【正文】 基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì) 1 1 緒論 研究背景 早在六、七十年代，西方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家為了保護(hù)環(huán)境就已經(jīng)開(kāi)始研制各種各樣的綠色能源來(lái)代替汽油和柴油，但是，受到蓄電池，電控等關(guān)鍵部件的性能、壽命以及高性能的充放電設(shè)備等的制約，一直未得到長(zhǎng)足的發(fā)展?；趩纹瑱C(jī)的智能電池充電器 的設(shè)計(jì) I 基于單片機(jī)的智能 電池 充電器 的設(shè)計(jì) 摘 要 由于以往的充電器不能根據(jù)電池的 充電 狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析 ， 采取相應(yīng)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(dǎo)致電池充電效率較低，使用壽命縮 短 。 基于上述原因 本文 設(shè)計(jì)了一種 基于單片機(jī)的智能電池充電器 ，該充電器是 由 ADuC824 單片機(jī)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(jìn)而 采用 涓流充電，恒流充電，恒壓充電和浮充電等四個(gè)階段 對(duì)鉛酸蓄電池 充電， 并且可以 通過(guò)單片機(jī)的 輸出端口顯示當(dāng)前的充電 狀態(tài) ， 在充電結(jié)束時(shí)自動(dòng)終止充電， 蜂鳴器發(fā)出報(bào)警 聲，提醒用戶電池已經(jīng)充滿 ， 實(shí)現(xiàn)電池充電的智能化。到了八、九十年代，由于大容量、長(zhǎng)壽命蓄電池的大批量的生產(chǎn)及大功率晶體管的研制成功和計(jì)算 機(jī) 應(yīng)用技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使綠色能源得到長(zhǎng)足的發(fā)展，近期一些公司聲明他們將首先實(shí)現(xiàn)綠色能源計(jì)劃，其中就包含大量電動(dòng)汽車。 充電技術(shù)的發(fā)展概述 對(duì)于鉛酸蓄電池來(lái)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(lái)的蓄電池組。 恒流充電方式的不足之處在于：開(kāi)始充電階段電流過(guò)小，在充電中后期電流又過(guò)大，析出氣體多，對(duì)危害較大，能耗高。 因此，人們?cè)诤懔鞒潆姺绞降幕A(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，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(jìn)行，電流逐漸減小，在充電終期只有很小的電流通過(guò)，這樣，在充 電過(guò)程中就不必要調(diào)整電流。 它的缺點(diǎn)是：充電初期，如果蓄電池放電深度過(guò)大，充電電流會(huì)很低，后期充電電流又過(guò)小，充電時(shí)間長(zhǎng)；此外蓄電池端電壓的變化也很難補(bǔ)償，充電過(guò)程中對(duì)落后的電池完全充電也很難完成，為了彌補(bǔ)恒壓充電的不足，在恒壓充電的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，當(dāng)充電電流較高的時(shí)候（如電池嚴(yán)重虧電，漏電，負(fù)荷過(guò)重等）這時(shí)應(yīng)采取限流措施，保持電流不超過(guò)某一設(shè)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)和生活的需要。國(guó)內(nèi)外多年來(lái)的實(shí)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(zhì)量的好壞，直接影響到蓄電池的技術(shù)狀態(tài)及使用壽命?，F(xiàn)在國(guó)外已研制成功只要用一小時(shí)就可以充滿蓄電池的大功率充電器，在體積上也越來(lái)越小，現(xiàn)在最小的大功率充電器 只有一個(gè)書(shū)包大小。 而國(guó)外市場(chǎng)大部分充電器均采用 Wa， WaWo， Uamp。 基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì) 3 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)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(dòng)態(tài)跟蹤電池可接受充電電流 曲線的技術(shù)關(guān)鍵，使充電電流始終與可接受充電電流保持良好的匹配關(guān)系，使充電過(guò)程始終在最佳狀態(tài)下進(jìn)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(zhì)量和效率，充電工人只擔(dān)任輔助性工作，為充電技術(shù)和充電設(shè)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(guò)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(guān)的專業(yè)知識(shí)，為了能夠更好的理解本課題，本 節(jié)將要簡(jiǎn)單介紹 有關(guān)的 鉛酸蓄電池一些知識(shí)。容量分為理論容量、實(shí)際容量和額定容量。 實(shí)際容量（ C）是在一定放電條件下蓄電池實(shí)際放出的容量。 蓄電池容量除了與極板表面進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)數(shù)量有關(guān)外，還與極板表面活性物質(zhì)的利用率 、 孔率、極板厚度、極板的表面積有關(guān)。在使用過(guò)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(nèi)，電解液溫度高，蓄電池的活性增加，內(nèi)阻變小，容量變高，電解液溫度低時(shí)，蓄電池的活性降低，內(nèi)阻變大，容量降低。 極化電阻（ fR ）：包括蓄電池使用過(guò)程中濃差極化和電化學(xué)極化產(chǎn)生的電阻之和。內(nèi)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， 鉛酸蓄電池的額定容量按 5 小時(shí)連續(xù)放電來(lái)表示，即 C5，例如一個(gè)額定容量 C5為 10Ah 的電池， 充電 5 小時(shí)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(shí)就達(dá)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(huì)迅速下降，形成過(guò)放電。放電終止電壓和放電率有關(guān)。過(guò)充電會(huì)使電池內(nèi)部的溫度和電壓都急劇上升，造成對(duì)電池的損害。因此在電池充電接近滿充電時(shí)，只能采用低速率充電。 （ 6） 電池的極化現(xiàn)象 由于蓄電池內(nèi)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(diǎn)：充電電壓高于開(kāi)路電壓，而且隨著充電時(shí)間的增加而略有升高，放電電壓則低于開(kāi)路電壓，而且隨著放電時(shí)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(lái)的。 蓄電池的極化現(xiàn)象對(duì)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(kāi)始使用的一段時(shí)間內(nèi)，電池容量增加大約 5%10%，接下來(lái)的一段時(shí)間，電池的容量大約不變，然后開(kāi)始慢慢減 少，即開(kāi)始了電池的老化過(guò)程。 一般經(jīng)驗(yàn)來(lái)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。減少放電深度或采用淺放電可大大延長(zhǎng)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(zhì)在使用過(guò)程中發(fā)生鈍化或產(chǎn)生不可逆硫酸鹽化等問(wèn)題，都會(huì)造成使用壽命縮短。自放電的大小一般用單位時(shí)間的電池容量下降得百分比來(lái)表示，見(jiàn)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(chǔ)一段時(shí)間后，在同樣規(guī)定條件下的容量。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，電池的自放電現(xiàn)象比較明顯，所以電池應(yīng)在適宜的溫度和濕度下保存，自放電一般不會(huì)損傷電池，只要重新充足電量，還可以照常使用?？紤]到這一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)蓄電池充電器時(shí)，應(yīng)能在電池長(zhǎng)時(shí)間不用的情況下對(duì)電池進(jìn)行補(bǔ)充充電。 鉛酸蓄電池充電后，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）。 鉛酸蓄電池放電過(guò)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。 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 。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(shì)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(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(lái)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）。 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(chǎng)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。 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。 實(shí)際工作中，可以根據(jù)電解液比重的變化來(lái)判斷鉛酸蓄電池的充電程度 [5]。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(méi)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(guò)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。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(guò)蓄電池待充電的安時(shí)數(shù)。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。 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。 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。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。 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(kāi)始和結(jié)束時(shí)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(guò)程更接近于最佳充電曲線。由于充電初期蓄電池電動(dòng)勢(shì)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(jiǎn)易控制系統(tǒng)。但在充電初期電流過(guò)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。例如，汽車運(yùn)行過(guò)程中，蓄電池就是以恒壓充電法充電的?？焖俪潆娂夹g(shù)近年來(lái)得到了迅速發(fā)展。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]。 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。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。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。 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]。其特點(diǎn)是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。充電后期采用定電壓充電段，獲得過(guò)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)。 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。 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(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。 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]。因此，為了保證電池能充電又不過(guò)充電，必須采用一定的方法來(lái)控制充電的停充問(wèn)題。在鉛酸蓄電池充電器中，通常采用電壓控制，最長(zhǎng)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。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。充電過(guò)程中，當(dāng)電池電壓達(dá)到規(guī)定值后，應(yīng)立即停止充電。這樣，可能降低電池壽命，也可能 損壞電池。 （ 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。 負(fù)增量檢測(cè)法的缺點(diǎn)是：電池電壓出現(xiàn)負(fù)增量后，電池已經(jīng)過(guò)充電，因此電池溫度較高。因此，這種控制 方法主要應(yīng)用于鎳鉻電池。 （ 3） 電壓二次導(dǎo)數(shù)控制 這種控制方法是通過(guò)檢測(cè)電池電壓的二次導(dǎo)數(shù)來(lái)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。 定時(shí)控制 通常用在恒流充電模式中。充電過(guò)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。 這種控制方法比較簡(jiǎn)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(guò)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(lái)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。 溫度控制 為了避免損壞電池，電池溫度過(guò)低時(shí)不能立即開(kāi)始快速充電過(guò)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(guò)程。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，規(guī)定的最高溫度值相對(duì)過(guò)高（ 50℃ ），這樣容易造成過(guò)充電，容易損壞電池。 上述各種控制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。 智能充