【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 酸蓄電池充電的起始電壓為 1． 98V~2V；充電初期，電池端電壓上升緩慢，當(dāng)容量恢復(fù)到 75％時(shí)，電池電壓上升到 2． 2V~2． 3V；當(dāng)容量恢復(fù)超過 75％之后，電池端電壓將迅速上升，該階段伴隨著過充電現(xiàn)象；當(dāng)容量完全恢復(fù)后，電池的端電壓略有下降。 由 2． 2 圖還可以看出鉛酸蓄電池過充電的時(shí)間與充電速率有關(guān)。充電速率越大，發(fā)生過充電的時(shí)間越早。當(dāng)充電速率大于 C／ 5 時(shí)，電池容量恢復(fù)到放出容量的 80％以前即開始過充電反應(yīng)。只有充電速率小于 C／ 100時(shí)，才能使蓄電池容量恢復(fù)到 100％以后，才發(fā)生過充電反應(yīng)。 蓄電池充電的第一任務(wù)是要盡可能快的恢復(fù)容量，為達(dá)到這個(gè)目的，希望使用較大的充電速率，但是大的充電速率必然引起蓄電池的過充反應(yīng)，產(chǎn)生析氣現(xiàn)象，縮短蓄電池的壽命。采用小的充電速率固然可以防止過充反應(yīng)，對(duì)蓄電池的壽命影響也小，但是不能達(dá)到快速性的要求。因此，先進(jìn)的充 電技術(shù)應(yīng)當(dāng)處理好這個(gè)矛盾。 圖 2. 2 鉛酸蓄電池充電特性 5 鉛酸蓄電池的極化問題 鉛酸蓄電池在充電過程有 3 個(gè)極化 (歐姆極化、電化學(xué)極化、濃差極化 )現(xiàn)象是不可避免的 ， 這 3 個(gè)極化影響電池的充電接受能力 ， 障礙了充電速度 。 （ 1） 歐姆極化 在充電過程中，離子遷移不可避免地遇到一定的阻力，外加電壓就必須額外的施加 一 定的電壓以克服這種阻力，這種現(xiàn)象就稱為歐姆極化。 （ 2） 濃度極化 隨著電極化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，生成物以及反應(yīng)物的擴(kuò)散遷移速度跟不上化學(xué)反應(yīng)的速度時(shí)，會(huì)造成從電極表面到中部溶液、電解質(zhì)濃度分布不均勻，這種現(xiàn)象稱為濃度極化。 （ 3） 電化學(xué)極化 電極反應(yīng)由好幾個(gè)基本步驟構(gòu)成，其中有一個(gè)步驟，其活化能最高，而為了使得反應(yīng)的順利進(jìn)行必須外加電源來增加一定的電壓去克服反應(yīng)的活化能，這種現(xiàn)象就叫做電化學(xué)極化。 2 充電方法的研究 充電方法 蓄電池充電方法可以分為常規(guī)的充電方法和快速充電方法。常規(guī)的充電方法主要有恒流充電、恒壓充電、分階段充電三種，許多其他的方法都是在這三種基 本方法的基礎(chǔ)上衍生而來。而快速充電方法目前常用的主要有脈沖充電、變電流間歇充電、變電壓間歇充電方法等。 常規(guī)充電方法 (1) 恒流充電方法 恒流充電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強(qiáng)度不變的充電方法，如圖 所示?？刂品椒ê?jiǎn)單，但由于電池的 6 可接受電流能力是隨著充電過程 的進(jìn)行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過甚，因此，常選用階段充電法。 圖 恒流充電曲線 (2) 恒壓充電方法 充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。與恒流充電法相比，其充電過程更接近于最佳充電曲線。用恒定電壓快速充電，如圖 所示。由于充電初期蓄電池電動(dòng)勢(shì)較低，充電電流很大，隨著充電的進(jìn)行，電流將逐漸減少，因此，只需簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)。 這種充電方法電解水很少，避免了蓄電池過充 電 。但在充電初期電流過大，對(duì)蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，造成電池報(bào)廢。鑒于這種缺點(diǎn)， 恒壓充電很少使用，只有在充電電源電壓低而電流大時(shí)采用。例如，汽車運(yùn)行過程中，蓄電池就是以恒壓充電法充電的。 圖 恒壓充電曲線 (3) 階段充電法 此方法包括二階段充電法和三階段充電法。 7 二階段 法采用恒電流和恒電壓相結(jié)合的快速充電方法，如圖 所示。首先，以恒電流充電至預(yù)定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。 三階段充電法在充電開始和結(jié)束時(shí)采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。 如圖 所示 .當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時(shí)，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法使用，受到一定的限制。 圖 二階段充電曲線 圖 三階段充電曲線 快速充電方法 為了能夠最大限度地加快蓄電池的化學(xué)反應(yīng)速度，縮短蓄電池達(dá)到滿充狀態(tài)的時(shí)間，同時(shí)，保證蓄電池正負(fù)極板的極化現(xiàn)象盡量地少或輕，提高蓄電池使用效率。 （ 1） 脈沖充電方法 脈沖充電方式首先是用脈沖電流對(duì)電池充電，然后讓電池停止充電一段時(shí)間，如此循環(huán)，如圖 所示。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應(yīng)時(shí)間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率。脈沖充電是蓄電池充電的新技術(shù)，它打破了蓄電池充電指數(shù)接受曲線的限制， 但是依然遵循并提高了 8 蓄電池固有的充電頻率。 圖 脈沖充電曲線 （ 2）變電流間歇充電法 這種充電方法建立在恒流充電和脈沖充電的基礎(chǔ)上，其特點(diǎn)是將恒流充電段 改為限壓變電流間歇充電 。充電前期的各段采用變電流間歇充電的方法，保證加大充電電流，獲得絕大部分充電量。充電后期采用定電壓充電段，獲得過充電量，將電池恢復(fù)至完全充電態(tài)。通過間歇停充，使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠 更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。變電流間歇充電法電流電壓曲線如圖 。 圖 變電流間歇充電法 9 （ 3）變電壓間歇充電法 在變電流間歇充電法的基礎(chǔ)上又有人提出了變電壓間歇充電法 (如圖 )。與變電流間歇充電方法不同之處在于第一階段的不是間歇恒 流，而是間歇恒壓。這種方法更加符合最佳充電的充電曲線。在每個(gè)間歇恒 壓充電階段，由于是恒壓充電，充電電流自然按照指數(shù)規(guī)律下降，符合電池電流可接受 效 率隨著充電的進(jìn)行逐漸下降的特點(diǎn)。 圖 變電壓間歇充電曲線 智能充電方法設(shè)計(jì) 鉛酸蓄電池由于其制造成本低，容量大，價(jià)格低廉而得到了廣泛的使用。但是，若使用不當(dāng)，其壽命將大大縮短。影響鉛酸蓄電池壽命的因素很多，而采用正確的充電方式，能有效延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。 研究發(fā)現(xiàn)：電池充電過程對(duì)電池壽命影響最大，放電過程的影響較少。也就是說，絕大多數(shù)的蓄電池不是用壞的，而是 “ 充壞 ” 的。由此可見，一個(gè)好的充電器對(duì)蓄電池的使用壽命具有舉足輕重的作用。 本文通過對(duì)鉛酸蓄電池的充電特性和各種充電方法的分析和研究，設(shè)計(jì)了快速充電裝置所采用的快速充電方法，即將整個(gè)充電過程分為 恒流 充電、恒壓充電、恒流充電、恒壓充電、停機(jī)和 浮充 充電六個(gè)階段 ， 這種充電方法非常接近蓄電池可接受的充電電流曲線，且因?yàn)槠涑潆姺椒ú煌谝酝某潆娖鞯囊恢背掷m(xù)采用大電流充電的充電方法 ， 所以不會(huì)使 電池產(chǎn)生極化現(xiàn)象 ，從而提高了充電效率，延長(zhǎng)了電池的使用壽命，而且減少了充電器的充電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了快速充電。在不 10 同的階段采用不同的充電方法，把充電電流、電壓、電池溫度控制在合理的范圍內(nèi)，從而達(dá)到最佳充電效果。本次設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車智能充電器的充電方法 如圖 所示。 u、 i 30A 15A 3A 停機(jī) t 圖 電池充電曲線 充電過程的具體描述： 第一，智能充電器 進(jìn)行 30A 恒流充電； 第二，判斷當(dāng)前電流是否超過 15A 和當(dāng)前電壓是否超過 ，當(dāng)條件成立時(shí)發(fā)送 15A 恒流和 恒壓脈沖，當(dāng)電流超過 15A 且電壓沒有超過 時(shí)發(fā)送 恒壓脈沖，接著進(jìn)行硬件切換 恒壓和 30A 恒流，電池進(jìn)入 的恒壓充電階段； 第三，在 的恒壓充電過程中檢測(cè) 15A 的電流值。當(dāng)電流小于 15A 且電壓大于 時(shí)發(fā)送 15A 恒流脈沖。當(dāng)電流值降低至 15A 時(shí)進(jìn)入 15A的恒流充電階段； 第四，在 15A 的恒流充電過程中檢測(cè) 的電壓值。當(dāng)電流超過 15A 時(shí)發(fā)送電壓脈沖，將狀態(tài)切換到 的恒壓充電； 第五，在 的恒壓充電過程中檢測(cè)電流值，當(dāng)電流小于 3A 且電壓大于 時(shí)發(fā)送 3A恒流和 恒壓脈沖 ,暫停充電； 第六，等待進(jìn)入 的恒壓充電，充電過程中檢測(cè)電壓值，當(dāng)電壓低于 時(shí)進(jìn)行浮充充電，只要電池接在充電器上并且充電器接通電源，充電器就會(huì)給電池不斷補(bǔ)充電荷，這樣可使電池總處于充足電狀態(tài)，此時(shí)也標(biāo)志著充電過程已結(jié)束。 11 3 智能充電器的硬件設(shè)計(jì) ATmega16 的介紹 ATmega16 是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間， ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運(yùn)算 邏輯 單元 (ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù) 吞吐率。 ATmega16 有如下特點(diǎn) ： 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即 RWW)， 512 字節(jié) EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM， 32 個(gè)通用 I/O 口線， 32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描 JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的 定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 (T/C)片內(nèi) /外中斷，可編程串行 USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口， 8 路 10 位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP 封裝 ) 的 ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程 看門狗定時(shí)器 ，一個(gè) SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過 軟件 進(jìn)行選擇的省電模式。 工作于空閑模式時(shí) CPU 停止工作，而 USART、兩線接口、 A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、 T/C、 SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài) ； ADC噪聲抑制模式時(shí)終止 CPU和除了異步定時(shí)器與 ADC 以外所有 I/O 模塊的工作，以降低 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有 快速啟動(dòng) 能力；擴(kuò)展 Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。 本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi) ISP Flash 允許程序存儲(chǔ)器通過 ISP 串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將 應(yīng)用程序 下 12 載到應(yīng)用 Flash 存儲(chǔ)區(qū) (Application Flash Memory)。在更新應(yīng)用 Flash 存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo) Flash 區(qū) (Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了 RWW 操作。 通過將 8 位 RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)， ATmega16 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括： C 語(yǔ)言 編譯器 、宏匯編、 程序調(diào)試器 /