【正文】 ..................................................................................................................................... 36 1 緒論 研究背景 早在六、七十年代，西方經濟發(fā)達國家為了保護環(huán)境就已經開始研制各種各樣的綠色能源來代替汽油和柴油，但是，受到蓄電池，電控等關鍵部件的性能、壽命以及高性能的充放電設備等的制約，一直未得到長足的發(fā)展?；趩纹瑱C的智能電池充電器的設計 I 基于單片機的智能 電池 充電器 的設計 摘 要 由于以往的充電器不能根據(jù)電池的 充電 狀態(tài)進行數(shù)據(jù)分析 ， 采取相應的 電池 充電模式， 而是 一直采用大電流充電， 極易造成電池的極化現(xiàn)象， 導致電池充電效率較低，使用壽命縮 短 。 基于上述原因 本文 設計了一種 基于單片機的智能電池充電器 ，該充電器是 由 ADuC824 單片機控制 ， 根據(jù)充電電池的 充電 狀態(tài)輸出一定的 PWM 脈沖波，進而 采用 涓流充電，恒流充電，恒壓充電和浮充電等四個階段 對鉛酸蓄電池 充電， 并且可以 通過單片機的 輸出端口顯示當前的充電 狀態(tài) ， 在充電結束時自動終止充電， 蜂鳴器發(fā)出報警 聲，提醒用戶電池已經充滿 ， 實現(xiàn)電池充電的智能化。到了八、九十年代，由于大容量、長壽命蓄電池的大批量的生產及大功率晶體管的研制成功和計算 機 應用技術的廣泛應用，使綠色能源得到長足的發(fā)展，近期一些公司聲明他們將首先實現(xiàn)綠色能源計劃，其中就包含大量電動汽車。 充電技術的發(fā)展概述 對于鉛酸蓄電池來講，傳統(tǒng)的充電方式有恒流限壓充電和恒壓限流充電。特別適合由許多電池串聯(lián)起來的蓄電池組。 恒流充電方式的不足之處在于：開始充電階段電流過小，在充電中后期電流又過大，析出氣體多，對危害較大，能耗高。 因此，人們在恒流充電方式的基礎上進行了改進，即采用恒流限壓充電方式。 （ 2） 恒壓限流充電 恒壓充電初期充電電流很大，隨著充電進行，電流逐漸減小，在充電終期只有很小的電流通過，這樣，在充 電過程中就不必要調整電流。 它的缺點是：充電初期，如果蓄電池放電深度過大，充電電流會很低，后期充電電流又過小，充電時間長；此外蓄電池端電壓的變化也很難補償，充電過程中對落后的電池完全充電也很難完成，為了彌補恒壓充電的不足，在恒壓充電的基礎上進行了改進，當充電電流較高的時候（如電池嚴重虧電，漏電，負荷過重等）這時應采取限流措施，保持電流不超過某一設定值而使電壓降低，待電流降低，電壓升起后再穩(wěn)壓，這就是恒壓限流的含義。一方面這些充電方式充電時間過長，不能適應現(xiàn)代生產和生活的需要。國內外多年來的實踐證明，鉛酸蓄電池浮充電壓偏差5%，電池的浮充壽命將減少一半。因此，充電質量的好壞，直接影響到蓄電池的技術狀態(tài)及使用壽命。現(xiàn)在國外已研制成功只要用一小時就可以充滿蓄電池的大功率充電器，在體積上也越來越小，現(xiàn)在最小的大功率充電器 只有一個書包大小。 而國外市場大部分充電器均采用 Wa， WaWo， Uamp。 近年來，國內外人士正致力于充電器的智能化研究，智能化程度較高的充電器解決了動態(tài)跟蹤電池可接受充電電流 曲線的技術關鍵，使充電電流始終與可接受充電電流保持良好的匹配關系，使充電過程始終在最佳狀態(tài)下進行，比常規(guī)充電模式可節(jié)約電能 30%50%左右，提高了充電質量和效率，充電工人只擔任輔助性工作，為充電技術和充電設備的智能化發(fā)展闖出了一條新路。 2 鉛酸蓄電池的工作原理及充放電過程 鉛酸蓄電池的基本概念 由于蓄電池的充放電本身涉及到許多相關的專業(yè)知識，為了能夠更好的理解本課題，本 節(jié)將要簡單介紹 有關的 鉛酸蓄電池一些知識。容量分為理論容量、實際容量和額定容量。 實際容量（ C）是在一定放電條件下蓄電池實際放出的容量。 蓄電池容量除了與極板表面進行的電化學反應的物質數(shù)量有關外，還與極板表面活性物質的利用率 、 孔率、極板厚度、極板的表面積有關。在使用過程中，容量受放電率、電解液溫度的影響是主要的。在一定范圍內，電解液溫度高，蓄電池的活性增加， 內阻變小，容量變高，電解液溫度低時，蓄電池的活性降低，內阻變大，容量降低。 極化電阻（ fR ）：包括蓄電池使用過程中濃差極化和電化學極化產生的電阻之和。內阻越小，在同樣的放電條件可以消耗較少的電能，輸出較多的電能，提高電能利用率，從而提高蓄電池性能。國家標準規(guī)定， 鉛酸蓄電池的額定容量按 5 小時連續(xù)放電來表示，即 C5，例如一個額定容量 C5為 10Ah 的電池， 充電 5 小時后，電池完全充滿，則它的充電電流為： 55 CCI ?? （ ） 即它的充電速率為 ；若用 10 小時就達到充滿狀態(tài)，則它的充電電流為 5510 C C?? （ ） 即它的充電速率為 。 放電終止電壓是指蓄電池可放電的最低電壓，如果電壓低于放電終止電壓后繼續(xù)放電，電池兩端電壓會迅速下降，形成過放電。放電終止電壓和放電率有關。過充電會使電池內部的溫度和電壓都急劇上升，造成對電池的損害。因此在電池充電接近滿充電時，只能采用低速率充電。 （ 6） 電池的極化現(xiàn)象 由于蓄電池內阻并不是純電阻，所以蓄電池的端電壓也與其他電源有所不同。 這三種狀態(tài)的電壓具有下述特點：充電電壓高于開路電壓，而且隨著充電時間的增加而略有升高，放電電壓則低于開路電壓，而且隨著放電時間的增加而略有降低，這種現(xiàn)象稱為電池的極化。上面提到的蓄電池的極化電阻正是由于電池的極化現(xiàn)象所表現(xiàn)出來的。 蓄電池的極化現(xiàn)象對蓄電池的工作是不利的。 （ 7） 電池的老化 電池的老化是指另外一種現(xiàn)象：電池在開始使用的一段時間內，電池容量增 加大約 5%10%，接下來的一段時間，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。一般經驗來講，當電池的容量達到額定容量的 80%時，就可以認為電池的壽命基本結束了。減少放電深度或采用淺放電可大大延長蓄電池的使用壽命。影響使用壽命的原因有以下幾方面：正極板的板柵變形、板柵腐 蝕、活性物質在使用過程中發(fā)生鈍化或產生不可逆硫酸鹽化等問題，都會造成使用壽命縮短。自放電的大小一般用單位時間的電池容量下降得百分比來表示，見公式 ： ?? ?00 100%fQ Q Q??? ? ???自 放 電 （ ） 其中， QO為蓄電池在規(guī)定條件下的容量， Qf為電池存儲一段時間后，在同樣規(guī) 定條件下的容量。當環(huán)境溫度較高時，電池的自放電現(xiàn)象比較明顯，所以電池應在適宜的溫度和濕度下保存，自放電一般不會損傷電池，只要重新充足電量，還可以照常使用?？紤]到這一點，在設計蓄電池充電器時，應能在電池長時間不用的情況下對電池進行補充充電。 鉛酸蓄電池充電后，負極板是鉛（ Pb），與電解液中的硫酸（ H2SO4）發(fā)生反應，變成鉛離子（ Pb2+），鉛離子轉移到電解液中，負極板上留下多余的兩個電子（ 2e）。 鉛酸蓄電池放電過程的電化反應 鉛酸蓄電池放電 時，在蓄電池的電位差作用下，負極板上的電子經負載進入正極板形成電流 I。 負極板上每個鉛原子放出兩個電子后，生成的鉛離子（ Pb2+）與電解液中的硫酸根離子（ SO42）反應，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，生成穩(wěn)定物質水 。放電時 H2SO4濃度不斷下降，正負極上的硫酸鉛（ PbSO4）增加，電池內阻增大（硫酸鉛不導電），電解液濃度下降，電池電動勢降低。 在正極板上，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鉛離子（ Pb2+）不斷放出兩個電子來補充，變成四價鉛離子（ Pb4+），并與水繼續(xù)反應，最終在正極極板上生成二氧化鉛（ PbO2）。 電解液中，正極不斷產生游離的氫離子和硫酸根離子（ SO42），負極不斷產生硫酸根離子（ SO42） ，在電場的作用下，氫離子向負極移動，硫酸根離子向正極移動，形成電流。 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，電解液中的硫酸不斷減少，水逐漸增多，溶液比重下降。 實際工作中，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]。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。 由圖 21可以看出：初始充電電流很大，但是衰減很快。在密封式蓄電池充電過程中，內部產生氧氣和氫氣，當氧氣不能被及時吸收時，便堆積在正極板（正極板產生氧氣），使電池內部壓力加大，電池溫度上升，同時縮小了正極板的面積，表現(xiàn)為內阻上升，出現(xiàn)所謂的 極化現(xiàn)象。其中最著名的就是 “安培小時規(guī)則 ”：充電電流安培數(shù)，不應超過蓄電池待充電的安時數(shù)。這個現(xiàn)象對蓄電池充電所必須的最短時間具有重要意義。 ① 恒流充電法 恒流充電法是用調整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法 ，保持充電電流強度不變的充電方法，如圖 22 所示。 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。首先，以恒電流充電至預定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。 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束時采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。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。與恒流充電法相比，其充電過程更接近于最佳充電曲線。由于充電初期蓄電池電動勢較低，充電電流很大，隨著充電的進行，電流將逐漸減少，因此，只需簡易控制系統(tǒng)。但在充電初期電流過大，對蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，造成電池報廢。例如，汽車運行過程中，蓄電池就是以恒壓充電法充電的?？焖俪潆娂夹g近年來得到了迅速發(fā)展。這些方法都是圍繞著最佳充電曲線進行設計的，目的就是使其充電曲線盡可能地逼進最 佳充電曲線 [2]。 脈沖充電方式首先是用脈沖電流 對電池充電，然后讓電池停充一段時間，如此循環(huán)，如圖 25 所示。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應時間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率。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，因此，大大降低了蓄電池的快速充電的時間。 如圖 26 所示， REFLEXTM 充電法的一個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 個階段 [2][14][15][16]。其特點是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。充電后期采用定電壓充電段，獲得過充電量，將電池恢復至完全充電態(tài)。 ④ 變電壓間歇充電法 在變電流間歇充電法的基礎上又有人提出了變電壓間歇充電法。 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。 ⑤ 變電壓變電流波浪式間歇正負零脈沖快速充電法 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，變電壓變電流波浪式正負零脈沖間歇快速充電法得到發(fā)展應用。 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 信號的頻率均固定， PWM 占空比可調，在此基礎上加入間歇停充階段，能夠在較短的時間內充進更多的電量，提高蓄電池的充電接受能力[2][5][12]。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。在鉛酸蓄電池充電器中，通常采用電壓控制，最長充電時間（定時控制），蓄電池溫度等控制，本文采用電壓控制 ，溫度控制 和電流控制相結合的方法。常用的電壓控制法有：最高電壓控制，電壓負增量控制，電壓二次導數(shù)控制。充電過程中，當電池電壓達到規(guī)定值后，應立即停止充電。這樣，可能降低電池壽命，也可能損壞電池。 （ 2） 電壓負增量控制 由于電池電壓的負增量與電池組的絕對電壓有關，而且不受環(huán)境溫度，充電 速率等因素的影響，因此，可以比較準確地判斷電池已充足電。 負增量檢測法的缺點是：電池電壓出現(xiàn)負增量后，電池已經過充電，因此電池溫度較高。因此，這種控制 方法主要應用于鎳鉻電池。 （ 3） 電壓二次導數(shù)控制 這種控制方法是通過檢測電池電壓的二次導數(shù)來實現(xiàn)控制的，實驗證明，當電池在充足電時，電壓的二次導數(shù)將達到某一個確定的值，此時結束充電即可。 定時控制 通常用在恒流充電模式中。充電過程中，達到預 定的充電時間后，定時器發(fā)出信號，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，然而充電時間是固定的，所以不能根據(jù)電池充電前的狀態(tài)來自動調整。 溫度控制 為了避免損壞電池，電池溫度過低時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。當環(huán)境溫度較低時，規(guī)定的最高溫度值相對過高（ 50℃ ）