蓄电池四阶段快速充电器的研究与设计

辽宁工业大学电子与信息工程学院 杜三元 孟丽囡

蓄电池四阶段快速充电器的研究与设计

辽宁工业大学电子与信息工程学院 杜三元 孟丽囡

蓄电池的使用就必须要充电，而不正确的充电方法会延长充电时间、损害蓄电池，严重缩短蓄电池的寿命。对于蓄电池的充电问题，本文在已有充电法的基础上研究了一种四阶段快速充电法，并完成了四阶段充电法充电器的软硬件设计。结果表明基于此充电法的充电器充电时间短、效率高，更接近于蓄电池理想充电特性，能很大程度上延长蓄电池的使用寿命。

蓄电池；四阶段快速充电；充电器

1 引言

自蓄电池问世一百多年来,由于性能稳定、价格便宜以及绿色环保等被应用到各行各业,特别是在新能源发电的储能系统中大量应用[1]。然而,蓄电池的充电对电池自身的寿命影响最大,蓄电池的寿命和性能又直接影响着所应用整个系统的性能及寿命,所以研究蓄电池充电是很重要的。为了缩短充电时间、改善充电效率、延长蓄电池使用寿命、减少资源浪费,一种高效、快速及合理的充电方法和充电器是必要的。

2 蓄电池充电方法

2.1 已有充电方法

目前已有蓄电池充电方法一般有以下几种[2]。

(1)恒压充电法。充电过程中用恒定的电压对蓄电池充电即为恒压充电。此法简单实用,目前应用较多;但是此法的恒定电压较难选择,若太大充电初期易损害蓄电池且后期可能会出现过充,若太小则充电时间长、效率低。

(2)恒流充电法。同恒压法用恒定的电流来进行充电为恒流充电法。此法同样恒定电流较难选择,充电初期存在大电流冲击,后期析气严重、对极板冲击大,温升较快、且充电时间长。

(3)恒压限流法。此法是在恒压充电的过程中用合适方法(如串入热敏电阻)限制电流逐渐减小,基本符合马斯充电特性。但是充电初期会有大电流大电压,如果遇到蓄电池过放电会严重损坏蓄电池。

(4)阶段充电法。阶段充电法目前有两阶段和三阶段充电,两阶段充电是先恒流后恒压限流的方式充电,三阶段是在两阶段的基础上增加了一个小电压小电流的的浮充阶段,防止了蓄电池自放电和过冲的发生,三阶段充电效果较好但实现有一定的难度。

(5)脉冲充电法[4]。此法是将充电电压和电流变为脉冲的形式来充电,这样短时间的停充或放电为下一次充电做好了准备,加快了充电速度,适用于需快速充电的场合。

(6)智能充电法。此法是利用目前前沿的控制技术,利用智能控制如模糊控制、人工神经网络控制等按照蓄电池可接受充电曲线来完成充电,旨在更进一步的提高充电效率、延长蓄电池寿命,充电效果理想,但是控制复杂。

(7)均衡充电。均衡充电是主要针对蓄电池组而提出的,用来解决蓄电池组中由于电池个体之间电压、容量差异性引起的不均衡问题。

以上为现阶段基本的蓄电池充电方法,每一种充电方法都有各自的优缺点,每一种充电法适用于不同的充电场合,因具体情况而选择。

2.2 四阶段快速充电法

综上述几种充电法的优缺点,本研究设计中使用一种四阶段快速充电法[5],分别为:预充阶段、脉冲快速阶段、继续充电阶段以及浮充阶段,充电过程曲线示意如图1所示,各阶段如下所述:

而对于任意A=(a1,a2,...a3∈F(U),能够对其中的线性变换TR：F(U)→F(V)，A→TR(A)=A·B=B=(b1,b2,···,bm)F(V)，TR属于模糊关系。

(1)预充阶段0-t1:此阶段是设定一个阀值,当蓄电池端电压低于此阀值时,充电过程以一个低电压、小而稳定的电流I0进行,主要是为了防止蓄电池在过放电状态下大电流对其造成的冲击和热失控,并且小电流有利于激活铅酸蓄电池内的反应物,回复部分受损的蓄电池单元。预充阶段随着蓄电池端电压逐渐上升和可接受电流的增大,到设定值时转入下一阶段;

(2)脉冲快速充电阶段t1-t2:经过上一阶段的预充充电,蓄电池充电电流达到接受范围,因此本阶段用一个大的脉冲电流I1来充电,I1因蓄电池容量而异,通常I1=0.1C(C为蓄电池容量),暂短的停充为下一次大电流充电做好了准备,加快了充电速度;

(3)继续充电阶段t2-t3:到此阶段时蓄电池快要达到100%荷电状态,因此,本阶段用一个恒定的电压U1、逐渐减小的电流充电,旨在减小充电后期析气和温升的发生;

(4)浮充阶段t3-t4:进入此阶段就预示着蓄电池基本已经充满,因而本阶段用一个小电流稍低于U1的电压U2来维持充电,防止蓄电池的自放电和过充,促进铅酸蓄电池的氧复合循环。

图1 四阶段快速充电示意图

3 充电器软硬件的实现

3.1 充电器硬件电路制作

基于上述四阶段快速充电方法的充电器,电路大体上可分为:以单片机为核心的控制电路部分、UC3843驱动的功率变换电路部分、数码管显示部分、LM7805基准电源电路模块等,充电器总体电路结构如图2所示。

图2 充电器电路总体结构图

电路中二极管整流滤波电路采用常见的桥式整流加电容滤波电路做成;功率变换电路采用隔离型反激式变换器,此电路中变压器不仅能做到电气安全,而且可实现多输入输出的结构,简化了电路结构,电路中开关管选用W9NK90Z,其最大电流为8A,电路中有两个开关管,其一是DC/DC变换器的开关MOS1,通过调节MOS1占空比来调整充电电压电流大小,其二是脉冲充电的开关MOS2,通过控制MOS2的通断实现快速脉冲充电;LM7805为基准电源模块,给单片机、数码管、散热器以及译码器等提供电源;PC871光耦在电路中起到了反馈的作用,利用光耦的亮度来调节UC3843的VFB,从而改变输出占空比; 74LS164结合数码管显示单片机输出信息;UC3843为DC/DC变换器提供驱动,通过光耦的反馈信息来调节其输出占空比,从而改变充电电压和电流,UC3843的工作电压直接由隔离变压器的辅助绕组经降压得到;电路中核心部分单片机采用STC12C5620AD,通过对蓄电池端电压的采集、判断和输出,实现四阶段充电的控制,同时完成输入过流保护、充电过压/过流保护以及过热保护,确保充电器电路故障断电报警。电压和电流采样电路如图3、4所示。

图3 电压采样电路

图4 电流采样电路

3.2 充电器软件实现

四阶段快速充电器的控制是以单片机编程来完成的,主要包括主程序、四阶段快速充电控制程序、以及显示控制程序等。主程序完成单片机I/O口初始化、A/D转换模块及故障保护等控制;显示控制程序是将充电状态显示在数码管、LED灯及蜂鸣器上,使充电信息跟直观化;四阶段快速充电程序是通过采集到的信息改变PWM占空比使电路工作在不同的充电阶段,其程序流程图如图5所示。

图5 四阶段快速充电程序流程图

图6 四阶段快速充电器硬件电路图

3.3 实验及分析

正确连接如上所述各模块电路,并且按照电路需求选择合适的元器件参数,绘制原理图和PCB图完成充电器硬件电路的焊接,最终充电器硬件电路如图6所示,最后将控制程序下载到单片机进行实验测试。

充电器输入为交流220V/50Hz,最大输出电压为16V,最大输出电流为2A,所以试验中可选用一块12V/12Ah的铅酸蓄电池为充电对象,查资料可知使用恒压或三阶段充电器,充满此款电池需10到12个小时。实验中当检测到蓄电池端电压低于8V时进行预充充电,然后依次进行各阶段充电,使用本充电器充满此款铅酸蓄电池总共用时7小时25分钟,可见比起恒压和三阶段充电器大大缩短了充电时间。

4 总结

以上针对铅酸蓄电池的充电问题,研究了一种四阶段快速充电的方法,并且基于此方法以单片机为主控和反激变换器为主电路设计了充电器电路,完成了硬件制作和软件编写,进行了实验测试。结果表明四阶段快速充电器采用开关电源电路结构简单、控制简单、损耗小,最主要的是充电时间短、效率高,此充电方法更接近于蓄电池理想充电特性,减少了充电对电池的损害,延长了蓄电池使用寿命。

［1］张宝凯.基于单片机的蓄电池智能充放电控制器的研究［D］.大连海事大学.

［2］刘鹏飞,钱炯凯,等.基于89C52的智能型快速充电器的设计［J］.应用能源技术, 2014,08(13):50-53.

［3］李兴宁,朱健.智能型蓄电池充电器的设计［J］.电源技术应用,2011,14(5):21-23.

［4］李淑芳.铅酸蓄电池快速充电器设计与研究［D］.兰州:兰州交通大学.

［5］王萌萌,刘斌,王丹.基于单片机的脉冲快速充电系统研究［J］.计算机测量与控制,2013,21(8):2213-2216.

杜三元（1990—），男，硕士研究生，主要研究方向：现代电力电子应用技术。

孟丽囡（1967—），女，副教授，研究生导师，主要研究方向：电力电子技术。