農業機器人快速充電系統

孫莉莉　雷永鋒　李自成

摘要：針對農業機器人充電系統的發展現狀，找到影響充電速度的原因——電極極化。以最佳充電曲線和馬斯三定律為理論依據，提出以正負脈沖間歇充放電為主的三段式快速充電方案。通過對大量試驗數據的分析，確定各個充電階段的相關參數。同時設計充電系統的硬件電路，編寫充電控制程序。結果表明，三段式充電有效消除了蓄電池的極化，大幅度提高了充電接受率，大大縮短充電時間，真正做到快速、高效、安全地充電。

關鍵詞：農業機器人；快速充電；電池極化；間歇充放電

中圖分類號： TM912.1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0435-04

中國作為一個農業大國，農業生產的規模化和精準化是現代化農業的重要標志。農業機器人在改善農民勞動環境、降低農民勞動強度和提高勞動效率等方面具有重要意義，尤其在育苗、采摘、灌溉、收獲等方面得到了一定程度的應用 [1～2]。因此，國家已把農業機器人技術及其應用列為農業工程領域的重點研發對象之一。但農業機器人技術在推廣過程中受到了時間和空間的限制，主要原因在于機器人動力源問題。因此，作為機器人動力源的蓄電池以及能量補給的充電系統顯得尤為重要[3]。調查結果表明，現在的蓄電池由于充電設備落后、充電方法不當導致其使用壽命只有2～3年，遠低于其設計指標10～15年的要求，這既增加了使用成本又造成了資源的極大浪費。

目前，一般的蓄電池充電系統完成1次充電需要8～12 h，顯然無法滿足機器人對充電系統的要求以及生產的需要。因此，設計一種快速、高效和安全的智能充電系統，是農業機器人技術得到大力發展的重要前提。

1 快速充電理論

美國人馬斯在1967年依據大量試驗提出了蓄電池可接受的最佳充電電流曲線（圖1）[4]，并給出充電電流的衰減規律：

I=I0e-at。

（1）

式中：I為任意時刻的充電電流，I0為初始充電電流，a為充電接受率，t為充電時間。從圖1可以看出，接受區的任何充電電流不會引起極化，但會延長充電時間[4]；出氣區的任何充電電流則會導致析氣量增多加劇極化，降低充電速度。

馬斯三定律證明了在蓄電池充電過程中適時地進行短時間的大電流放電，提高蓄電池的充電接受率，增強蓄電池接受電流的能力，加快充電速度。

2 快速充電方案的確定

2.1 鉛酸蓄電池的極化

極化即蓄電池充放電過程中，其端電壓大于開路電壓的現象，極化是影響充電速度和充電效率最主要的原因。極化會阻礙充電電流的增加，減緩化學反應速度；還會加劇水解反應，產生大量氣體，延緩充電速度腐蝕極板；還會產生熱量，嚴重時會發生爆炸。極化包括濃度極化、歐姆極化和電化學極化。濃度極化是由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，充電停止后濃度極化逐漸減弱并最終消失；歐姆極化是由電池各連接部分的電阻造成的；電化學極化是由電極表面電化學反應的遲緩性造成。后二者充電結束后立即消失。

2.2 快速充電方案

實現快速充電需采用大電流，但大電流充電勢必會加劇極化，對蓄電池造成很大的危害[6]。因此，要實現快速、無損充電必須減弱或者消除充電過程中的極化。

本研究以馬斯三定律為理論基礎，并依據蓄電池的充放電原理以及極化的產生機理，采用以正負脈沖間歇充放電為主的三段式充電方案。將整個充電過程分為正負脈沖間歇充放電、恒壓充電、恒流浮充3個階段，充電曲線見圖2。

第一階段：采用不同時間寬度的正脈沖對蓄電池充電，負脈沖前后的停充間歇自動消除歐姆極化和電化學極化，削弱濃度極化。負脈沖放電還可消除極板孔隙間的氣體，進一步削弱濃度極化，提高充電接受率，增大充電電流，達到快速充電的目的[7～8]。

第二階段：對蓄電池進行14.7 V恒壓充電。充電過程中充電電流逐漸減小，當電流降至0.1 A時，轉入第三階段。

第三階段：采用0.1 A恒流浮充，主要提供蓄電池自放電的能量補給。

2.3 確定正負脈沖間歇充電參數

蓄電池充入電量的90%都來自于正負脈沖間歇充放電，因此，合理設置此階段的充電參數是實現快速充電的基礎。本研究以12 V/10 （A·h）鉛酸蓄電池為對象進行參數的計算。

蓄電池開始充電時充電接受率約為1，所以初始充電電流理論值可取10 A。從圖1可知，充電電流按指數規律快速衰減，為了保證充電順利進行，本研究選用9.5 A的電流充電。當電流衰減到E點時，如果繼續用9.5 A的電流充電就會產生極化。依據馬斯定律，此時采用大電流放電會削弱極化，增大充電接受率，則使充電電流由E點上升到A點，保證蓄電池仍能以9.5 A的電流繼續充電，充電曲線由1轉換為2。通過對試驗數據的比較取放電電流為5 A，既保證放電電流不對極板產生沖擊，又保證充電效率。因此，依次在F、G、H等點放電，即可一直用9.5 A的電流進行充電（圖3）。

2.3.1 計算負脈沖時間寬度 本研究以增加充電電流 9.5 A 的1%為目的進行負脈沖放電，則可接受的電流增量I0d=95 mA。

當充入額定容量的90%時，停止正負脈沖間歇充電，可算得n=226。

除了利用負脈沖放電消除極化，還可以在負脈沖放電前后設置停充間歇。停充間歇既可進一步消除極化，又可為正負脈沖之間的轉換提供緩沖時間。因此，依據大量試驗在負脈沖前后分別設置0.5 s的停充間歇。

3 硬件及軟件的實現

3.1 硬件電路的設計

充電系統由主電路和控制電路組成，電路結構見圖4。主電路包括輸入整流濾波、DC/AC逆變、高頻變壓器、輸出整流濾波和雙向DC/DC電路[9]。雙向DC/DC電路采用 Buck/Boost 結構，它既可實現正脈沖充電，又通過電容為負脈沖放電提供能量通道，存儲的能量用于下次充電，提高充電效率。控制電路由單片機PIC18F4520、信息采集處理電路和指示報警電路組成[10]。ECCP1模塊產生的PWM信號用于控制半橋逆變器中功率管S1和S2的通斷，CCP2模塊產生的PWM信號用于控制雙向DC/DC電路功率管S3和S4的通斷。通過對充電電壓、電流信息的采集實現電壓、電流閉環控制。通過對溫度的采集實現超溫故障報警。

3.2 充電控制流程

充電系統以硬件電路為基礎，通過程序控制完成了正負脈沖間歇充放電、恒壓充電和恒流浮充三段式充電。充電控制程序流程見圖5。

4 試驗結果分析

負脈沖放電（圖6）和停充間歇（圖7）對極化影響的局部放大，從圖中可以看出，二者都削弱了極化，提高了蓄電池的充電接受能力。

本研究還將三段式充電和傳統多階脈沖充電進行了充電比較，對比結果見圖8、表1。

從圖8可以看出，正負脈沖間歇充電到電池容量的90%只需要1.3 h，傳統的多階脈沖充電需要2 h以上。從表1可以看出，正負脈沖間歇充電的充電效率比多階脈沖充電高5%，溫度升高卻低4 ℃。證明正負脈沖間歇充電提高了充電效率，加快了充電速度，保護了電池，真正做到了高效、安全、無損地充電。

5 結論

本研究針對蓄電池充放電過程中存在的極化現象，提出了以正負脈沖間歇充電為主的三段式充電方案。以9.5 A恒流充電為目的，依據馬斯三定律和最佳充電電流曲線，算出不同充電接受率時的正脈沖寬度，計算負脈沖的寬度，設置間歇時間，同時設計充電系統的硬件電路和充電控制程序。結果表明，正負脈沖間歇充電有效地消除了電池的極化，增大了充電接受率，縮短了充電時間，提高了充電效率。

參考文獻：

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