1．引言
自1859年法國物理學(xué)家普蘭特（Plante）發(fā)明了鉛酸蓄電池至今已有140年的歷史。鉛酸蓄電池有著(zhù)成本低，適用性寬，可逆性好，大電流放電性能良好，單體電池電壓高，并可制成密封免維護結構等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛地應用于車(chē)輛啟動(dòng)、郵電、電力、鐵路、礦山、采掘、計算機UPS等各個(gè)領(lǐng)域中。蓄電池也是國民經(jīng)濟以及國防建設的重要能源，在許多行業(yè)的發(fā)展中，也迫切需要容量大、循環(huán)壽命長(cháng)、充電時(shí)間短、價(jià)格低的蓄電池。而快速充電技術(shù)也成為了其中的關(guān)鍵技術(shù)，它對電池的使用有著(zhù)非常重要的影響。目前，國內外都在不斷地研究這一技術(shù)，而在快速充電技術(shù)中引入計算機控制，是非常有效的，且有著(zhù)非常明顯的經(jīng)濟效益。而單片機又以其低廉的成本，靈活的控制方式而得到業(yè)界的青睞，本系統就是以AT89C2051單片機為核心，集測量與控制為一體的智能化快速充電系統。
2．快速充電的機理
鉛酸蓄電池快速充電技術(shù)是在常規充電技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的，不論采用何種充電制度進(jìn)行充電，鉛酸蓄電池充電的成流過(guò)程都要遵守雙極硫酸鹽化理論，即其化學(xué)反應方程式為：
按常規充電法，充電電流安培數，不應超過(guò)蓄電池待充電的安時(shí)數。這樣，才可保證在整個(gè)充電過(guò)程中，產(chǎn)生氣體和溫升的狀況符合要求。因此，常規的蓄電池其充電方法都采用小電流的恒壓或恒流充電，充電時(shí)間長(cháng)達10至20多個(gè)小時(shí)，給實(shí)際使用帶來(lái)許多的不便。為了縮短電池的充電時(shí)間，國內外一直都在不斷地研究和開(kāi)發(fā)快速充電方法和技術(shù)。
1967年美國人麥斯（J. A. Mas）提出了蓄電池充電的三個(gè)定律后，這些理論就成為了我們研究快速充電技術(shù)的基礎。蓄電池有著(zhù)如下的充電特性：
�。�1）蓄電池充電接受能力隨放電深度而變化。如果以相同大小的電流放電，則，放出電量越多，充電接受率α越高，充電接受電流越大。即有如下關(guān)系：
又因 
故有
I0——開(kāi)始充電時(shí)的最大初始電流值。
C——放電容量。
K——常數，可由實(shí)驗求出。
�。�2）對于任何給定的放電深度，充電接受率：
又因I0=αC，所以 
Id——放電電流。
常數K和k可由實(shí)驗得出。
上式表明，蓄電池的充電接受率取決于它的放電歷史，以小電流長(cháng)時(shí)間放電的蓄電池，充電接受率低，相反，以大電流短時(shí)間放電的蓄電池，充電接受率高。
�。�3）一個(gè)蓄電池經(jīng)幾種放電率放電，其充電接受電流是各個(gè)放電率下接受電流之和。即： It = I1+I2+I3+……
同時(shí)服從：
It——總接受電流。
Ct——放出的總電量。
αt——總的充電接受率。
放電可使全部放掉的電量Ct增加，同時(shí)也使總的充電接受電流It增加。因此，蓄電池在充電前或充電過(guò)程中適當地放電，將會(huì )增加充電接受率αt。
按照麥斯理論，我們對充電過(guò)程中的充電電流進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，即用大電流充電，并在充電過(guò)程中，短暫地停止充電，在停充期間加入放電脈沖，打破蓄電池充電指數曲線(xiàn)自然接受特性的限制。但是，理論和實(shí)踐證明，蓄電池的充放電是一個(gè)非常復雜的電化學(xué)過(guò)程，由快速充電的電化機理可知，影響快速充電的重要因素是蓄電池的電極極化現象，這是一切二次電池所共有的，包括有歐姆極化、濃差極化和電化學(xué)極化。而蓄電池的電極極化現象，又可以通過(guò)在充電過(guò)程中適時(shí)加入放電脈沖來(lái)消除。因此，要實(shí)現快速充電，就需要多方面的控制，其控制特點(diǎn)為：
�。�1） 多變量——諸如要控制蓄電池內的溫度、充電電流的大小、充電的間隔時(shí)間、去極化脈沖的設置等。
�。�2） 非線(xiàn)性——充電電流應隨充電的進(jìn)行而逐漸降低，否則，會(huì )造成出氣和溫升的增加。
�。�3） 離散性——隨著(zhù)蓄電池的放電狀態(tài)、使用和保存歷史的不同，即使是相同型號、相同容量的同類(lèi)蓄電池的充電情況也不一樣。
對于如此復雜的充電過(guò)程，使用傳統的充電電路顯然難以控制，因此，也影響了快速充電的效果。為了能更有效地實(shí)現快速充電，必須使用先進(jìn)的控制手段，我們利用單片機構造了一個(gè)具有自動(dòng)檢測功能的蓄電池充電實(shí)時(shí)控制系統。根據蓄電池快速充電的機理，對充電的電池進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)檢測，適時(shí)發(fā)出去極化脈沖及調整充電電流，力求以較高的充電平均電流進(jìn)行充電，而且還能有效地抑制氣體的析出。從而達到快速充電的目的。
3．智能充電系統的構成
本系統以AT89C2051單片機為核心，它是高性能的8位CMOS單片微型計算機。片內帶有2K可重編程的Flash EPROM，足夠存放一般的控制程序；具有豐富的I／O控制功能；片內帶有2個(gè)16位定時(shí)器／計數器；多個(gè)中斷源；一個(gè)精密模擬比較器。它對許多嵌入式控制應用提供了一種高度靈活和低成本的解決辦法。
根據系統功能的需要，組成的硬件結構如圖1所示。
該系統包括幾個(gè)主要部分：
�。�1） 以AT89C2051單片機作為整個(gè)智能充電系統的控制核心，用于數據的處理、計算及輸入輸出控制。
�。�2） 電壓檢測電路
由RC電路與AT89C2051單片機的內置積分模擬比較器組成，用于電池電壓的實(shí)時(shí)檢測，該電路同時(shí)將檢測到的模擬電壓轉換成數字量提供給計算機處理。
�。�3） 去極化放電電路
由RC放電回路與MOSFET電子開(kāi)關(guān)組成，電池的充電狀態(tài)信息經(jīng)單片機處理后，根據需要經(jīng)由AT89C2051的I／O口適時(shí)發(fā)出去極化脈沖，控制開(kāi)關(guān)閉合接通放電回路，以消除電池的極化現象，也可以消除某些電池的不良記憶，提高它的充電接受率。
�。�4） 充電控制電路
采用輸出電壓在一定范圍內可調節的高頻開(kāi)關(guān)式充電電源。并且加入適度的電流負反饋，使輸出特性變軟，避免充電器在加載瞬間的電流沖擊，并具有一定的恒流作用。
�。�5） 狀態(tài)顯示電路
狀態(tài)顯示電路由不同的指示燈組成，根據不同的工作狀態(tài)由單片機控制顯示充電中或充電結束狀態(tài)。
4．系統軟件設計
本系統軟件使用MCS-51匯編指令編寫(xiě)，并固化于片內的程序存儲器中，使用極為方便。程序的流程圖如圖2所示。
整個(gè)系統的控制過(guò)程為：蓄電池組開(kāi)始充電一段時(shí)間后，檢測電池電壓，當達到電池出氣點(diǎn)電壓（約2.4V／單體）時(shí)，停止充電，然后進(jìn)行大電流（約2C）放電去極化，時(shí)間為1ms，充放電曲線(xiàn)如圖3所示。放電后，再檢測電池狀態(tài)，進(jìn)行去極化效果檢測，達到去極化效果則回轉充電，否則，再次進(jìn)行去極化放電，直至達到去極化要求的效果才回轉充電。如果連續放電n次（n＝3），電池電壓變化很小，則充電完成并結束充電狀態(tài)。
5．系統的工作與性能評估
我們用本系統對24V12AH免維護鉛酸電池組進(jìn)行快速充電試驗，首先以1安培放電，放電終止電壓為20V。充電電流取8A（0.66C），充電50分鐘后，蓄電池組端電壓達到24.5V，在充電至40分鐘左右，去極化周期逐步縮短，充電電流下降到6.2A，經(jīng)過(guò)2小時(shí)10分后，充電自動(dòng)結束，蓄電池組終止電壓為28.8V，5分鐘后測試電池組端電壓為27.6V。外殼溫升15.6℃。
放電試驗是用1安培放電（負載用可調電阻）放電終止電壓為20V時(shí)，放電時(shí)間為11小時(shí)25分，即充滿(mǎn)率達到95﹪。通過(guò)充、放電試驗，證明本充電控制系統是可行的。
6．討論
1） 快速充電的唯一辦法是遵照麥斯定律，利用充電-放電去極化的方式提高充電速度。
2）充電速度越高，充電器的容量要相應增大。但是充電器的成本不成比例增加。如果進(jìn)一步加大充電電流，充電的速度還可以進(jìn)一步提高。但是，充電速度過(guò)高可能會(huì )帶來(lái)一些新的問(wèn)題，必須通過(guò)實(shí)驗和設計的改進(jìn)來(lái)實(shí)現。有專(zhuān)家認為，在快速充電過(guò)程中，只要溫升能控制得合理，對電池的壽命和電池內部單體電池電壓均衡都有好處。
3）本快速充電系統與傳統的充電器相比，可以較大范圍地提高充電速度，縮短充電時(shí)間。但是，充電器復雜系數略有增加。僅僅是增加了一個(gè)單片機實(shí)時(shí)檢測控制環(huán)節和一個(gè)MOSFET電子開(kāi)關(guān)及RC放電電路。因此，不失為一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的快速充電電路。
7．結論
綠色革命的一個(gè)重要體現是綠色交通。因此，很多國家都在致力于電動(dòng)車(chē)的開(kāi)發(fā)和研究。然而，蓄電池的快速充電依然是一個(gè)必不可少的課題。目前，市場(chǎng)上已出現了不少電動(dòng)車(chē)和電動(dòng)助力車(chē)、電動(dòng)滑板車(chē)。根據專(zhuān)家的市場(chǎng)預測，2004年美國市場(chǎng)的需求量是500萬(wàn)輛，中國的產(chǎn)品因為價(jià)廉物美而成為了主導產(chǎn)品。因此，肯定對快速充電器有一定的需求。隨著(zhù)電動(dòng)交通工具研究的深入和發(fā)展，可以預言，今后大、中、小各種容量的快速充電器將是商機無(wú)限。 |
