1．引言
自1859年法國物理學家普蘭特（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結構等優(yōu)點，而被廣泛地應用于車輛啟動、郵電、電力、鐵路、礦山、采掘、計算機UPS等各個領域中。蓄電池也是國民經濟以及國防建設的重要能源，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、充電時間短、價格低的蓄電池。而快速充電技術也成為了其中的關鍵技術，它對電池的使用有著非常重要的影響。目前，國內外都在不斷地研究這一技術，而在快速充電技術中引入計算機控制，是非常有效的，且有著非常明顯的經濟效益。而單片機又以其低廉的成本，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．快速充電的機理
鉛酸蓄電池快速充電技術是在常規(guī)充電技術的基礎上發(fā)展起來的，不論采用何種充電制度進行充電，鉛酸蓄電池充電的成流過程都要遵守雙極硫酸鹽化理論，即其化學反應方程式為：
按常規(guī)充電法，充電電流安培數(shù)，不應超過蓄電池待充電的安時數(shù)。這樣，才可保證在整個充電過程中，產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，充電時間長達10至20多個小時，給實際使用帶來許多的不便。為了縮短電池的充電時間，國內外一直都在不斷地研究和開發(fā)快速充電方法和技術。
1967年美國人麥斯（J. A. Mas）提出了蓄電池充電的三個定律后，這些理論就成為了我們研究快速充電技術的基礎。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。即有如下關系：
又因 
故有
I0——開始充電時的最大初始電流值。
C——放電容量。
K——常數(shù)，可由實驗求出。
（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可由實驗得出。
上式表明，蓄電池的充電接受率取決于它的放電歷史，以小電流長時間放電的蓄電池，充電接受率低，相反，以大電流短時間放電的蓄電池，充電接受率高。
（3）一個蓄電池經幾種放電率放電，其充電接受電流是各個放電率下接受電流之和。即： It = I1+I2+I3+……
同時服從：
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?shù)胤烹姡瑢黾映潆娊邮苈师羣。
按照麥斯理論，我們對充電過程中的充電電流進行實時控制，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，理論和實踐證明，蓄電池的充放電是一個非常復雜的電化學過程，由快速充電的電化機理可知，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加入放電脈沖來消除。因此，要實現(xiàn)快速充電，就需要多方面的控制，其控制特點為：
（1） 多變量——諸如要控制蓄電池內的溫度、充電電流的大小、充電的間隔時間、去極化脈沖的設置等。
（2） 非線性——充電電流應隨充電的進行而逐漸降低，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。為了能更有效地實現(xiàn)快速充電，必須使用先進的控制手段，我們利用單片機構造了一個具有自動檢測功能的蓄電池充電實時控制系統(tǒng)。根據(jù)蓄電池快速充電的機理，對充電的電池進行實時的動態(tài)檢測，適時發(fā)出去極化脈沖及調整充電電流，力求以較高的充電平均電流進行充電，而且還能有效地抑制氣體的析出。從而達到快速充電的目的。
3．智能充電系統(tǒng)的構成
本系統(tǒng)以AT89C2051單片機為核心，它是高性能的8位CMOS單片微型計算機。片內帶有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；片內帶有2個16位定時器／計數(shù)器；多個中斷源；一個精密模擬比較器。它對許多嵌入式控制應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，組成的硬件結構如圖1所示。
該系統(tǒng)包括幾個主要部分：
（1） 以AT89C2051單片機作為整個智能充電系統(tǒng)的控制核心，用于數(shù)據(jù)的處理、計算及輸入輸出控制。
（2） 電壓檢測電路
由RC電路與AT89C2051單片機的內置積分模擬比較器組成，用于電池電壓的實時檢測，該電路同時將檢測到的模擬電壓轉換成數(shù)字量提供給計算機處理。
（3） 去極化放電電路
由RC放電回路與MOSFET電子開關組成，電池的充電狀態(tài)信息經單片機處理后，根據(jù)需要經由AT89C2051的I／O口適時發(fā)出去極化脈沖，控制開關閉合接通放電回路，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可調節(jié)的高頻開關式充電電源。并且加入適度的電流負反饋，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)由單片機控制顯示充電中或充電結束狀態(tài)。
4．系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)軟件使用MCS-51匯編指令編寫，并固化于片內的程序存儲器中，使用極為方便。程序的流程圖如圖2所示。
整個系統(tǒng)的控制過程為：蓄電池組開始充電一段時間后，檢測電池電壓，當達到電池出氣點電壓（約2.4V／單體）時，停止充電，然后進行大電流（約2C）放電去極化，時間為1ms，充放電曲線如圖3所示。放電后，再檢測電池狀態(tài)，進行去極化效果檢測，達到去極化效果則回轉充電，否則，再次進行去極化放電，直至達到去極化要求的效果才回轉充電。如果連續(xù)放電n次（n＝3），電池電壓變化很小，則充電完成并結束充電狀態(tài)。
5．系統(tǒng)的工作與性能評估
我們用本系統(tǒng)對24V12AH免維護鉛酸電池組進行快速充電試驗，首先以1安培放電，放電終止電壓為20V。充電電流取8A（0.66C），充電50分鐘后，蓄電池組端電壓達到24.5V，在充電至40分鐘左右，去極化周期逐步縮短，充電電流下降到6.2A，經過2小時10分后，充電自動結束，蓄電池組終止電壓為28.8V，5分鐘后測試電池組端電壓為27.6V。外殼溫升15.6℃。
放電試驗是用1安培放電（負載用可調電阻）放電終止電壓為20V時，放電時間為11小時25分，即充滿率達到95﹪。通過充、放電試驗，證明本充電控制系統(tǒng)是可行的。
6．討論
1） 快速充電的唯一辦法是遵照麥斯定律，利用充電-放電去極化的方式提高充電速度。
2）充電速度越高，充電器的容量要相應增大。但是充電器的成本不成比例增加。如果進一步加大充電電流，充電的速度還可以進一步提高。但是，充電速度過高可能會帶來一些新的問題，必須通過實驗和設計的改進來實現(xiàn)。有專家認為，在快速充電過程中，只要溫升能控制得合理，對電池的壽命和電池內部單體電池電壓均衡都有好處。
3）本快速充電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的充電器相比，可以較大范圍地提高充電速度，縮短充電時間。但是，充電器復雜系數(shù)略有增加。僅僅是增加了一個單片機實時檢測控制環(huán)節(jié)和一個MOSFET電子開關及RC放電電路。因此，不失為一個簡單實用的快速充電電路。
7．結論
綠色革命的一個重要體現(xiàn)是綠色交通。因此，很多國家都在致力于電動車的開發(fā)和研究。然而，蓄電池的快速充電依然是一個必不可少的課題。目前，市場上已出現(xiàn)了不少電動車和電動助力車、電動滑板車。根據(jù)專家的市場預測，2004年美國市場的需求量是500萬輛，中國的產品因為價廉物美而成為了主導產品。因此，肯定對快速充電器有一定的需求。隨著電動交通工具研究的深入和發(fā)展，可以預言，今后大、中、小各種容量的快速充電器將是商機無限。 |
