【正文】 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，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(dāng)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，只有充電速率小于 。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；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(fù)增量，過充電較嚴(yán)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(zhǔn)確地判斷電池已充足電。 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。 基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計 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，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。 現(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(jìn)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(fù)增量，如果此時繼續(xù)進(jìn)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(jìn)行逐漸下降的特點(diǎn)。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(xué)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(jìn)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。 基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計 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(xué)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(jìn)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(xué)反應(yīng)速度，縮短蓄電池達(dá)到滿充狀態(tài)的時間，同時，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。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采用。 基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計 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。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(dāng)電流衰減到預(yù)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 。 一般來說，常規(guī)充電有以下 3 種。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。 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(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(yàn)研基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計 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。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(fù)極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價鉛離子（ 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鉛離子（ Pb2+）被中和為鉛（ Pb），并以絨狀鉛附著在負(fù)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(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(fù)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（ Pb4+）得到來自負(fù)極的兩個電子（ 2e）后，變成二價鉛離子（ 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）。同時在電池內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)?？梢?，在未接通外電路時 （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（ PbO2），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(yán)重，經(jīng)驗(yàn)表明，鉛酸蓄電池在閑置一個月后，自放電 達(dá) 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(dāng)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(jìn)行，這造成了電池內(nèi)的化學(xué)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(shí)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(biāo)之一，與使用中的放基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計 6 電深度、 溫度、充放電等條件有關(guān)。當(dāng)電池的老化達(dá)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(dāng)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(dāng)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?yàn)橐话愕拿芊馐叫铍姵卦诔潆娺^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(dāng)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(dāng)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(dāng)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?yàn)殡姵卦诘碗娏鬟^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?；趩纹瑱C(jī)的智能電池充電器的設(shè)計 5 這是因?yàn)樵谶^充電階段電池內(nèi)部所進(jìn)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(dāng)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(dá)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 ） 基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計 4 內(nèi)阻（內(nèi)R）又稱全內(nèi)阻，是指電流通過蓄電池時所受到得阻力，包括歐姆電阻和電化學(xué)反應(yīng)中電極極化產(chǎn)生的電阻，即： 內(nèi)R= ?R + fR （ ） 歐姆電阻（ ?R ） ： 包括電極材料、電解液、隔板等組成的電阻， 還與電池的尺寸、裝配、結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。當(dāng)放電率較小，電壓下降緩慢，蓄電池實(shí)際放出的電量較高，當(dāng)放電率變大時，電壓下降變快，蓄電池實(shí)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（ Co）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(biāo)。 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(xué)，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(hù) 成本，簡化了充電過程，解放了操作人員的勞動強(qiáng)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(diǎn)，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(hù)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(jì)損失，蓄電池價格占整機(jī) 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(yán)重影響蓄電池的使用壽命。 單獨(dú) 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(jìn)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，充基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計 2 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，避免損壞電池。鉛酸蓄電池不宜采用這種方式。蓄電池組中個別落后電池進(jìn)行完全充電，恢復(fù)其容量，這時最好用小電流長時間的充電模式。這兩種充電方式的特點(diǎn)及存在的問題如下： （ 1） 恒流限壓充電 充電時自始至終以恒定不變的電流進(jìn)行充電，該電流可以通過 PWM 來調(diào)整，這種方式實(shí)現(xiàn)起來比較簡單方便， 易于做到。隨著國際 、 國內(nèi)對環(huán)保要求的越來越高，對內(nèi)燃車輛的排放要求也越來越高，這樣對綠色能源的需求越來越迫切，勢必會蓄電池電動車輛的使用量大幅度增加。 關(guān)鍵 詞 智能充電器 ADuC824 TL494 鉛酸蓄電池 基于單片機(jī)的智能電池充電器 的設(shè)計