【正文】 △ A/D、12位D/A 、FLASH、WDT、μP監(jiān)控電路、溫度傳感器、SPI 和I2C總線接口等豐富資源集成于一體，體積小、功耗低、非常適合用于各類智能儀表、智能傳感器、變送器和便攜式儀器等領(lǐng)域。顯示和報警電路是通過單片機控制來顯示電池組當前的充電狀態(tài)，提示用戶當前進入的狀態(tài)。PWM電路是通過TL494芯片通過數(shù)據(jù)的采集輸出一定寬度的脈沖波來控制電池的充電階段，從而實現(xiàn)充電電池的智能型充電。同時還進一步設(shè)置了防止電池過充以損害電池的裝置。直到充電結(jié)束蜂鳴器發(fā)聲，提醒用戶充電已完成。3 智能充電器的硬件設(shè)計 智能充電器的總體設(shè)計要求及設(shè)計方案鉛酸蓄電池充電器性能的優(yōu)劣直接影響充電電池的使用壽命，用戶對充電器的要求主要有兩個方面：其一是要有較高的性能指標，如由平均無故障運行時間所表達的可靠性，由穩(wěn)壓穩(wěn)流精度，動態(tài)調(diào)整速度及紋波系數(shù)等所表達的動、靜態(tài)特性，其二是要有較為完善的自我檢測與控制功能，有較高的智能水平，能對充電電壓，電流進行檢測等。因此，充電電流與主充時相比很小，但是，由于工作情況的復雜性，浮充時也有電流較高的可能（如電池嚴重虧電，漏電，負荷過重等） 。（3） 均充階段即恒壓充電階段隨著限壓充電的進行，電池電流也隨之逐漸降低。（2） 主充階段主充階段以恒流方式充電。根據(jù)鉛酸蓄電池的使用階段及蓄電池的特性，為了進一步延長蓄電池的使用壽命，在長期使用和經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上，對蓄電池進行了四個階段的充電以達到最優(yōu)的效果。為了保證在任何情況下，均能準確可靠地控制電池的充電狀態(tài)，目前快速充電器中通常采用包括時間控制，電壓控制和溫度控制的綜合控制法。為避免損壞電池，又常采用溫升控制法，即當溫升達到一定值時，充電器便自動轉(zhuǎn)入浮充電模式。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，當電池溫度超過規(guī)定值時（一般為50℃） ，充電器能自動轉(zhuǎn)入浮充電模式。因此， 5時采用這種控制方式才最有效果。這樣可以避免電池長時間大電流過充電。例如，對于10Ah的蓄電池，采用 ，電池5h可充足； 5充電速率，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間。這種方法適用于恒流充電模式。為了避免環(huán)境溫度過高時損壞電池，最好與其他控制方式配合使用。此外，鎳氫電池充足電后，電池電壓要經(jīng)過較長時間才出現(xiàn)負增量，過充電較嚴重。采用這種檢測法的快速充電器，可以對電池數(shù)不同的電池組充電。另外，蓄電池組中各單體電池的最高充電電壓也會有差別，因此采用這種方法不可能非常準確地判斷電池已充足電。這種控制方法的缺點是：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償，并且還必須根據(jù)充電速率加以適當修正，若最高檢測電壓不能隨溫度變化而自動調(diào)整，則低溫時，電池充不足電，高溫時，電池充足電后仍會繼續(xù)大電流過充。（1） 最高電壓控制從充電特性曲線可以看出，電池電壓達到最大值時，電池即充足電。 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?，F(xiàn)階段采用的控制方法很多，通常使用的有定時控制，電壓控制，溫度控制及最小終止電流等方法進行充電終止控制。 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)壓都會快速的上升，同時電池的端電壓開始下降出現(xiàn)電壓負增量，如果此時繼續(xù)進行快速大電流充電，對蓄電池的損害是顯然的。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)動充放電開關(guān)管）信號的頻率是固定的；其二為脈沖電流幅值固定不變，PWM 信號的頻率可調(diào)。在每個恒電壓充電階段，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行逐漸下降的特點。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。通過間歇停充，使蓄電池經(jīng)化學反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時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行，使蓄電池可以吸收更多的電量。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。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。鉛酸蓄電池的充電方法和對充電狀態(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。ti0T圖 25 脈沖式充電曲線② REFLEXTM 快速充電法這種技術(shù)是美國的一項專利技術(shù)，它主要面對的充電對象是鎳鎘電池。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時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行，使蓄電池可以吸收更多的電量。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。下面介紹目前比較流行的幾種快速充電方法。(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反應(yīng)速度，縮短蓄電池達到滿充狀態(tài)的時間，同時，保證蓄電池正負極板的極化現(xiàn)象盡量地少或輕，提高蓄電池使用效率。鑒于這種缺點，恒壓充電很少使用，只有在充電電源電壓低而電流大時采用。u , i0t、 、 、 、 、 、 、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。用恒定電壓快速充電，如圖 24 所示。③ 恒壓充電法充電電源的電壓在全部充電時間里保持恒定的數(shù)值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。當電流衰減到預定值時，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。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?？刂品椒ê唵?，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的，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。一般來說，常規(guī)充電有以下 3 種。實際上，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。tii = I0e t0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 年前國際公認的經(jīng)驗法則設(shè)計的。主要原因是充電過程中產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。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。 蓄電池的充電工作特性上世紀60年代中期，美國科學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21所示。鉛酸蓄電池充電時，電解液中的硫酸不斷增多，水逐漸減少，溶液比重上升。充電后期，在外電流的作用下，溶液中還會發(fā)生水的電解反應(yīng)。在負極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價鉛離子（Pb 2+）和硫酸根負離子（SO 42） ，由于負極不斷從外電源獲得電子，則負極板附近游離的二價鉛離子（Pb 2+）被中和為鉛（Pb） ，并以絨狀鉛附著在負極板上。 鉛酸蓄電池充電過程的電化反應(yīng) 充電時，應(yīng)在外接一直流電源（充電極或整流器） ，使正、負極板在放電后生成的物質(zhì)恢復成原來的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能儲存起來。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極，在電池內(nèi)部形成電流，整個回路形成，蓄電池向外持續(xù)放電。 正極板的鉛離子（Pb 4+）得到來自負極的兩個電子（2e）后，變成二價鉛離子（Pb 2+） ，與電解液中的硫酸根離子（SO 42）反應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（PbSO 4） 。同時在電池內(nèi)部進行化學反應(yīng)?？梢?，在未接通外電路時（電池開路） ，由于化學作用，正極板上缺少電子，負極板上多余電子，兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動勢。 鉛酸蓄電池的工作原理 鉛酸蓄電池電動勢的產(chǎn)生 鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（PbO 2） ，在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì)氫氧化鉛（Pb(OH) 4） ，氫氧根離子在溶液中，鉛離子留在正極板上，故正極板上缺少電子。鉛酸蓄電池的自放電相對鎳鉻電池來講比較嚴重，經(jīng)驗表明，鉛酸蓄電池在閑置一個月后，自放電達 30%左右。自放電通常與環(huán)境溫度有密切聯(lián)系。（9） 自放電現(xiàn)象當電池處于閑置不用（非工作狀態(tài)）時，雖然沒有電流流過蓄電池，但電池內(nèi)的活性物質(zhì)與電解液間自發(fā)的反應(yīng)卻一直在進行，這造成了電池內(nèi)的化學能量無益的損耗，使電池的容量下降，通常將這種現(xiàn)象稱為電池的自放電。充電時采用大電流充電，會造成蓄電池溫度高，損害蓄電池的壽命。（8） 使用壽命使用壽命是指在其實際容量降低至某一規(guī)定值之前所經(jīng)歷的充放電的次數(shù)，通常用來定義蓄電池的使用壽命，使用壽命是鉛酸蓄電池的重要指標之一，與使用中的放電深度、溫度、充放電等條件有關(guān)。當電池的老化達到一定程度時，這個電池就報廢了。它不僅使電池發(fā)熱，而且降低了電池的效率，同時也加速了電池的老化。當充電速率較低時，充電時所產(chǎn)生的氧氣可以被及時吸收，因此電池的極化現(xiàn)象很輕，一般不會對電池造成很大的傷害，當高速率恒流充電時，這一現(xiàn)象則不容忽視。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，主要是因為一般的密封式蓄電池在充電過程中，內(nèi)部會產(chǎn)生氧氣和氫氣，其中主要是氧氣，氫氣只占一小部分，當產(chǎn)生的氧氣不能被及時吸收時，它便堆積在正極板上，使得電池內(nèi)部壓力增大，電池溫度上升，同時縮小了電池正極板的板面積，表現(xiàn)為電池內(nèi)阻上升，即使得電池出現(xiàn)了所謂的極化現(xiàn)象。該值與蓄電池的工作狀態(tài)有關(guān)，它一般有三種狀態(tài)的值：① 當蓄電池為開路狀態(tài)時，所測得的電池兩極間的電壓稱為電池的開路電壓；② 當蓄電池充電時所測得的電壓稱為電池的充電電壓；③ 電池放電時測得的電壓稱為放電電壓。這是因為電池在低電流過充電時所產(chǎn)生的極化現(xiàn)象較輕，同時電池的熱量可以及時地向空中散發(fā)，基本上不會對電池造成傷害。這是因為在過充電階段電池內(nèi)部所進行的反應(yīng)為消耗反應(yīng)，它會增大電池內(nèi)部的壓力，同時，由于氧氣的產(chǎn)生和吸收都是放熱反應(yīng)，這就使電池溫度迅速上升。（5） 電池的過充電當高速率充電而又不能及時地在滿充電后結(jié)束充電過程，電池則很容易存在大電流過充的問題。這極易對電池造成永久性損害，影響蓄電池的使用壽命。（4） 充電終止電壓和放電終止電壓蓄電池充足電時，極板上的活性物質(zhì)已達到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，蓄電池的電壓也不會上升，此時的電壓稱為充電終止電壓。（3） 充電速率和放電速率為了對不同容量的電池加以比較，蓄電池的充電電流不用電流的絕對值來表示，而是用電池的額定容量 C 額和放電時間 T 的比來表示，稱為電池的充電速率或放電速率。主要與電極材料的本性、電極的結(jié)構(gòu)和制造工藝以及使用條件等因素有關(guān)。（2） 蓄電池的內(nèi)阻（ ）內(nèi)R內(nèi)阻（ ）又稱全內(nèi)阻，是指電流通過蓄電池時所受到得阻力，包括歐姆內(nèi)電阻和電化學反應(yīng)中電極極化產(chǎn)生的電阻，即： = + 內(nèi)R?f（）歐姆電阻（ ）：包括電極材料、電解液、隔板等組成的電阻，還與電池?R的尺寸、裝配、結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。當放電率較小，電壓下降緩慢，蓄電池實際放出的電量較高，當放電率變大時，電壓下降變快，蓄電池實際放出的電量較低。此外還受電解液密度、溫度、放電條件（即：充電程度、放電率等） 、蓄電池新舊程度等影響。額定容量（C 額 ）是在設(shè)計和生產(chǎn)蓄電池時，規(guī)定或保證在指定的放電條件下蓄電池應(yīng)放出的最低限度的電量。理論容量（C o）是假設(shè)活性物質(zhì)全部參加放電反應(yīng)給出的容量。（1） 蓄電池容量蓄電池容量是指在一定條件下可以從蓄電池獲得的電量（用 C 表示） ，單位常用安培小時(Ah) 表示，是蓄電池性能的重要指標。隨著鉛酸蓄電池在人們生活中的應(yīng)用越來越普遍，智能型充電器的智能要求也越來越高，本次的課題就是對智能電池充電器的設(shè)計和研究。U 等充電曲線方式更科學，合理，從而大大提高了蓄電池的使用壽命，大大降低了使用和維護成本，簡化了充電過程，解放了操作人員的勞動強度，市場前景非常廣闊。在我國的研究發(fā)展比較晚，因其體積小，動態(tài)響應(yīng)速度快，輸出紋波小，效率高等特點，近年來得到國內(nèi)外的廣泛研究與關(guān)注，特別在通信，電力等領(lǐng)域中，已經(jīng)得到了普遍的研究和使用，但對于相控電源來說，它的價格比較高，而且功率器件的發(fā)熱量也較高，所以，在電力系統(tǒng)中的大功率場合，相控式的充電器仍然占有較大比重。 充電器的技術(shù)水平、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢隨著蓄電池電動車的迅猛發(fā)展，對充電器的要求越來越高，從開始的單純充足，到目前的延長蓄電池壽命，減少能源消耗，充電器的功能已發(fā)生了質(zhì)的飛越。統(tǒng)計數(shù)據(jù)聲明，國內(nèi)蓄電池的平均壽命為 年（可充 400 次） ，國外同型號蓄電池壽命一般為四年（可充 1000 次）如果充電質(zhì)量不好以及用戶使用維護保養(yǎng)跟不上，許多電池在使用一年后即報廢，造成很大的經(jīng)濟損失，蓄電池價格占整機價格的 20%，國外同容量電池價格則為國產(chǎn)蓄電池價格的 2—3 倍。另一方面，充電技術(shù)不能適應(yīng)蓄電池的特殊要求，會嚴重影響蓄電池的使用壽命。單獨采用恒流充電限壓充電和恒壓限流充電等模式對鉛酸蓄電池進行充電，蓄電池的充電效果不是很理想。隨著蓄電池端電壓升高，充電電流會自動下降，所以析氣量少，充電時間較長，能耗較低。為避免過充電，在充電后期采用限壓措施，減小充電電流，避免損