朱光辉侯振义
　　
　　(空军工程大学电讯工程学院,陕西西安710077)
　　
　　摘要:阐述了铅酸蓄电池快速充电原理,针对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,提出了可控的双向buck/boost硬件充电电路和控制软件的设计方案,该充电方案对提高蓄电池的充电速度,减少充电损耗,延长蓄电池的使用寿命具有重要意义。
　　　　
　　目前,作为我国电动车的动力源和能量存储装置,铅酸蓄电池由于其技术成熟、成本低、容量大、内阻小、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点而被大多数电动车所使用。但是,人们在过于专注研究开发高性能的铅酸蓄电池的同时,却忽视了一个直接影响蓄电池性能,并且与蓄电池紧密相关的重要因素,即蓄电池充电,特别是充电方式这一重要环节。研究发现:蓄电池充电过程对蓄电池寿命影响最大,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。由此可见,采用正确的充电方式对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。
　　
　　自1859年普莱特(Plante)第一次发明铅酸蓄电池以来,至今已有100多年的历史。由于各种技术条件的限制,当前所采用的许多充电技术,包括恒流技术、恒压技术,以及三段式充电技术等,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,致使充电时间较长,充电效率低下。就通常蓄电池采用三段式充电方法而言,在电池充电技术还没有取得显著突破的情况下,这种充电方法完成一次初充电约需要10～15h左右的时间,这与要达到的技术指标相差甚远。因此,效率更高并且能有效延长电池使用寿命的脉冲去极化充电方式得到了广泛的研究。
　　
　　1 基础理论
　　
　　1.1铅酸蓄电池充电接受率特性及充电时间
　　
　　美国科学家马斯对蓄电池充电过程中的出气问题作了大量的试验研究工作,提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受的充电电流曲线,如图1所示。
　　
　　这是一条自然接受特性曲线,常规充电时超过这一接受曲线的任何充电电流,不仅丝毫不能提高充电速度,而且会导致充电电流电解水,产生气体,增大压力和温升。小于这一接受特性曲线的充电电流,均为充电接受电流
　　　　
　　
　　I为任意时刻蓄电池可接受的充电电流;
　　
　　a为电流衰减常数即充电接受率(与结构和使用状况有关);
　　
　　t为时间。
　　
　　如果遵循蓄电池充电接受特性进行充电,充电接受率a保持常数,在某一时刻,已充电的容量Qs为
　　
　　　　
　　充电结束,即t→∞时,全部充电容量为Q,也就是蓄电池放出的容量
　　
　　因此,充电接受率a是最大起始接受电流I0与尚需充进容量的比值。对于任何一定的待充进容量Q,充电接受率a愈高,最大起始接受电流I0愈大,充电速度就愈快。由此可看出,充电接受率的物理意义为单位待充入容量的最大接受电流。
　　
　　如果充电是按充电接受曲线进行的,充电接受率a保持常数,在充电过程中的任一时刻,充电接受率a为充电电流I和需要充入容量Qr之比

　　
　　按充电接受曲线进行充电所需时间,可根据公式(2)求得。如果需要充入蓄电池的容量Qs达到待充入量的80%(0.8C),所需充电时间可从下式求得
　　
　　　
　　由上式看出,蓄电池的容量和初始电流决定了充电所需时间。
　　
　　1.2脉冲充电理论
　　
　　实验证明,蓄电池充电电流接受率a由下列三条基本定律决定:
　　
　　(1)对于任意给定的放电电流来说,蓄电池充电电流接受率a与它已放出电荷量的平方根成反比,即
　　
　　　　
　　式中:K为放电电流常数,视放电电流的大小而定;Q为蓄电池放出的容量。由该式可知,蓄电池接受充电电流的能力与蓄电池已放出的电量(即放电深度)有关。蓄电池放出的电量越多,充电电流接受率a越小,蓄电池可接受的充电电流越小。
　　
　　由于蓄电池已放出的电荷量也就是尚需充入的电荷量,因此,根据I0=Q·a,第一定律也可以写为
　　
　　该式表明,容量越大,蓄电池可接受的初始充电电流I0越大。
　　
　　(2)对于任意给定的放电量,蓄电池充电电流接受率a与蓄电池放电电流Id的对数成正比,即
　　　　
　　由此式可以看出,蓄电池接受充电电流的能力与蓄电池的放电电流有关。放电电流越大,蓄电池可接受的初始充电电流也越大。
　　
　　(3)蓄电池以不同的电流放电后,其最终可接受的充电电流(接受能力)等于以各种不同电流放电时的可接受充电电流之和,即
　　　　
　　式中,It表示总的可接受电流;Qt表示蓄电池放出的全部电量;at表示总的充电电流接受率。
　　
　　根据上述三条基本定律可知,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,适当地穿插大电流脉冲放电以后,由于放电电流Id很大而放出的电量很少,所以可以大大提高蓄电池可接受的初始充电电流,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a值增大,如图2所示。
　　
　　这样,在充电过程中,就可以不受可接受充电电流曲线的束缚,大大提高充电速度,缩短充电时间。这种充电方法是蓄电池充电技术的重大革新,脉冲快速充电方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
　　
　　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预充电、脉冲快速充电、补足充电和涓流充电4个阶段，如图3所示。根据蓄电池充电前反馈的技术指标，进入不同的充电阶段。
　　
　　2.1预充电
　　
　　对于长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池进行充电时,一开始就采取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,使蓄电池电压上升,当电压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,将充电电流分级,如图4所示。开始充电时采用大电流(约1C),随着蓄电池容量的增加,端电压升高,当蓄电池中单格电压达到2.35V即停止第一级充电(约2min)。首先停止充电B(25～40ms),称为前停歇,此阶段可以去除欧姆极化和部分浓差极化;接着再放电或反充电,使蓄电池反向通过一个较大的脉冲电流,脉冲宽度为C(25～200ms),脉冲幅值为2～5倍的充电电流,可以进一步消除浓差极化;然后再停止放电D(25ms),称为后停歇。以后的过程如此反复,直至蓄电池电压上升至补足充电电压阈值时,转入补足充电阶段。采用这种方法可有效消除充电接近充满时易出现的震荡现象及过充问题。
　　
　　2.3补足充电
　　
　　相对于快速充电阶段,补足充电阶段又可以称为慢速充电阶段。当快速充电阶段终止时,电池并未完全充足,还需加入补足充电过程。补足充电速率一般不超过0.3C,因为电池电压经过快速充电阶段后有所升高,所以补足充电阶段的充电电压也应该有所提升,并且恒定在某一范围之内。此阶段充电采用恒压充电,可使电池容量快速恢复。当电流下降至某一阈值时,转入涓流充电阶段。
　　
　　2.4涓流充电
　　
　　在补足充电阶段后期,当检测到温度上升超过极限值或充电电流减小到一定值之后,开始用更小的电流进行充电直至满足一定的条件后结束充电。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。
　　
　　3 脉冲充电电路结构及控制策略
　　
　　3.1充放电硬件电路设计
　　
　　主电路中初级直流变换采用反激变换器模式,图5为带有功率因数校正的快速脉冲充电主电路,包括正脉冲充电、停止充电和负脉冲放电三个阶段。在变换器中,选用耐压值低的MOSFET,使导通电阻相应下降,同时也降低了导通功耗。为了提高交流输入电路的功率因数,可以通过采集变换器输出端电流,反馈到控制芯片UC3842,调节MOSFETVTS开通占空比。在整流电路和充电电路中用变压器TR实现电气隔离,充电回路是可控的双向Buck/Boost电路,可以产生充电正脉冲和放电负脉冲。当电路处于正脉冲充电过程时,VT1导通,VT2关闭,以Buck电路工作;当处于负脉冲放电过程时,VT2导通,VT1关闭,以Boost电路工作;当VT1和VT2都关断时,电池处于恢复阶段,可以消除电池内部极化反应。通过PWM控制器实现上述两种电路交替工作,达到快速充电目的。
　　
　　图6给出了系统的硬件框图。其中控制电路由PIC单片机、电压采样电路、电流采样电路、开关驱动模块、通信模块等部分组成。充放电电路选用电流控制型高频PWM控制芯片SG3525作为中心控制芯片。该芯片在结构上有电压环和电流环双环系统,以及可调节的死区时间控制,在开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性方面都有所提高,是目前比较理想的新型控制器[6]。
　　
　　SG3525为MOSFETVT1和MOSFET
　　
　　VT2分别提供开通信号,当VT1开通时,电压向电池组充电;当VT2开通时,蓄电池开始放电,通过检测反馈电流调节VT1和VT2开通时间对电池进行快速脉冲充电。
　　
　　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7所示。
　　
　　4 结束语
　　
　　脉冲式快速充电技术大大缩短蓄电池充电时间,提高了蓄电池的应用性能,而且采用负脉冲去极化以消除蓄电池过充电,有效地延长了蓄电池的使用寿命。同时由于采用高频化,大大缩小了充电装置的体积和重量。因此,脉冲式快速充电技术有着广阔的应用前景。
　　
　　作者简介
　　
　　朱光辉,男,空军工程大学电讯工程学院研究生,主要研究方向为电力电子技术。

【红尘有你】