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鉛酸蓄電池由于其技術成熟、成本低、容量大、內阻小、跟隨負荷輸出特性好、無記憶效應等優點而被大多數電動車所使用。但是研究發現，不良的充電方式不僅會直接影響蓄電池的性能，而且對其壽命造成極大影響。所以正確的充電方式對蓄電池壽命有著非常重要的作用。 隨著人們對快速充電理論的研究不斷深入，電力電子技術應用的日益廣泛，鉛酸蓄電池快速充電技術也有了進一步改進及進入實用階段的條件和可能。比如現代脈沖智能充電器以高頻開關電源技術為基礎，嵌入先進的智能控制數字電路，采用智能檢測和控制技術來調節充電器的脈沖輸出比例，實現可控去極化功能。在效果方面，電池的充電時間縮短，一定程度提高了電池充電的有效容量，并延長了電池的使用壽命，但同時卻沒有考慮到充電過程中的功耗問題。 本文采用分級定電流的脈沖快速充電方法，提出了以高頻開關電源技術為基礎，主要研究以超低功耗MSP430系列單片機作為主控制器的硬件設計和軟件設計方案，測試結果表明，該充電方案能有效提高對蓄電池的充電速度，減少充電損耗，使延長蓄電池的使用壽命成為可能。 1 脈沖充電理論 實驗證明，蓄電池充電電流接受率由下列三條基本定律決定: (1)對于任意給定的放電電流來說，蓄電池充電電流接受率，與它已放出電荷量的平方根成反比，即: (1) 式(1)中:K 為放電電流常數，視放電電流的大小而定;Q 為蓄電池放出的容量。 (2)對于任意給定的放電量，蓄電池充電電流接受率，與蓄電池放電電流Id的對數成正比，即如式(2)所示:I0 =KQlg(KId) (2) (3)蓄電池以不同的電流放電后，其最終可接受的充電電流(接受能力)等于以各種不同電流放電時的可接受充電電流之和，即: It =I1+I2+I3+I4+…… 因此 at =I0 / Qt(3) 式(3)中:It表示總的可接受電流；Qt表示蓄電池放出的金部電量；at表示總的充電電流接受率。 脈沖快速充電方法正是基于這個理論而提出的一種快速充電方式。 2 充電方法 基于上述理論，并考慮到鉛酸蓄電池自身的一些特性，本文研究的快速充電裝置所采用的充電方法將整個充電過程分為預充電、脈沖快速充電、補足充電和涓流充電4個階段。根據蓄電池充電前反饋的技術指標，進入不同的充電階段。 2.1 預充電 對于長期不用的電池、新電池或在充電初期已處于深度放電狀態的蓄電池進行充電時，一開始就采取快速充電會影響電池的壽命。為了避免這一問題要先對蓄電池實行穩定小電流充電，使蓄電池電壓上升，當電壓升到能接受大電流充電的閾值時再進行大電流快速充電。 2.2 脈沖快速充電 在快速充電過程中，采用分級定電流脈沖快速充電法，將充電電流分級。開始充電時采用大電流(約1C)，隨著蓄電池容量的增加，端電壓升高，當蓄電池中單格電壓達到2.35V即停止第一級充電(約2min)。首先停止充電B (25~40ms)，稱為前停歇，此階段可以去除歐姆極化和部分濃差極化;接著再放電或反充電，使蓄電池反向通過一個較大的脈沖電流，脈沖寬度為C (25~200ms)，脈沖幅值為2~5倍的充電電流，可以進一步消除濃差極化;然后再停止放電D(25ms)，稱為后停歇。如此反復，直至蓄電池電壓上升至補足充電電壓閾值時，轉入補足充電階段。采用這種方法可有效消除充電接近充滿時易出現的震蕩現象及過充問題。 2.3 補足充電 相對于快速充電階段，補足充電階段又可以稱為慢速充電階段。當快速充電階段終止時，電池并未完全充足，還需加入補足充電過程。補足充電速率一般不超過0.3c，因為電池電壓經過快速充電階段后有所升高，所以補足充電階段的充電電壓也應該有所提升，并且恒定在某一范圍之內。此階段充電采用恒壓充電，可使電池容量快速恢復。當電流下降至某一閾值時，轉入涓流充電階段。 2.4 涓流充電 在補足充電階段后期，當檢測到溫度上升超過極限值或充電電流減小到一定值之后，開始用更小的電流進行充電直至滿足一定的條件后結束充電。此階段主要用來補充蓄電池自放電所消耗的能量，只要電池接在充電器上并且充電器接通電源，充電器就會給電池不斷補充電荷，這樣可使電池總處于充足電狀態。 3 脈沖快速充電系統硬件設計 3.1 總體設計 該系統硬件電路主要由開關電源電路、充放電控制電路以及顯示、報警電路等模塊組成。開關電源電路即功率電路為蓄電池提供充電電流和電壓，充放電回路中開關管的開關動作去控制蓄電池的充電電壓和電流，保證充電過程的正常進行，控制模塊的顯示、報警電路給用戶提供充電狀態信息，同時主控芯片輸出PWM 信號到驅動電路，控制充放電回路中開關管的導通程度，對蓄電池的充電過程進行控制。系統的硬件結構框圖如圖1所示。 圖1 控制電路硬件設計 本設計采用TI的16 位單片機MSP430F149。它具有處理能力強、運行速度快、功耗低等優點。其工作電壓為1.8V~3.6V;CPU 運行正交的精簡指令集，片內寄存器數量多. 存儲器可實現多種運算;MSP430F149中斷源較多并可任意嵌套，系統處于省電狀態，用中斷請求喚醒只需6μs:它還具有豐富的片上外圍模塊，其12位A/D轉換器帶有內部參考源，采樣保持，自動掃描等特性;16位定時器Timer A具有4種工作模式，可同時進行多個捕獲/比較功能:48個可達獨立編程的I/O口:2個串行通信接口USART0與USARTl:FLASH 存儲器多達60KB，擦寫次數可達10萬次。本系統研究主要是鑒于其低功耗的特點。 3.2 開關電源電路的設計 系統中的開關電源電路為蓄電池的充電提供穩定的電壓采用的是反激式的開關電源電路。反激式開關電源的電路比較簡單，比正激式開關電源少用了一個大的儲能濾波電感，以及一個續流二極管，因此，反激式開關電源的體積要比正激式開關電源的體積小，且成本也要低。此外，反激式開關電源輸出電壓受占空比的調制幅度，相對于正激式開關電源來要高很多，因此，反激式開關電源要求調控占空比的誤差信號幅度要比較低，誤差信號放大器的增益和動態范圍也要較小。基于這些優點，反激式開關電源在目前家電領域中被廣泛的應用。如圖2所示。 圖2 開關電源電路 開關電源電路控制芯片采用UC3842，UC3842是目前比較理想的新型的脈寬調制器。由該集成電路構成的開關穩壓電源與電壓控制型脈寬調制開關穩壓電源相比具有以下特點: 1)微調的振蕩器放電電流，可精確控制占空比; 2)電流模式工作到500kHz; 3)自動前饋補償; 4)鎖存脈寬調制，可逐周限流; 5)內部微調的參考電壓，帶欠壓鎖定; 6)大電流圖騰柱輸出; 7)欠壓鎖定，帶滯后; 8)低啟動和工作電流。 TL431稱為可調式精密并聯穩壓器，利用兩只外部電阻可設定2.5V~36V范圍內的任何基準電壓值。其工作原理是當輸出電壓U 0發生波動時，經電阻分壓后得到的取樣電壓就與TL431中的2.5V帶隙基準電壓進行比較，在陰極形成誤差電壓，使發光二極管的工作電流產生相應變化，再通過光耦去改變控制端電流Ic的大小，調節開關管的輸出占空比，使輸出電壓U0不變，從而達到穩壓目的。 3.3 充放電電路的設計 本設計中的充放電過程主要由兩片P溝道的場效應管IRF9540N來完成。如圖3所示。Q2管控制系統的充電過程，而放電脈沖主要Q3來進行控制。 圖3 充放電電路圖 3.3.1 采集部分 在MSP430F149 中有1 個12 位精度的AD 轉換模塊ADC12。ADC12可以對8個外部模擬信號之一或4個內部電壓之一作轉換，由ADC內核把模擬信號轉換成12位數據并存入轉換存儲寄存器。內核用到2個參考電平，即VR+和VR-作為轉換范圍的上下限和讀數的量程值和“0”值。轉換數值在輸入信號大于等于VR+時為滿量程，小于等于VR-時為“0”。蓄電池端電壓通過兩個電阻R2和R6分壓方式，將單片機采樣電壓值AD1限制在輸入電壓量程范圍內。充電電流和放電電流都通過電阻轉化成相應的電壓值，送入單片機的AI口。三路AD采樣結果分別存儲在相應的ADC12MEMx寄存器中。 3.3.2 驅動部分 根據三路AD采樣結果確定充電器的充電狀態后，由單片機輸出兩路占空比可調頻率為1kHz的PWM 波形PWM1和PWM2分別用來控制兩只三極管2N5551的導通程度，三極管集電極電流會隨著不同，再經電阻分壓后提供不同的電壓給場效應管的柵極，驅動MOSFET，輸出不停大小的漏極電流Id，給蓄電池提供大小不等的充電電流和放電脈沖幅值，最終達到脈沖充電的效果。 4 脈沖快速充電系統軟件設計 4.1 系統軟件設計框圖 本系統軟件部分的主要功能是，通過對蓄電池狀態的檢測，使充電轉入不同的充電階段。進入不同的充電階段后，通過一定的算法，改變單片機輸出PWM 信號的占空比，實現不同階段的充電、放電、暫停充電和終止充電的控制，并顯示充電器的狀態。軟件流程圖如圖4所示。 圖4 軟件設計流程圖 4.2 快速充電流程圖 系統硬件搭建并調試完成后，選用12V/1.3Ah的鉛酸蓄電池進行測試，經過多次充放電實驗，最終確定了充電器快速充電階段中脈沖充放電的幾組時間值:大電流充電脈沖時間為約900ms，前停歇時間約20ms，放電脈沖時間約為50ms，后停歇時間約為30ms。快速充電控制在這組時間值情況下，蓄電池充電時間最短，充電效果最好。快速充電階段流程圖如圖5所示。 圖5 快速充電階段流程圖 此階段用MSP430F149單片機內部定時器A對充放電時間進行嚴格控制，在定時器A的中斷服務子程序中調整充電脈沖和放電脈沖的幅值。 4.3 軟件的設計 軟件做設計主要包括以下幾個模塊: 1)在程序的初始階段應對MSP430單片機進行初始化操作，其中包括設置I/O端口的輸入與輸出狀態、設置定時器參數、初始化單片機內部的A/D轉換模塊和PWM 輸出模塊以及設置單片機的低功耗模式等。 2)充電電流和放電電流通過電阻轉換成相應的電壓后，送到單片機的AO口，此時單片機需要連續地采樣蓄電池端電壓、充電電流和放電電流。 3)根據采集到的蓄電池端電壓、充電、放電電流大小等信息實時地調節單片機輸出的PWM 信號的占空比和PWM 信號輸入到MOSFET 的驅動電路，從而嚴格地控制MOSFET的導通程度，以保證在幾種充電狀態之間的精確轉換。 4)另外，單片機還需要對蓄電池溫度進行檢測，控制蓄電池的充電狀態，避免造成充電過程對蓄電池的損害。 5)LCD液晶顯示屏上同時會顯示充電器的充電狀態，蓄電池端電壓、充電和放電電流的大小以及溫度大小等信息，配合發光二極管和蜂鳴器，使充電器的充電信息更加直觀。 5 部分測試結果 圖6與圖7分別為為調試時高頻變壓器一次側與二次側的部分波形圖。 圖6 高頻變壓器一次側輸入電壓波形圖 圖7 二次繞組輸出電壓的輸出波形圖 為了方便調試，本系統中選用鉛酸蓄電池容量較小，此充電器可以給12V/1.3Ah的鉛酸蓄電池充電，最大充電電流限制為1.3A，最大輸出電壓為18V。充電開始時，充電器先檢測蓄電池兩端電壓，確定蓄電池所處的初始狀態，如果蓄電池初始電壓低于12.8V，蓄電池所處的狀態為放電過度狀態，此時應該以130mA (約0.1C)的電流對電池進行預充電，直到蓄電池兩端電壓達到12.8V，才能進行脈沖快速充電。 6 結論 鉛酸蓄電池在我們的日常生活中扮演著很重要的角色，為了保證蓄電池的使用安全，我們應該給它配置更好的充電器。而相比與以前傳統的充電形式，這里研究設計的脈沖快速充電器有著更大的優勢，經測試它能夠提高充電速度，提高充電效率，并能夠延長蓄電池的使用壽命。所以，可以預見此種充電器在實際生活中發揮的作用將會會越來越大，用途也會越來越廣泛。此次設計中的主要部分采用的是開關電源，開關電源以其效率高、損耗小等特點已逐漸成為電源市場的主導。 |
