蓄电池充电方法的研究

电动车铅酸蓄电池的脉冲快速充电设计摘要：对快速充电原理进行了阐述，针对蓄电池充电过程中出现的种种问题，采用了分级定电流的脉冲快速充电方案，提出了充电器的硬件电路和控制软件的设计方案。

该充电方案对充分发挥蓄电池的功效，提高对蓄电池的充电速度，减少充电损耗，延长蓄电池的使用寿命具有重要意义。

关键词：电动车；铅酸蓄电池；脉冲快速充电引言以动力蓄电池为能源的电动车被认为是21世纪的绿色工程，它的出现将汽车工业的发展带入了一个全新的领域。

目前，电动车核心部件中的电动机、控制器和车体三大部件在理论和技术上已较为成熟，而另两大部件蓄电池、充电器的发展还不能满足电动车的要求，有一些理论和技术问题还有待攻关，现已成为影响电动交通工具发展的瓶颈。

目前，我国的电动车用动力蓄电池大多为铅酸蓄电池，这主要是由于铅酸蓄电池具有技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点。

当然，也有一些高性能电池，比如锂电池、燃料电池等。

锂离子电池电动车在深圳已投入试运营，由上海研制的第二代燃料电池轿车"超越二号"也于2004年5月在北京的国际氢能大会上露面，但都还未能得到广泛的推广应用。

虽然近年来蓄电池自身的技术有了不小的进步，但作为其能量再次补充的充电器的发展非常缓慢，传统的常规充电时间过长，快速充电技术至今仍未能完全解决，严重地制约着电动车的发展。

自铅酸蓄电池问世以来，由于各种技术条件的限制，所采用的充电方法均未能遵从电池内部的物理化学规律，使整个充电过程存在着严重的过充电和析气等现象，充电效率低。

电动车用动力蓄电池与一般蓄电池还有所不同，它以较长时间中等电流持续放电为主，间或以大电流放电，用于起动、加速或爬坡。

一般来说，电动车用蓄电池多工作在深度充放电工作状态。

因此，对电动车用动力蓄电池的快速充电提出了不同于常规电池的要求，它必须具有充电时间短、对蓄电池使用寿命影响小以及充满电判断准确的特点。

1 脉冲快速充电法的理论基础理论和实践证明，蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程。

一般地说,充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降,不可能自动按恒流或恒压充电。

充电过程中影响充电的因素很多,诸如电解液的浓度、极板活性物的浓度、环境温度等的不同,都会使充电产生很大的差异。

随着放电状态、使用和保存期的不同,即使是相同型号、相同容量的同类蓄电池的充电也大不一样。

1972年，美国科学家马斯在第二届世界电动汽车年会上提出了著名的马斯三定律，即1）对于任何给定的放电电流，蓄电池充电时的电流接受比a与电池放出的容量的平方根成反比，即式中：K1为放电电流常数，视放电电流的大小而定；C为蓄电池放出的容量。

由于蓄电池的初始接受电流Io=aC，所以I0=aC=K1(根号C) （2）2）对于任何给定的放电量，蓄电池充电电流接受比a与放电电流Id的对数成正比，即a=K2logkId （3）式中：K2为放电量常数，视放电量的多少而定；k为计算常数。

3）蓄电池在以不同的放电率放电后，其最终的允许充电电流It（接受能力）是各个放电率下的允许充电电流的总和，即：It=I1＋I2＋I3＋I4＋ (4)式中：I1、I2、I3、I4...为各个放电率下的允许充电电流。

综合马斯三定律,可以推出，蓄电池的总电流接受比可表示为α=It/Ct （5）式中：Ct=C1＋C2＋C3＋C4＋...为各次放电量的总和，即蓄电池放出的全部电量。

马斯三定律说明，在充电过程中，当充电电流接近蓄电池固有的微量析气充电曲线时，适时地对电池进行反向大电流瞬间放电，以消除电池的极化现象，可以提高蓄电池的充电接受能力，如图1所示。

也就是说通过反向大电流放电，可以使蓄电池的可接受电流曲线不断右移，同时其陡度不断增大，即α值增大，从而大大提高充电速度，缩短充电时间。

马斯三定律的提出至今已有30多年，目前为止这一理论虽未得到有效的验证，但在理论上和实践上都证明了它的可行性，脉冲快速充电法正是基于这个理论而提出的一种快速充电方式。

2 充电方法设计基于上述理论，并考虑到铅酸蓄电池自身的一些特性，本文介绍的快速充电装置所采用的充电方法将整个充电过程分为了预充电、脉冲快速充电、补足充电、浮充电4个阶段，如图2所示。

根据蓄电池充电前的残余电量，进入不同的充电阶段。

2.1 预充电对长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池充电时，一开始就采用快速充电会影响电池的寿命。

为了避免这一问题要先对蓄电池实行稳定小电流充电，使电池电压上升，当电池电压上升到能接受大电流充电的阈值时再进行大电流快速充电。

2.2 脉冲快速充电在快速充电过程中，采用分级定电流脉冲快速充电法，将充电电流分成三级，如图3所示。

开始充电时采用大电流，随着电池容量的增加，电压逐渐升高，电流等级开始降低，使充电电流的脉冲幅度和宽度随蓄电池端电压的升高而分级减小。

采用这种方法可以消除充电接近充满时易出现的振荡现象及过充电问题。

在脉冲快速充电过程中，电池电压上升较快，当电压上升至补足充电电压阈值时，转入补足充电阶段。

2.3 补足充电快速充电终止后，电池并不一定充足电，为了保证电池充入100％的电量，对电池还要进行补足充电。

此阶段充电采用恒压充电，可使电池容量快速恢复。

此时充电电流逐渐减小，当电流下降至某一阈值时，转入浮充阶段。

2.4 浮充电此阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，只要电池接在充电器上并且充电器接通电源，充电器就会给电池不断补充电荷，这样可使电池总处于充足电状态。

此时也标志着充电过程已结束。

3 充电电路设计3.1 充放电硬件电路设计主电路采用半桥功率变换电路，如图4所示。

在半桥式功率变换器中,功率管所承受的最大电压与正激式或反激式变换器中功率管承受的电压相比要小。

这样可以选用耐压值低的MOSFET，使导通电阻相应下降,同时也降低了导通损耗。

用集成PWM控制芯片SG3525结合半桥式功率变换电路共同组成充电器的功率变换部分。

与单片机相连的检测电路的充电电压由分压精密电阻取得，经过相应的放大后送至单片机的A/D口；充电电流经过精密电阻采样、放大，然后也送至单片机的A/D口；蓄电池温度经过温度传感器，将对应的电压量放大后送至单片机的A/D口。

3.2 软件设计本系统软件部分的主要功能是，通过对蓄电池状态的检测，使充电转入不同的充电阶段；进入不同的充电阶段后，通过一定的算法，改变SG3525的输出脉冲宽度，实现各个不同阶段的充电；暂停充电和终止充电的控制；并显示充电器当前状态。

软件流程图如图5所示。

4 结语本文介绍的单片机控制的铅酸蓄电池脉冲快速充电系统，采用分级定电流脉冲快速充电法，在整个充电过程中，随着充入电池电量的增加逐步降低充电电流等级，使铅酸蓄电池的充电接受率显著提高，充电时间大大缩短，且减小了对电池寿命的影响。

电动车不断发展的同时也在推动蓄电池自身性能的不断提高，还有电力电子器件的发展以及计算机控制在工业上的广泛应用，为适应不同用户及部门的要求，各种智能化的充电设备也正在兴起。

蓄电池充电方法的研究热[ 作者：吕耀文 | 转贴自：本站原创 | 点击数：147 | 更新时间：2009-8-11 | 文章录入：imste 2009年第 2 期 ](包头职业技术学院电气工程系，内蒙古包头 014030)摘要：文章对铅酸蓄电池快速充电的原理和方法作了探讨，并对现阶段流行的各种充电方法进行了分析和对比，提出了两阶段充电模式，同时通过实验证明了这种充电模式的可行性和优越性。

关键词：两阶段充电；快速充电；蓄电池中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2009)02—0096—01目前，铅酸蓄电池由于其制造成本低，容量大，价格低廉而得到了广泛的使用。

但是，由于使用不当，致使电池的寿命大大缩短，造成了浪费。

虽然影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，但是通过研究发现：电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。

也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的［2］ 。

由此可见，一个好的充电方法对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。

1 常规充电法常规充电制度是依据 1940年前国际公认的经验法则设计的。

其中最著名的就是“安培小时规则［6］”。

充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。

实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。

这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。

一般来说，常规充电有以下3种：1.1 恒流充电法恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，如图1所示。

控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。

1.2 阶段充电法二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图2所示。

首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。

一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。

1.3 恒压充电法充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。

与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。

用恒定电压快速充电，如图3所示。

由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。

这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。

但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。

鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。

例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。

2 快速充电技术蓄电池传统的充电方法，不论是定电压充电法还是定电流充电法，其起始的充电电流总是低于电池的接受能力，造成充电效率低、充电时间长，而在充电后期，最终的充电电流总是高于电池的接受能力，因而蓄电池内气体析出率不断增加、直到充电接近结束，所有的充电电流全部供给气体析出。

所以，传统的充电方式不论是从效率的角度还是安全的角度分析都不是一种比较好的充电技术。

为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用效率。

快速充电技术近年来得到了迅速发展。

下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。

这些方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线。

2.1 脉冲式充电法这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。

脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环，如图4所示。