【正文】 電的基本原理和控制方法 智能充電的基本原理 智能充電的特性曲線如圖 中的 II 線所示。也就是實(shí)行智能充電要解決的問題。而且還產(chǎn)生一系列副作用，諸如產(chǎn)生大量氣體，使電解液溫度升高，水分損失，從而增加維護(hù)量，能量無謂的損耗等等。在切斷電源后，由于電化學(xué)反應(yīng)的遲緩性而產(chǎn)生的平衡電極電勢的偏移就迅速地下降，在微秒15 級內(nèi)就顯著 地降低。最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即電子傳導(dǎo)的速度與電化學(xué)反應(yīng)速度相等，這時(shí)電極表面上電荷的數(shù)目不再繼續(xù)改變，但與未通電流之前相比，陰極上積累了電子，陽極上減少了電子，于是引起電極電勢和平衡電勢的偏離，正極 (即陽極 )的電勢更正，負(fù)極 (即陰極 )的電勢更負(fù)。陰極上電子的過剩促使鉛離子以更快的速 度獲得電子而還原。 。兩極極板附近硫酸濃度的升高，造成與其它地方的電解液濃度的差異。當(dāng)未接通電路時(shí)，電 池中電解液的濃度在各處的分布是均勻的。 ，包括極板、隔板、電解液和外部連接部分如極柱、連結(jié)條的電阻等所產(chǎn)生的電壓降，此壓降值遵循歐姆定律，當(dāng)充電電流停止后可立即消失。極化是一切電化學(xué)反應(yīng)所具有的共同現(xiàn)象。 極化電壓 當(dāng)充電電流超過蓄電池接受電流值時(shí)，就會(huì)大量地產(chǎn)生氣體。 因此電池在充電前或在充電過程中應(yīng)適當(dāng)?shù)亟o予放電。 它定量地表明隨放電率的不同，充電接受比的變化。 14 它定量地表明隨放電深度不同，充電接受能力的變化。 在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了蓄電池快速充電的三定 律。小于這一接受特性曲線的充電電流，就是蓄電池具有的儲(chǔ)存充電電流，該電流稱為蓄電池的充電接受電流。 a— 衰減率常數(shù)，也稱充電接受比。 13 圖 ，只持續(xù)產(chǎn)生微量氣體的充電特性曲線，在充電中任一時(shí)刻 t，蓄電池可接受的充電電流 0 atI I e?? () 式中 Io— 當(dāng) t=0 時(shí)的最大起始電流 。對蓄電池快速充電 的理論也進(jìn)行了探討，并在實(shí)踐的基礎(chǔ)上提出了蓄電池快速 充電的一些基本定律。 需要指出，盡管在電 解液中具有較高的氫離子濃度，以及 H2/H+的平衡電勢比Pb/PbSO4 還正，但由于氫在鉛上具有很高的超電勢，所以在充電過程中主要進(jìn)行 Pb2+離子的還原，而不是 H離子的還原，只有在充電后期方有氫的析出，如有比氫超電勢低的雜質(zhì)存在于極板的表面，其結(jié)果是充電終期端電壓低下，充電不完全。當(dāng)極板上所存硫酸鉛不多，通過硫酸鉛的溶解，提供電化學(xué)氧化和還原所需的離子極度缺乏時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)的極化增加，這時(shí)正極的電極電勢變得很正，使得氧氣大量析出。這樣，活性物質(zhì)逐漸從硫酸鉛轉(zhuǎn)化成為二氧化鉛和鉛，活性物質(zhì)的孔隙也逐漸擴(kuò)大，孔隙率增加。因此，電池端電壓沿著 OA 而急劇上升。 I— 充電電流 (A): R— 電池的內(nèi)阻 (Q)。 ??? — 正極板的超電勢 (v)。一般因電池和極板種類的不同而略有差異。每一種活性物質(zhì)的電化當(dāng)量都是由其電化學(xué)反應(yīng)方程式計(jì)算出來的。除此之外，正極板中可以參加能量轉(zhuǎn)換的物質(zhì)量 (活性物質(zhì)的量 )與負(fù)極板中可以參加能量11 轉(zhuǎn)換的物質(zhì)量 (活性物質(zhì)的量 )要 互相匹配。由此可知，如果一只鉛酸蓄電池中正極板是好，而負(fù)極板損壞了，那就等于這只鉛酸蓄電池變成了報(bào)廢的鉛酸蓄電池。 在放電時(shí)，正極由二氧化鉛 (PbO2)變成硫酸鉛 (PbSO4)而將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能向負(fù)載供電，負(fù)極由海綿狀鉛 (Pb)變?yōu)榱蛩徙U (PbSO4)而將化 學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能向負(fù)載供電。 鉛酸蓄電池在充電時(shí)，正極由硫酸鉛 (PbSO4)轉(zhuǎn)化為二氧化鉛 (PbO2)后將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在正極板中 。 鉛酸蓄電池的工作原理 19 世紀(jì)中期，鉛酸蓄電池的問世解決了部分小用電設(shè)備的隨機(jī)用電向題。一有記憶效應(yīng)的電池表現(xiàn)為即使己充滿電，電池也無法釋放出額定的容量。 ，電池的記憶效應(yīng)并不是所有的蓄電池都具有的現(xiàn)象，它是燒結(jié)式蓄電池特有的現(xiàn)象，象我們所說的鎳鎘電池就具有記憶效應(yīng)，而鉛酸蓄電池就不具有記憶效應(yīng)。鉛酸蓄電池的自放電相對鎳福蓄電池來講比較嚴(yán)重，經(jīng)驗(yàn)表明鉛酸蓄電池在閑置一個(gè)月后，自放電達(dá) 30%左右。所以電池應(yīng)在適宜的溫度和濕度下保存。 自放電通常與環(huán)境溫度有密切關(guān)系。根據(jù)我們前面所講的放電深度的概念中可以看出，放電深度不同，電池的循環(huán)壽命是不同的。一般經(jīng)驗(yàn)來講，當(dāng)電池的容量達(dá)到額定容量的 80%時(shí)，就可以認(rèn)為電池的壽命基本結(jié)束了。接下來的一段時(shí)間，電池的容量大約不變，然后開始慢慢減少，即開始了電池的老化過程。Rn 是由于電流流過蓄電池時(shí)兩電極的電位有所改變而表現(xiàn)出來的，因此又稱為極化電阻或假電阻，其值與流過電池的電流強(qiáng)度有關(guān)，電 流越大， Rn 越大。 （ Depth of Charge :DOC)充電深度定義如式 (): DOC=(CQe)/C () 它是指電池可能剩余的電量 (CQe)與實(shí)際電池容量 C(與溫度和電流有關(guān) )的比， DOC的值不僅與電池的當(dāng)前狀態(tài) (SOC、溫度、電 流等 )有關(guān)，并且與將來電池的放電情況有關(guān)， DOC 比 SOC 更能反映電池的實(shí)際情況。當(dāng)電池的放電深度減為 30%時(shí)，允許的充放電的循環(huán)可高達(dá) 1200 次左右。它 SOC 關(guān)系見式 (): DOD+SOC=1 () 當(dāng)電池放電深度為 100%，電池的實(shí)際使用壽命大約是 200250 次充放電循環(huán)。相比較上面的定義來講，這個(gè)定義含義更明顯和更容易實(shí)現(xiàn)。 SOC1 和 Cu 是在給定電流下的， SOC 和 Ct 通常取三或五小時(shí)放電率下的電流。 SOC=(Cr/Ct)*100% () 由于 Cr和 Ct都受到未來放電狀態(tài)的 影響，而這個(gè)序列一般是無法預(yù)知的。單位重量電池所能給出的功率稱為比功率，單位是 W/K g 或KW/kg。 實(shí)際容量 :是指在一定的放電條件下電池實(shí)際放出的 容量 (又可稱為有效容量 )，等于放電電流與放電時(shí)間的乘積，其值小于理論容量。通常是指在一定溫度下，用一定的放電率 :(例如 C/20)對某一型號的電池進(jìn)行恒流放電所能放出的最大容量。為了比較不同系列的電池常用容量的概念，即單位體積或單位質(zhì)量電池所能給出的理論電量，常以 Ah/KG 或 Ah/L 表示。一個(gè)電池有理想容量、標(biāo)稱容量和實(shí) 際容量等區(qū)分。 ，一是指蓄電池充足電后，放電到終止電壓時(shí)所輸出的電量，也就是在一定的放電條件下可以從電池中獲得的電量。同時(shí)，此時(shí)氧氣的產(chǎn)生和吸收都是放熱反應(yīng)，因此會(huì)使電池溫度迅速上升。過充電會(huì)使電池內(nèi)部的溫度和壓力都急劇上升，造成對電池的傷害。若蓄電池在低于終止電壓情況下繼續(xù)放電，稱為過放電，這極易對電池造成永久性傷害。充電速率的描述和放電速率相同，采用這種形式來描述電池的充放電更為直觀和方便。例如一個(gè)容量 C為 60Ah 的電池，對它進(jìn)行 2 小時(shí)的放電后電池的電量完全放完，則它的放電電流為 I=C/2= () 即它的放電速率為 。對于每個(gè)單元 2V的電池來說，單個(gè)電池的電壓為 12V。 7 鉛酸蓄電池的基本概念 因?yàn)樾铍姵氐某潆姳旧砩婕暗皆S多相關(guān)的專業(yè)知識，為了能夠更好的理解我們所涉及的主題，本節(jié)將簡要地介紹鉛酸蓄電池有關(guān)的基本概念。而鉛酸電池和鎳福電池由于內(nèi)阻較小，可以提供較大的電流，所以適用于放電速率要求較高的產(chǎn)品，如一些由電池供電的電動(dòng)工具，比如鋤草機(jī)。對于放電速率要求不高的產(chǎn)品，如便攜式計(jì)算機(jī)、蜂窩電話機(jī)和手提式視頻設(shè)備，可以使用鎳金屬氧化物電池和鋰離子電池。這四種蓄電池具有共同的功能就是為最終產(chǎn)品提供可補(bǔ)充的電能，但不同的電池具有不同的特性，適用的對象和場合也是不同的。 目前主要的蓄電池有以下四種 。但是開口蓄一電池不便于維護(hù)，它需要經(jīng)常補(bǔ)加蒸餾水和更換電解液 。根據(jù)蓄電池的結(jié)構(gòu)又可分為開口蓄電池和密封蓄電池兩種形式。采用堿性電解質(zhì)的稱為堿性蓄電池。 依據(jù)蓄電池電解質(zhì)的狀態(tài)不同分類 :可分為電解質(zhì)采用稀硫酸的稱為鉛酸蓄電池，采用硫酸電解質(zhì)膠體的稱為膠體鉛蓄電池。依據(jù)使用場所的不同，蓄電池有固定型 (供室內(nèi)裝置使用 )、移動(dòng)型 (便于攜帶用 )之分。 蓄電池主要由三個(gè)部分組成 :發(fā)生氧化反應(yīng)的陽極、發(fā)生還原反應(yīng)的陰極、以及將陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)統(tǒng)一在一起的介質(zhì)電解液。一般使用的化學(xué)電池分為原電池和蓄電池兩種。為了更6 好的理解我們所面對的研究對象，需要介紹一下它的龐大家族一電池的種類以及他所擁有的各自不同的特性。當(dāng)電流小時(shí)，用于電阻上的電壓降也很小，充電設(shè)備輸出的電壓降損失就小，這樣就自動(dòng)調(diào)整了充電電流，使之不超過某個(gè)限度，充電初期的電流得到控制。在充電電流與電池之間串聯(lián)一電阻，稱為限流電阻。恒壓充電一般應(yīng)用在電池 組電壓較低的場合。 ，后期充電電流又過小，充電時(shí)間過長，不適宜串聯(lián)數(shù)量多的電池組充電 。此方法較簡單，因?yàn)槌潆婋娏髯詣?dòng)減小，所以充電過程中析氣量小，充電時(shí)間短，能耗低，充電效率可達(dá) 80%，如充電電壓選擇得當(dāng)，可在 8h 內(nèi)完成充電。 此法是對每只單體電池以某一恒定電壓進(jìn)行充電。鑒于這個(gè)缺點(diǎn)，在國外除非蓄電池需要長5 時(shí)間小電流進(jìn)行活化充電外，已經(jīng)較少使用。這種充電方法特別適用于由多數(shù)電池串連的電池組，落后電池的容量易于恢復(fù)，最好用于小電流長時(shí)間的充電模式。 傳統(tǒng)的充電方式 在充電過程中隨著電池電壓的變化要調(diào)整電流使之恒定，一般采用 1oh 率或 20h 率電流充電。提高功率變換器的開關(guān)頻率，可以提高其性能，同時(shí)還可以減小功率變換器中的變壓器體積和重量，以及電感、電容等無源器件的容量，進(jìn)而可減小它們的體積和重量。 隨著電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展， 尤其是大功率高壓場效應(yīng)管等新型高頻開關(guān)器件的出現(xiàn)，使得開關(guān)的速率大大提高。線性電源的功率調(diào)整管總是工作在放大區(qū)，流過的電流是連續(xù)的。目前相控電源己經(jīng)有逐步被淘汰的趨勢。 相控電源是比較傳統(tǒng)的電源，它是將市電直接 經(jīng)過整流濾波后輸出直流，再通過改變晶閘管的導(dǎo)通相位角，來控制整流器的輸出電壓。這種充電方法開始擺脫傳統(tǒng)充電方法的束縛，將模糊控制技術(shù)引入充電方法，利用模糊控制本身適合處理多輸入多輸出非線性系統(tǒng)的優(yōu)勢，能夠更好的處理蓄電池充電過程中的時(shí)變性和抗干擾等常規(guī)控制方法所難以解決的問題 [3]。這些充電方 法的原理絕大多數(shù)都是在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，以便使其充電電流能夠更好地逼近蓄電池的可接受充電電流曲線。 針對傳統(tǒng)的充電方法充電緩慢、安全性能不好等缺點(diǎn)，目前國內(nèi)外陸續(xù)提出了一些新型的充電方法，如定化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)法、脈沖式充電法、變電流間歇 /定電壓充電法、鉛酸蓄電池組 充電電源 充電控制系統(tǒng) CPU I/O 設(shè)備 4 分級定流充電法、變電壓間歇充電法等。這些傳統(tǒng)的充電方法，一方面控制電路簡單，實(shí)現(xiàn)起來比較容易 。在放電方法的實(shí)現(xiàn)上，采用大功率 IGBT 管進(jìn)行 PWM 控制，以控制放電電流大小，保持其高穩(wěn)定性。 充放電方法的控制與實(shí)現(xiàn) 在充電方法的實(shí)現(xiàn)上，我們設(shè)計(jì)了以 80C196KB 單片機(jī)控制為主的控制方法，將采集到的電池溫度、電池端電壓、充電電流等狀態(tài)信息，送入 CPU 后要進(jìn)行必要的處理和判斷，以此來改變充電方式，實(shí)現(xiàn)智能充電。其控制過程主要是通過采集蓄電池的相關(guān)參數(shù)，送入 80C196KB 單片機(jī)進(jìn)行預(yù)定的分析和計(jì)算，得出相應(yīng)的控制數(shù) 據(jù)，從而控制輸出電壓、電流，完成對蓄電池的智能充電。系統(tǒng)的主回路由充電電路、放電電路及控制電路組成，其中充電電路采用整流橋式電路。從輸入輸出關(guān)系來看，開關(guān)電源是一種“交流一直流”的變流裝置，然而由于開關(guān)電源采用了工作頻率較高的交流環(huán)節(jié)，變壓器和濾波器都大大減小，因此同樣功率條件下其體積和重 量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的相控電源。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，充電電源采用開關(guān)電源。之后轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)，使電池電量完全恢復(fù)，即達(dá)到額定容量。另一方面，又要保證蓄電池負(fù)極的吸收能力，使負(fù)極能夠跟得上正極氧氣產(chǎn)生的速度，以避免電池的極化現(xiàn)象。 智能充電方法的選擇 充電方法的選擇是十分重要的，不同的充電方法，其充電速度的差別可能很大， 導(dǎo)致充電效果的差距也會(huì)很大。當(dāng)采用 2 倍速率充電時(shí)，充電電流應(yīng)為 10A。 060A范圍內(nèi)調(diào)整充電系統(tǒng)工作時(shí)，應(yīng)能夠根據(jù)使用者的需要來改變充電電流的大小。因此充電電源開路電壓必2 須在 144V 以上。 ，并能根據(jù)電池電壓和充電電流自動(dòng)轉(zhuǎn)換充電狀態(tài)，在蓄電池充滿電后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)。 1 總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 。充電系統(tǒng)根據(jù)電池的狀態(tài)確定充電工藝參數(shù)，使充電電流自始至終處于電池的可接受充電電流曲線附近，使電池幾乎在無氣體析出的條件下充電，做到既節(jié)約用電又對電池?zé)o損害 [2]。在其他方面，由于充電方法不正確，鉛酸蓄電池也很難達(dá)到規(guī)定的循環(huán)壽命。另一方面，充電技術(shù)不能適應(yīng)鉛酸蓄電池的特殊要求，會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池的壽命。一方面，傳統(tǒng)的充電方法正常充電時(shí)，以 10h 或 20h 率電流進(jìn)行充電。鉛酸蓄電池因其可循環(huán)再充電的特性，以及成本低廉、使用安全、無污染等優(yōu)點(diǎn)，在目前的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的需求正日益增大。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于 80196KB 單片機(jī)控制的智能充電系統(tǒng)，其效率高、調(diào)節(jié)時(shí)間快的良好充 電特性可得到充分發(fā)揮，使得蓄電池具有較高的使用容量和較長的循環(huán)壽命，可滿足電機(jī)車動(dòng)力蓄電池的充電要求，具有良好的應(yīng)用前景，為提高蓄電池的性能和可靠性提供一條新的、有效的途徑。這種充電方法可以始終地使充電電流在