浅谈快速充电的机理 智能化快速充电系统设计

1．前 言

自1859年法国物理学家普兰特（Plante）发明了铅酸蓄电池至今已有140年的历史。铅酸蓄电池有着成本低，适用性宽，可逆性好，大电流放电性能良好，单体电池电压高，并可制成密封免维护结构等优点，而被广泛地应用于车辆启动、邮电、电力、铁路、矿山、采掘、计算机UPS等各个领域中。蓄电池也是国民经济以及国防建设的重要能源，在许多行业的发展中，也迫切需要容量大、循环寿命长、充电时间短、价格低的蓄电池。而快速充电技术也成为了其中的关键技术，它对电池的使用有着非常重要的影响。目前，国内外都在不断地研究这一技术，而在快速充电技术中引入计算机控制，是非常有效的，且有着非常明显的经济效益。而单片机又以其低廉的成本，灵活的控制方式而得到业界的青睐，本系统就是以AT89C2051单片机为核心，集测量与控制为一体的智能化快速充电系统。

2．快速充电的机理

铅酸蓄电池快速充电技术是在常规充电技术的基础上发展起来的，不论采用何种充电制度进行充电，铅酸蓄电池充电的成流过程都要遵守双极硫酸盐化理论，即其化学反应方程式为：

按常规充电法，充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。这样，才可保证在整个充电过程中，产生气体和温升的状况符合要求。因此，常规的蓄电池其充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电，充电时间长达10至20多个小时，给实际使用带来许多的不便。为了缩短电池的充电时间，国内外一直都在不断地研究和开发快速充电方法和技术。

1967年美国人麦斯（J. A. Mas）提出了蓄电池充电的三个定律后，这些理论就成为了我们研究快速充电技术的基础。蓄电池有着如下的充电特性：

（1）蓄电池充电接受能力随放电深度而变化。如果以相同大小的电流放电，则，放出电量越多，充电接受率α越高，充电接受电流越大。即有如下关系：

I0——开始充电时的最大初始电流值。

C——放电容量。

K——常数，可由实验求出。

（2）对于任何给定的放电深度，充电接受率：

又因I0=αC，所以

Id——放电电流。

常数K和k可由实验得出。

上式表明，蓄电池的充电接受率取决于它的放电历史，以小电流长时间放电的蓄电池，充电接受率低，相反，以大电流短时间放电的蓄电池，充电接受率高。

（3）一个蓄电池经几种放电率放电，其充电接受电流是各个放电率下接受电流之和。即：　 It = I1+I2+I3+……

同时服从：

It——总接受电流。

Ct——放出的总电量。

αt——总的充电接受率。

放电可使全部放掉的电量Ct增加，同时也使总的充电接受电流It增加。因此，蓄电池在充电前或充电过程中适当地放电，将会增加充电接受率αt。

按照麦斯理论，我们对充电过程中的充电电流进行实时控制，即用大电流充电，并在充电过程中，短暂地停止充电，在停充期间加入放电脉冲，打破蓄电池充电指数曲线自然接受特性的限制。但是，理论和实践证明，蓄电池的充放电是一个非常复杂的电化学过程，由快速充电的电化机理可知，影响快速充电的重要因素是蓄电池的电极极化现象，这是一切二次电池所共有的，包括有欧姆极化、浓差极化和电化学极化。而蓄电池的电极极化现象，又可以通过在充电过程中适时加入放电脉冲来消除。因此，要实现快速充电，就需要多方面的控制，其控制特点为：

（1） 多变量——诸如要控制蓄电池内的温度、充电电流的大小、充电的间隔时间、去极化脉冲的设置等。

（2） 非线性——充电电流应随充电的进行而逐渐降低，否则，会造成出气和温升的增加。

（3） 离散性——随着蓄电池的放电状态、使用和保存历史的不同，即使是相同型号、相同容量的同类蓄电池的充电情况也不一样。

对于如此复杂的充电过程，使用传统的充电电路显然难以控制，因此，也影响了快速充电的效果。为了能更有效地实现快速充电，必须使用先进的控制手段，我们利用单片机构造了一个具有自动检测功能的蓄电池充电实时控制系统。根据蓄电池快速充电的机理，对充电的电池进行实时的动态检测，适时发出去极化脉冲及调整充电电流，力求以较高的充电平均电流进行充电，而且还能有效地抑制气体的析出。从而达到快速充电的目的。

3．智能充电系统的构成

本系统以AT89C2051单片机为核心，它是高性能的8位CMOS单片微型计算机。片内带有2K可重编程的Flash EPROM，足够存放一般的控制程序；具有丰富的I／O控制功能；片内带有2个16位定时器／计数器；多个中断源；一个精密模拟比较器。它对许多嵌入式控制应用提供了一种高度灵活和低成本的解决办法。

根据系统功能的需要，组成的硬件结构如图1所示。

该系统包括几个主要部分：

（1） 以AT89C2051单片机作为整个智能充电系统的控制核心，用于数据的处理、计算及输入输出控制。

（2） 电压检测电路

由RC电路与AT89C2051单片机的内置积分模拟比较器组成，用于电池电压的实时检测，该电路同时将检测到的模拟电压转换成数字量提供给计算机处理。

（3） 去极化放电电路

由RC放电回路与MOSFET电子开关组成，电池的充电状态信息经单片机处理后，根据需要经由AT89C2051的I／O口适时发出去极化脉冲，控制开关闭合接通放电回路，以消除电池的极化现象，也可以消除某些电池的不良记忆，提高它的充电接受率。

（4） 充电控制电路

采用输出电压在一定范围内可调节的高频开关式充电电源。并且加入适度的电流负反馈，使输出特性变软，避免充电器在加载瞬间的电流冲击，并具有一定的恒流作用。

（5） 状态显示电路

状态显示电路由不同的指示灯组成，根据不同的工作状态由单片机控制显示充电中或充电结束状态。

4．系统软件设计

本系统软件使用MCS-51汇编指令编写，并固化于片内的程序存储器中，使用极为方便。程序的流程图如图2所示。

整个系统的控制过程为：蓄电池组开始充电一段时间后，检测电池电压，当达到电池出气点电压（约2.4V／单体）时，停止充电，然后进行大电流（约2C）放电去极化，时间为1ms，充放电曲线如图3所示。放电后，再检测电池状态，进行去极化效果检测，达到去极化效果则回转充电，否则，再次进行去极化放电，直至达到去极化要求的效果才回转充电。如果连续放电n次（n＝3），电池电压变化很小，则充电完成并结束充电状态。

5．系统的工作与性能评估

我们用本系统对24V12AH免维护铅酸电池组进行快速充电试验，首先以1安培放电，放电终止电压为20V。充电电流取8A（0.66C），充电50分钟后，蓄电池组端电压达到24.5V，在充电至40分钟左右，去极化周期逐步缩短，充电电流下降到6.2A，经过2小时10分后，充电自动结束，蓄电池组终止电压为28.8V，5分钟后测试电池组端电压为27.6V。外壳温升15.6℃。

放电试验是用1安培放电（负载用可调电阻）放电终止电压为20V时，放电时间为11小时25分，即充满率达到95﹪。通过充、放电试验，证明本充电控制系统是可行的。

6．讨论

1） 快速充电的唯一办法是遵照麦斯定律，利用充电-放电去极化的方式提高充电速度。

2）充电速度越高，充电器的容量要相应增大。但是充电器的成本不成比例增加。如果进一步加大充电电流，充电的速度还可以进一步提高。但是，充电速度过高可能会带来一些新的问题，必须通过实验和设计的改进来实现。有专家认为，在快速充电过程中，只要温升能控制得合理，对电池的寿命和电池内部单体电池电压均衡都有好处。

3） 本快速充电系统与传统的充电器相比，可以较大范围地提高充电速度，缩短充电时间。但是，充电器复杂系数略有增加。仅仅是增加了一个单片机实时检测控制环节和一个MOSFET电子开关及RC放电电路。因此，不失为一个简单实用的快速充电电路。

7．结论

绿色革命的一个重要体现是绿色交通。因此，很多国家都在致力于电动车的开发和研究。然而，蓄电池的快速充电依然是一个必不可少的课题。目前，市场上已出现了不少电动车和电动助力车、电动滑板车。根据专家的市场预测，2004年美国市场的需求量是500万辆，中国的产品因为价廉物美而成为了主导产品。因此，肯定对快速充电器有一定的需求。随着电动交通工具研究的深入和发展，可以预言，今后大、中、小各种容量的快速充电器将是商机无限。