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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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：
?。?）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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)在充電過(guò)程中適時(shí)加入放電脈沖來(lái)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,。
?。?） 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(guò)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：
?。?） 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。
?。?） 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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)高可能會(huì)帶來(lái)一些新的問題，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)的改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn),。有專家認(rèn)為,，在快速充電過(guò)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(wàn)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(wú)限,。
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