【文章內(nèi)容簡介】 ２５ ℃ 時工作很理想的普通（無溫度補償）充電器，當(dāng)環(huán)境溫度降到０ ℃ 時，電池就不能充足電，當(dāng)環(huán)境溫度上升到５０ ℃ 時，電池將因嚴(yán)重的過充電而縮短壽命。因此，為了保證在很寬的溫度范圍內(nèi)，都能使電池剛好充足電，充電器的各種轉(zhuǎn)換電壓必須隨電池電壓的溫度系數(shù)而變。 充電器充電原理 蓄電池充電理論基礎(chǔ) 理論和實踐證明，蓄電池的充放電是一個復(fù)雜的電化學(xué)過程。一般地說，充電電流在充電過程中隨時間呈指數(shù)規(guī)律下降，不可能自動按恒流或恒壓充 電。充電過程中影響充電的因素很多，諸如電解液的濃度、極板活性物的濃度、環(huán)境溫度等的不同，都會使充電產(chǎn)生很大的差異。隨著放電狀態(tài)、使用和保存期的不同，即使是相同型號、相同容量的同類蓄電池的充電也大不一樣。 上世紀(jì) 60年代中期，美國科學(xué)家馬斯對開口蓄電池的充電過程作了大量的試驗研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線，如圖 1 所示。實驗表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時間，并且對電池的容量和壽命也沒有影響。原則上把這條曲線稱為最佳充電曲線，從而奠定了快速充電方法的研究方向。 圖 最佳充電 曲線 由圖 可以看出：初始充電電流很大，但是衰減很快。主要原因是充電過程中產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。在密封式蓄電池充電過程中，內(nèi)部產(chǎn)生氧氣和氫氣，當(dāng)氧 6 氣不能被及時吸收時，便堆積在正極板（正極板產(chǎn)生氧氣），使電池內(nèi)部壓力加大，電池溫度上升，同時縮小了正極板的面積，表現(xiàn)為內(nèi)阻上升，出現(xiàn)所謂的極化現(xiàn)象。 蓄電池是可逆的。其放電及充電的化學(xué)反應(yīng)式如下： PbO2＋ Pb＋ 2H2SO4→2P bSO4＋ 2H2O （ 1） 很顯然，充電過程和放電過程互為逆反應(yīng)。可逆過程就是熱力學(xué)的平衡過程，為保障電池能夠始 終維持在平衡狀態(tài)之下充電，必須盡量使通過電池的電流小一些。理想條件是外加電壓等于電池本身的電動勢。但是，實踐表明，蓄電池充電時，外加電壓必須增大到一定數(shù)值才行，而這個數(shù)值又因為電極材料，溶液濃度等各種因素的差別而在不同程度上超過了蓄電池的平衡電動勢值。在化學(xué)反應(yīng)中，這種電動勢超過熱力學(xué)平衡值的現(xiàn)象，就是極化現(xiàn)象。 一般來說，產(chǎn)生極化現(xiàn)象有 3 個方面的原因。 1）歐姆極化充電過程中，正負離子向兩極遷移。在離子遷移過程中不可避免地受到一定的阻力，稱為歐姆內(nèi)阻。為了克服這個內(nèi)阻，外加電壓就必須額外施加一定的電壓，以 克服阻力推動離子遷移。該電壓以熱的方式轉(zhuǎn)化給環(huán)境，出現(xiàn)所謂的歐姆極化。隨著充電電流急劇加大，歐姆極化將造成蓄電池在充電過程中的高溫。 2）濃度極化電流流過蓄電池時，為維持正常的反應(yīng)，最理想的情況是電極表面的反應(yīng)物能及時得到補充，生成物能及時離去。實際上，生成物和反應(yīng)物的擴散速度遠遠比不上化學(xué)反應(yīng)速度，從而造成極板附近電解質(zhì)溶液濃度發(fā)生變化。也就是說，從電極表面到中部溶液，電解液濃度分布不均勻。這種現(xiàn)象稱為濃度極化。 3）電化學(xué)極化這種極化是由于電極上進行的電化學(xué)反應(yīng)的速度，落后于電極上電子運動的速度造成的。 例如：電池的負極放電前，電極表面帶有負電荷，其附近溶液帶有正電荷，兩者處于平衡狀態(tài)。放電時，立即有電子釋放給外電路。電極表面負電荷減少，而金屬溶解的氧化反應(yīng)進行緩慢 Me－ ＋，不能及時補充電極表面電子的減少，電極表面帶電狀態(tài)發(fā)生變化。這種表面負電荷減少的狀態(tài)促進金屬中電子離開電極，金屬離子 Me＋轉(zhuǎn)入溶液，加速 Me－＋反應(yīng)進行?？傆幸粋€時刻，達到新的動態(tài)平衡。但與放電前相比，電極表面所 7 帶負電荷數(shù)目減少了，與此對應(yīng)的電極電勢變正。也就是電化學(xué)極化電壓變高，從而嚴(yán)重阻礙了正常的充電電流。同理，電池正 極放電時，電極表面所帶正電荷數(shù)目減少，電極電勢變負。這 3 種極化現(xiàn)象都是隨著充電電流的增大而嚴(yán)重。 充電器的工作原理 目前， 電動自行車主要以鉛酸蓄電池為動力。鉛酸蓄電池的主要優(yōu)點是： 電池容量大、價格便宜并具有無記憶效應(yīng) 。但存在的缺點是： 體積大、重量重和不能過充或過放。根據(jù)鉛酸蓄電池的上述特點， 鉛酸蓄電池的充電過程一般分為四個階段： 涓流充電 —快速充電 —均充電 —浮充電 [1， 2] ，如圖 所示 圖 鉛酸蓄電池要求的充電電壓、電流曲線 根據(jù)充電前蓄電池殘余電量的不同， 每次充電的時間將有所不同。 (1) 涓流充電 若蓄電池在充電初期已處于深度放電狀態(tài)，為避免對蓄電池充電電流過大，造成熱失控， 微處理器通過監(jiān)測蓄電池的電壓，對蓄電池實行穩(wěn)定小電流涓流充電。在涓流充電階段，電池電壓開始上升，當(dāng) 電池電壓上升到能接受大電流充電的閥值時則轉(zhuǎn)入快速充電階段。 (2) 快速充電 該階段為大電流恒流充電，電池電壓上升較快，當(dāng)電壓上升至均充電壓閥值時，則轉(zhuǎn)入均充階段。 (3) 均充電 該階段為恒壓充電，它可使電池容量快速恢復(fù)。這時充電電流逐漸減小，當(dāng)電流下降至某一固定值時，自動轉(zhuǎn)入浮充電。 8 (4) 浮充電 該階段主要用來補充蓄電池自放電所消耗的能量，此標(biāo)志著充電過程結(jié)束。 9 第二章 總體設(shè)計方案 系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù) 課題 的要求，系統(tǒng)采用開關(guān)電源，通過脈沖電流的方式來實現(xiàn)充電的目的。由市電送來的 220V交流電經(jīng)整流、濾波后，經(jīng)脈沖變壓器降壓送給蓄電池進行充電。對系統(tǒng)信號進行采樣和控制，將充電的電壓和電流信號反饋回 PWM信號發(fā)生器，由 PWM 信號發(fā)生器控制開關(guān)管通斷的占空比完成充電的。當(dāng)蓄電池的電壓達到額定值后，說明蓄電池已經(jīng)充滿電?？刂崎_關(guān)，斷開電源，停止充電。 方案策略 用 PWM 信號發(fā)生器 (比如 UC3842)實現(xiàn)的方案。蓄電池充電時，電壓、電流采樣電路將蓄電池的電壓、電流信號進行采樣，采樣的信號經(jīng)過各種處理后，分別 送進 PWM 信號發(fā)生器的電壓和電流反饋引腳。 PWM 信號 發(fā)生器 對反饋回來的電壓、電流信號進行分析，然后調(diào)整 PWM 輸出信號的占空比。這個 PWM信號送給開關(guān)電源開關(guān)管，從而便調(diào)節(jié)的開關(guān)管在一個周期內(nèi)關(guān)斷和導(dǎo)通的時間，也就是控制了高頻變壓器通斷的時間，從而實現(xiàn)控制高頻變壓器輸出電壓和電流的大小。這種方法是目前市場充電器流行使用的方法，也是一種很技術(shù)非常成熟的方法。這種方案的優(yōu)點是，技術(shù)簡單、成熟、有多年的實用經(jīng)驗、所需的元器件少、成本低。如下 方框圖： 10 圖 方案方框圖 高頻變壓器 蓄電池 PWM波形發(fā)生器 電流電壓反饋 11 第三章 硬件電路設(shè)計 電路總體設(shè)計 圖 電路總體設(shè)計方框圖 如圖 所示，由市電送來的 220V的交流雙向濾波抑制干擾進行整流濾波，得到太約 300V的直流電送入給高頻脈沖變壓器，高頻變壓器的次級繞組輸出電壓為 48V 給蓄電池充電。在蓄電池的出口處分別的進行電壓和電流的采樣，采樣信號送入低通濾