淺談快速充電的機(jī)理 智能化快速充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．前 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(hù)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛地應(yīng)用于車輛啟動、郵電、電力、鐵路、礦山、采掘、計(jì)算機(jī)UPS等各個(gè)領(lǐng)域中。蓄電池也是國民經(jīng)濟(jì)以及國防建設(shè)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、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非常重要的影響。目前，國內(nèi)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(jì)算機(jī)控制，是非常有效的，且有著非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益。而單片機(jī)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(tǒng)就是以AT89C2051單片機(jī)為核心，集測量與控制為一體的智能化快速充電系統(tǒng)。

2．快速充電的機(jī)理

鉛酸蓄電池快速充電技術(shù)是在常規(guī)充電技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，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程都要遵守雙極硫酸鹽化理論，即其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

按常規(guī)充電法，充電電流安培數(shù)，不應(yīng)超過蓄電池待充電的安時(shí)數(shù)。這樣，才可保證在整個(gè)充電過程中，產(chǎn)生氣體和溫升的狀況符合要求。因此，常規(guī)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)間長達(dá)10至20多個(gè)小時(shí)，給實(shí)際使用帶來許多的不便。為了縮短電池的充電時(shí)間，國內(nèi)外一直都在不斷地研究和開發(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(chǔ)。蓄電池有著如下的充電特性：

（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：

I0——開始充電時(shí)的最大初始電流值。

C——放電容量。

K——常數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)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(shù)K和k可由實(shí)驗(yàn)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程中適當(dāng)?shù)胤烹?，將會增加充電接受率αt。

按照麥斯理論，我們對充電過程中的充電電流進(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(shù)曲線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(fù)雜的電化學(xué)過程，由快速充電的電化機(jī)理可知，影響快速充電的重要因素是蓄電池的電極極化現(xiàn)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(xiàn)象，又可以通過在充電過程中適時(shí)加入放電脈沖來消除。因此，要實(shí)現(xiàn)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(nèi)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(shè)置等。

（2） 非線性——充電電流應(yīng)隨充電的進(jìn)行而逐漸降低，否則，會造成出氣和溫升的增加。

（3） 離散性——隨著蓄電池的放電狀態(tài)、使用和保存歷史的不同，即使是相同型號、相同容量的同類蓄電池的充電情況也不一樣。

對于如此復(fù)雜的充電過程，使用傳統(tǒng)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(xiàn)快速充電，必須使用先進(jìn)的控制手段，我們利用單片機(jī)構(gòu)造了一個(gè)具有自動檢測功能的蓄電池充電實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。根據(jù)蓄電池快速充電的機(jī)理，對充電的電池進(jìn)行實(shí)時(shí)的動態(tài)檢測，適時(shí)發(fā)出去極化脈沖及調(diào)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(dá)到快速充電的目的。

3．智能充電系統(tǒng)的構(gòu)成

本系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)為核心，它是高性能的8位CMOS單片微型計(jì)算機(jī)。片內(nèi)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(nèi)帶有2個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)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(yīng)用提供了一種高度靈活和低成本的解決辦法。

根據(jù)系統(tǒng)功能的需要，組成的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)包括幾個(gè)主要部分：

（1） 以AT89C2051單片機(jī)作為整個(gè)智能充電系統(tǒng)的控制核心，用于數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算及輸入輸出控制。

（2） 電壓檢測電路

由RC電路與AT89C2051單片機(jī)的內(nèi)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(zhuǎn)換成數(shù)字量提供給計(jì)算機(jī)處理。

（3） 去極化放電電路

由RC放電回路與MOSFET電子開關(guān)組成，電池的充電狀態(tài)信息經(jīng)單片機(jī)處理后，根據(jù)需要經(jīng)由AT89C2051的I／O口適時(shí)發(fā)出去極化脈沖，控制開關(guān)閉合接通放電回路，以消除電池的極化現(xiàn)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(nèi)可調(diào)節(jié)的高頻開關(guān)式充電電源。并且加入適度的電流負(fù)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(jù)不同的工作狀態(tài)由單片機(jī)控制顯示充電中或充電結(jié)束狀態(tài)。

4．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件使用MCS-51匯編指令編寫，并固化于片內(nèi)的程序存儲器中，使用極為方便。程序的流程圖如圖2所示。