摘  要： 為了縮短鉛酸蓄電池的充電時間，提高電能轉(zhuǎn)換效率,，本文在傳統(tǒng)充電模式的基礎(chǔ)上,，依據(jù)蓄電池可接受的最佳充電狀態(tài)和充放電的關(guān)系，設(shè)計(jì)制作了快速充電模式電路,。該模式運(yùn)用較為簡單的反激拓?fù)?，增加了提?a class="innerlink" href="http://wldgj.com/tags/PF" title="PF" target="_blank">PF的前置電路，采取了靈敏的控制電路芯片——STM8S103C6單片機(jī),。該智能脈沖快速充電電路通過軟硬件相結(jié)合,，增加了電路的可靠性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明,，該電路在不影響鉛酸電池的物理化學(xué)性質(zhì)的前提下,，提高了充電電路的PF、效率,，縮短了充電時間,。

　　關(guān)鍵詞： 鉛酸蓄電池,；PF；STM8S103C6,；快速充電

0 引言

　　鉛酸蓄電池發(fā)展至今,，因其價格低廉、制作材料簡單,、工藝成熟,、性能穩(wěn)定而使其應(yīng)用價值與日俱增，其應(yīng)用領(lǐng)域小到家用電動自行車,，大到汽車,、船艦等[1-3]。但一直以來,，鉛酸蓄電池存在充電時間過長,、效率低、壽命短等問題,。如今,，市場上鉛酸蓄電池的充電模式一般還采用恒流模式、恒壓模式或分階段充電模式,，其充電時間過長,。為了解決鉛酸蓄電池充電時間長、效率低的問題,，本文以單片機(jī)為輔助手段,，結(jié)合改進(jìn)的三段式充電模式，設(shè)計(jì)制作出了新型脈沖快速充電電路,。

1 快速充電理論及最優(yōu)方案

　　1.1 鉛酸蓄電池的充放電原理

　　鉛酸蓄電池主要核心部分有正負(fù)極板,、電解液、隔板,。正極板的活性物質(zhì)由二氧化鉛（PbO2）構(gòu)成,；而負(fù)極板的活性物質(zhì)則由灰色海綿形狀的鉛（Pb）構(gòu)成；27%～37%濃度的硫酸（H2SO4）溶液作為其電解液[4],。充放電反應(yīng)式如式（1）,。當(dāng)鉛酸蓄電池放電時，正極板的二氧化鉛（PbO2）與硫酸（H2SO4）反應(yīng)下生成硫酸鉛（PbSO4）和水（H2O）,，負(fù)極板則有鉛（Pb）與硫酸根離子（SO-4）反應(yīng)生成硫酸鉛（PbSO4）,。此時化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，為負(fù)載供電,。電解液濃度降低,；當(dāng)鉛酸蓄電池充電時，硫酸鉛（PbSO4）在正極板和負(fù)極板分別被氧化和還原，轉(zhuǎn)化為二氧化鉛（PbO2）和鉛（Pb）,，該反應(yīng)為電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,，同時硫酸（H2SO4）的濃度升高。但同時,，在充電時,，隨著溫度的升高，鉛酸蓄電池內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象,，包括內(nèi)阻極化、濃度差極化,、電化學(xué)極化等[5],。極化又帶來水電解的副反應(yīng)，稱為析氣現(xiàn)象,。反應(yīng)式如式（2）,、式（3）[6]。

　　副反應(yīng)方程式之負(fù)極：

　　2H++2e-→H2（3）

　　1.2 蓄電池的最佳充電接受方案

　　基于蓄電池充電過程中的最低析氣率,，馬斯提出了蓄電池接受的最佳充電電流曲線圖[7],。蓄電池充電過程中可接受的最佳充電電流曲線如圖1所示，對于蓄電池充電的任意時間,，蓄電池可接受最佳電流為一個衰減指數(shù)變化的曲線,，可以用式（4）來表示。

　　式中,，t為充電時間,；I是任意時刻蓄電池接受的充電電流；I0是最大起始可接受的充電電流,；是衰減率常數(shù),，亦可以稱為充電接受比。

　　從圖1所示的馬斯最佳充電曲線可以看出,，在對蓄電池的充電過程中,，充電電流只有在低于蓄電池可接受的最大充電電流時，蓄電池內(nèi)部才不會出現(xiàn)析氣現(xiàn)象,；反之,，如果充電電流過大，高于蓄電池充電可接受的最大充電電流時,，就會加劇蓄電池內(nèi)部溫度的升高,，促進(jìn)電池內(nèi)部水的電解，析氣現(xiàn)象嚴(yán)重,，縮短了蓄電池的使用壽命[8-10],。

　　在傳統(tǒng)的恒流方法中，在短時間內(nèi)以大電流給蓄電池充電，雖然加快了充電速度,，但是后期溫度的升高加劇了蓄電池內(nèi)析氣的產(chǎn)生,；恒壓方法中，由于整個過程充電電流由大逐漸減小,，充電電流趨勢雖滿足蓄電池充電電流曲線圖,，但臨界充電電流值不易控制，故造成充電時間過長或溫升,。

　　此后,，馬斯依次提出了馬斯三定律[11]，總結(jié)了蓄電池的放電電流和其可接受的最佳充電電流的內(nèi)在關(guān)系：如果在蓄電池的充電過程中,，對蓄電池在某時刻給予較大深度的放電,，可以提高?鄣因子，即提高蓄電池的充電電流接受比,，這正是加快充電進(jìn)程的有效方法[12],。蓄電池充電可接受最佳電流值與放電電流脈沖的關(guān)系如圖2所示。

　　基于上述分析,，本文設(shè)計(jì)了快速充電的模式：第一級充電方式為涓流,；第二級充電方式為大電流的恒流；第三級充電方式為恒壓,；最后一級充電方式為浮充,。由于在第二級大電流恒流充電過程中，蓄電池溫度升高很快,，析氣產(chǎn)生嚴(yán)重,，故在其充電過程加入了一個按時間比例控制的深度放電負(fù)脈沖。而在其他幾級充電模式下,，在檢測到蓄電池的溫度高于設(shè)定溫度時,，同樣加入深度放電的負(fù)脈沖，以便降溫和降低析氣程度,。

　　以12 V·7 Ah的鉛酸蓄電池為例,，12 V的鉛酸蓄電池由6個2 V的單體組成，鉛酸蓄電池單個電池充電的最高電壓介于2.35 V～2.45 V,，平均電壓為2.4 V,。依據(jù)單個電池的最佳充電電壓，12 V的鉛酸蓄電池能夠充電的最高電壓為：Vmax=6×2.4=14.4 V,。涓流充電時,，充電電流為0.1 C（C代表的是蓄電池的容量，此處為7 Ah）=0.7 A,；浮充充電時,，當(dāng)充電電流達(dá)到0.02 C=0.14 A時，意味著鉛酸蓄電池充電的結(jié)束；而在第二級大電流充電時,，最大的充電電流設(shè)定為鉛酸蓄電池容量的0.15～0.25倍,，以此來保護(hù)鉛酸蓄電池的壽命。即Imin=0.15×7=1.05 A,，Imax=0.25×7=1.75 A[13],，為了最快速充電，選其最大充電電流為1.75 A,。

　　鉛酸蓄電池充電曲線圖如圖3所示,。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

　　2.1 鉛酸蓄電池快充硬件電路構(gòu)架

　　鉛酸蓄電池快速充電電路框圖如圖4所示。其中,，箭頭代表信號流動的方向,，該系統(tǒng)主要由第一級的AC/DC的APFC升壓模塊、第二級的DC/DC反激降壓模塊,、第三級控制模塊（包括鉛酸蓄電池充電模塊、放電模塊,、以Stm8s103c6為核心的采集電路模塊）構(gòu)成,。

　　2.2 Boost APFC模塊

　　近年來，提高開關(guān)電源的功率因素,、減輕電路對電網(wǎng)的污染已經(jīng)成為電源發(fā)展的方向,。為了使輸入電流諧波滿足要求，需要加入功率因素校正（APFC）電路[14],。該電路通過對第二級反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸入電流的采樣,，反饋到帶有調(diào)節(jié)APFC功能的芯片F(xiàn)AN7930C中，最終通過該芯片調(diào)節(jié)MOSFET的占空比,。其主要作用是：（1）把交流輸入全電壓（90 V～265 V）轉(zhuǎn)化為直流輸出電壓（390 V）,；（2）提高了輸入電路的功率因素。這部分技術(shù)目前市場上雖然比較成熟,，但是為了節(jié)約成本和減小充電器的體積,，市場上一般都沒有設(shè)計(jì)該電路?？刂菩酒現(xiàn)AN7930C不同于飛兆公司的其他功率因素芯片,，因其引腳增加了RDY檢測腳，RDY引腳是通過檢測第一級電路輸出正常時,，引導(dǎo)第二級工作,。FAN7930C周圍電路設(shè)計(jì)如圖5所示。依據(jù)FAN7930C芯片資料,，當(dāng)?shù)谝患壿敵鲞_(dá)到設(shè)定輸出的89%,，即輸出電壓UO1=89%×390=347.1 V時，RDY腳輸出為高電平，NPN晶體管Q1飽和導(dǎo)通,，此時電解電容C3充電,，當(dāng)C3端電壓達(dá)到第二級芯片開啟電壓時，第二級電路正常工作,；反之,，RDY腳輸出為低電平，NPN晶體管Q1截止關(guān)斷,，第二級因電解電容能量不足而停止工作,。故RDY腳控制著第二級電路的開通與關(guān)斷，避免第二級因欠壓而使變壓器磁芯飽和,，造成第二級電路損壞,。

　　2.3 反激輸出電路

　　本文電路設(shè)計(jì)的輸出功率相對不高（PO=UO×IO=  14.4×1.75=25.2 W），所以第二級電路采用較為簡單的反激拓?fù)潆娐?，工作模式采取連續(xù)模式（CCM）,。該反激主電路控制芯片由UC3844B構(gòu)成，頻率為fsw=1.72/（R×C）,，設(shè)計(jì)為150 kHz,；輸入電壓由上一級電解電容C3提供；輸出因電流較大（1.75 A）,，故輸出多并幾個快恢復(fù)二極管,，用于分流和減少反向恢復(fù)時間。因芯片AP4313內(nèi)部有精準(zhǔn)的1.21 V參考電壓,、外圍所用元器件較少,、耐溫值范圍寬（-40℃~105℃），故選其作為恒流恒壓控制芯片,。AP4313內(nèi)部電路簡圖如圖6所示,，其內(nèi)部其實(shí)就是帶有基準(zhǔn)電壓的兩個運(yùn)算放大器。采樣電壓（采樣電流轉(zhuǎn)化為采樣電壓）與基準(zhǔn)電壓的比較決定著電路輸出是恒壓還是恒流,。AP4313周圍電路元器件布局如圖7所示,。

　　2.4 控制電路

　　充放電控制電路是控制器設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵[15]?？刂颇K電路如圖8所示,，控制開關(guān)由兩個P溝道MOSFET（Q2、Q3）構(gòu)成,，而驅(qū)動Q2,、Q3開通與關(guān)斷的則是STM8S103C6芯片的引腳PA1、PA2,。STM8S系列芯片具有抗干擾性強(qiáng),、可靠性強(qiáng),、運(yùn)行速度快的特點(diǎn)，并內(nèi)置了高速中分辨率的10位ADC轉(zhuǎn)換器,。故其能及時有效地采集充電數(shù)據(jù)并通過A/D轉(zhuǎn)換處理,，從而確定充電模式。正是兩個P溝道MOSFET的開通和關(guān)斷,，使得充電過程包含了對蓄電池正向通電,、停止充電和反向深度放電三個階段。

　　當(dāng)Q2管導(dǎo)通,，Q3管關(guān)閉時,，整個電路對鉛酸蓄電池正向充電；當(dāng)Q2管關(guān)閉,，而Q3管開通時,，整個電路對鉛酸蓄電池反向放電；當(dāng)Q2管關(guān)閉,，Q3管也關(guān)閉時,，鉛酸蓄電池停止充放電。放電電路最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單可靠,、成本低,。

　　因此，兩個開關(guān)管通過開通與關(guān)斷,，增加了鉛酸蓄電池的停充和反向放電時間，減弱了鉛酸蓄電池內(nèi)部的極化反應(yīng),，緩解了鉛酸蓄電池內(nèi)部的析氣現(xiàn)象,，加快了蓄電池的充電接受率，實(shí)現(xiàn)了對鉛酸蓄電池快速充電的目的,。

3 軟件電路

　　由快速充電模式分析可知,，要得到較好的去極化現(xiàn)象，應(yīng)采用充—?！拧,！涞难h(huán)模式。鉛酸蓄電池充電流程圖如圖9所示,。在監(jiān)測鉛酸蓄電池的端電壓與采樣電阻的電流過程中,，須在鉛酸蓄電池充電前，首先關(guān)斷兩開關(guān)管,，電壓傳感器監(jiān)測其端電壓的大小,，以此來確定充電開始模式。充電模式進(jìn)入浮充模式充電,，其主要是用來補(bǔ)充鉛酸蓄電池自放電,，不斷以小電流補(bǔ)充,，使其始終處在慢電流充電狀態(tài)，也標(biāo)志著充電過程的結(jié)束[16],。整個充電,、放電電路，須時刻檢測蓄電池兩端的溫度,，隨時調(diào)整充電模式,，從而有效地保護(hù)蓄電池的壽命。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　在本次試驗(yàn)中使用的充電器是傳統(tǒng)的三段式充電器（規(guī)格為：12 V/1 A）,。充電數(shù)據(jù)如表1所示,，而本次快充數(shù)據(jù)如表2所示。

　　從兩種不同的充電數(shù)據(jù)對比可知,，本文設(shè)計(jì)制作的快充充電器,，無論時間、PF或效率都優(yōu)于市場上部分傳統(tǒng)的充電器,，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的目的,。

5 結(jié)論

　　本文在傳統(tǒng)的充電模式下，設(shè)計(jì)制作了四階段的快速充電模式電路,。即涓流,、恒流、恒壓,、浮充與負(fù)脈沖結(jié)合的模式電路,，通過對12 V·7 Ah鉛酸蓄電池的實(shí)驗(yàn)分析、對比可知,，此方法在不損害鉛酸蓄電池的基礎(chǔ)上,，緩解了鉛酸蓄電池內(nèi)部的極化現(xiàn)象，縮短了充電時間,，實(shí)現(xiàn)了對鉛酸蓄電池快速充電的目的,。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 趙文倩，尹斌.基于ATmega128的智能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,，2013,，21（22）：120-122.

　　[2] 段朝偉，張雷,，劉剛.電動汽車鉛酸電池脈沖快速充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動化儀表,，2013，34（7）：75-77.

　　[3] 王萌萌,，劉斌,，王丹.基于單片機(jī)的脈沖快速充電系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2013,，21（8）：2213-2216.

　　[4] YILMAZ M,， KREIN P T. Review of battery charger topologies,， charging power levels， and infrastructure for plug-in electric and hybrid vehicles[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,， 2013,，28（5）：2151-2169.

　　[5] 張瑞芳.基于ARM的蓄電池智能充電系統(tǒng)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2014.

　　[6] 姜俊斐.鉛酸蓄電池的工作原理與維護(hù)方法[J].科技視界,，2014（29）：108-109.

　　[7] 張軍,，董鵬.鉛酸蓄電池智能充電器控制策略研究[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2011,，11（1）：34-36.

　　[8] 李淑芳.鉛酸蓄電池快速充電器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘭州：蘭州交通大學(xué),，2012.

　　[9] ALBERS J. Heat tolerance of automotive lead-acid batteries[J]. Journal of Power Sources，2009,，190 （1）：162-172.

　　[10] WONG Y S,， HURLEY W G，WOLFLE W H.  Charging regimes for valve-regulated lead-acid  batteries： performance overview inclusive of temperature compensation[J]. Journal of Power Sources,，2008,， 183（2）：783-791.

　　[11] 田萌.基于單級AC/DC諧振拓?fù)涞男铍姵乜焖俪潆娂夹g(shù)[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2014.

　　[12] 楊占錄,，王宗亮,，張國慶.大容量鉛酸蓄電池脈沖快速充電技術(shù)[J].自動化應(yīng)用，2014（9）：8-10.

　　[13] 張飛,，余濤,，李潔，等.電動自行車三段式充電設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),，2014,，38（8）：1535-1537.

　　[14] 李廣全，王志強(qiáng),，張梅，等.單級功率因數(shù)校正（PFC）變換器的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)應(yīng)用,，2003,，6（10）：555-558.

　　[15] 劉春鵬，賈金玲,，楊紅英,，等.基于PIC單片機(jī)的太陽能控制器設(shè)計(jì)[J].硅谷，2015（1）：25-26.

　　[16] 鄭強(qiáng)勝.基于單片機(jī)技術(shù)的電動自行車快速充電器設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù),，2014,，31（2）：66-67.