摘要本文主要介紹了一種鉛酸蓄電池智能充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括對(duì)蓄電池充電方法的研究和充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在通過(guò)對(duì)蓄電池充電原理和充電方法研究的基礎(chǔ)上，提出采用恒壓限流充電和脈沖充電相結(jié)合的充電方法。這種充電方法可以始終地使充電電流在總體上逼近蓄電池的可接受充電電流曲線，并且在整個(gè)充電期間內(nèi)適時(shí)地采取了去除蓄電池極化的措施。理論研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，這種充電模式可以大大縮短充電時(shí)間，提高充電效率。在本充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，采用了高頻開(kāi)關(guān)電源，主回路由三相整流電路、改進(jìn)型全橋移相控制的零電壓PWM變換電路和能量回饋電路組成，控制回路由SOC196KB單片機(jī)最小系統(tǒng)、模擬量檢測(cè)電路、鍵盤(pán)和顯示電路、執(zhí)行電路組成。功率開(kāi)關(guān)管選用IGBT，驅(qū)動(dòng)芯片選用EXB841，移相控制芯片選用UC3879。通過(guò)采集蓄電池的端電壓、充電電流等參數(shù)，送入80C196KB單片機(jī)進(jìn)行分析和處理，得到相應(yīng)的控制信號(hào)，控制主回路IGBT的通斷，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池的智能充電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于80196KB單片機(jī)控制的智能充電系統(tǒng)，其效率高、調(diào)節(jié)時(shí)間快的良好充電特性可得到充分發(fā)揮，使得蓄電池具有較高的使用容量和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命，可滿足電機(jī)車(chē)動(dòng)力蓄電池的充電要求，具有良好的應(yīng)用前景，為提高蓄電池的性能和可靠性提供一條新的、有效的途徑。關(guān)鍵詞電機(jī)車(chē)鉛酸蓄電池智能充電80C196KB單片機(jī)ABSTRACTTHISPAPERMAINLYINTRODUCESAKINDOFLEADACIDBATTERIESINTELLIGENTCHARGINGSYSTEMDESIGNPROCESS,INCLUDINGTHEBATTERYCHARGINGMETHODOFRESEARCHANDCHARGINGSYSTEMDESIGNINTHEBATTERYPRINCIPLEANDCHARGINGMETHODSONTHEBASISOFSTUDY,THEPAPERPROPOSESTHECONSTANTPRESSUREANDPULSECURRENTLIMITINGCHARGINGCHARGINGCOMBINATIONOFCHARGINGMETHODSTHISKINDOFCHARGINGMETHODSCANALWAYSTORECHARGECURRENTINOVERALLAPPROXIMATIONBATTERYACCEPTABLECHARGINGELECTRICCURRENTCURVE,ANDTHROUGHOUTTHECHARGINGPERIODTIMELYADOPTEDREMOVEBATTERYPOLARIZATIONMEASURESTHEORETICALANDEXPERIMENTALDATASHOWSTHATTHISMODELCANGREATLYSHORTENCHARGINGCHARGINGTIMEANDIMPROVECHARGINGEFFICIENCYINTHISCHARGINGSYSTEMDESIGNPROCESS,ADOPTSTHEHIGHFREQUENCYSWITCHINGPOWERSUPPLY,THEMAINCIRCUITBYTHREEPHASERECTIFIERCIRCUIT,IMPROVEDTHEWHOLEBRIDGEPHASESHIFTINGCONTROLZVSPWMTRANSFORMCIRCUITANDENERGYFEEDBACKCIRCUIT,CONTROLCIRCUIT80C196KBCOMPOSEDBYSINGLECHIPMINIMIZESYSTEM,ANALOGUEDETECTIONCIRCUIT,KEYBOARDANDDISPLAYCIRCUIT,EXECUTIVECIRCUITCOMPOSEDTHEPOWERSWITCHTUBECHOOSEIGBT,DRIVECHIPCHOOSEEXB841,PHASESHIFTINGCONTROLCHIPCHOOSEUC3879BYCOLLECTINGANDANALYZINGTHEBATTERYVOLTAGE,CHARGINGCURRENTPARAMETERSSUCHAS80C196KBMICROCONTROLLER,TOANALYZEANDPROCESSING,OBTAINEDTHECORRESPONDINGCONTROLSIGNAL,THECONTROLOFMAINLOOPIGBTHIGE,THUSREALIZEBATTERYINTELLIGENTCHARGINGEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHE80C196KBSINGLECHIPMICROCOMPUTERCONTROLBASEDONTHEINTELLIGENTCHARGINGSYSTEM,ITSHIGHEFFICIENCY,REGULATINGTIMEQUICKGOODCHARGINGCHARACTERISTICSCANGETFULLY,MAKEBATTERYHASHIGHERUSECAPACITYANDLONGCYCLELIFE,CANMEETTHEELECTRICLOCOMOTIVEMOTIVEBATTERYCHARGINGREQUEST,HASAGOODAPPLICATIONPROSPECTFORIMPROVINGBATTERYPERFORMANCEANDRELIABILITYPROVIDESANEWANDEFFECTIVEWAYKEYWORDSELECTRICLOCOMOTIVE,LEADACIDBATTERIES,INTELLIGENTCHARGING,80C196KBSINGLECHIPCONNECTEDMICROCONTROLLER1緒論11課題背景目前，大多數(shù)電機(jī)車(chē)使用的電源都是鉛酸蓄電池組。鉛酸蓄電池因其可循環(huán)再充電的特性，以及成本低廉、使用安全、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在目前的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的需求正日益增大。相應(yīng)的，蓄電池的充電技術(shù)也引起了普遍地關(guān)注。一方面，傳統(tǒng)的充電方法正常充電時(shí)，以10H或20H率電流進(jìn)行充電。這時(shí)需要時(shí)間一般為10多個(gè)小時(shí)，甚至20多個(gè)小時(shí)，充電時(shí)間長(zhǎng)，而且使用不便。另一方面，充電技術(shù)不能適應(yīng)鉛酸蓄電池的特殊要求，會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池的壽命。國(guó)內(nèi)外多年來(lái)的實(shí)踐證明，鉛酸蓄電池浮充電壓偏差5，電池的浮充壽命將減少一半。在其他方面，由于充電方法不正確，鉛酸蓄電池也很難達(dá)到規(guī)定的循環(huán)壽命。智能充電是使實(shí)際充電電流能夠動(dòng)態(tài)地跟蹤電池可接受的充電電流。充電系統(tǒng)根據(jù)電池的狀態(tài)確定充電工藝參數(shù)，使充電電流自始至終處于電池的可接受充電電流曲線附近，使電池幾乎在無(wú)氣體析出的條件下充電，做到既節(jié)約用電又對(duì)電池?zé)o損害31。目前，我國(guó)工農(nóng)業(yè)運(yùn)輸設(shè)備對(duì)蓄電池用量極大，但是其充電設(shè)備很落后，充電方法也很不科學(xué)，急需設(shè)計(jì)出一種新型智能充電系統(tǒng)以滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。12研究現(xiàn)狀12，充電技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r對(duì)于鉛酸蓄電池來(lái)講，傳統(tǒng)的充電方法主要有恒流充電、恒壓充電和恒壓限流充電。這些傳統(tǒng)的充電方法，一方面控制電路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易另一方面充電時(shí)間比較長(zhǎng)，充電方法過(guò)于單一，會(huì)對(duì)蓄電池本身造成損害，以至影響蓄電池本身的使用壽命。針對(duì)傳統(tǒng)的充電方法充電緩慢、安全性能不好等缺點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外陸續(xù)提出了一些新型的充電方法，如定化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)法、脈沖式充電法、變電流間歇/定電壓充電法、分級(jí)定流充電法、變電壓間歇充電法等。對(duì)鉛酸蓄電池來(lái)講，其中的分級(jí)定流充電法己經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。這些充電方法的原理絕大多數(shù)都是在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，以便使其充電電流能夠更好地逼近蓄電池的可接受充電電流曲線。近幾年開(kāi)始有人采用一些更加新穎的充電方法，例如模糊控制充電法。這種充電方法開(kāi)始擺脫傳統(tǒng)充電方法的束縛，將模糊控制技術(shù)引入充電方法，利用模糊控制本身適合處理多輸入多輸出非線性系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，能夠更好的處理蓄電池充電過(guò)程中的時(shí)變性和抗干擾等常規(guī)控制方法所難以解決的問(wèn)題。122充電電源的發(fā)展?fàn)顩r目前，常用的充電電源主要有以下三種相控電源、線性電源、開(kāi)關(guān)電源。相控電源是比較傳統(tǒng)的電源，它是將市電直接經(jīng)過(guò)整流濾波后輸出直流，再通過(guò)改變晶閘管的導(dǎo)通相位角，來(lái)控制整流器的輸出電壓。相控電源所用的變壓器是工頻電源變壓器，它的體積比較龐大，由此造成相控電源本身的體積龐大、效率低下，并且該類(lèi)電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)差、可靠性能低。目前相控電源己經(jīng)有逐步被淘汰的趨勢(shì)。線性電源是另一種常見(jiàn)的電源，它是通過(guò)串聯(lián)調(diào)整管可以進(jìn)行連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。線性電源的功率調(diào)整管總是工作在放大區(qū)，流過(guò)的電流是連續(xù)的。由于調(diào)整管上損耗功率比較大，所以需要采用大功率調(diào)整管并且需要裝配體積很大的散熱器。表1一1是對(duì)開(kāi)關(guān)電源與線性電源作了一定的比較。通過(guò)比較可以看出開(kāi)關(guān)電源遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)子線性電源。開(kāi)關(guān)電源的功率調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功率損耗小、效率高，由于開(kāi)關(guān)電源工作頻率高，使得變壓器的體積大大減小，它的濾波電感、電容數(shù)值較小，使其性能優(yōu)子線性電源。高頻開(kāi)關(guān)電源因其高效率、小型化等特點(diǎn)，近年來(lái)得到國(guó)內(nèi)外的廣泛研究與關(guān)注，特別在通信、電力等領(lǐng)域中，已經(jīng)得到了普遍的研究與使用。表1。1開(kāi)關(guān)電源與線性電源的參數(shù)比較項(xiàng)目線性電源開(kāi)關(guān)電源功率轉(zhuǎn)換頻率204065，90發(fā)熱損耗大小體積大小質(zhì)量重輕電網(wǎng)電壓、頻率變化適應(yīng)性弱強(qiáng)輸出電壓保持時(shí)間短（5MS）長(zhǎng)（20MS）電路簡(jiǎn)單復(fù)雜射頻干擾和電磁干擾小大電壓調(diào)整率00200500501負(fù)載調(diào)整率002001011輸出電壓范圍士10士50開(kāi)關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)己成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。近20多年來(lái)，開(kāi)關(guān)電源沿著下述兩個(gè)方向不斷發(fā)展。第一個(gè)發(fā)展方向是對(duì)開(kāi)關(guān)電源的核心單元控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。1977年國(guó)外首先研制成功一PWM脈沖寬度調(diào)制，以下簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調(diào)制控制器集成電路，美國(guó)MOTOROH公司、SILICONGENERAL公司、UNITRODE公司等相繼推出一批PWM芯片，其典型產(chǎn)品有MC3250、SG3524、UC3842等。在此基礎(chǔ)上，國(guó)外又研制出開(kāi)關(guān)頻率達(dá)1MHZ的高速PWM、PEM脈沖頻率控制芯片，典型產(chǎn)品如UC1825。第二個(gè)發(fā)展方向則是對(duì)中、小功率開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)單片集成化。這大致分兩個(gè)階段20世紀(jì)80年代初，意法半導(dǎo)體有限公司SGSTHOMSON，簡(jiǎn)稱(chēng)TS率先推出L4960系列單片機(jī)開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器。ST公司于90年代初又推出了L4970A系列產(chǎn)品，包括L4970A、L4977A。該公司在1998年還研制出L4978型單片開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器。其共同特點(diǎn)是將脈寬調(diào)制器、功率輸出級(jí)、保護(hù)電路等集成在一個(gè)芯片中，但使用對(duì)需配工頻變壓器與電網(wǎng)隔離，適合制作低壓可調(diào)式輸出5140V、大功率400W以下、大電流L5L0A、高頻率電源效率可超過(guò)90的開(kāi)關(guān)電源。但從本質(zhì)講，它們?nèi)詫儆贒C/DC電源變換器。隨著電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，尤其是大功率高壓場(chǎng)效應(yīng)管等新型高頻開(kāi)關(guān)器件的出現(xiàn)，使得開(kāi)關(guān)的速率大大提高。關(guān)斷時(shí)間加快，使存儲(chǔ)時(shí)間大大縮短，從而大大提高了開(kāi)關(guān)頻率。提高功率變換器的開(kāi)關(guān)頻率，可以提高其性能，同時(shí)還可以減小功率變換器中的變壓器體積和重量，以及電感、電容等無(wú)源器件的容量，進(jìn)而可減小它們的體積和重量。并且當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率高于18KHZ時(shí)，可消除噪聲對(duì)人耳的影響。因?yàn)楦哳l功率變換器有如此多的優(yōu)勢(shì)，所以受到人們的廣泛關(guān)注。很快，開(kāi)關(guān)電源的頻率從只有20KHZ左右提高到了數(shù)百千赫，成為真正的高頻開(kāi)關(guān)電源L0。123傳統(tǒng)的充電方式123，恒流充電在充電過(guò)程中隨著電池電壓的變化要調(diào)整電流使之恒定，一般采用1OH率或20H率電流充電。這種維持電流恒定的方法，從直流發(fā)電機(jī)和硅整流裝置中都能得到實(shí)現(xiàn)，其操作簡(jiǎn)單、方便，易于做到。這種充電方法特別適用于由多數(shù)電池串連的電池組，落后電池的容量易于恢復(fù)，最好用于小電流長(zhǎng)時(shí)間的充電模式。恒流充電方式的不足是，開(kāi)始充電階段電流過(guò)小，在充電后期充電電流又過(guò)大，整個(gè)充電時(shí)間長(zhǎng)，析出氣體多，對(duì)極板沖擊大，能耗高，充電效率不超過(guò)65。鑒于這個(gè)缺點(diǎn)，在國(guó)外，除非蓄電池需要長(zhǎng)時(shí)間小電流進(jìn)行活化充電外，已經(jīng)較少使用。這種充電方法，充電時(shí)間均在10H以上L1。1232恒壓充電此法是對(duì)每只單體電池以某一恒定電壓進(jìn)行充電。因此充電初期電流相當(dāng)大，隨著充電進(jìn)行，電流逐漸減小，在充電終期只有很小的電流通過(guò)，這樣在充電過(guò)程中就不必調(diào)整電流。此方法較簡(jiǎn)單，因?yàn)槌潆婋娏髯詣?dòng)減小，所以充電過(guò)程中析氣量小，充電時(shí)間短，能耗低，充電效率可達(dá)80，如充電電壓選擇得當(dāng)，可在8H內(nèi)完成充電。其缺點(diǎn)是L在充電初期，如果蓄電池放電深度過(guò)深，充電電流會(huì)很大，不僅危及充電機(jī)的安全，電池也可能因過(guò)流而受到損傷2若充電電壓選擇過(guò)低，后期充電電流又過(guò)小，充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不適宜串聯(lián)數(shù)量多的電池組充電3蓄電池端電壓的變化很難補(bǔ)償，充電過(guò)程中對(duì)落后電池的完全充電也很難完成。恒壓充電一般應(yīng)用在電池組電壓較低的場(chǎng)合。1233植壓限流充電為補(bǔ)救恒壓充電的缺點(diǎn)，廣泛采用恒壓限流的方法。在充電電流與電池之間串聯(lián)一電阻，稱(chēng)為限流電阻。當(dāng)電流大時(shí)，其上的電壓降也大，從而減小了充電電壓當(dāng)電流小時(shí)，用于電阻上的電壓降也很小，充電設(shè)備輸出的電壓降損失就小，這樣就自動(dòng)調(diào)整了充電電流，使之不超過(guò)某個(gè)限度，充電初期的電流得到控制。此法也稱(chēng)為準(zhǔn)電壓充電法，串聯(lián)的電阻值可按下式計(jì)算RU21R內(nèi)式中U充電電源電壓（V）I充電電流（A）R內(nèi)電池內(nèi)阻（因很小可以忽略）13蓄電池的基本概念和工作康理131電池的種類(lèi)和特性本課題研究的充電對(duì)象是應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的電機(jī)車(chē)所使用的鉛酸蓄電池。為了更好的理解我們所面對(duì)的研究對(duì)象，需要介紹一下它的龐大家族一電池的種類(lèi)以及他所擁有的各自不同的特性。蓄電池又稱(chēng)為二次電池，二是化學(xué)龜池所謂化學(xué)電池是指能將化學(xué)能直擠轉(zhuǎn)換為電能的裝置的一種，它不僅能將儲(chǔ)備的化學(xué)能變?yōu)殡娔苓@一過(guò)程稱(chēng)為放電，而且當(dāng)參加反應(yīng)的物質(zhì)以電能的形式釋放完畢之后，再用充電器對(duì)它輸入直流電能這一過(guò)程稱(chēng)為充電，又可將已損耗的活性物質(zhì)復(fù)活。一般使用的化學(xué)電池分為原電池和蓄電池兩種。原電池只能使用一次，即我們所說(shuō)的干電池，蓄電池就可以多次反復(fù)位用。蓄電池主要由三個(gè)部分組成發(fā)生氧化反應(yīng)的陽(yáng)極、發(fā)生還原反應(yīng)的陰極、以及將陽(yáng)極反應(yīng)和陰極反應(yīng)統(tǒng)一在一起的介質(zhì)電解液。在電極里發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的物質(zhì)被稱(chēng)為活性物質(zhì)。依據(jù)使用場(chǎng)所的不同，蓄電池有固定型供室內(nèi)裝置使用、移動(dòng)型便于攜帶用之分。移動(dòng)型電池還可分為電動(dòng)機(jī)車(chē)型和啟動(dòng)型蓄電池。依據(jù)蓄電池電解質(zhì)的狀態(tài)不同分類(lèi)可分為電解質(zhì)采用稀硫酸的稱(chēng)為鉛酸蓄電池，采用硫酸電解質(zhì)膠體的稱(chēng)為膠體鉛蓄電池。又依據(jù)蓄電池電解質(zhì)性質(zhì)來(lái)區(qū)分電解質(zhì)采用稀硫酸的稱(chēng)為酸性蓄電池采用堿性電解質(zhì)的稱(chēng)為堿性蓄電池。例如鉛酸蓄電池為酸性蓄電池，而鎳鎘電池則為堿性蓄電池。根據(jù)蓄電池的結(jié)構(gòu)又可分為開(kāi)口蓄電池和密封蓄電池兩種形式。開(kāi)口蓄電池具有以下的特點(diǎn)可以進(jìn)行大電流放電、自放電小等。但是開(kāi)口蓄一電池不便于維護(hù)，它需要經(jīng)常補(bǔ)加蒸餾水和更換電解液而密封蓄電池在這方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)一它具有密封好、無(wú)泄露、無(wú)污染、無(wú)需維護(hù)、易保存等特點(diǎn)，一能夠保障人體以及各種設(shè)備的安全。目前主要的蓄電池有以下四種鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳金屬氧化物蓄電池和鋰離子蓄電池。這四種蓄電池具有共同的功能就是為最終產(chǎn)品提供可補(bǔ)充的電能，但不同的電池具有不同的特性，適用的對(duì)象和場(chǎng)合也是不同的。選擇電池的依據(jù)主要是電池的能量密度、電池的容量及內(nèi)阻，它們塊定了電池為負(fù)載提供電能的速度和大小。對(duì)于放電速率要求不高的產(chǎn)品，如便攜式計(jì)算機(jī)、蜂窩電話機(jī)和手提式視頻設(shè)備，可以使用鎳金屬氧化物電池和鋰離子電池。因?yàn)樗鼈兙哂休^大的內(nèi)阻，從而限制了峰值放電電流，使它們適用于長(zhǎng)期電流消耗要求較小的產(chǎn)品。而鉛酸電池和鎳福電池由于內(nèi)阻較小，可以提供較大的電流，所以適用于放電速率要求較高的產(chǎn)品，如一些由電池供電的電動(dòng)工具，比如鋤草機(jī)。在這些電池當(dāng)中，鉛酸蓄電池具有價(jià)格低廉、供電可靠、電壓穩(wěn)定等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。132鉛酸蓄電池的基本概念因?yàn)樾铍姵氐某潆姳旧砩婕暗皆S多相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，為了能夠更好的理解我們所涉及的主題，本節(jié)將簡(jiǎn)要地介紹鉛酸蓄電池有關(guān)的基本概念。L電池單元，單個(gè)電池一般來(lái)講，每個(gè)電池由六個(gè)單元CELL組成，單元之間串聯(lián)。對(duì)于每個(gè)單元2V的電池來(lái)說(shuō)，單個(gè)電池的電壓為12V。2放電速率DICHARGERATE為了對(duì)不同容量的電池加以比較，電池的放電電流不用電流的絕對(duì)值來(lái)表示，而是用電池容量C和放電時(shí)間T的比表示，稱(chēng)為電池的放電速率或放電倍率。例如一個(gè)容量C為60AH的電池，對(duì)它進(jìn)行2小時(shí)的放電后電池的電量完全放完，則它的放電電流為IC/205C即它的放電速率為05C若采用05小時(shí)對(duì)它放電完畢，則它的放電電流為IC/052C即它的放電速率為2C。充電速率的描述和放電速率相同，采用這種形式來(lái)描述電池的充放電更為直觀和方便。3電池的終止電壓和過(guò)放電、電池的過(guò)充電終止電壓是指電池可放電的最低電壓，當(dāng)蓄電池的放電電壓低于這一電壓值時(shí)就不能正常工作了。若蓄電池在低于終止電壓情況下繼續(xù)放電，稱(chēng)為過(guò)放電，這極易對(duì)電池造成永久性傷害。當(dāng)高速率充電而又不能及時(shí)地在滿充點(diǎn)結(jié)束充電，電池則很容易存在大電流過(guò)充電的問(wèn)題。過(guò)充電會(huì)使電池內(nèi)部的溫度和壓力都急劇上升，造成對(duì)電池的傷害。這是因?yàn)樵谶^(guò)充電階段電池內(nèi)部所進(jìn)行的反應(yīng)為消耗反應(yīng)，它會(huì)加大電池內(nèi)部壓力。同時(shí)，此時(shí)氧氣的產(chǎn)生和吸收都是放熱反應(yīng)，因此會(huì)使電池溫度迅速上升。因此在電池充電接近滿充點(diǎn)時(shí)，只能采用低速率充電，因?yàn)殡姵卦诘碗娏鬟^(guò)充時(shí)所產(chǎn)生的極化現(xiàn)象較輕，同時(shí)電池的熱量可以及時(shí)地向空中散發(fā)，基本上不會(huì)對(duì)電池造成傷害。4電池容量電池容量是蓄電池使用過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)，一是指蓄電池充足電后，放電到終止電壓時(shí)所輸出的電量，也就是在一定的放電條件下可以從電池中獲得的電量。電池容量用C表示，其單位用AH、MAH來(lái)表示。一個(gè)電池有理想容量、標(biāo)稱(chēng)容量和實(shí)際容量等區(qū)分。理想容量是指假設(shè)活性物質(zhì)全部參加電池的成流反應(yīng)所給出的電量它是根據(jù)活性物質(zhì)的質(zhì)量依照法拉第定律計(jì)算得到的。為了比較不同系列的電池常用容量的概念，即單位體積或單位質(zhì)量電池所能給出的理論電量，常以AH/KG或AH/L表示。標(biāo)稱(chēng)容量是指設(shè)計(jì)和制造電池時(shí)，規(guī)定或保證電池在一定放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的容量。通常是指在一定溫度下，用一定的放電率例如C/20對(duì)某一型號(hào)的電池進(jìn)行恒流放電所能放出的最大容量。我國(guó)一直以C/20作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際容量是指在一定的放電條件下電池實(shí)際放出的容量又可稱(chēng)為有效容量，等于放電電流與放電時(shí)間的乘積，其值小于理論容量。恒電流放電時(shí)的計(jì)算方法見(jiàn)式恒電阻放電時(shí)的計(jì)算方法見(jiàn)式（15）CQIXT14CL一5式中I放電電流R放電電阻T放電至終止電壓的時(shí)間電池的功率是指電池在一定放電條件下，電池于單位時(shí)內(nèi)所能給出一能量的大小，單位W瓦或KW千瓦。單位重量電池所能給出的功率稱(chēng)為比功率，單位是W/KG或KW/KG。5充電狀態(tài)STATEOFCHARGE即SOC充電狀態(tài)的定義如式16，它是指某個(gè)時(shí)刻電池所剩電量CR與電池標(biāo)稱(chēng)總?cè)萘緾T的比，通常把在一定溫度下電池充電到不能再吸收能量的狀態(tài)定義為100/的充電狀態(tài)SOC，而將電池再不能放出能量的狀態(tài)定義為0的充電狀態(tài)SOC。SOCCR/CT10016由于CR和CT都受到未來(lái)放電狀態(tài)的影響，而這個(gè)序列一般是無(wú)法預(yù)知的。更實(shí)用的定義是式17SOC1ICU/CD10017CU是當(dāng)時(shí)的已用容量，它是從完全充滿的狀態(tài)開(kāi)始計(jì)量的。SOC1和CU是在給定電流下的，SOC和CT通常取三或五小時(shí)放電率下的電流。因此剩余電量的定義如式18。相比較上面的定義來(lái)講，這個(gè)定義含義更明顯和更容易實(shí)現(xiàn)。CRCDCU186放電深度DEPTHOFDISCHARGEDOD放電深度定義如式19DODQE/C19放電深度是指蓄電池在使用的過(guò)程中，電池放出的電量QE與電池標(biāo)稱(chēng)容量C的比，也就是電池所放的安時(shí)數(shù)占它的標(biāo)稱(chēng)容量安時(shí)數(shù)的百分比。它SOC關(guān)系見(jiàn)式110DODSOC1110當(dāng)電池放電深度為100，電池的實(shí)際使用壽命大約是200250次充放電循環(huán)。如果將電池的放電深度減為50，它所允許的充放的循環(huán)可增至500600次左右。當(dāng)電池的放電深度減為30時(shí)，允許的充放電的循環(huán)可高達(dá)1200次左右。因此，為延長(zhǎng)電池的使用壽命，盡量不用讓電池處于深度放電狀態(tài)。7充電深度（DEPTHOFCHARGEDOC充電深度定義如式111DOCCQE/C111它是指電池可能剩余的電量CQE與實(shí)際電池容量C與溫度和電流有關(guān)的比，DOC的值不僅與電池的當(dāng)前狀態(tài)SOC、溫度、電流等有關(guān)，并且與將來(lái)電池的放電情況有關(guān)，DOC比SOC更能反映電池的實(shí)際情況。8電池的內(nèi)阻和極化現(xiàn)象、電池的老化當(dāng)電流流過(guò)蓄電池時(shí)，蓄電池兩端所呈現(xiàn)出來(lái)的電阻稱(chēng)為蓄電池的內(nèi)阻，這個(gè)內(nèi)阻與其他電源的內(nèi)阻有所不同，它包括兩個(gè)部分，即RRORN112其中RO為電極與電解液的內(nèi)阻之和，該電阻遵守歐姆定律，是不變的量RN是由于電流流過(guò)蓄電池時(shí)兩電極的電位有所改變而表現(xiàn)出來(lái)的，因此又稱(chēng)為極化電阻或假電阻，其值與流過(guò)電池的電流強(qiáng)度有關(guān)，電流越大，RN越大。由于蓄電池內(nèi)阻并不是純電阻，所以蓄電池的端電壓也與其他電源有所不同，該值也與蓄電池的工作狀態(tài)有關(guān)。它一般有三種狀態(tài)的值當(dāng)蓄電池為開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，所測(cè)得的電池兩極間的電壓稱(chēng)為電池的開(kāi)路電壓當(dāng)蓄電池充電時(shí)所測(cè)得的電壓稱(chēng)為電池的充電電壓電池放電時(shí)所測(cè)得的電池電壓稱(chēng)為放電電壓。這三種狀態(tài)的電壓總是具有下述特點(diǎn)充電電壓高于開(kāi)路電壓，而且隨著充電時(shí)間的增加而略有升高放電電壓則低于開(kāi)路電壓，而且隨著放電時(shí)間的增加而略有降低，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電池的極化。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，主要是因?yàn)橐话愕男铍姵卦诔潆娺^(guò)程中，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生氧氣和氫氣，其中主要是氧氣，氫氣只占一小部分。當(dāng)產(chǎn)生的氧氣不能被及時(shí)吸收時(shí)，它便堆積在正極板上，使得電池內(nèi)部壓力加大，電池溫度上升，同時(shí)縮小了電池正極板板面積，表現(xiàn)為電池內(nèi)阻上升，即使得電池出現(xiàn)了所謂的極化現(xiàn)象。我們剛剛提到的蓄電池的極化電阻正是由于電池的極化現(xiàn)象所表現(xiàn)出來(lái)的。當(dāng)充電速率較低時(shí)，反應(yīng)所產(chǎn)生的氧氣可以被及時(shí)吸收，因此電池的極化現(xiàn)象很輕，一般對(duì)電池沒(méi)有傷害但當(dāng)高速率恒流充電時(shí)，這一現(xiàn)象則不容忽視。蓄電池的極化現(xiàn)象對(duì)蓄電池的工作是不利的，它不僅使電池發(fā)熱，而且降低了電池的效率，同時(shí)也加速了電池的老化。電池的老化是指另外一種電池的現(xiàn)象電池在開(kāi)始使用的一段時(shí)間內(nèi)，電池容量增加大約510。接下來(lái)的一段時(shí)間，電池的容量大約不變，然后開(kāi)始慢慢減少，即開(kāi)始了電池的老化過(guò)程。當(dāng)電池的老化達(dá)到一定程度時(shí)，這個(gè)電池就報(bào)廢了。一般經(jīng)驗(yàn)來(lái)講，當(dāng)電池的容量達(dá)到額定容量的80時(shí)，就可以認(rèn)為電池的壽命基本結(jié)束了。9循環(huán)壽命CYCLELIFE循環(huán)壽命是指在其實(shí)際容量降低至某一規(guī)定值之前所經(jīng)歷的充放電循環(huán)的次數(shù)，通常用來(lái)定義蓄電池的使用壽命。根據(jù)我們前面所講的放電深度的概念中可以看出，放電深度不同，電池的循環(huán)壽命是不同的。10自放電現(xiàn)象SELFDISCHARGE當(dāng)電池處于閑置不用非工作狀態(tài)時(shí)，雖然沒(méi)有電流流過(guò)蓄電池，但電池內(nèi)的活性物質(zhì)與電解液間自發(fā)的反應(yīng)卻一直在進(jìn)行，這造成了電池內(nèi)的化學(xué)能量無(wú)益的損耗，使電池的容量下降，通常將這種現(xiàn)象稱(chēng)為電池的自放電。自放電的大小一般用單位時(shí)間的電池容量下降的百分比來(lái)表示，見(jiàn)式113式中IS自放電的電量、QO新電池在規(guī)定條件下的容量QT電池存儲(chǔ)一段時(shí)間后，在同樣規(guī)定條件下的容量自放電通常與環(huán)境溫度有密切關(guān)系。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，電池的自放龜現(xiàn)象比較明顯。所以電池應(yīng)在適宜的溫度和濕度下保存。自放電一般不會(huì)損傷電池，只要重新充足電量，還可以照常使用。鉛酸蓄電池的自放電相對(duì)鎳福蓄電池來(lái)講比較嚴(yán)重，經(jīng)驗(yàn)表明鉛酸蓄電池在閑置一個(gè)月后，自放電達(dá)30左右?？紤]到這一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)蓄電池智能充電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)在電池長(zhǎng)時(shí)間不用的情況下對(duì)電池進(jìn)行補(bǔ)充充電。11電池的記憶效應(yīng)首先申明一點(diǎn)，電池的記憶效應(yīng)并不是所有的蓄電池都具有的現(xiàn)象，它是燒結(jié)式蓄電池特有的現(xiàn)象，象我們所說(shuō)的鎳鎘電池就具有記憶效應(yīng)，而鉛酸蓄電池就不具有記憶效應(yīng)。在電池的正常使用過(guò)程中電池放電完全，電池極板上的晶體尺寸保持較小，如果電池放電不完全，NIOOH未完全轉(zhuǎn)化為NIOH2，NIOOH將凝結(jié)在一起，形成較大的晶體結(jié)構(gòu)即枝狀物，極板上的晶體尺寸改變當(dāng)再次充電時(shí)這些集結(jié)了的晶體結(jié)構(gòu)不再參加反應(yīng)，使得電池?zé)o法充電至電池的額定容量，這時(shí)便稱(chēng)電池具有了記憶效應(yīng)。一有記憶效應(yīng)的電池表現(xiàn)為即使己充滿電，電池也無(wú)法釋放出額定的容量。記憶效應(yīng)是一種暫時(shí)的現(xiàn)象，一也常被稱(chēng)為電池的可逆故障，只要將電池充滿后再做深度放電，如此反復(fù)幾次，便可以將電池再次激活，恢復(fù)其原有的容量。133鉛酸蓄電池的工作原理19世紀(jì)中期，鉛酸蓄電池的問(wèn)世解決了部分小用電設(shè)備的隨機(jī)用電向題。雖經(jīng)歷了100多年的發(fā)展，但其工作原理基本上沒(méi)有什么變化，它的正常充放電化學(xué)方程式為114以上鉛酸蓄電池的充放電化學(xué)方程式為理想化的原理方程式，似乎只要不受到機(jī)械損傷，一只鉛酸蓄電池就可以無(wú)休止地使用下去，完成充放電過(guò)程。鉛酸蓄電池在充電時(shí)，正極由硫酸鉛PBSO4轉(zhuǎn)化為二氧化鉛PBO2后將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在正極板中負(fù)極由硫酸鉛轉(zhuǎn)化為海綿狀鉛PB后將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在負(fù)極板中。在放電時(shí)，正極由二氧化鉛PBO2變成硫酸鉛PBSO4而將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能向負(fù)載供電，負(fù)極由海綿狀鉛PB變?yōu)榱蛩徙UPBSO4而將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能向負(fù)載供電。鉛酸蓄電池在充放電過(guò)程中，正極和負(fù)極必須同時(shí)以同當(dāng)量、同狀態(tài)如充電或放電進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)才能實(shí)現(xiàn)上述充電或放電過(guò)程，任何情況下都不可能由正極或負(fù)極單獨(dú)完成上述反應(yīng)。由此可知，如果一只鉛酸蓄電池中正極板是好，而負(fù)極板損壞了，那就等于這只鉛酸蓄電池變成了報(bào)廢的鉛酸蓄電池。同樣，如果一只鉛酸蓄電池中的負(fù)極板是好的而正極板損壞了的話，這只鉛酸蓄電池也將變成一只報(bào)廢的鉛酸蓄電池。除此之外，正極板中可以參加能量轉(zhuǎn)換的物質(zhì)量活性物質(zhì)的量與負(fù)極板中可以參加能量轉(zhuǎn)換的物質(zhì)量活性物質(zhì)的量要互相匹配。如果不匹配，一個(gè)多而另一個(gè)少的話，多出來(lái)的部分就是一種浪費(fèi)，而且每種參加電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)與另一種物質(zhì)相匹配的量都是不同的，科學(xué)家們把每一種物質(zhì)可將一個(gè)安培小時(shí)的電量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)的量叫做該物質(zhì)的電化當(dāng)量即電能與化學(xué)能轉(zhuǎn)換的相當(dāng)物質(zhì)的量。每一種活性物質(zhì)的電化當(dāng)量都是由其電化學(xué)反應(yīng)方程式計(jì)算出來(lái)的。鉛酸蓄電池工作原理的全部?jī)?nèi)容包括電化當(dāng)量可以用如下電化學(xué)反應(yīng)方程式來(lái)表示PBQPBZHZSO月鋅ZPBSOZHZOL一15當(dāng)上述電化學(xué)反應(yīng)方程式由左向右進(jìn)行時(shí)，是鉛酸蓄電池的放電反應(yīng)當(dāng)上述電化學(xué)反應(yīng)方程式由右向左進(jìn)行時(shí)，是鉛酸蓄電池的充電反應(yīng)。從上述電化學(xué)反應(yīng)式中可以看出，在鉛酸蓄電池放電時(shí)，正極必須有1個(gè)克分子量的二氧化鉛，負(fù)極必須有1個(gè)克分子量的海綿狀鉛，同時(shí)還應(yīng)有2個(gè)克分子量的硫酸參加反應(yīng)，這個(gè)放電過(guò)程才能順利進(jìn)行。利用法拉第定律中的法拉第常數(shù)，通過(guò)上述電化學(xué)反應(yīng)方程式，經(jīng)過(guò)計(jì)算后得知二氧化鉛的電化當(dāng)量為4146G/AH，海綿狀鉛的電化當(dāng)量為3387G/AH。這就是說(shuō)，要使鉛酸蓄電池放出1AH的電量來(lái)，正極必須有4146G二氧化鉛活性物質(zhì)，同時(shí)負(fù)極必須有3387G海綿狀鉛活性物質(zhì)，在足夠量的硫酸存在的情況下才能完成。要使鉛酸蓄電池放出100AH的電量來(lái)，正極必須有4146G二氧化鉛，負(fù)極必須要有3387G海綿狀鉛才能實(shí)現(xiàn)。這就從原理上說(shuō)明了鉛酸蓄電池的電容量為什么會(huì)是由活性物質(zhì)量的多少來(lái)決定的道理。事實(shí)上，鉛酸蓄電池在充電時(shí)會(huì)有氣體析出，因?yàn)樵谄渫瓿烧３浞烹娺^(guò)程的同時(shí)，伴隨著許許多多其他的化學(xué)反應(yīng)電解液中含有尸B、H十、刀口一、S口了一等帶電離子，特別是在充電末期鉛酸蓄電池正、負(fù)極分別還原為尸BQ和尸B時(shí)，部分H與萬(wàn)口會(huì)在充電狀態(tài)下產(chǎn)生從與訣兩種氣體，其方程式如下L3ZHZHO一偽2萬(wàn)2個(gè)Q個(gè)L一1614本課題所要做的工作本系統(tǒng)的面向?qū)ο笫枪まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)中尤其是林場(chǎng)、礦山中的電機(jī)車(chē)所使用的鉛酸蓄電池，一般為48節(jié)串聯(lián)，每節(jié)蓄電池電壓為標(biāo)準(zhǔn)的2V。該蓄電池具有密封、安全、環(huán)保、要求充電質(zhì)量高的特點(diǎn)，若使用適當(dāng)，可以工作1015年時(shí)間。而目前，許多電池在使用過(guò)程中，由于采用了簡(jiǎn)單的充電設(shè)備和落后的充電方法進(jìn)行充電，使電池的質(zhì)量下降，使用壽命縮短。因此設(shè)計(jì)一種新型的充電設(shè)備是十分必要的。根據(jù)課題要求，本論文所作的主要工作包括以下幾個(gè)方面首先是在對(duì)蓄電池充電原理和目前各種充電方法的研究的基礎(chǔ)上，提出了來(lái)用恒壓限流充電和脈沖充電相結(jié)合的充電方法然后是進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括主電路和控制電路的設(shè)計(jì)主電路采用高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，由三相整流電路和全橋移相控制的零電壓PWM變換電路組成控制電路以80C196KB單片機(jī)為核心，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、蓄電池充電方式切換及數(shù)值顯示電路等最后是進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括主程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷服務(wù)程序、去極化子程序等程序的設(shè)計(jì)。新型充電電源和充電方法的研究，不僅可以在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用，而且對(duì)相關(guān)的多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域有著借鑒作用，例如電動(dòng)汽車(chē)所使用的快速充電機(jī)等。2鉛酸蓄電池智能充電的基本原理21鉛酸蓄電池的充電特性通常，對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，都是用曲線來(lái)表達(dá)電池的端電壓、錫電壓、電解液的密度以及電解液的溫度隨時(shí)間的變化，把這樣的一些曲線，稱(chēng)為電池的特性曲線，來(lái)表示電池的各種特性。一般因電池和極板種類(lèi)的不同而略有差異。在充電過(guò)程中，電池端電壓的變化，可表示如下UE乳儀IR2一L式中U充電時(shí)電池的端電壓V叭正極板的超電勢(shì)V儀負(fù)極板的超電勢(shì)VI充電電流AR電池的內(nèi)阻Q。充電時(shí)電池的電壓變化曲線如圖21所示圖21鉛酸電池充電時(shí)電壓變化從圖21可以看出，在充電開(kāi)始時(shí)，由于硫酸鉛轉(zhuǎn)化成為二氧化鉛和鉛，相應(yīng)的有硫酸生成，因而活性物質(zhì)表面硫酸濃度迅速增大。因此，電池端電壓沿著OA而急劇上升。當(dāng)達(dá)到A點(diǎn)后，由于擴(kuò)散使活性物質(zhì)表面及微孔內(nèi)的硫酸濃度不再急劇上升時(shí)，端電壓也就上升的較緩慢ABC部分。這樣，活性物質(zhì)逐漸從硫酸鉛轉(zhuǎn)化成為二氧化鉛和鉛，活性物質(zhì)的孔隙也逐漸擴(kuò)大，孔隙率增加。隨著充電的進(jìn)行，逐漸接近于電化學(xué)反應(yīng)的終點(diǎn)，即充電曲線的C點(diǎn)。當(dāng)極板上所存硫酸鉛不多，通過(guò)硫酸鉛的溶解，提供電化學(xué)氧化和還原所需的離子極度缺乏時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)的極化增加，這時(shí)正極的電極電勢(shì)變得很正，使得氧氣大量析出。負(fù)極的電極電勢(shì)變得很負(fù)，達(dá)到析出氫的電勢(shì)，結(jié)果充電的電池端電壓迅速升高，大量氣體析出，進(jìn)行水的電解過(guò)程，表現(xiàn)為充電曲線的CD段電壓急劇上升。需要指出，盡管在電解液中具有較高的氫離子濃度，以及H2/H的平衡電勢(shì)比PB/PBSO4還正，但由于氫在鉛上具有很高的超電勢(shì)，所以在充電過(guò)程中主要進(jìn)行PB2離子的還原，而不是H離子的還原，只有在充電后期方有氫的析出，如有比氫超電勢(shì)低的雜質(zhì)存在于極板的表面，其結(jié)果是充電終期端電壓低下，充電不完全。22JA馬斯JAMAS三定律1967年美國(guó)人JAMAS研究了充電過(guò)程中析氣的問(wèn)題，找出了析氣的原因和規(guī)律，他以最低析氣率為前提，找出了蓄電池能夠接受的最大充電電流，和可以接受的充電電流曲線。對(duì)蓄電池快速充電的理論也進(jìn)行了探討，并在實(shí)踐的基礎(chǔ)上提出了蓄電池快速充電的一些基本定律。在充電過(guò)程中，用某一速率的電流進(jìn)行充電，蓄電池只能充到某一極限值，當(dāng)達(dá)到這一極限后，繼續(xù)充電時(shí)，只能導(dǎo)致電解水反應(yīng)而產(chǎn)生氣體和溫升，不能提高蓄電池的充電速度。圖22為蓄電池在充電過(guò)程中，只持續(xù)產(chǎn)生微量氣體的充電特性曲線，在充電中任一時(shí)刻T，蓄電池可接受的充電電流I。22式中IO當(dāng)T0時(shí)的最大起始電流I任意時(shí)刻T時(shí)蓄電池可接受的充電電流A衰減率常數(shù)，也稱(chēng)充電接受比。圖22充電電流接受特性曲線圖22是一條自然接受特性曲線，超過(guò)這一接受曲線的任何充電電流，不僅不能提高充電速率，而且會(huì)增加析氣。小于這一接受特性曲線的充電電流，就是蓄電池具有的儲(chǔ)存充電電流，該電流稱(chēng)為蓄電池的充電接受電流。如果遵循接受特性曲線充電，在某一時(shí)刻T，已充電的電量C是從0到T時(shí)曲線下面的面積，可用積分法求得2鉛酸蓄電池智能充電的基本原理2324到最后全部充電電量為C也就是先前放掉的容量。2526因此，充電接受比是起始接受電流I。和尚需充電容量C的比值。JAMAS在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了蓄電池快速充電的三定律。第一定律蓄電池在采用任意放電電流后，其充電接受比和放電放掉的容量的平方根成反比，即27式中K常數(shù)它定量地表明隨放電深度不同，充電接受能力的變化。第二定律對(duì)于任何放電深度，一個(gè)電池的充電接受比A是和放電電流ID的對(duì)數(shù)成正比，即A28它定量地表明隨放電率的不同，充電接受比的變化。第三定律一個(gè)電池，經(jīng)幾種放電率放電，其接受電流是各放電率下接受電流之和I29同時(shí)符合210式中IT總接受電流CT電池放電容量的總和AT總結(jié)果接受率。放電能同時(shí)增加式210中的分子和分母，若放電放得適宜，則分子增加的比分母大，提高接受率。所以電池在充電前或在充電過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)?shù)亟o予放電。這就等于改變放電的深度，即不管被充電電池最初的放電深度如何，可以給它加上新的符合需要的放電深度，以使接受電流接近于充電電流，從而進(jìn)一步打破了指數(shù)曲線的自然接受特性。23極化電壓當(dāng)充電電流超過(guò)蓄電池接受電流值時(shí)，就會(huì)大量地產(chǎn)生氣體。這是由于極化現(xiàn)象嚴(yán)重引起的。極化是一切電化學(xué)反應(yīng)所具有的共同現(xiàn)象。在電池中，極化使其端電壓發(fā)生變化。蓄電池的端電壓為EEN。E為蓄電池的電動(dòng)勢(shì)，EN為極化電壓降，其方向是在充電時(shí)風(fēng)與E同方向，放電時(shí)與E相反。即充電時(shí)的端電壓高于電動(dòng)勢(shì)，放電時(shí)端電壓低于電動(dòng)勢(shì)。極化電壓降由三部分組成，即歐姆極化純電阻電壓降、濃差極化和電化學(xué)極化。1歐姆極化指的是電池內(nèi)部各個(gè)導(dǎo)電部分，包括極板、隔板、電解液和外部連接部分如極柱、連結(jié)條的電阻等所產(chǎn)生的電壓降，此壓降值遵循歐姆定律，當(dāng)充電電流停止后可立即消失。2濃差極化由極板表面附近決定電極電勢(shì)數(shù)值的那種離子濃度的變化所引起。當(dāng)未接通電路時(shí)，電池中電解液的濃度在各處的分布是均勻的。充電開(kāi)始后，由于發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)在正極附近消耗了水，并有硫酸產(chǎn)生，負(fù)極附近也有硫酸產(chǎn)生。兩極極板附近硫酸濃度的升高，造成與其它地方的電解液濃度的差異。而電極的平衡電勢(shì)是根據(jù)H十離子和HSO4離子濃度確定的。由于極板表面附近液層中離子濃度的變化，使得電極電勢(shì)與平衡電勢(shì)間存在著一定的差值，這種電極電勢(shì)的偏移稱(chēng)為濃差極化。隨著充電電流增加，濃差極化現(xiàn)象更加顯著。停止充電后，由于擴(kuò)散作用使各處離子濃度趨于均勻，濃差極化現(xiàn)象消失但由于傳質(zhì)過(guò)程的緩慢，幾而不像歐姆極化那樣立即消失。3電化學(xué)極化溶液中的鉛離子需要得到或失去電子進(jìn)行還原或氧化反應(yīng)。電子傳導(dǎo)的速度接近于光速，它比離子失去或得到電子進(jìn)行氧化還原的電化學(xué)反應(yīng)速度快得多，因此在陰極上將有過(guò)剩電子的積累指與通電流前相比，而在陽(yáng)極上將有電子的減少。陰極上電子的過(guò)剩促使鉛離子以更快的速度獲得電子而還原。同理陽(yáng)極上電子的減少促使鉛離子以更快的速度失去電子而氧化。最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即電子傳導(dǎo)的速度與電化學(xué)反應(yīng)速度相等，這時(shí)電極表面上電荷的數(shù)目不再繼續(xù)改變，但與未通電流之前相比，陰極上積累了電子，陽(yáng)極上減少了電子，于是引起電極電勢(shì)和平衡電勢(shì)的偏離，正極即陽(yáng)極的電勢(shì)更正，負(fù)極即陰極的電勢(shì)更負(fù)。這種由于電化學(xué)反應(yīng)的遲緩性所引起的電極電勢(shì)偏離平衡電勢(shì)，稱(chēng)為電化學(xué)極化，偏離的數(shù)值稱(chēng)為過(guò)電勢(shì)或超電勢(shì)。在切斷電源后，由于電化學(xué)反應(yīng)的遲緩性而產(chǎn)生的平衡電極電勢(shì)的偏移就迅速地下降，在微秒級(jí)內(nèi)就顯著地降低。由于極化產(chǎn)生的過(guò)電勢(shì)，不僅阻礙充電電流，放慢了電化學(xué)反應(yīng)。而且還產(chǎn)生一系列副作用，諸如產(chǎn)生大量氣體，使電解液溫度升高，水分損失，從而增加維護(hù)量，能量無(wú)謂的損耗等等。這些都需要設(shè)法防止和消除。也就是實(shí)行智能充電要解決的問(wèn)題。若有適當(dāng)?shù)姆椒ㄏ龢O化，而不影響蓄電池本身的性能，就可以達(dá)到智能充電的目的24智能充電的基本原理和控制方法241智能充電的基本原理智能充電的特性曲線如圖23中的II線所示。它是通過(guò)改造蓄電池固有的可接受電流的特性曲線圖23中I線，盡可能地延長(zhǎng)其初始最大電流的時(shí)間來(lái)達(dá)到縮短總的充電時(shí)間的目的。圖23中II線超出蓄電池固有的可接受充電電流的特性曲線斜線部分，按照馬斯理論，超出部分的電量將用于產(chǎn)生氣體釋出，使電解液的溫度升高，造成電池極板活性物質(zhì)脫落損壞等一系列副作用，發(fā)生這種現(xiàn)象的原因是伴隨著大電流的充入，電池極化現(xiàn)象嚴(yán)重地阻礙電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，最終導(dǎo)致蓄電池的不可逆反應(yīng)，為了使持續(xù)電流能順利地進(jìn)行充電，就必須適當(dāng)?shù)叵娏饕鸬臉O化現(xiàn)象。消除極化是智能充電的關(guān)鍵技術(shù)所在。圖2一3智能充電的特性曲線242智能充電的幾種控制方法如前所述，智能充電是通過(guò)盡可能地延長(zhǎng)蓄電池所固有的可接受初始電流的持續(xù)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在這段時(shí)間里，所要解決的問(wèn)題是消除極化，而消除極化的主要手段是對(duì)蓄電池實(shí)施放電，放電量一般為窄而深的放電脈沖。目前國(guó)內(nèi)外各種快速充電裝置無(wú)一例外地采取這一手段來(lái)達(dá)到充電快速的目的。但采取的具體策略有按引進(jìn)放電脈沖的時(shí)刻不同分為充電后期引進(jìn)放電脈沖法和充電全過(guò)程引進(jìn)放電脈沖法按引進(jìn)放電脈沖的具體方案不同，又分為固定電阻為負(fù)載實(shí)施放電方式和逆變放電法。L充電后期引進(jìn)放電脈沖法采用這種方法，是在充電前期以恒定的大電流進(jìn)行充電，當(dāng)反饋系統(tǒng)檢測(cè)出蓄電池的端電壓達(dá)到一種“極化點(diǎn)”時(shí)，實(shí)施放電。2充電全過(guò)程引進(jìn)放電脈沖法采用這種方法，是在充電全過(guò)程實(shí)施放電脈沖去極化。整個(gè)充電過(guò)程按照“充電一停充一放電一停充一充電”這一既定的程序周而復(fù)始。權(quán)衡這兩種方法，第二種方法更為合理科學(xué)。這是因?yàn)榈谝?，極化電壓是伴隨大電流的介入而產(chǎn)生。在大電流充電的初期，極化電壓就已嚴(yán)重存在，不及時(shí)予以處理，大電流充電在其初期就難于進(jìn)行。第二，采用第一種方法，反饋系統(tǒng)檢側(cè)出的蓄電池的端電壓包含有整流疊加電壓的成分，該值隨充電電流大小而異，以此作為指令來(lái)控制充電過(guò)程并不能真實(shí)地反映出蓄電池電動(dòng)勢(shì)的增長(zhǎng)狀況。第三，經(jīng)驗(yàn)表明，所謂“極化點(diǎn)”并不是一個(gè)固定的量值，不同容量的蓄電池，以及蓄電池的殘余容量不同，其極化點(diǎn)也不盡相同。3以固定電阻為負(fù)載實(shí)施放電法這種方法的具體電路如圖24所示。充電裝置中設(shè)置一固定電阻R，開(kāi)關(guān)K閉合，蓄電池組E對(duì)負(fù)載R放電。圖24固定電阻放電法圖25逆變放電法所用電路4逆變放電法逆變放電法所用電路如圖25所示。蓄電池組E通過(guò)開(kāi)關(guān)K閉合向交流電網(wǎng)逆變放電。比較上述第3和第4兩種方法，后者更為合理、科學(xué)，這是因?yàn)榈?種方法存在如下弊病放電脈沖量的最佳點(diǎn)無(wú)法確定。放電脈沖既然作為快速放電的極其重要的手段，理所當(dāng)然地存在一個(gè)量的最佳值。放電脈沖的深度和寬度對(duì)消除極化的效果影響甚大，其值太小難以消除極化，而其值太大不但降低充電效率同時(shí)又會(huì)引起新的極化電壓。而電路中的電阻值R一經(jīng)確定，放電深度即隨之確定，很難尋求放電量的最佳值。3總體設(shè)計(jì)方案31系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求311系統(tǒng)的基本功能L可以在系統(tǒng)的控制下快速地完成充電過(guò)程2充電過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并且隨時(shí)顯示電池的充電狀態(tài)3充電系統(tǒng)按照設(shè)定的充電方法給電池充電，并能根據(jù)電池電壓和充電電流自動(dòng)轉(zhuǎn)換充電狀態(tài)，在蓄電池充滿電后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)。312系統(tǒng)的理想技術(shù)指標(biāo)根據(jù)本課題面向的對(duì)象，對(duì)本充電系統(tǒng)的充電電源提出下面的理想技術(shù)指標(biāo)L充電電源輸出直流電壓可在0V180V范圍內(nèi)調(diào)整工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用的電機(jī)車(chē)所用的蓄電池組一般由48節(jié)鉛酸蓄電池構(gòu)成，每節(jié)電池的充電極限狀態(tài)或高阻抗電池的充電飽和電壓均假設(shè)為3V，則48節(jié)電池的極限端電壓為144V。因此充電電源開(kāi)路電壓必須在144V以上。根據(jù)實(shí)際情況，要求充電系統(tǒng)輸出的充電電壓在0V180V范圍內(nèi)調(diào)整。2充電電源輸出直流電流可在060A范圍內(nèi)調(diào)整充電系統(tǒng)工作時(shí)，應(yīng)能夠根據(jù)使用者的需要來(lái)改變充電電流的大小。例如對(duì)一個(gè)5AH的電池組，當(dāng)采用1倍速率充電時(shí)，充電電流應(yīng)為5A當(dāng)采用2倍速率充電時(shí)，充電電流應(yīng)為10A。根據(jù)實(shí)際情況，要求充電系統(tǒng)輸出的充電電流在060A范圍內(nèi)調(diào)整。32智能充電方法的選擇充電方法的選擇是十分重要的，不同的充電方法，其充電速度的差別可能很大，導(dǎo)致充電效果的差距也會(huì)很大。系統(tǒng)所要求的充電方法，一方面要求能夠最大程度地加快蓄電池的化學(xué)反應(yīng)速度，縮短蓄電池達(dá)到滿充狀態(tài)的時(shí)間，使充電速度得到最大的提高另一方面，又要保證蓄電池負(fù)極的吸收能力，使負(fù)極能夠跟得上正極氧氣產(chǎn)生的速度，以避免電池的極化現(xiàn)象。根據(jù)上面的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際的對(duì)象，在分析了傳統(tǒng)的充電方法和幾種快速充電方法的基礎(chǔ)上，本充電系統(tǒng)采用恒壓限流充電和脈沖充電相結(jié)合的充電方法，將充電過(guò)程分成幾個(gè)子充電過(guò)程，充電電流總體上呈逐級(jí)遞減的趨勢(shì)并保持恒定電壓，而每個(gè)子充電過(guò)程按“正脈沖充電一停充一負(fù)脈沖放電一停充一再正脈沖充電”這種循環(huán)過(guò)程進(jìn)行，直至電池的容量達(dá)到額定容量的80以上。之后轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)，使電池電量完全恢復(fù)，即達(dá)到額定容量。恒壓限流充電和脈沖充電相結(jié)合的充電方法結(jié)合了這兩種充電方法的優(yōu)點(diǎn)，使充電曲線在總體上逼近馬斯提出的蓄電池可接受充電電流曲線，同時(shí)通過(guò)有規(guī)律的間歇停充來(lái)消除電池在充電過(guò)程中所產(chǎn)生的極化現(xiàn)象。并且在整個(gè)充電時(shí)期內(nèi)，始終適時(shí)地采取了去極化措施，避免了蓄電池在充電過(guò)程中產(chǎn)生大量氣體和溫升過(guò)高的問(wèn)題，從而達(dá)到大大縮短充電時(shí)間和提高充電效率的目的，因而能夠比一般的充電方法更快地進(jìn)行充電。33系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖本充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖31所示，它包括提供充電的電源和作為管理中心的控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，充電電源采用開(kāi)關(guān)電源。通常把采用“交流一直流一交流一直流”這種電路的裝置稱(chēng)為開(kāi)關(guān)電源。從輸入輸出關(guān)系來(lái)看，開(kāi)關(guān)電源是一種“交流一直流”的變流裝置，然而由于開(kāi)關(guān)電源采用了工作頻率較高的交流環(huán)節(jié)，變壓器和濾波器都大大減小，因此同樣功率條件下其體積和重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的相控電源。除此之外，工作頻率的提高還有利于控制性能的提高。系統(tǒng)的主回路由充電電路、放電電路及控制電路組成，其中充電電路采用整流橋式電路。圖31系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖控制電路部分實(shí)際上是一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，包括對(duì)電池溫度、蓄電池端電壓、充電電流等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，對(duì)收集信息的分析和計(jì)算處理，對(duì)充電機(jī)工作參數(shù)的設(shè)置和顯示等。其控制過(guò)程主要是通過(guò)采集蓄電池的相關(guān)參數(shù)，送入80C196KB單片機(jī)進(jìn)行預(yù)定的分析和計(jì)算，得出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)，從而控制輸出電壓、電流，完成對(duì)蓄電池的智能充電。其中控制電路的核心采用80C196KB單片機(jī)芯片，具有高度的集成度。34充放電方法的控制與實(shí)現(xiàn)在充電方法的實(shí)現(xiàn)上，我們?cè)O(shè)計(jì)了以80C196KB單片機(jī)控制為主的控制方法，將采集到的電池溫度、電池端電壓、充電電流等狀態(tài)信息，送入CPU后要進(jìn)行必要的處理和判斷，以此來(lái)改變充電方式，實(shí)現(xiàn)智能充電。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作、維修方便、成本低。在放電方法的實(shí)現(xiàn)上，采用大功率IGBT管進(jìn)行PWM控制，以控制放電電流大小，保持其高穩(wěn)定性。4系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)41開(kāi)關(guān)電源原理充電電源采用開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源一般由功率變換主回路和控制回路兩部分組成。主回路有多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制回路是實(shí)現(xiàn)電源各種性能要求的核心，其控制機(jī)理有調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)寬、諧振等。高頻開(kāi)關(guān)電源的原理框圖如圖41所示。圖41高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖從圖41中可以看到，高頻開(kāi)關(guān)電源主要由交流電網(wǎng)濾波電路、輸入整流濾波電路、高頻變換器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路等幾部分組成。其基本原理是交流輸入電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波、整流濾波得到一定的直流電壓，再通過(guò)高頻變換器將直流電壓變換成高頻交流電壓，最后經(jīng)過(guò)輸出整流濾波電路，將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的高質(zhì)量、高品質(zhì)的直流電壓。42充電系統(tǒng)的主電路原理與設(shè)計(jì)421全橋變換電