一個(gè)必不可少的課題。目前，市場(chǎng)上已出現(xiàn)了不少電動(dòng)車和電動(dòng)助力車、電動(dòng)滑板車。根據(jù)專家的市場(chǎng)預(yù)測(cè)，2004年美國(guó)市場(chǎng)的需求量是500萬輛，中國(guó)的產(chǎn)品因?yàn)閮r(jià)廉物美而成為了主導(dǎo)產(chǎn)品。因此，肯定對(duì)快速充電器有一定的需求。隨著電動(dòng)交通工具研究的深入和發(fā)展，可以預(yù)言，今后大、中、小各種容量的快速充電器將是商機(jī)無限。

　　參考文獻(xiàn)

　　(1) 張占松，蔡宣三，開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社，1999

　　(2) 余永權(quán)　ATMEL89系列單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)， 北京航空航天大學(xué)出版社 ，2002

　　(3) 朱松然 張勃然， 鉛蓄電池技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社 1988