電容降壓脈沖式電動自行車快速充電器設計研究

鄭強勝

摘要：電動自行車以靈活方便，經濟實用的特點成為現代普通家庭的主要代步工具。但其續行能力差，電池易被充壞，充電慢的缺點為人們所詬病。該文介紹了一種基于電容降壓，以PIC系列單片機為控制核心的放電式脈沖快速充電的方式。該方式不但充電速度快，普通家用電動自行車最多在2 h內充滿，充電過程不會損傷電池，而且有修復電池的功能。

關鍵詞：快速充電器 電容放電式脈沖 PIC單片機

中圖分類號：TH12 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0020-02

Electric bicycle charger design of capacitor step-down pulse

ZHENG Qiangsheng

（Jiaxing City Construction Industry School）

Abstract：Electric bicycle with flexible and convenient，economical and practical features to become the main means of modern common household tools.But its continuation is poor，easily charge a bad battery，charging the shortcomings of slow attracted much criticism.This paper introduces a capacitor step-down，To PIC MCU to control the core of the fast charge mode. This method is not only fast charging，ordinary household electric bicycle filled up within 2 hours，the charging process will not damage the battery，and the function of the battery of a fix.

Key words：quick charger Capacitor discharge pulse PIC microcontroller

雖然蓄電池問世至今也有100多年的歷史，但是由于技術條件的限制，其充電一度主要采用恒壓、恒壓限流、恒流等模式，這些充電方法未能遵從電池內部的物理化學規律，大多存在著嚴重的過充電和析氣等現象。現行的各種充電方法中，由于種種原因，其充電電流未能依據蓄電池的狀態變化動態地跟蹤可接受的充電電流曲線，因此充電質量和效果并不理想。由于充電效率低，在充電過程中將會造成大量的氣體析出，析氣使正極板腐蝕，導致蓄電池損壞，嚴重地影響蓄電池的使用壽命。對于蓄電池使用者來說，蓄電池的管理維護固然重要，但高效、無傷害的充電裝置更是對提高蓄電池的使用效率、延長其使用壽命起著非常關鍵的作用。本文研究的就是既能提高能量利用效率，加快充電速度，又不影響鉛酸蓄電池使用壽命的新型高效、快速、無損的充電技術。

1 快速充電理論分析

1.1 快速充電電流要求

1967年美國J.A.Mass在研究蓄電池能夠接受的最大充電電流時，找出了蓄電池快速充電過程中析氣的原因和規律，并在實踐的基礎上提出了蓄電池快速充電的一些基本規律。在充電過程中，用某一速率電流進行充電，蓄電池電壓只能充到某極限值，當達到這一極限后，繼續充電時，只能導致電解水反應而產生氣體和溫升，不能提高蓄電池的充電速度。圖1是蓄電池在充電過程中，只持續產生微量氣體時充電特性曲線，曲線上蓄電池可接受的充電電流，式中Io為t=0時的最大起始電流；a為衰減率常數，也稱充電接受比[1]。

1.2 電容放電脈沖快速充電介紹

從圖1的蓄電池充電曲線可知：要電池快速充電，必須有大電流，但大電流不能持續太久，否則將進入電池的出氣區，超出電池的接收能力，繼續充電將損傷電池。這一研究表明：充電電流初期可以很大，但接下來必須要不斷的減小。另據研究，電池的極化，鉛酸蓄電池以一定電流充電時，普遍存在三種極化：歐姆極化由電池各連接部分的電阻造成，當充電電流很大時會產生較大的歐姆壓降；濃差極化是由于溶液中離子擴散過程的遲緩性，造成在一定電流下電極表面與溶液本體濃度差而產生極化，它隨充電進行而迅速增大；電化學極化由電極表面電化學反應的遲緩性造成，其產生的壓降較小。這三種極化共同作用使電池內部壓力加大，溫度上升，外部表現為內阻上升，造成電池充電接受能力的下降[2]。由此可見，只有消除以上三種極化，才能實現快速充電。我們研究的電容放電式脈沖可很好削除三種極化。所謂電容放電式脈沖充電就是先利用電網對電容充電，然后再將電容內的能量直接灌進電池內，這個充電電流符合圖1蓄電池充電曲線的要求，圖2為電容的放電曲線與圖1相擬。

3 快速充電電路組成及原理

電容放電脈沖充電的電路由EMI抗干擾電路，整流電路，過零檢測電路，控制電路，電容儲能電路，充放電電路，電池電壓采集電路，保護電路等組成。它的結構如圖3所示。

交流電網電壓經過全波整流電路整流后為脈動直流電（圖4），再經過零檢測電路檢測到過零點后，由MCU控制電路發出命令接通K1（如圖5）對電容進行充電，到達預設電壓后，關斷K1，接通K2，開通放電電路對電池放電，對蓄電池而言一個充電脈沖完成。原理和過程如下。

3.1 對電容充電過程分析

正弦交流電的電壓解析式為：，

一般情況下：為310V，頻率為50Hz，初相為0。可得電壓解析式為：

整流后計算式為：此式可知頻率為100Hz，周期0.01s。即為10ms。當t=0時，u為0伏，當t為5 ms是達到最大，即為：=310 V。電容兩端的電壓可從0伏變化到310伏。

3.2 對電容放電過程分析

由上面分析可知電容兩端的電壓可從0伏變化到310 V，但是一般電動自行車的蓄電池多數為36 V，48 V，64 V等。所以電網對電容充電的電壓最多比被充蓄電池高出15 V到30 V（電容容量為470uF，放電時間極短，高出20 V左右對電池無損傷，極短的電流脈沖，反而對蓄電池有修復作用）。經過我們近三年的實驗，拿64 V蓄電池為例，電網對電容充電的到90 V為宜。

即：u=90=由查表可得t=1ms。

即：從過零點起（如圖4），K1接通（如圖5），電網對電容充電，約1 ms后，關閉K1，電容兩端的電壓約為90 V。5 ms后接通K2，電容對蓄電池放電，在一個周期內，完成了電容的充電放電過程，蓄電池的充電過程。此過程用pic16f716單片機控制，采用16 M石英晶振可精卻控制。

由此可見，此種充電方法為脈沖頻率可調，其最高頻率也就只是100 HZ，屬慢脈沖充電，脈沖與脈沖之間有足夠的時間（多達3～5 ms）來消除三種極化，有利于快速充電。而慢脈沖快速充電方法是一項簡便易行，經濟實用的快速充電技術，從本質上真正消除或大大地降低了大電流快速充電過程中電池極化現象，尤其是濃差極化。能夠有效地消除大電流充電下電池的極化，使得電池快速充電效率大大提高，電池溫升不高，析氣率低，充電量足[3] 。頻率可調則可以實現分價段控制，如前期可以用較高頻率充電，而后期可用較低頻率充電，頻率高則充電脈沖多，電流大。頻率低則充電脈沖少，電流小。符合馬斯定律充電電流接收曲線。

4 電路軟件設計

本快速充電電路的軟件設計就只介紹主要流程，包括時間中斷控制程序，過零檢測子程序，充電和放電控制子程序，數據采集子程序，充電末處理子程序，電路保護處理子程序等。這里須注意的是：K1，K2關斷和接通處理程序。讓K1關斷命令程序執行后，一定要經過檢測經確認后才能執行接通K2的程序。如果K1、K2同時接通，可能造成短路。損傷電池，引發事故。

5 結語

該文是介紹的是一種全新的快速充電路的模式，是利用市電對電容充電到一定的電壓后再往電池里灌電流的方法，形成一種符合馬斯定律充電曲線的充電方法，這種方式不損傷電池，且對電池有一定的修復作用，作者在實際應用中已證明了這一點。電路中應用了PIC16F716單片機，這種芯片可靠性高，價格便宜，功能全，是理想的控制器，足以保證充電器的穩定性。充電的頻率可以控制，可以實現理想的分階段充電，如前期可以相對較高頻率充電，后期可以非常低的頻率充電，以保證充電的效果。本充電方法充電頻率是一種慢脈沖，而慢脈沖充電是一種較好的消除極化的充電方式。總之，我相信電容放電式脈沖充電法有如此多的優點，在不久的將來它會得到更廣泛的應用。

參考文獻

[1] 朱松然.鉛蓄電池技術[M].Beijing Mechanism Industry Press（機械工業出社），2002.

[2] 龔竹青.理論電化學導論[M].1版.湖南：中南工業大學出版社，1988.

[3] 王堅，秦大為，季寶華，等.慢脈沖快速充電方法的研究[J].電池工業，2002（7）：164.

3.2 對電容放電過程分析

由上面分析可知電容兩端的電壓可從0伏變化到310 V，但是一般電動自行車的蓄電池多數為36 V，48 V，64 V等。所以電網對電容充電的電壓最多比被充蓄電池高出15 V到30 V（電容容量為470uF，放電時間極短，高出20 V左右對電池無損傷，極短的電流脈沖，反而對蓄電池有修復作用）。經過我們近三年的實驗，拿64 V蓄電池為例，電網對電容充電的到90 V為宜。

即：u=90=由查表可得t=1ms。

即：從過零點起（如圖4），K1接通（如圖5），電網對電容充電，約1 ms后，關閉K1，電容兩端的電壓約為90 V。5 ms后接通K2，電容對蓄電池放電，在一個周期內，完成了電容的充電放電過程，蓄電池的充電過程。此過程用pic16f716單片機控制，采用16 M石英晶振可精卻控制。

由此可見，此種充電方法為脈沖頻率可調，其最高頻率也就只是100 HZ，屬慢脈沖充電，脈沖與脈沖之間有足夠的時間（多達3～5 ms）來消除三種極化，有利于快速充電。而慢脈沖快速充電方法是一項簡便易行，經濟實用的快速充電技術，從本質上真正消除或大大地降低了大電流快速充電過程中電池極化現象，尤其是濃差極化。能夠有效地消除大電流充電下電池的極化，使得電池快速充電效率大大提高，電池溫升不高，析氣率低，充電量足[3] 。頻率可調則可以實現分價段控制，如前期可以用較高頻率充電，而后期可用較低頻率充電，頻率高則充電脈沖多，電流大。頻率低則充電脈沖少，電流小。符合馬斯定律充電電流接收曲線。

4 電路軟件設計

本快速充電電路的軟件設計就只介紹主要流程，包括時間中斷控制程序，過零檢測子程序，充電和放電控制子程序，數據采集子程序，充電末處理子程序，電路保護處理子程序等。這里須注意的是：K1，K2關斷和接通處理程序。讓K1關斷命令程序執行后，一定要經過檢測經確認后才能執行接通K2的程序。如果K1、K2同時接通，可能造成短路。損傷電池，引發事故。

5 結語

該文是介紹的是一種全新的快速充電路的模式，是利用市電對電容充電到一定的電壓后再往電池里灌電流的方法，形成一種符合馬斯定律充電曲線的充電方法，這種方式不損傷電池，且對電池有一定的修復作用，作者在實際應用中已證明了這一點。電路中應用了PIC16F716單片機，這種芯片可靠性高，價格便宜，功能全，是理想的控制器，足以保證充電器的穩定性。充電的頻率可以控制，可以實現理想的分階段充電，如前期可以相對較高頻率充電，后期可以非常低的頻率充電，以保證充電的效果。本充電方法充電頻率是一種慢脈沖，而慢脈沖充電是一種較好的消除極化的充電方式。總之，我相信電容放電式脈沖充電法有如此多的優點，在不久的將來它會得到更廣泛的應用。

參考文獻

[1] 朱松然.鉛蓄電池技術[M].Beijing Mechanism Industry Press（機械工業出社），2002.

[2] 龔竹青.理論電化學導論[M].1版.湖南：中南工業大學出版社，1988.

[3] 王堅，秦大為，季寶華，等.慢脈沖快速充電方法的研究[J].電池工業，2002（7）：164.

3.2 對電容放電過程分析

由上面分析可知電容兩端的電壓可從0伏變化到310 V，但是一般電動自行車的蓄電池多數為36 V，48 V，64 V等。所以電網對電容充電的電壓最多比被充蓄電池高出15 V到30 V（電容容量為470uF，放電時間極短，高出20 V左右對電池無損傷，極短的電流脈沖，反而對蓄電池有修復作用）。經過我們近三年的實驗，拿64 V蓄電池為例，電網對電容充電的到90 V為宜。

即：u=90=由查表可得t=1ms。

即：從過零點起（如圖4），K1接通（如圖5），電網對電容充電，約1 ms后，關閉K1，電容兩端的電壓約為90 V。5 ms后接通K2，電容對蓄電池放電，在一個周期內，完成了電容的充電放電過程，蓄電池的充電過程。此過程用pic16f716單片機控制，采用16 M石英晶振可精卻控制。

由此可見，此種充電方法為脈沖頻率可調，其最高頻率也就只是100 HZ，屬慢脈沖充電，脈沖與脈沖之間有足夠的時間（多達3～5 ms）來消除三種極化，有利于快速充電。而慢脈沖快速充電方法是一項簡便易行，經濟實用的快速充電技術，從本質上真正消除或大大地降低了大電流快速充電過程中電池極化現象，尤其是濃差極化。能夠有效地消除大電流充電下電池的極化，使得電池快速充電效率大大提高，電池溫升不高，析氣率低，充電量足[3] 。頻率可調則可以實現分價段控制，如前期可以用較高頻率充電，而后期可用較低頻率充電，頻率高則充電脈沖多，電流大。頻率低則充電脈沖少，電流小。符合馬斯定律充電電流接收曲線。

4 電路軟件設計

本快速充電電路的軟件設計就只介紹主要流程，包括時間中斷控制程序，過零檢測子程序，充電和放電控制子程序，數據采集子程序，充電末處理子程序，電路保護處理子程序等。這里須注意的是：K1，K2關斷和接通處理程序。讓K1關斷命令程序執行后，一定要經過檢測經確認后才能執行接通K2的程序。如果K1、K2同時接通，可能造成短路。損傷電池，引發事故。

5 結語

該文是介紹的是一種全新的快速充電路的模式，是利用市電對電容充電到一定的電壓后再往電池里灌電流的方法，形成一種符合馬斯定律充電曲線的充電方法，這種方式不損傷電池，且對電池有一定的修復作用，作者在實際應用中已證明了這一點。電路中應用了PIC16F716單片機，這種芯片可靠性高，價格便宜，功能全，是理想的控制器，足以保證充電器的穩定性。充電的頻率可以控制，可以實現理想的分階段充電，如前期可以相對較高頻率充電，后期可以非常低的頻率充電，以保證充電的效果。本充電方法充電頻率是一種慢脈沖，而慢脈沖充電是一種較好的消除極化的充電方式。總之，我相信電容放電式脈沖充電法有如此多的優點，在不久的將來它會得到更廣泛的應用。

參考文獻

[1] 朱松然.鉛蓄電池技術[M].Beijing Mechanism Industry Press（機械工業出社），2002.

[2] 龔竹青.理論電化學導論[M].1版.湖南：中南工業大學出版社，1988.

[3] 王堅，秦大為，季寶華，等.慢脈沖快速充電方法的研究[J].電池工業，2002（7）：164.