【文章內(nèi)容簡介】 池充電后，負(fù)極板是鉛（ Pb），與電解液中的硫酸（ H2SO4）發(fā)生反應(yīng)，變成鉛離子（ Pb2+），鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液中，負(fù)極板上留下多余的兩個(gè)電子（ 2e）?？梢?，在未接通外電路時(shí) （電池開路），由于化學(xué)作用，正極板上缺少電子，負(fù)極板上多余電子 ， 兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動(dòng)勢。 鉛酸蓄電池放電過程的電化反應(yīng) 鉛酸蓄電池放電 時(shí)，在蓄電池的電位差作用下，負(fù)極板上的電子經(jīng)負(fù)載進(jìn)入正極板形成電流 I。同時(shí)在電池內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。 負(fù)極板上每個(gè)鉛原子放出兩個(gè)電子后，基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì) 7 生成的鉛離子（ Pb2+）與電解液中的硫酸根離子（ SO42）反應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（ PbSO4）。 正極板的鉛離子（ Pb4+）得到來自負(fù)極的兩個(gè)電子（ 2e）后，變成二價(jià)鉛離子（ Pb2+），與電解液中的硫酸根離子（ SO42）反應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（ PbSO4）。正極板水解出的氧離子（ O2）與電解液中的氫離子（ H）反應(yīng)，生成穩(wěn)定物質(zhì)水 。 電解液中存在的 硫酸根離子和氫離子在電力場的作用下分別移向電池的正負(fù)極，在電池內(nèi)部形成電流，整個(gè)回路形成，蓄電池向外持續(xù)放電。放電時(shí) H2SO4濃度不斷下降，正負(fù)極上的硫酸鉛（ PbSO4）增加，電池內(nèi)阻增大（硫酸鉛不導(dǎo)電），電解液濃度下降，電池電動(dòng)勢降低。 鉛酸蓄電池充電過程的電化反應(yīng) 充電時(shí)，應(yīng)在外接一直流電源（充電極或整流器），使正、負(fù)極板在放電后生成的物質(zhì)恢復(fù)成原來的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來。 在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子（ Pb2+）和硫酸根負(fù)離子（ SO42），由于外電源不斷從正極吸取電子，則正極板附近游離的二價(jià)鉛離子（ Pb2+）不斷放出兩個(gè)電子來補(bǔ)充，變成四價(jià)鉛離子（ Pb4+），并與水繼續(xù)反應(yīng)，最終在正極極板上生成二氧化鉛（ PbO2）。 在負(fù)極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子（ Pb2+）和硫酸根負(fù)離子（ SO42），由于負(fù)極不斷從外電源獲得電子，則負(fù)極板附近游離的二價(jià)鉛離子（ Pb2+）被中和為鉛（ Pb），并以絨狀鉛附著在負(fù)極板上。 電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的氫離子和硫酸根離子（ SO42），負(fù)極不斷產(chǎn)生硫酸根離子（ SO42） ，在電場的作用下，氫離子向負(fù)極移動(dòng)，硫酸根離子向正極移動(dòng)，形成電流。充電后期，在外電流的作用下，溶液中還會(huì)發(fā)生水的電解反應(yīng)。 鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化 從上面可以看出，鉛酸蓄電池放電時(shí)，電解液中的硫酸不斷減少，水逐漸增多，溶液比重下降。鉛酸蓄電池充電時(shí)，電解液中的硫酸不斷增多，水逐漸減少，溶液比重上升。 實(shí)際工作中，可以根據(jù)電解液比重的變化來判斷鉛酸蓄電池的充電程度 [5]。 蓄電池的充電工作特性 上世紀(jì) 60年代中期，美國科學(xué)家馬斯對(duì)開口蓄電池的充電過程作了大量的試驗(yàn)研基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì) 8 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 21所示。實(shí)驗(yàn)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(shí)間，并且對(duì)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。 由圖 21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)氧氣不能被及時(shí)吸收時(shí)，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(shí)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。 tii= I0et0 圖 21 最佳充電曲線 (1) 常規(guī)充電 技術(shù) 常規(guī)充電制度是依據(jù) 1940 年前國際公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)法則設(shè)計(jì)的。其中最著名的就是“安培小時(shí)規(guī)則 ”：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)。實(shí)際上，常規(guī)充電的速度被蓄電池在充電過程中的溫升和氣體的產(chǎn)生所限制。這個(gè)現(xiàn)象對(duì)蓄電池充電所必須的最短時(shí)間具有重要意義。 一般來說，常規(guī)充電有以下 3 種。 ① 恒流充電法 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 22 所示?？刂品椒ê唵危捎陔姵氐目山邮茈娏髂芰κ请S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，常用 于 階段充電法 中 。 基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì) 9 0t充 充 充 充充 充 充 充u , i 圖 22 恒流充電曲線 ② 階段充電法 此方法包括二階段充電法和三階段充電法。 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 23 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。 u , it0充 充 充 充充 充 充 充 圖 23 二階段法曲線 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。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。 ③ 恒壓充電法 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 24 所示。由于充電初期蓄電池電動(dòng)勢較低，充電電流很大，隨著充電的進(jìn)行，電流將逐漸減少，因此，只需簡易控制系統(tǒng)。 基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì) 10 u , i0t充 充 充 充充 充 充 充 圖 24 恒壓充電法曲線 這種充電方法電解水很少，避免了蓄電池過充。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。 (2) 快速充電技術(shù) 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?？焖俪潆娂夹g(shù)近年來得到了迅速發(fā)展。 下面介紹目前比較流行的幾種快速充電方法。這些方法都是圍繞著最佳充電曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)的，目的就是使其充電曲線盡可能地逼進(jìn)最 佳充電曲線 [2]。 ① 脈沖式充電法 這種充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠提高蓄電池充電接受率，從而打破了蓄電池指數(shù)充電接受曲線的限制，這也是蓄電池充電理論的新發(fā)展。 脈沖充電方式首先是用脈沖電流 對(duì)電池充電，然后讓電池停充一段時(shí)間，如此循環(huán)，如圖 25 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。 基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì) 11 ti0T 圖 25 脈沖式充電曲線 ② REFLEXTM 快速 充電法 這種技術(shù)是美國的一項(xiàng)專利技術(shù)，它主要面對(duì)的充電對(duì)象是鎳鎘電池。由于它采用了新型的充電方法，解決了鎳鎘電池的記憶效應(yīng)，因此，大大降低了蓄電池的快速充電的時(shí)間。鉛酸蓄電池的充電方法和對(duì)充電狀態(tài)的檢測方法與鎳鎘電池有很大的不同，但它們之間可以相互借鑒。 如圖 26 所示， REFLEXTM 充電法的一個(gè)工作周期包括正向充電脈沖，反向瞬間放電脈沖，停充維持 3 個(gè)階段 [2][14][15][16]。 ti0t0t1t2TI1 I2 圖 26 REFLEXTM 快速充電法 ③ 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段。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，將電池恢基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì) 12 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。 ④ 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。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。 比較 ③ 和 ④ 兩種方法 ，可以看出： ④ 方法 更加符合最佳充電的充電曲線。在每個(gè)恒電壓充電階段，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率隨著充電的進(jìn)行逐漸下降的特點(diǎn)。 ⑤ 變電壓變電流波浪式間歇正負(fù)零脈沖快速充電法 綜合脈沖充電 法、 REFLEXTM 快速充電法、變電流間歇充電法及變電壓間歇充電法的優(yōu)點(diǎn)，變電壓變電流波浪式正負(fù)零脈沖間歇快速充電法得到發(fā)展應(yīng)用。脈沖充電法充電電路的控制一般有兩種： 其一為 脈沖電流的幅值可變，而 PWM（驅(qū)動(dòng)充放電開關(guān)管）信號(hào)的頻率是固定的 ；其二為 脈沖電流幅值固定不變， PWM 信號(hào)的頻率可調(diào)。 ⑤ 方法 采用了一種不同于這兩者的控制模式，脈沖電流幅值和 PWM 信號(hào)的頻率均固定， PWM 占空比可調(diào)，在此基礎(chǔ)上加入間歇停充階段，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)充進(jìn)更多的電量，提高蓄電池的充電接受能力 [2][5][12]。 充電終止條件控制方法 蓄電池在充足 電后，電池的溫度和內(nèi)壓都會(huì)快速的上升，同時(shí)電池的端電壓開始下降 出現(xiàn)電壓負(fù)增量，如果此時(shí)繼續(xù)進(jìn)行快速大電流充電，對(duì)蓄電池的損害是顯然的。因此，為了保證電池能充電又不過充電，必須采用一定的方法來控制充電的停充問題。 現(xiàn)階段采用的控制方法很多，通常使用的有定時(shí)控制，電壓控制，溫度控制及最小終止電流等方法進(jìn)行充電終止控制。在鉛酸蓄電池充電器中，通常采用電壓控制，最長充電時(shí)間（定時(shí)控制），蓄電池溫度等控制，本文采用電壓控制 ，溫度控制 和電流控制相結(jié)合的方法。 電壓控制 在電壓控制法中，最容易檢測的是電池的最高電壓。常用的電壓控制法有：最高電壓控制，電壓負(fù)增量控制，電壓二次導(dǎo)數(shù)控制。 基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì) 13 （ 1） 最高電壓控制 從充電特性曲線可以看出，電池電壓達(dá)到最大值時(shí)，電池即充足電。充電過程中，當(dāng)電池電壓達(dá)到規(guī)定值后，應(yīng)立即停止充電。 這種控制方法的缺點(diǎn)是：電池充電的最高電壓隨環(huán)境溫度，充電速率而變 化 ，因此，最高檢測電壓必須采用一定的溫度補(bǔ)償，并且還必須根據(jù)充電速率加以適當(dāng)修正，若最高檢測電壓不能隨溫度變化而自動(dòng)調(diào)整，則低溫時(shí)，電池充不足電，高溫時(shí)，電池充足電后仍會(huì)繼續(xù)大電流過 充。這樣，可能降低電池壽命，也可能 損壞電池。另外，蓄電池組中各單體電池的最高充電電壓也會(huì)有差別，因此采用這種方法不可能非常準(zhǔn)確地判斷電池已充足電。 （ 2） 電壓負(fù)增量控制 由于電池電壓的負(fù)增量與電池組的絕對(duì)電壓有關(guān)，而且不受環(huán)境溫度，充電速率等因素的影響，因此，可以比較準(zhǔn)確地判斷電池已充足電。采用這種檢測法的快速充電器，可以對(duì)電池?cái)?shù)不同的電池組充電。 負(fù)增量檢測法的缺點(diǎn)是：電池電壓出現(xiàn)負(fù)增量后，電池已經(jīng)過充電，因此電池溫度較高。此外，鎳氫電池充足電后，電池電壓要經(jīng)過較長時(shí)間才出現(xiàn)負(fù)增量，過充電較嚴(yán)重。因此，這種控制 方法主要應(yīng)用于鎳鉻電池。為了避免環(huán)境溫度過高時(shí)損壞電池，最好與其他控制方式配合使用。 （ 3） 電壓二次導(dǎo)數(shù)控制 這種控制方法是通過檢測電池電壓的二次導(dǎo)數(shù)來實(shí)現(xiàn)控制的，實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)電池在充足電時(shí)，電壓的二次導(dǎo)數(shù)將達(dá)到某一個(gè)確定的值，此時(shí)結(jié)束充電即可。這種方法適用于恒流充電模式。 定時(shí)控制 通常用在恒流充電模式中。例如，對(duì)于 10Ah的蓄電池，采用 ，電池 5h可充足；采用 ，電池 ，因此根據(jù)電池的容量和充電電流，可以很容易地確定所需要的充電時(shí)間。充電過程中，達(dá)到預(yù) 定的充電時(shí)間后，定時(shí)器發(fā)出信號(hào)，使充電器迅速停止充電或者充電電流迅速降低到浮充電電流。這樣可以避免電池長時(shí)間大電流過充電。 這種控制方法比較簡單，但是由于電池的起始充電狀態(tài)不完全相同，有的電池充不足，有的電池過充電，然而充電時(shí)間是固定的，所以不能根據(jù)電池充電前的狀態(tài)來基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì) 14 自動(dòng)調(diào)整。因此，只有充電速率小于 。 溫度控制 為了避免損壞電池，電池溫度過低時(shí)不能立即開始快速充電過程，電池充足電后，充入的電量都消耗在電池中，電池的溫度很快上升，電池溫度上升 到規(guī)定數(shù)值后，必須立即停止充電過程。電池的溫度可以通過與電池在一起的溫度傳感器件來檢測，當(dāng)電池溫度超過規(guī)定值時(shí)（一般為 50℃ ），充電器能自動(dòng)轉(zhuǎn)入浮充電模式。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，規(guī)定的最高溫度值相對(duì)過高（ 50℃ ），這樣容易造成過充電，容易損壞電池。為避免損壞電池，又常采用溫升控制法，即當(dāng)溫升達(dá)到一定值時(shí)，充電器便自動(dòng)轉(zhuǎn)入浮充電模式。 上述各種控制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。為了保證在任何