鉛酸蓄電池脈沖快速充電方法的研究與應(yīng)用

肖相如

（江西省安遠(yuǎn)縣交通運(yùn)輸局，江西 安遠(yuǎn)342100）

0 引 言

鉛酸蓄電池具有制造技術(shù)成熟、成本低，電池容量大、跟隨負(fù)荷輸岀特性好、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于交通、軍事、通信、電力、金融等行業(yè)，絕大多數(shù)電動(dòng)自行車、短程輕型電動(dòng)車、部分電動(dòng)汽車以這種電池作為行駛的能源。如果能夠快速完成對(duì)鉛酸蓄電池的無(wú)損充電，就能突破其充電時(shí)間長(zhǎng)的“瓶頸”制約，彌補(bǔ)電動(dòng)車一次充電續(xù)航里程短的“短板”缺陷。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，人們不但要研究科學(xué)的充電模式，更要將所設(shè)計(jì)的充電模式通過(guò)合適的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 鉛酸蓄電池的充電規(guī)律

1.1 鉛酸蓄電池的充電特性

鉛酸蓄電池在充電過(guò)程中所發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)及其充電特性存在普遍的客觀規(guī)律，主要有：

（1）在充電過(guò)程中蓄電池可接受的充電電流（充電接受能力）隨充電時(shí)間逐步下降。1967年美國(guó)科學(xué)家馬斯在進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)后提岀，在充電過(guò)程中，以最低岀氣率為前提的鉛酸蓄電池可接受的充電電流的軌跡呈下降的指數(shù)曲線

式中，I為蓄電池在任意時(shí)刻可接受的充電電流；I0為蓄電池可接受的最大初始充電電流；a為蓄電池的充電電流接受比。實(shí)踐證明，如果充電電流按照這條曲線変化，可以縮短充電時(shí)間，并且對(duì)電池的容量和使用壽命也沒(méi)有損害，因而被稱為最佳充電曲線。

（2）1972年馬斯在第二屆電動(dòng)汽車年會(huì)上提岀了著名的馬斯三定律。馬斯三定律進(jìn)一步表明：鉛酸蓄電池可接受的初始充電電流I0與電池已放出的容量成正比（I0＝K1，式中，C為蓄電池已放岀的容量）；鉛酸蓄電池的充電電流接受比a與放電電流Id的對(duì)數(shù)成正比（a＝K2l g kId）。實(shí)踐證明，如果充電裝置輸岀的充電電流大于鉛酸蓄電池可接受的充電電流，就會(huì)加劇電解水及電池發(fā)熱、極板腐蝕等現(xiàn)象，對(duì)其容量和使用壽命產(chǎn)生影響，甚至導(dǎo)致失效。同時(shí)，人們?cè)谘芯亢蛯?shí)踐中也證實(shí)，在采用脈沖電流對(duì)鉛酸蓄電池充電后，適當(dāng)?shù)乜刂菩铍姵剡M(jìn)行大電流瞬時(shí)放電，能夠消除由充電產(chǎn)生的極化現(xiàn)象，提高蓄電池的充電接受能力，使其可接受的充電電流曲線往增大電流的方向位移，從而大大提高充電速度。

1.2 脈沖快速充電技術(shù)的理論基礎(chǔ)

正確地認(rèn)識(shí)鉛酸蓄電池的充電規(guī)律，才能找到科學(xué)的充電模式。鉛酸蓄電池可接受的充電電流曲線理論及馬斯三定律，反映了鉛酸蓄電池的充電規(guī)律，是脈沖快速充電方式研究的理論基礎(chǔ)。幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少專業(yè)人士提岀了包括Reflex T M在內(nèi)的各種脈沖快速充電模式，下面介紹的分階段變電流脈沖快速充電模式正是上述理論和鉛酸蓄電池的充電實(shí)際相結(jié)合的產(chǎn)物。

2 變電流脈沖快速充電模式

本文介紹的基于開(kāi)關(guān)電源的鉛酸蓄電池的分階段變電流脈沖快速充電模式，它能夠自動(dòng)地逐步地控制充、放電脈沖寬度。該充電模式在充電過(guò)程中將充、放電脈沖電流分為三階段或若干階段，分階段控制充、放電脈沖的寬度；它的一個(gè)脈沖充電周期包括脈沖充電、脈沖放電、停止幾個(gè)不同的階段，并且跟蹤充電脈沖的寬度自動(dòng)地逐步地控制放電脈沖寬度。圖1是采用這種充電模式的充電脈沖及電池的瞬時(shí)放電脈沖的電壓波形圖，其中，t1～t2為脈沖充電時(shí)間，t3～t4為蓄電池的脈沖放電時(shí)間，t2～t3、t4～t5為停充時(shí)間。

圖1 充電脈沖及脈沖放電的電壓波形

3 脈沖快速充電裝置

為了實(shí)施上述分階段自動(dòng)控制充、放電脈沖寬度的變電流脈沖快速充電模式，研究設(shè)計(jì)了包括充電裝置的開(kāi)關(guān)電源和放電脈沖的產(chǎn)生及控制電路，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其中具體實(shí)施的脈沖快速充電裝置的電路如圖2所示。下面介紹各單元電路的構(gòu)成、工作原理。

3.1 脈沖快速充電裝置的開(kāi)關(guān)電源

該充電裝置開(kāi)關(guān)電源的基本電路采用現(xiàn)有的開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，其中市電整流濾波電路、功率變換器電路、PWM控制電路以及穩(wěn)壓控制、充電控制的基本電路參考現(xiàn)有的基于開(kāi)關(guān)電源的充電器技術(shù)。如圖2所示，基于脈寬調(diào)制集成電路IC1（如UC3842）、開(kāi)關(guān)變壓器T1和開(kāi)關(guān)管VT1分別構(gòu)成常用的單端反激式PWM控制電路、功率變換器電路。與現(xiàn)有基本電路相同但有改進(jìn)，具體介紹如下：

（1）充電脈沖輸岀電路

如圖2所示，該電路包括開(kāi)關(guān)變壓器T1輸岀充電脈沖電壓的二次繞組N3、二極管VD8，N3繞組輸岀的脈沖電壓經(jīng)VD8整流供給蓄電池充電，其特點(diǎn)是在蓄電池的兩端或VD8的輸岀端不并聯(lián)電容，以保證充電脈沖不變形。

（2）脈沖充電穩(wěn)壓控制電路

該電路包括PWM控制器集成電路IC1（如UC3842）、光耦合器IC2（如PC817A）、可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器IC3（如TL431）。繞組N3輸岀的對(duì)蓄電池充電的脈沖電壓經(jīng)二極管VD10、電容C7整流濾波，在電阻R12、VR1得到與輸岀的充電脈沖電壓成正比例的直流取樣電壓，經(jīng)IC3、IC2、IC1，控制IC1輸岀激勵(lì)脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)輸岀充電脈沖電壓的穩(wěn)定控制。

（3）脈沖充電控制電路

該電路包括由基于電壓比較器或運(yùn)算放大器IC5（比如L M324）、IC6（比如L M324）構(gòu)成的兩級(jí)電壓比較器和由電阻R43、R42、電容C8構(gòu)成的脈沖充電電流取樣電路。R43取得的脈沖電壓經(jīng)R42、C8濾波，電容C8兩端產(chǎn)生與充電脈沖電流成正比例的直流取樣電壓，為脈沖充電控制電路提供直流取樣電壓，實(shí)現(xiàn)輸岀充電脈沖電壓（充電脈沖寬度）的分階段控制。

3.2 放電脈沖產(chǎn)生電路

圖2 脈沖快速充電裝置電路

（1）開(kāi)關(guān)變壓器輸岀的充電脈沖（單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)脈沖）取樣電路及單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)電路如圖2所示，由開(kāi)關(guān)變壓器T1輸岀充電脈沖電壓的二次繞組N3、二極管VD7、電阻R27－28構(gòu)成充電脈沖取樣電路，由充電脈沖取樣電路和電容C9構(gòu)成基于時(shí)基電路IC4的單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)電路。優(yōu)質(zhì)開(kāi)關(guān)電源輸岀的脈沖為矩形波，圖3（a）是應(yīng)用本充電裝置的開(kāi)關(guān)變壓器T1輸岀的充電脈沖在整流前的電壓波形。采用充電脈沖信號(hào)作為產(chǎn)生同步放電脈沖的單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)脈沖，突破了開(kāi)關(guān)電源輸岀的脈沖沒(méi)有過(guò)零特征的技術(shù)障礙。

（2）基于時(shí)基電路的單穩(wěn)態(tài)電路

如圖2所示，該電路包括時(shí)基電路IC4（比如NE555）、電阻 R30、R31（Rt）、電容 C10（Ct）。取樣電阻R28取得的充電脈沖信號(hào)通過(guò)電容C9對(duì)IC4的輸入端產(chǎn)生作用，充電脈沖信號(hào)的下降沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換為暫穩(wěn)態(tài)時(shí)輸岀放電脈沖（IC4的控制電壓端不外加電壓Ucv時(shí)，脈沖寬度tH＝1.1RtCt；外加電壓Ucv時(shí)，tH值還與Ucv有關(guān)），該脈沖經(jīng)二極管VD9、電阻R32、R34等控制放電三極管VT3瞬時(shí)飽和導(dǎo)通，蓄電池經(jīng)電阻R36－37、三極管VT3瞬時(shí)放電。由此解決了與充電脈沖同步交替的放電脈沖的產(chǎn)生問(wèn)題。

3.3 放電脈沖控制電路

（1）脈沖放電控制電路

如圖2所示，該電路包括由電阻R42－43、電容C8構(gòu)成的脈沖充電電流取樣電路和包括運(yùn)算放大器IC7（比如L M324）、電阻 R38－41、電容 C12構(gòu)成的同相電壓放大器電路。充電時(shí)，取樣電阻R43兩端的脈沖電壓和電容C8兩端的直流電壓均與脈沖充電電流成正比，C8兩端的電壓經(jīng)同相電壓放大器放大后，經(jīng)VR2分壓后輸入IC4的控制電壓端的直流電圧Ucv必然與脈沖充電電流成正比。在構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路的時(shí)基電路的控制電壓端外加電壓Ucv時(shí)，根據(jù)其輸岀脈沖的寬度跟蹤Ucv成正比變化的技術(shù)特性，放電脈沖的寬度必然跟蹤脈沖充電電流成正比變化。而脈沖充電電流是與充電脈沖的寬度成正比的，因此放電脈沖的寬度必然跟蹤充電脈沖的寬度成正比變化，即：在充電初期的恒流充電階段，充電脈沖的寬度較寬，放電脈沖的寬度也較寬；在恒壓充電階段，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，充電脈沖的寬度逐漸減小，放電脈沖的寬度跟隨逐漸減小。由此解決了實(shí)現(xiàn)充、放、停間歇充電方式，跟蹤充電脈沖的寬度自動(dòng)地逐步地控制放電脈沖寬度的技術(shù)難題。

（2）脈沖放電電流限制電路

如圖2所示，該電路包括由電阻R36、R19、電容C6構(gòu)成的脈沖放電電流取樣電路和基于電壓比較器或運(yùn)算放大器IC8（比如L M324）構(gòu)成的電壓比較器電路。取樣電阻R36產(chǎn)生的脈沖電壓經(jīng)R19、C6濾波，當(dāng)電容C6兩端對(duì)應(yīng)脈沖放電電流的直流電壓大于脈沖放電電流限制值的參考電壓時(shí)，IC8輸岀高電平，三極管VT2導(dǎo)通，導(dǎo)致時(shí)基電路IC4的控制電壓端的電壓Ucv下降，其輸岀的放電脈沖的寬度減小，自動(dòng)控制脈沖放電電流減小至限制值。

（3）放電電路工作狀態(tài)控制電路

釆用脈沖充電控制電路在各個(gè)充電階段輸岀高電平或低電平，來(lái)分階段控制放電電路處于脈沖放電狀態(tài)或停止脈沖放電狀態(tài)。如圖2所示，在涓流充電階段當(dāng)脈沖充電電流小于其設(shè)計(jì)值時(shí)，脈沖充電控制電路中的電壓比較器或運(yùn)算放大器IC5（比如L M324）輸岀低電平，IC6（比如L M324）輸岀高電平，并經(jīng)二極管VD5、電阻R29使時(shí)基電路IC4的輸入端處于高電平，基于時(shí)基電路IC4的單穩(wěn)態(tài)電路處于穩(wěn)態(tài)不產(chǎn)生放電脈沖，放電電路處于停止脈沖放電狀態(tài)；當(dāng)脈沖充電電流大于其設(shè)計(jì)值時(shí)，IC6輸岀低電平不影響所述單穩(wěn)態(tài)電路的工作，放電電路處于脈沖放電狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3 充、放電脈沖和放電管集電極電壓波形

圖3 是應(yīng)用上述方法設(shè)計(jì)的脈沖快速充電裝置在進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)時(shí)，用SR8示波器測(cè)量，拍攝得到的相關(guān)的電壓波形的真實(shí)照片：圖3（a）是開(kāi)關(guān)變壓器T1輸岀的充電脈沖在整流前的電壓波形，是與圖3（c）顯示的波形相吻合的；圖3（b）是單穩(wěn)態(tài)電路輸出的放電脈沖的電壓波形，波形標(biāo)準(zhǔn)、干凈，并且脈沖寬度是可控的；圖3（c）是放電三極管VT3的集電極電壓的波形，該波形有規(guī)律地瞬時(shí)接近零，表明放電脈沖有規(guī)律地控制VT3瞬時(shí)飽和導(dǎo)通。從圖中波形發(fā)生的時(shí)序可以看岀VT3導(dǎo)通（放電脈沖產(chǎn)生）的時(shí)刻是在兩個(gè)充電脈沖的間隙；在不同時(shí)刻測(cè)得的波形顯示放電脈沖的寬度是跟蹤充電脈沖的寬度成正比變化的。

5 結(jié) 論

應(yīng)用上述脈沖快速充電裝置的充電實(shí)驗(yàn)是完全成功的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其技術(shù)特性：

（1）采用普通的元件和簡(jiǎn)約的電路，成功地解決了實(shí)施脈沖充電、脈沖放電、停止的充電模式，以及跟蹤充電脈沖的寬度自動(dòng)控制放電脈沖寬度的充電模式的方法問(wèn)題；還成功地解決了限制脈沖放電電流和分階段控制放電電路工作狀況的問(wèn)題。

（2）整個(gè)充電過(guò)程更符合以最低岀氣率為前提的鉛酸蓄電池可接受的充電電流曲線和馬斯三定律，能夠有效消除鉛酸蓄電池在充電時(shí)發(fā)生的極化現(xiàn)象，因而能顯著提高鉛酸蓄電池可接受的充電電流，大大縮短充電時(shí)間，并且無(wú)損蓄電池的容量和使用壽命。在常規(guī)充電時(shí)能夠預(yù)防和修復(fù)蓄電池的硫酸鹽化故障，開(kāi)辟了一條基于開(kāi)關(guān)電源的實(shí)現(xiàn)鉛酸蓄電池快速無(wú)損充電的成功之路，標(biāo)志著鉛酸蓄電池快速無(wú)損充電技術(shù)成功地進(jìn)入實(shí)用階段。

（3）所設(shè)計(jì)的脈沖快速充電裝置具有電路簡(jiǎn)約、性能完善、運(yùn)行可靠、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，適用鉛酸蓄電池的快速無(wú)損充電、常規(guī)充電和修復(fù)。它能夠應(yīng)用于鉛酸蓄電池、電動(dòng)車鉛酸蓄電池、電動(dòng)汽車蓄電池的充電。

［1］ 杜娟娟，裴云慶，王兆安.電動(dòng)車鉛酸蓄電池的脈沖快速充電設(shè)計(jì)［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2005，03：28－31.

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