摘  要： 為了縮短鉛酸蓄電池的充電時(shí)間，提高電能轉(zhuǎn)換效率,，本文在傳統(tǒng)充電模式的基礎(chǔ)上，依據(jù)蓄電池可接受的最佳充電狀態(tài)和充放電的關(guān)系,，設(shè)計(jì)制作了快速充電模式電路,。該模式運(yùn)用較為簡(jiǎn)單的反激拓?fù)洌黾恿颂岣?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/PF" title="PF" target="_blank">PF的前置電路,，采取了靈敏的控制電路芯片——STM8S103C6單片機(jī),。該智能脈沖快速充電電路通過(guò)軟硬件相結(jié)合，增加了電路的可靠性,。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明,，該電路在不影響鉛酸電池的物理化學(xué)性質(zhì)的前提下，提高了充電電路的PF,、效率,，縮短了充電時(shí)間。

　　關(guān)鍵詞： 鉛酸蓄電池,；PF,；STM8S103C6；快速充電

0 引言

　　鉛酸蓄電池發(fā)展至今,，因其價(jià)格低廉,、制作材料簡(jiǎn)單、工藝成熟,、性能穩(wěn)定而使其應(yīng)用價(jià)值與日俱增,，其應(yīng)用領(lǐng)域小到家用電動(dòng)自行車(chē)，大到汽車(chē),、船艦等[1-3],。但一直以來(lái)，鉛酸蓄電池存在充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng),、效率低,、壽命短等問(wèn)題。如今,，市場(chǎng)上鉛酸蓄電池的充電模式一般還采用恒流模式,、恒壓模式或分階段充電模式,，其充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。為了解決鉛酸蓄電池充電時(shí)間長(zhǎng),、效率低的問(wèn)題,，本文以單片機(jī)為輔助手段，結(jié)合改進(jìn)的三段式充電模式,，設(shè)計(jì)制作出了新型脈沖快速充電電路,。

1 快速充電理論及最優(yōu)方案

　　1.1 鉛酸蓄電池的充放電原理

　　鉛酸蓄電池主要核心部分有正負(fù)極板、電解液,、隔板,。正極板的活性物質(zhì)由二氧化鉛（PbO2）構(gòu)成；而負(fù)極板的活性物質(zhì)則由灰色海綿形狀的鉛（Pb）構(gòu)成,；27%～37%濃度的硫酸（H2SO4）溶液作為其電解液[4],。充放電反應(yīng)式如式（1）。當(dāng)鉛酸蓄電池放電時(shí),，正極板的二氧化鉛（PbO2）與硫酸（H2SO4）反應(yīng)下生成硫酸鉛（PbSO4）和水（H2O）,，負(fù)極板則有鉛（Pb）與硫酸根離子（SO-4）反應(yīng)生成硫酸鉛（PbSO4）。此時(shí)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,，為負(fù)載供電,。電解液濃度降低；當(dāng)鉛酸蓄電池充電時(shí),，硫酸鉛（PbSO4）在正極板和負(fù)極板分別被氧化和還原,，轉(zhuǎn)化為二氧化鉛（PbO2）和鉛（Pb），該反應(yīng)為電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,，同時(shí)硫酸（H2SO4）的濃度升高,。但同時(shí)，在充電時(shí),，隨著溫度的升高,，鉛酸蓄電池內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，包括內(nèi)阻極化,、濃度差極化,、電化學(xué)極化等[5]。極化又帶來(lái)水電解的副反應(yīng),，稱為析氣現(xiàn)象,。反應(yīng)式如式（2）、式（3）[6],。

　　副反應(yīng)方程式之負(fù)極：

　　2H++2e-→H2（3）

　　1.2 蓄電池的最佳充電接受方案

　　基于蓄電池充電過(guò)程中的最低析氣率,，馬斯提出了蓄電池接受的最佳充電電流曲線圖[7]。蓄電池充電過(guò)程中可接受的最佳充電電流曲線如圖1所示,，對(duì)于蓄電池充電的任意時(shí)間,，蓄電池可接受最佳電流為一個(gè)衰減指數(shù)變化的曲線,，可以用式（4）來(lái)表示。

　　式中,，t為充電時(shí)間,；I是任意時(shí)刻蓄電池接受的充電電流；I0是最大起始可接受的充電電流,；是衰減率常數(shù),，亦可以稱為充電接受比。

　　從圖1所示的馬斯最佳充電曲線可以看出,，在對(duì)蓄電池的充電過(guò)程中,，充電電流只有在低于蓄電池可接受的最大充電電流時(shí)，蓄電池內(nèi)部才不會(huì)出現(xiàn)析氣現(xiàn)象,；反之,，如果充電電流過(guò)大，高于蓄電池充電可接受的最大充電電流時(shí),，就會(huì)加劇蓄電池內(nèi)部溫度的升高，促進(jìn)電池內(nèi)部水的電解,，析氣現(xiàn)象嚴(yán)重,，縮短了蓄電池的使用壽命[8-10]。

　　在傳統(tǒng)的恒流方法中,，在短時(shí)間內(nèi)以大電流給蓄電池充電,，雖然加快了充電速度，但是后期溫度的升高加劇了蓄電池內(nèi)析氣的產(chǎn)生,；恒壓方法中,，由于整個(gè)過(guò)程充電電流由大逐漸減小，充電電流趨勢(shì)雖滿足蓄電池充電電流曲線圖,，但臨界充電電流值不易控制,，故造成充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或溫升。

　　此后,，馬斯依次提出了馬斯三定律[11],，總結(jié)了蓄電池的放電電流和其可接受的最佳充電電流的內(nèi)在關(guān)系：如果在蓄電池的充電過(guò)程中，對(duì)蓄電池在某時(shí)刻給予較大深度的放電,，可以提高?鄣因子,，即提高蓄電池的充電電流接受比，這正是加快充電進(jìn)程的有效方法[12],。蓄電池充電可接受最佳電流值與放電電流脈沖的關(guān)系如圖2所示,。

　　基于上述分析，本文設(shè)計(jì)了快速充電的模式：第一級(jí)充電方式為涓流,；第二級(jí)充電方式為大電流的恒流,；第三級(jí)充電方式為恒壓,；最后一級(jí)充電方式為浮充。由于在第二級(jí)大電流恒流充電過(guò)程中,，蓄電池溫度升高很快,，析氣產(chǎn)生嚴(yán)重，故在其充電過(guò)程加入了一個(gè)按時(shí)間比例控制的深度放電負(fù)脈沖,。而在其他幾級(jí)充電模式下,，在檢測(cè)到蓄電池的溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，同樣加入深度放電的負(fù)脈沖,，以便降溫和降低析氣程度,。

　　以12 V·7 Ah的鉛酸蓄電池為例，12 V的鉛酸蓄電池由6個(gè)2 V的單體組成,，鉛酸蓄電池單個(gè)電池充電的最高電壓介于2.35 V～2.45 V,，平均電壓為2.4 V。依據(jù)單個(gè)電池的最佳充電電壓,，12 V的鉛酸蓄電池能夠充電的最高電壓為：Vmax=6×2.4=14.4 V,。涓流充電時(shí)，充電電流為0.1 C（C代表的是蓄電池的容量,，此處為7 Ah）=0.7 A,；浮充充電時(shí)，當(dāng)充電電流達(dá)到0.02 C=0.14 A時(shí),，意味著鉛酸蓄電池充電的結(jié)束,；而在第二級(jí)大電流充電時(shí)，最大的充電電流設(shè)定為鉛酸蓄電池容量的0.15～0.25倍,，以此來(lái)保護(hù)鉛酸蓄電池的壽命,。即Imin=0.15×7=1.05 A，Imax=0.25×7=1.75 A[13],，為了最快速充電,，選其最大充電電流為1.75 A。

　　鉛酸蓄電池充電曲線圖如圖3所示,。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

　　2.1 鉛酸蓄電池快充硬件電路構(gòu)架

　　鉛酸蓄電池快速充電電路框圖如圖4所示,。其中，箭頭代表信號(hào)流動(dòng)的方向,，該系統(tǒng)主要由第一級(jí)的AC/DC的APFC升壓模塊,、第二級(jí)的DC/DC反激降壓模塊、第三級(jí)控制模塊（包括鉛酸蓄電池充電模塊,、放電模塊,、以Stm8s103c6為核心的采集電路模塊）構(gòu)成。

　　2.2 Boost APFC模塊

　　近年來(lái),，提高開(kāi)關(guān)電源的功率因素,、減輕電路對(duì)電網(wǎng)的污染已經(jīng)成為電源發(fā)展的方向,。為了使輸入電流諧波滿足要求，需要加入功率因素校正（APFC）電路[14],。該電路通過(guò)對(duì)第二級(jí)反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸入電流的采樣,，反饋到帶有調(diào)節(jié)APFC功能的芯片F(xiàn)AN7930C中，最終通過(guò)該芯片調(diào)節(jié)MOSFET的占空比,。其主要作用是：（1）把交流輸入全電壓（90 V～265 V）轉(zhuǎn)化為直流輸出電壓（390 V）,；（2）提高了輸入電路的功率因素。這部分技術(shù)目前市場(chǎng)上雖然比較成熟,，但是為了節(jié)約成本和減小充電器的體積,，市場(chǎng)上一般都沒(méi)有設(shè)計(jì)該電路?？刂菩酒現(xiàn)AN7930C不同于飛兆公司的其他功率因素芯片,，因其引腳增加了RDY檢測(cè)腳，RDY引腳是通過(guò)檢測(cè)第一級(jí)電路輸出正常時(shí),，引導(dǎo)第二級(jí)工作,。FAN7930C周?chē)娐吩O(shè)計(jì)如圖5所示。依據(jù)FAN7930C芯片資料,，當(dāng)?shù)谝患?jí)輸出達(dá)到設(shè)定輸出的89%,，即輸出電壓UO1=89%×390=347.1 V時(shí)，RDY腳輸出為高電平,，NPN晶體管Q1飽和導(dǎo)通，此時(shí)電解電容C3充電,，當(dāng)C3端電壓達(dá)到第二級(jí)芯片開(kāi)啟電壓時(shí),，第二級(jí)電路正常工作；反之,，RDY腳輸出為低電平,，NPN晶體管Q1截止關(guān)斷，第二級(jí)因電解電容能量不足而停止工作,。故RDY腳控制著第二級(jí)電路的開(kāi)通與關(guān)斷,，避免第二級(jí)因欠壓而使變壓器磁芯飽和，造成第二級(jí)電路損壞,。

　　2.3 反激輸出電路

　　本文電路設(shè)計(jì)的輸出功率相對(duì)不高（PO=UO×IO=  14.4×1.75=25.2 W）,，所以第二級(jí)電路采用較為簡(jiǎn)單的反激拓?fù)潆娐罚ぷ髂Ｊ讲扇∵B續(xù)模式（CCM）,。該反激主電路控制芯片由UC3844B構(gòu)成,，頻率為fsw=1.72/（R×C），設(shè)計(jì)為150 kHz,；輸入電壓由上一級(jí)電解電容C3提供,；輸出因電流較大（1.75 A）,，故輸出多并幾個(gè)快恢復(fù)二極管，用于分流和減少反向恢復(fù)時(shí)間,。因芯片AP4313內(nèi)部有精準(zhǔn)的1.21 V參考電壓,、外圍所用元器件較少、耐溫值范圍寬（-40℃~105℃）,，故選其作為恒流恒壓控制芯片,。AP4313內(nèi)部電路簡(jiǎn)圖如圖6所示，其內(nèi)部其實(shí)就是帶有基準(zhǔn)電壓的兩個(gè)運(yùn)算放大器,。采樣電壓（采樣電流轉(zhuǎn)化為采樣電壓）與基準(zhǔn)電壓的比較決定著電路輸出是恒壓還是恒流,。AP4313周?chē)娐吩骷季秩鐖D7所示。

　　2.4 控制電路

　　充放電控制電路是控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵[15],?？刂颇K電路如圖8所示，控制開(kāi)關(guān)由兩個(gè)P溝道MOSFET（Q2,、Q3）構(gòu)成,，而驅(qū)動(dòng)Q2、Q3開(kāi)通與關(guān)斷的則是STM8S103C6芯片的引腳PA1,、PA2,。STM8S系列芯片具有抗干擾性強(qiáng)、可靠性強(qiáng),、運(yùn)行速度快的特點(diǎn),，并內(nèi)置了高速中分辨率的10位ADC轉(zhuǎn)換器。故其能及時(shí)有效地采集充電數(shù)據(jù)并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換處理,，從而確定充電模式,。正是兩個(gè)P溝道MOSFET的開(kāi)通和關(guān)斷，使得充電過(guò)程包含了對(duì)蓄電池正向通電,、停止充電和反向深度放電三個(gè)階段,。

　　當(dāng)Q2管導(dǎo)通，Q3管關(guān)閉時(shí),，整個(gè)電路對(duì)鉛酸蓄電池正向充電,；當(dāng)Q2管關(guān)閉，而Q3管開(kāi)通時(shí),，整個(gè)電路對(duì)鉛酸蓄電池反向放電,；當(dāng)Q2管關(guān)閉，Q3管也關(guān)閉時(shí),，鉛酸蓄電池停止充放電,。放電電路最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、成本低。

　　因此,，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管通過(guò)開(kāi)通與關(guān)斷,，增加了鉛酸蓄電池的停充和反向放電時(shí)間，減弱了鉛酸蓄電池內(nèi)部的極化反應(yīng),，緩解了鉛酸蓄電池內(nèi)部的析氣現(xiàn)象,，加快了蓄電池的充電接受率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉛酸蓄電池快速充電的目的,。

3 軟件電路

　　由快速充電模式分析可知,，要得到較好的去極化現(xiàn)象，應(yīng)采用充—?！拧,！涞难h(huán)模式。鉛酸蓄電池充電流程圖如圖9所示,。在監(jiān)測(cè)鉛酸蓄電池的端電壓與采樣電阻的電流過(guò)程中,，須在鉛酸蓄電池充電前，首先關(guān)斷兩開(kāi)關(guān)管,，電壓傳感器監(jiān)測(cè)其端電壓的大小,，以此來(lái)確定充電開(kāi)始模式。充電模式進(jìn)入浮充模式充電,，其主要是用來(lái)補(bǔ)充鉛酸蓄電池自放電,，不斷以小電流補(bǔ)充，使其始終處在慢電流充電狀態(tài),，也標(biāo)志著充電過(guò)程的結(jié)束[16],。整個(gè)充電、放電電路,，須時(shí)刻檢測(cè)蓄電池兩端的溫度,，隨時(shí)調(diào)整充電模式，從而有效地保護(hù)蓄電池的壽命,。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　在本次試驗(yàn)中使用的充電器是傳統(tǒng)的三段式充電器（規(guī)格為：12 V/1 A）。充電數(shù)據(jù)如表1所示,，而本次快充數(shù)據(jù)如表2所示,。

　　從兩種不同的充電數(shù)據(jù)對(duì)比可知，本文設(shè)計(jì)制作的快充充電器,，無(wú)論時(shí)間,、PF或效率都優(yōu)于市場(chǎng)上部分傳統(tǒng)的充電器，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的目的,。

5 結(jié)論

　　本文在傳統(tǒng)的充電模式下,，設(shè)計(jì)制作了四階段的快速充電模式電路。即涓流、恒流,、恒壓,、浮充與負(fù)脈沖結(jié)合的模式電路，通過(guò)對(duì)12 V·7 Ah鉛酸蓄電池的實(shí)驗(yàn)分析,、對(duì)比可知,，此方法在不損害鉛酸蓄電池的基礎(chǔ)上，緩解了鉛酸蓄電池內(nèi)部的極化現(xiàn)象,，縮短了充電時(shí)間,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉛酸蓄電池快速充電的目的。

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