摘  要： 為了縮短鉛酸蓄電池的充電時間，提高電能轉(zhuǎn)換效率，本文在傳統(tǒng)充電模式的基礎(chǔ)上，依據(jù)蓄電池可接受的最佳充電狀態(tài)和充放電的關(guān)系，設計制作了快速充電模式電路。該模式運用較為簡單的反激拓撲，增加了提高PF的前置電路，采取了靈敏的控制電路芯片——STM8S103C6單片機。該智能脈沖快速充電電路通過軟硬件相結(jié)合，增加了電路的可靠性。實驗數(shù)據(jù)分析表明，該電路在不影響鉛酸電池的物理化學性質(zhì)的前提下，提高了充電電路的PF、效率，縮短了充電時間。

　　關(guān)鍵詞： 鉛酸蓄電池；PF；STM8S103C6；快速充電

0 引言

　　鉛酸蓄電池發(fā)展至今，因其價格低廉、制作材料簡單、工藝成熟、性能穩(wěn)定而使其應用價值與日俱增，其應用領(lǐng)域小到家用電動自行車，大到汽車、船艦等[1-3]。但一直以來，鉛酸蓄電池存在充電時間過長、效率低、壽命短等問題。如今，市場上鉛酸蓄電池的充電模式一般還采用恒流模式、恒壓模式或分階段充電模式，其充電時間過長。為了解決鉛酸蓄電池充電時間長、效率低的問題，本文以單片機為輔助手段，結(jié)合改進的三段式充電模式，設計制作出了新型脈沖快速充電電路。

1 快速充電理論及最優(yōu)方案

　　1.1 鉛酸蓄電池的充放電原理

　　鉛酸蓄電池主要核心部分有正負極板、電解液、隔板。正極板的活性物質(zhì)由二氧化鉛（PbO2）構(gòu)成；而負極板的活性物質(zhì)則由灰色海綿形狀的鉛（Pb）構(gòu)成；27%～37%濃度的硫酸（H2SO4）溶液作為其電解液[4]。充放電反應式如式（1）。當鉛酸蓄電池放電時，正極板的二氧化鉛（PbO2）與硫酸（H2SO4）反應下生成硫酸鉛（PbSO4）和水（H2O），負極板則有鉛（Pb）與硫酸根離子（SO-4）反應生成硫酸鉛（PbSO4）。此時化學能轉(zhuǎn)化為電能，為負載供電。電解液濃度降低；當鉛酸蓄電池充電時，硫酸鉛（PbSO4）在正極板和負極板分別被氧化和還原，轉(zhuǎn)化為二氧化鉛（PbO2）和鉛（Pb），該反應為電能轉(zhuǎn)化為化學能，同時硫酸（H2SO4）的濃度升高。但同時，在充電時，隨著溫度的升高，鉛酸蓄電池內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，包括內(nèi)阻極化、濃度差極化、電化學極化等[5]。極化又帶來水電解的副反應，稱為析氣現(xiàn)象。反應式如式（2）、式（3）[6]。

　　副反應方程式之負極：

　　2H++2e-→H2（3）

　　1.2 蓄電池的最佳充電接受方案

　　基于蓄電池充電過程中的最低析氣率，馬斯提出了蓄電池接受的最佳充電電流曲線圖[7]。蓄電池充電過程中可接受的最佳充電電流曲線如圖1所示，對于蓄電池充電的任意時間，蓄電池可接受最佳電流為一個衰減指數(shù)變化的曲線，可以用式（4）來表示。

　　式中，t為充電時間；I是任意時刻蓄電池接受的充電電流；I0是最大起始可接受的充電電流；是衰減率常數(shù)，亦可以稱為充電接受比。

　　從圖1所示的馬斯最佳充電曲線可以看出，在對蓄電池的充電過程中，充電電流只有在低于蓄電池可接受的最大充電電流時，蓄電池內(nèi)部才不會出現(xiàn)析氣現(xiàn)象；反之，如果充電電流過大，高于蓄電池充電可接受的最大充電電流時，就會加劇蓄電池內(nèi)部溫度的升高，促進電池內(nèi)部水的電解，析氣現(xiàn)象嚴重，縮短了蓄電池的使用壽命[8-10]。

　　在傳統(tǒng)的恒流方法中，在短時間內(nèi)以大電流給蓄電池充電，雖然加快了充電速度，但是后期溫度的升高加劇了蓄電池內(nèi)析氣的產(chǎn)生；恒壓方法中，由于整個過程充電電流由大逐漸減小，充電電流趨勢雖滿足蓄電池充電電流曲線圖，但臨界充電電流值不易控制，故造成充電時間過長或溫升。

　　此后，馬斯依次提出了馬斯三定律[11]，總結(jié)了蓄電池的放電電流和其可接受的最佳充電電流的內(nèi)在關(guān)系：如果在蓄電池的充電過程中，對蓄電池在某時刻給予較大深度的放電，可以提高?鄣因子，即提高蓄電池的充電電流接受比，這正是加快充電進程的有效方法[12]。蓄電池充電可接受最佳電流值與放電電流脈沖的關(guān)系如圖2所示。

　　基于上述分析，本文設計了快速充電的模式：第一級充電方式為涓流；第二級充電方式為大電流的恒流；第三級充電方式為恒壓；最后一級充電方式為浮充。由于在第二級大電流恒流充電過程中，蓄電池溫度升高很快，析氣產(chǎn)生嚴重，故在其充電過程加入了一個按時間比例控制的深度放電負脈沖。而在其他幾級充電模式下，在檢測到蓄電池的溫度高于設定溫度時，同樣加入深度放電的負脈沖，以便降溫和降低析氣程度。

　　以12 V·7 Ah的鉛酸蓄電池為例，12 V的鉛酸蓄電池由6個2 V的單體組成，鉛酸蓄電池單個電池充電的最高電壓介于2.35 V～2.45 V，平均電壓為2.4 V。依據(jù)單個電池的最佳充電電壓，12 V的鉛酸蓄電池能夠充電的最高電壓為：Vmax=6×2.4=14.4 V。涓流充電時，充電電流為0.1 C（C代表的是蓄電池的容量，此處為7 Ah）=0.7 A；浮充充電時，當充電電流達到0.02 C=0.14 A時，意味著鉛酸蓄電池充電的結(jié)束；而在第二級大電流充電時，最大的充電電流設定為鉛酸蓄電池容量的0.15～0.25倍，以此來保護鉛酸蓄電池的壽命。即Imin=0.15×7=1.05 A，Imax=0.25×7=1.75 A[13]，為了最快速充電，選其最大充電電流為1.75 A。

　　鉛酸蓄電池充電曲線圖如圖3所示。

2 硬件電路的設計

　　2.1 鉛酸蓄電池快充硬件電路構(gòu)架

　　鉛酸蓄電池快速充電電路框圖如圖4所示。其中，箭頭代表信號流動的方向，該系統(tǒng)主要由第一級的AC/DC的APFC升壓模塊、第二級的DC/DC反激降壓模塊、第三級控制模塊（包括鉛酸蓄電池充電模塊、放電模塊、以Stm8s103c6為核心的采集電路模塊）構(gòu)成。

　　2.2 Boost APFC模塊

　　近年來，提高開關(guān)電源的功率因素、減輕電路對電網(wǎng)的污染已經(jīng)成為電源發(fā)展的方向。為了使輸入電流諧波滿足要求，需要加入功率因素校正（APFC）電路[14]。該電路通過對第二級反激拓撲結(jié)構(gòu)輸入電流的采樣，反饋到帶有調(diào)節(jié)APFC功能的芯片F(xiàn)AN7930C中，最終通過該芯片調(diào)節(jié)MOSFET的占空比。其主要作用是：（1）把交流輸入全電壓（90 V～265 V）轉(zhuǎn)化為直流輸出電壓（390 V）；（2）提高了輸入電路的功率因素。這部分技術(shù)目前市場上雖然比較成熟，但是為了節(jié)約成本和減小充電器的體積，市場上一般都沒有設計該電路。控制芯片F(xiàn)AN7930C不同于飛兆公司的其他功率因素芯片，因其引腳增加了RDY檢測腳，RDY引腳是通過檢測第一級電路輸出正常時，引導第二級工作。FAN7930C周圍電路設計如圖5所示。依據(jù)FAN7930C芯片資料，當?shù)谝患壿敵鲞_到設定輸出的89%，即輸出電壓UO1=89%×390=347.1 V時，RDY腳輸出為高電平，NPN晶體管Q1飽和導通，此時電解電容C3充電，當C3端電壓達到第二級芯片開啟電壓時，第二級電路正常工作；反之，RDY腳輸出為低電平，NPN晶體管Q1截止關(guān)斷，第二級因電解電容能量不足而停止工作。故RDY腳控制著第二級電路的開通與關(guān)斷，避免第二級因欠壓而使變壓器磁芯飽和，造成第二級電路損壞。

　　2.3 反激輸出電路

　　本文電路設計的輸出功率相對不高（PO=UO×IO=  14.4×1.75=25.2 W），所以第二級電路采用較為簡單的反激拓撲電路，工作模式采取連續(xù)模式（CCM）。該反激主電路控制芯片由UC3844B構(gòu)成，頻率為fsw=1.72/（R×C），設計為150 kHz；輸入電壓由上一級電解電容C3提供；輸出因電流較大（1.75 A），故輸出多并幾個快恢復二極管，用于分流和減少反向恢復時間。因芯片AP4313內(nèi)部有精準的1.21 V參考電壓、外圍所用元器件較少、耐溫值范圍寬（-40℃~105℃），故選其作為恒流恒壓控制芯片。AP4313內(nèi)部電路簡圖如圖6所示，其內(nèi)部其實就是帶有基準電壓的兩個運算放大器。采樣電壓（采樣電流轉(zhuǎn)化為采樣電壓）與基準電壓的比較決定著電路輸出是恒壓還是恒流。AP4313周圍電路元器件布局如圖7所示。

　　2.4 控制電路

　　充放電控制電路是控制器設計過程中的關(guān)鍵[15]。控制模塊電路如圖8所示，控制開關(guān)由兩個P溝道MOSFET（Q2、Q3）構(gòu)成，而驅(qū)動Q2、Q3開通與關(guān)斷的則是STM8S103C6芯片的引腳PA1、PA2。STM8S系列芯片具有抗干擾性強、可靠性強、運行速度快的特點，并內(nèi)置了高速中分辨率的10位ADC轉(zhuǎn)換器。故其能及時有效地采集充電數(shù)據(jù)并通過A/D轉(zhuǎn)換處理，從而確定充電模式。正是兩個P溝道MOSFET的開通和關(guān)斷，使得充電過程包含了對蓄電池正向通電、停止充電和反向深度放電三個階段。

　　當Q2管導通，Q3管關(guān)閉時，整個電路對鉛酸蓄電池正向充電；當Q2管關(guān)閉，而Q3管開通時，整個電路對鉛酸蓄電池反向放電；當Q2管關(guān)閉，Q3管也關(guān)閉時，鉛酸蓄電池停止充放電。放電電路最大的特點是結(jié)構(gòu)簡單可靠、成本低。

　　因此，兩個開關(guān)管通過開通與關(guān)斷，增加了鉛酸蓄電池的停充和反向放電時間，減弱了鉛酸蓄電池內(nèi)部的極化反應，緩解了鉛酸蓄電池內(nèi)部的析氣現(xiàn)象，加快了蓄電池的充電接受率，實現(xiàn)了對鉛酸蓄電池快速充電的目的。

3 軟件電路

　　由快速充電模式分析可知，要得到較好的去極化現(xiàn)象，應采用充—?！拧！涞难h(huán)模式。鉛酸蓄電池充電流程圖如圖9所示。在監(jiān)測鉛酸蓄電池的端電壓與采樣電阻的電流過程中，須在鉛酸蓄電池充電前，首先關(guān)斷兩開關(guān)管，電壓傳感器監(jiān)測其端電壓的大小，以此來確定充電開始模式。充電模式進入浮充模式充電，其主要是用來補充鉛酸蓄電池自放電，不斷以小電流補充，使其始終處在慢電流充電狀態(tài)，也標志著充電過程的結(jié)束[16]。整個充電、放電電路，須時刻檢測蓄電池兩端的溫度，隨時調(diào)整充電模式，從而有效地保護蓄電池的壽命。

4 實驗結(jié)果

　　在本次試驗中使用的充電器是傳統(tǒng)的三段式充電器（規(guī)格為：12 V/1 A）。充電數(shù)據(jù)如表1所示，而本次快充數(shù)據(jù)如表2所示。

　　從兩種不同的充電數(shù)據(jù)對比可知，本文設計制作的快充充電器，無論時間、PF或效率都優(yōu)于市場上部分傳統(tǒng)的充電器，達到了實驗的目的。

5 結(jié)論

　　本文在傳統(tǒng)的充電模式下，設計制作了四階段的快速充電模式電路。即涓流、恒流、恒壓、浮充與負脈沖結(jié)合的模式電路，通過對12 V·7 Ah鉛酸蓄電池的實驗分析、對比可知，此方法在不損害鉛酸蓄電池的基礎(chǔ)上，緩解了鉛酸蓄電池內(nèi)部的極化現(xiàn)象，縮短了充電時間，實現(xiàn)了對鉛酸蓄電池快速充電的目的。

參考文獻

　　[1] 趙文倩，尹斌.基于ATmega128的智能充電系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2013，21（22）：120-122.

　　[2] 段朝偉，張雷，劉剛.電動汽車鉛酸電池脈沖快速充電系統(tǒng)設計[J].自動化儀表，2013，34（7）：75-77.

　　[3] 王萌萌，劉斌，王丹.基于單片機的脈沖快速充電系統(tǒng)研究[J].計算機測量與控制，2013，21（8）：2213-2216.

　　[4] YILMAZ M， KREIN P T. Review of battery charger topologies， charging power levels， and infrastructure for plug-in electric and hybrid vehicles[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2013，28（5）：2151-2169.

　　[5] 張瑞芳.基于ARM的蓄電池智能充電系統(tǒng)研究[D].西安：西安科技大學，2014.

　　[6] 姜俊斐.鉛酸蓄電池的工作原理與維護方法[J].科技視界，2014（29）：108-109.

　　[7] 張軍，董鵬.鉛酸蓄電池智能充電器控制策略研究[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡信息，2011，11（1）：34-36.

　　[8] 李淑芳.鉛酸蓄電池快速充電器設計與實現(xiàn)[D].蘭州：蘭州交通大學，2012.

　　[9] ALBERS J. Heat tolerance of automotive lead-acid batteries[J]. Journal of Power Sources，2009，190 （1）：162-172.

　　[10] WONG Y S， HURLEY W G，WOLFLE W H.  Charging regimes for valve-regulated lead-acid  batteries： performance overview inclusive of temperature compensation[J]. Journal of Power Sources，2008， 183（2）：783-791.

　　[11] 田萌.基于單級AC/DC諧振拓撲的蓄電池快速充電技術(shù)[D].秦皇島：燕山大學，2014.

　　[12] 楊占錄，王宗亮，張國慶.大容量鉛酸蓄電池脈沖快速充電技術(shù)[J].自動化應用，2014（9）：8-10.

　　[13] 張飛，余濤，李潔，等.電動自行車三段式充電設計[J].電源技術(shù)，2014，38（8）：1535-1537.

　　[14] 李廣全，王志強，張梅，等.單級功率因數(shù)校正（PFC）變換器的設計[J].電源技術(shù)應用，2003，6（10）：555-558.

　　[15] 劉春鵬，賈金玲，楊紅英，等.基于PIC單片機的太陽能控制器設計[J].硅谷，2015（1）：25-26.

　　[16] 鄭強勝.基于單片機技術(shù)的電動自行車快速充電器設計[J].通信電源技術(shù)，2014，31（2）：66-67.