基于鉛酸蓄電池內(nèi)化成工藝充電機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

摘 要 基于鉛酸蓄電池內(nèi)化成工藝，從馬斯定理入手，提出了一種新的節(jié)能充電技術(shù)—脈沖充電，該充電方案相比傳統(tǒng)的充電方案，解決了充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電池溫升過(guò)高，極化嚴(yán)重等問(wèn)題，并能夠較好的擬合充電最佳曲線。在脈沖充電基礎(chǔ)上，提出了放電電能回收存儲(chǔ)再利用的節(jié)能設(shè)計(jì)，將蓄電池放電的電能存儲(chǔ)在大容量的電容中，并在下一個(gè)充電周期中將存儲(chǔ)的電能放出提供給蓄電池充電。以電力電子學(xué)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了節(jié)能充電機(jī)的供電電路，充電，放電回路以及驅(qū)動(dòng)電路。以DSP2812為核心控制器，設(shè)計(jì)了節(jié)能充電機(jī)的控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了脈沖充電過(guò)程中的高度時(shí)序配合，完成了鉛酸蓄電池充電，放電以及能量存儲(chǔ)，再利用等功能。

關(guān)鍵詞 鉛酸蓄電池；馬斯定律；脈沖充電；能量回收及利用

中圖分類號(hào)：TM910 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）09-0012-03

根據(jù)化成方式的不同，鉛酸蓄電池分為外化成電池和內(nèi)化成電池。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)鉛酸蓄電池行業(yè)85%以上的工藝采用的是外化成，外化成電池相比內(nèi)化成電池的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，電池極板可以進(jìn)行篩選，電池的一致性和可靠性有保證；缺點(diǎn)是成本高，需要專門的化成槽，充電電流較小，化成所需時(shí)間較長(zhǎng)，特別是在生產(chǎn)過(guò)程中，外化成工藝中產(chǎn)生的生產(chǎn)廢水嚴(yán)重污染環(huán)境，國(guó)家已將外化成工藝列入蓄電池環(huán)保整治重點(diǎn)對(duì)象。與此相比，內(nèi)化成工藝所帶來(lái)的污染則比外化成工藝要小得多。內(nèi)化成工藝相比外化成，可以節(jié)能28.5%，節(jié)水90%以上。因此基于內(nèi)化成工藝的鉛酸蓄電池生產(chǎn)，已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。但由于基于內(nèi)化成工藝的電池充電技術(shù)研究起步較晚，現(xiàn)階段并沒(méi)有一套合理成熟的充電方案。因此，研究基于內(nèi)化成工藝的電池充電技術(shù)是十分有必要的[1]。

1 內(nèi)化成電池充電工藝難點(diǎn)

現(xiàn)階段，基于內(nèi)化成工藝，對(duì)蓄電池進(jìn)行化成充電，主要難點(diǎn)有：

1）內(nèi)化成充電過(guò)程中蓄電池內(nèi)部溫度過(guò)高。內(nèi)化成充電過(guò)程中，蓄電池內(nèi)部的溫度一般不宜超過(guò)60℃。如果溫度過(guò)高，蓄電池內(nèi)部的各種活性物質(zhì)的活度將會(huì)增加，可能會(huì)導(dǎo)致極板上產(chǎn)生結(jié)晶以及電池過(guò)充的可能，從而損害蓄電池。由于內(nèi)化成工藝相比于外化成工藝，沒(méi)有專門的水槽給電池進(jìn)行降溫，因此，如何控制充電過(guò)程中的溫升是困擾內(nèi)化成充電工藝的一大難題。

2）充電過(guò)程中的極化現(xiàn)象。極化現(xiàn)象也是影響充電效率的一大因素。在充電過(guò)程中，蓄電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生極化。極化現(xiàn)象主要有三種：歐姆極化，濃差極化和電化學(xué)極化。如果不能控制好充電過(guò)程中的極化現(xiàn)象，則會(huì)導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部溫度升高，可接受的充電電流變小，從而影響充電效率。

3）蓄電池容量不易充滿及充電時(shí)間長(zhǎng)。由于極化現(xiàn)象的存在和充電過(guò)程中溫升的原因，未化成的鉛酸蓄電池在第一次化成充電時(shí)，其電量并不容易充滿以及存在充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。如果電量沒(méi)有充滿，則會(huì)在后續(xù)的充電過(guò)程中，蓄電池的電量也不容易被充滿，從而導(dǎo)致蓄電池的使用效率下降，并影響蓄電池的使用時(shí)間。因此，首次化成的鉛酸蓄電池，一定要保證其電量飽滿[2]。

2 脈沖充電方案設(shè)計(jì)

為解決內(nèi)化成電池充電工藝中的難點(diǎn)，本文提出一種基于馬斯定理的脈沖充電方案。

1）馬斯定律。每個(gè)蓄電池都有其特定的固有充電曲線，只有當(dāng)充電電流的值小于其特有充電曲線電流的值時(shí)，才不會(huì)影響充電效率，否則，蓄電池內(nèi)部會(huì)有大量析氣產(chǎn)生，阻礙充電電流流入蓄電池，影響充電效率。

馬斯定律指出，在充電過(guò)程中，當(dāng)蓄電池固有充電曲線電流值降至充電電流的值附近時(shí)，將蓄電池進(jìn)行適度的短時(shí)放電，可以使蓄電池固有充電曲線右移，提高蓄電池可接受充電電流的值，從而能使蓄電池保持大電流充電，提高充電效率。同時(shí)，短時(shí)的放電，能夠去除蓄電池在充電過(guò)程中產(chǎn)生的電化學(xué)極化和濃差極化，蓄電池內(nèi)部的溫度也會(huì)降低，從而進(jìn)一步提升充電效率，減少充電時(shí)間?；隈R斯定律的電池充電曲線如圖1所示[3]。

圖1 基于馬斯定律的電池充電曲線

2）充電方案設(shè)計(jì)。本文在馬斯定律的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新的充電方案， 在充電的初始階段，先采用小電流的恒流充電。這是因?yàn)槌潆婇_(kāi)始階段，電池產(chǎn)生的極化反應(yīng)較小，此時(shí)采用恒流充電，可以在短時(shí)間內(nèi)有效的提升蓄電池的容量，并且能減少蓄電池內(nèi)部的硫化反應(yīng)。

恒流充電過(guò)程中，蓄電池電壓會(huì)持續(xù)上升。當(dāng)蓄電池電壓上升到一定的數(shù)值時(shí)，開(kāi)始采用脈沖充電，脈沖充電的完整過(guò)程是：先對(duì)蓄電池繼續(xù)恒流充電一段時(shí)間后，停止充電，靜止蓄電池，目的是消除歐姆極化和濃差極化。之后讓蓄電池通過(guò)放電回路進(jìn)行短時(shí)間的快速放電，以消除充電過(guò)程中積累的電化學(xué)極化，并排出極板孔中產(chǎn)生的氣體，控制電池溫升。在蓄電池放電周期結(jié)束后，再將蓄電池靜置一段時(shí)間，目的是避免短時(shí)間內(nèi)的電流反向沖擊對(duì)蓄電池造成影響。靜置結(jié)束后，即完成了一個(gè)完整的脈沖充電周期。之后再進(jìn)行下一個(gè)周期的恒流充電——靜置——放電——靜置過(guò)程，如此循環(huán)往復(fù)。

當(dāng)充電電能接近蓄電池的額定容量時(shí)，停止脈沖充電，開(kāi)始最后階段的恒流充電。最后階段的小電流恒流充電主要作用是保證蓄電池的電量充足，防止出現(xiàn)電池虛電或充不滿的情況，也稱為補(bǔ)足充電。由于在第二個(gè)充電階段中，采用的是脈沖充電，電池內(nèi)部的溫升不會(huì)過(guò)高，極化反應(yīng)也不會(huì)很明顯，因此最后階段的恒流充電能夠保證將電池容量充滿。

3 充電機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述的充電方案，充電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 充電機(jī)系統(tǒng)圖

充電機(jī)通過(guò)充電電源采用并聯(lián)的方式對(duì)兩路鉛酸蓄電池進(jìn)行充電。充電機(jī)系統(tǒng)由充電電路，放電電路，能量回饋電路以及控制驅(qū)動(dòng)，采樣電路組成。根據(jù)充電方案，在充電第一階段，充電機(jī)對(duì)兩路鉛酸蓄電池進(jìn)行小電流的恒流預(yù)充電。在充電第二階段，及脈沖充電階段，先將第一路鉛酸蓄電池靜置一段時(shí)間后進(jìn)行短時(shí)間的放電，第二路鉛酸蓄電池則繼續(xù)以恒流充電的方式進(jìn)行充電，當(dāng)?shù)谝宦枫U酸蓄電池結(jié)束短時(shí)間的放電并靜置一段時(shí)間后，以恒流充電的方式開(kāi)始充電，此時(shí)將第二路鉛酸蓄電池停止充電，將其靜置一段時(shí)間后進(jìn)行短時(shí)間放電并再次靜置，如此循環(huán)，兩路以互補(bǔ)的方式進(jìn)行充電。這樣做的好處是能夠最大的利用充電電源，提升充電效率，避免不必要的電能浪費(fèi)。在充電的最后一個(gè)階段，充電機(jī)對(duì)兩路鉛酸蓄電池進(jìn)行小電流的補(bǔ)足充電。充電機(jī)系統(tǒng)的充電工作時(shí)序圖如圖3所示。endprint

圖3 充電機(jī)工作時(shí)序圖

1）充電電源設(shè)計(jì)。充電機(jī)系統(tǒng)中的電源主要是給電池充電以及控制電路部分供電。給蓄電池充電的電源采用開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 開(kāi)關(guān)電源電路模型

采用開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，好處是輸出穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，使充電電流比較純凈，從而提升充電效率。

控制及驅(qū)動(dòng)采樣電路供電采用線性電源設(shè)計(jì)，由于控制及驅(qū)動(dòng)采樣電路工作電壓和電流較小，因此采樣線性電源設(shè)計(jì)，能夠有效的減小電路板元器件數(shù)量及電路板體積。

2）充電電路設(shè)計(jì)。充電機(jī)采用的是并聯(lián)的方式對(duì)兩路鉛酸蓄電池同時(shí)進(jìn)行充電，因此兩路的充電過(guò)程一致，理論上，當(dāng)充電結(jié)束時(shí)，兩路鉛酸蓄電池最后得到的電能應(yīng)該一致。但由于實(shí)際充電過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)蓄電池的個(gè)體差異以及環(huán)境影響等外界因素，兩路充電電路的充電效率不能做到完全一致，因此在第一階段及第三階段的恒流充電過(guò)程中，采用PWM控制進(jìn)行充電，通過(guò)控制占空比的值，改變充電電流大小，使兩路蓄電池得到的電能基本一致，避免出現(xiàn)一路充滿而另一路沒(méi)有充滿的情況。充電電路如圖5所示。

圖5 充電電路圖

充電電路采用經(jīng)典的BUCK降壓電路設(shè)計(jì)，圖中，VA表示輸入電源，通過(guò)IGBT開(kāi)關(guān)管Q101，電源向電池BATT1進(jìn)行充電。設(shè)t=0時(shí)刻，Q101導(dǎo)通，此時(shí)電池電壓等于供電電壓。當(dāng)t=t1時(shí)刻時(shí)，關(guān)斷Q101，此時(shí)負(fù)載電流通過(guò)二極管D蓄流。從0到t1時(shí)刻，為一個(gè)完整的工作周期，充電電壓的有效值如式（1）所示：

（1）

式中，U表示充電電壓有效值，ton表示IGBT導(dǎo)通時(shí)間，toff表示IGBT關(guān)斷時(shí)間，t表示IGBT一個(gè)導(dǎo)通及關(guān)斷周期，α表示導(dǎo)通占空比，E為充電電源電壓。由式（1）可知，控制器檢測(cè)電池兩端的電壓及電流，通過(guò)控制信號(hào)CHAR1控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的占空比α，改變充電電流的大小，使兩路鉛酸蓄電池充電電能達(dá)到基本一致。

3）放電電路設(shè)計(jì)。放電電路采樣BOOST升壓電路設(shè)計(jì)。因?yàn)槌潆姍C(jī)系統(tǒng)中含有能量存儲(chǔ)部分，用來(lái)存儲(chǔ)蓄電池放出的電能，必須保證蓄電池能夠有效的放出電能，將其存放在能量存儲(chǔ)器件中。需將放電電壓升高，保證其高于儲(chǔ)能元件的電壓，如圖6所示。

圖6 放電電路圖

當(dāng)控制器通過(guò)控制放電信號(hào)DISCHARGE1控制IGBT開(kāi)關(guān)管Q103導(dǎo)通及關(guān)斷，提高電池放電電壓的值，如式（2）所示：

（2）

式中，u0表示電池放電電壓，T表示IGBT一個(gè)導(dǎo)通及關(guān)斷周期，E表示電池經(jīng)過(guò)BOOST升壓電路處理后最后的放電電壓，toff表示開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)間，ton表示開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，由于T>toff，可知E大于u0，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通占空比，可以改變最終放電電壓E的大小。

4）電能存儲(chǔ)及回饋電路設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)工藝中，鉛酸蓄電池放出的電能一般采用以下兩種方式釋放。

①通過(guò)大功率的放電電阻釋放電能。釋放到電阻上的電能如式（3）所示：

（3）

式中，w為釋放到電阻上的電能，i為放電電流，r為放電電阻大小，s為放電時(shí)間，由式可知，放電時(shí)間s越長(zhǎng)時(shí)，當(dāng)放電電流i越大，放電電阻所接受的電能也越大。在實(shí)際使用中，放電電阻的阻值往往達(dá)到了數(shù)千歐，采用通過(guò)大功率放電電阻釋放電能的方式，不僅需要很大的空間，也會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的污染，不符合現(xiàn)今的環(huán)保精神。

②使用逆變器將電能回放到電網(wǎng)。通過(guò)逆變器，將電能放出的直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率的交流電，再將其回放到電網(wǎng)中。優(yōu)點(diǎn)是所需空間小，成本低，缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成高次諧波的污染。

基于節(jié)能環(huán)保的思想，設(shè)計(jì)了一種新的電能存儲(chǔ)及回饋電路，將蓄電池在放電周期中放出的電能存儲(chǔ)起來(lái)并在下一個(gè)充電周期到來(lái)的時(shí)候重新回充給蓄電池，其工作原理圖如圖7

所示。

圖7 電能存儲(chǔ)及回饋電路

當(dāng)蓄電池處于放電周期時(shí)，電容C101將蓄電池放出的電容存儲(chǔ)起來(lái)；當(dāng)蓄電池處于充電周期時(shí)，控制器通過(guò)控制信號(hào)RECHAR控制IGBT開(kāi)關(guān)管Q205導(dǎo)通，將電容C101上存儲(chǔ)的電能通過(guò)開(kāi)關(guān)管Q205及電感L104放出，重新給蓄電池充電。采用電容作為儲(chǔ)能元件，將蓄電池放出的電能存儲(chǔ)起來(lái)并再利用。

5）控制電路設(shè)計(jì)。充電機(jī)采用TMS320C2812作為主處理器，該處理器是美國(guó)TI公司推出的一種32位定點(diǎn)運(yùn)算的DPS芯片。其工作最高時(shí)鐘頻率可以達(dá)到185M，A/D精度可以達(dá)到12位，同時(shí)具備32的定時(shí)器及兩個(gè)SCI接口?？刂齐娐分饕饔檬峭ㄟ^(guò)控制充電電路，放電電路及能量回饋電路中的IGBT開(kāi)關(guān)管的通斷，從而控制充電機(jī)的充電時(shí)序，以及完成對(duì)電池的數(shù)據(jù)采集和顯示，存儲(chǔ)工作等。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，充電機(jī)以達(dá)到預(yù)期的效果。圖8為某次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度對(duì)比圖。

圖8 電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度對(duì)比圖

從圖8中可知，電池內(nèi)部的溫度一直低于60℃，在環(huán)境溫度明顯升高的情況下，電池內(nèi)部的溫度也沒(méi)有明顯的上升。在充電第一階段即恒流充電階段中，電池溫升較快，達(dá)到了50℃左右。在充電第二階段采用的是脈沖充電，電池的溫升得到了很好的抑制，直到脈沖充電階段結(jié)束，電池的內(nèi)部最高溫度也僅在55℃左右，證明了脈沖充電能夠有效地控制電池內(nèi)部的溫升。到最后補(bǔ)足充電結(jié)束，整個(gè)內(nèi)化成充電時(shí)間僅為1600分鐘，較傳統(tǒng)的充電方法時(shí)間大幅縮短。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，充電機(jī)與國(guó)內(nèi)某廠商采用傳統(tǒng)充電方式同時(shí)對(duì)10個(gè)額定電壓為12 V，額定容量為70AH的蓄電池及20個(gè)額定電壓為12 V，額定容量為70AH的蓄電池進(jìn)行充電，其耗電量比較如表1所示。

由表1可知，充電機(jī)采用脈沖充電，相比于傳統(tǒng)的充電方式，有效地節(jié)省了電能。綜上所述，基于馬斯定律的脈沖充電法，不僅有效的跟蹤了鉛酸蓄電池的最佳充電曲線，較好的控制住了電池內(nèi)部的溫升，而且起到了提升充電效率，節(jié)約充電時(shí)間以及節(jié)能環(huán)保的作用。

參考文獻(xiàn)

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[3]楊淑霞，賈全倉(cāng).汽車用起動(dòng)型蓄電池充電方法研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010（06）：43-45.

作者簡(jiǎn)介

黃瑜侃（1985-），男，湖北武漢人，助理工程師，研究方向：電源技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、紅外成像技術(shù)。endprint

圖3 充電機(jī)工作時(shí)序圖

1）充電電源設(shè)計(jì)。充電機(jī)系統(tǒng)中的電源主要是給電池充電以及控制電路部分供電。給蓄電池充電的電源采用開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 開(kāi)關(guān)電源電路模型

采用開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，好處是輸出穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，使充電電流比較純凈，從而提升充電效率。

控制及驅(qū)動(dòng)采樣電路供電采用線性電源設(shè)計(jì)，由于控制及驅(qū)動(dòng)采樣電路工作電壓和電流較小，因此采樣線性電源設(shè)計(jì)，能夠有效的減小電路板元器件數(shù)量及電路板體積。

2）充電電路設(shè)計(jì)。充電機(jī)采用的是并聯(lián)的方式對(duì)兩路鉛酸蓄電池同時(shí)進(jìn)行充電，因此兩路的充電過(guò)程一致，理論上，當(dāng)充電結(jié)束時(shí)，兩路鉛酸蓄電池最后得到的電能應(yīng)該一致。但由于實(shí)際充電過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)蓄電池的個(gè)體差異以及環(huán)境影響等外界因素，兩路充電電路的充電效率不能做到完全一致，因此在第一階段及第三階段的恒流充電過(guò)程中，采用PWM控制進(jìn)行充電，通過(guò)控制占空比的值，改變充電電流大小，使兩路蓄電池得到的電能基本一致，避免出現(xiàn)一路充滿而另一路沒(méi)有充滿的情況。充電電路如圖5所示。

圖5 充電電路圖

充電電路采用經(jīng)典的BUCK降壓電路設(shè)計(jì)，圖中，VA表示輸入電源，通過(guò)IGBT開(kāi)關(guān)管Q101，電源向電池BATT1進(jìn)行充電。設(shè)t=0時(shí)刻，Q101導(dǎo)通，此時(shí)電池電壓等于供電電壓。當(dāng)t=t1時(shí)刻時(shí)，關(guān)斷Q101，此時(shí)負(fù)載電流通過(guò)二極管D蓄流。從0到t1時(shí)刻，為一個(gè)完整的工作周期，充電電壓的有效值如式（1）所示：

（1）

式中，U表示充電電壓有效值，ton表示IGBT導(dǎo)通時(shí)間，toff表示IGBT關(guān)斷時(shí)間，t表示IGBT一個(gè)導(dǎo)通及關(guān)斷周期，α表示導(dǎo)通占空比，E為充電電源電壓。由式（1）可知，控制器檢測(cè)電池兩端的電壓及電流，通過(guò)控制信號(hào)CHAR1控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的占空比α，改變充電電流的大小，使兩路鉛酸蓄電池充電電能達(dá)到基本一致。

3）放電電路設(shè)計(jì)。放電電路采樣BOOST升壓電路設(shè)計(jì)。因?yàn)槌潆姍C(jī)系統(tǒng)中含有能量存儲(chǔ)部分，用來(lái)存儲(chǔ)蓄電池放出的電能，必須保證蓄電池能夠有效的放出電能，將其存放在能量存儲(chǔ)器件中。需將放電電壓升高，保證其高于儲(chǔ)能元件的電壓，如圖6所示。

圖6 放電電路圖

當(dāng)控制器通過(guò)控制放電信號(hào)DISCHARGE1控制IGBT開(kāi)關(guān)管Q103導(dǎo)通及關(guān)斷，提高電池放電電壓的值，如式（2）所示：

（2）

式中，u0表示電池放電電壓，T表示IGBT一個(gè)導(dǎo)通及關(guān)斷周期，E表示電池經(jīng)過(guò)BOOST升壓電路處理后最后的放電電壓，toff表示開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)間，ton表示開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，由于T>toff，可知E大于u0，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通占空比，可以改變最終放電電壓E的大小。

4）電能存儲(chǔ)及回饋電路設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)工藝中，鉛酸蓄電池放出的電能一般采用以下兩種方式釋放。

①通過(guò)大功率的放電電阻釋放電能。釋放到電阻上的電能如式（3）所示：

（3）

式中，w為釋放到電阻上的電能，i為放電電流，r為放電電阻大小，s為放電時(shí)間，由式可知，放電時(shí)間s越長(zhǎng)時(shí)，當(dāng)放電電流i越大，放電電阻所接受的電能也越大。在實(shí)際使用中，放電電阻的阻值往往達(dá)到了數(shù)千歐，采用通過(guò)大功率放電電阻釋放電能的方式，不僅需要很大的空間，也會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的污染，不符合現(xiàn)今的環(huán)保精神。

②使用逆變器將電能回放到電網(wǎng)。通過(guò)逆變器，將電能放出的直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率的交流電，再將其回放到電網(wǎng)中。優(yōu)點(diǎn)是所需空間小，成本低，缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成高次諧波的污染。

基于節(jié)能環(huán)保的思想，設(shè)計(jì)了一種新的電能存儲(chǔ)及回饋電路，將蓄電池在放電周期中放出的電能存儲(chǔ)起來(lái)并在下一個(gè)充電周期到來(lái)的時(shí)候重新回充給蓄電池，其工作原理圖如圖7

所示。

圖7 電能存儲(chǔ)及回饋電路

當(dāng)蓄電池處于放電周期時(shí)，電容C101將蓄電池放出的電容存儲(chǔ)起來(lái)；當(dāng)蓄電池處于充電周期時(shí)，控制器通過(guò)控制信號(hào)RECHAR控制IGBT開(kāi)關(guān)管Q205導(dǎo)通，將電容C101上存儲(chǔ)的電能通過(guò)開(kāi)關(guān)管Q205及電感L104放出，重新給蓄電池充電。采用電容作為儲(chǔ)能元件，將蓄電池放出的電能存儲(chǔ)起來(lái)并再利用。

5）控制電路設(shè)計(jì)。充電機(jī)采用TMS320C2812作為主處理器，該處理器是美國(guó)TI公司推出的一種32位定點(diǎn)運(yùn)算的DPS芯片。其工作最高時(shí)鐘頻率可以達(dá)到185M，A/D精度可以達(dá)到12位，同時(shí)具備32的定時(shí)器及兩個(gè)SCI接口?？刂齐娐分饕饔檬峭ㄟ^(guò)控制充電電路，放電電路及能量回饋電路中的IGBT開(kāi)關(guān)管的通斷，從而控制充電機(jī)的充電時(shí)序，以及完成對(duì)電池的數(shù)據(jù)采集和顯示，存儲(chǔ)工作等。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，充電機(jī)以達(dá)到預(yù)期的效果。圖8為某次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度對(duì)比圖。

圖8 電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度對(duì)比圖

從圖8中可知，電池內(nèi)部的溫度一直低于60℃，在環(huán)境溫度明顯升高的情況下，電池內(nèi)部的溫度也沒(méi)有明顯的上升。在充電第一階段即恒流充電階段中，電池溫升較快，達(dá)到了50℃左右。在充電第二階段采用的是脈沖充電，電池的溫升得到了很好的抑制，直到脈沖充電階段結(jié)束，電池的內(nèi)部最高溫度也僅在55℃左右，證明了脈沖充電能夠有效地控制電池內(nèi)部的溫升。到最后補(bǔ)足充電結(jié)束，整個(gè)內(nèi)化成充電時(shí)間僅為1600分鐘，較傳統(tǒng)的充電方法時(shí)間大幅縮短。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，充電機(jī)與國(guó)內(nèi)某廠商采用傳統(tǒng)充電方式同時(shí)對(duì)10個(gè)額定電壓為12 V，額定容量為70AH的蓄電池及20個(gè)額定電壓為12 V，額定容量為70AH的蓄電池進(jìn)行充電，其耗電量比較如表1所示。

由表1可知，充電機(jī)采用脈沖充電，相比于傳統(tǒng)的充電方式，有效地節(jié)省了電能。綜上所述，基于馬斯定律的脈沖充電法，不僅有效的跟蹤了鉛酸蓄電池的最佳充電曲線，較好的控制住了電池內(nèi)部的溫升，而且起到了提升充電效率，節(jié)約充電時(shí)間以及節(jié)能環(huán)保的作用。

參考文獻(xiàn)

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[2]徐之鵬，李長(zhǎng)威.蓄電池的使用和保養(yǎng)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（04）：39.

[3]楊淑霞，賈全倉(cāng).汽車用起動(dòng)型蓄電池充電方法研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010（06）：43-45.

作者簡(jiǎn)介

黃瑜侃（1985-），男，湖北武漢人，助理工程師，研究方向：電源技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、紅外成像技術(shù)。endprint

圖3 充電機(jī)工作時(shí)序圖

1）充電電源設(shè)計(jì)。充電機(jī)系統(tǒng)中的電源主要是給電池充電以及控制電路部分供電。給蓄電池充電的電源采用開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 開(kāi)關(guān)電源電路模型

采用開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，好處是輸出穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，使充電電流比較純凈，從而提升充電效率。

控制及驅(qū)動(dòng)采樣電路供電采用線性電源設(shè)計(jì)，由于控制及驅(qū)動(dòng)采樣電路工作電壓和電流較小，因此采樣線性電源設(shè)計(jì)，能夠有效的減小電路板元器件數(shù)量及電路板體積。

2）充電電路設(shè)計(jì)。充電機(jī)采用的是并聯(lián)的方式對(duì)兩路鉛酸蓄電池同時(shí)進(jìn)行充電，因此兩路的充電過(guò)程一致，理論上，當(dāng)充電結(jié)束時(shí)，兩路鉛酸蓄電池最后得到的電能應(yīng)該一致。但由于實(shí)際充電過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)蓄電池的個(gè)體差異以及環(huán)境影響等外界因素，兩路充電電路的充電效率不能做到完全一致，因此在第一階段及第三階段的恒流充電過(guò)程中，采用PWM控制進(jìn)行充電，通過(guò)控制占空比的值，改變充電電流大小，使兩路蓄電池得到的電能基本一致，避免出現(xiàn)一路充滿而另一路沒(méi)有充滿的情況。充電電路如圖5所示。

圖5 充電電路圖

充電電路采用經(jīng)典的BUCK降壓電路設(shè)計(jì)，圖中，VA表示輸入電源，通過(guò)IGBT開(kāi)關(guān)管Q101，電源向電池BATT1進(jìn)行充電。設(shè)t=0時(shí)刻，Q101導(dǎo)通，此時(shí)電池電壓等于供電電壓。當(dāng)t=t1時(shí)刻時(shí)，關(guān)斷Q101，此時(shí)負(fù)載電流通過(guò)二極管D蓄流。從0到t1時(shí)刻，為一個(gè)完整的工作周期，充電電壓的有效值如式（1）所示：

（1）

式中，U表示充電電壓有效值，ton表示IGBT導(dǎo)通時(shí)間，toff表示IGBT關(guān)斷時(shí)間，t表示IGBT一個(gè)導(dǎo)通及關(guān)斷周期，α表示導(dǎo)通占空比，E為充電電源電壓。由式（1）可知，控制器檢測(cè)電池兩端的電壓及電流，通過(guò)控制信號(hào)CHAR1控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的占空比α，改變充電電流的大小，使兩路鉛酸蓄電池充電電能達(dá)到基本一致。

3）放電電路設(shè)計(jì)。放電電路采樣BOOST升壓電路設(shè)計(jì)。因?yàn)槌潆姍C(jī)系統(tǒng)中含有能量存儲(chǔ)部分，用來(lái)存儲(chǔ)蓄電池放出的電能，必須保證蓄電池能夠有效的放出電能，將其存放在能量存儲(chǔ)器件中。需將放電電壓升高，保證其高于儲(chǔ)能元件的電壓，如圖6所示。

圖6 放電電路圖

當(dāng)控制器通過(guò)控制放電信號(hào)DISCHARGE1控制IGBT開(kāi)關(guān)管Q103導(dǎo)通及關(guān)斷，提高電池放電電壓的值，如式（2）所示：

（2）

式中，u0表示電池放電電壓，T表示IGBT一個(gè)導(dǎo)通及關(guān)斷周期，E表示電池經(jīng)過(guò)BOOST升壓電路處理后最后的放電電壓，toff表示開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)間，ton表示開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，由于T>toff，可知E大于u0，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通占空比，可以改變最終放電電壓E的大小。

4）電能存儲(chǔ)及回饋電路設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)工藝中，鉛酸蓄電池放出的電能一般采用以下兩種方式釋放。

①通過(guò)大功率的放電電阻釋放電能。釋放到電阻上的電能如式（3）所示：

（3）

式中，w為釋放到電阻上的電能，i為放電電流，r為放電電阻大小，s為放電時(shí)間，由式可知，放電時(shí)間s越長(zhǎng)時(shí)，當(dāng)放電電流i越大，放電電阻所接受的電能也越大。在實(shí)際使用中，放電電阻的阻值往往達(dá)到了數(shù)千歐，采用通過(guò)大功率放電電阻釋放電能的方式，不僅需要很大的空間，也會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的污染，不符合現(xiàn)今的環(huán)保精神。

②使用逆變器將電能回放到電網(wǎng)。通過(guò)逆變器，將電能放出的直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率的交流電，再將其回放到電網(wǎng)中。優(yōu)點(diǎn)是所需空間小，成本低，缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成高次諧波的污染。

基于節(jié)能環(huán)保的思想，設(shè)計(jì)了一種新的電能存儲(chǔ)及回饋電路，將蓄電池在放電周期中放出的電能存儲(chǔ)起來(lái)并在下一個(gè)充電周期到來(lái)的時(shí)候重新回充給蓄電池，其工作原理圖如圖7

所示。

圖7 電能存儲(chǔ)及回饋電路

當(dāng)蓄電池處于放電周期時(shí)，電容C101將蓄電池放出的電容存儲(chǔ)起來(lái)；當(dāng)蓄電池處于充電周期時(shí)，控制器通過(guò)控制信號(hào)RECHAR控制IGBT開(kāi)關(guān)管Q205導(dǎo)通，將電容C101上存儲(chǔ)的電能通過(guò)開(kāi)關(guān)管Q205及電感L104放出，重新給蓄電池充電。采用電容作為儲(chǔ)能元件，將蓄電池放出的電能存儲(chǔ)起來(lái)并再利用。

5）控制電路設(shè)計(jì)。充電機(jī)采用TMS320C2812作為主處理器，該處理器是美國(guó)TI公司推出的一種32位定點(diǎn)運(yùn)算的DPS芯片。其工作最高時(shí)鐘頻率可以達(dá)到185M，A/D精度可以達(dá)到12位，同時(shí)具備32的定時(shí)器及兩個(gè)SCI接口。控制電路主要作用是通過(guò)控制充電電路，放電電路及能量回饋電路中的IGBT開(kāi)關(guān)管的通斷，從而控制充電機(jī)的充電時(shí)序，以及完成對(duì)電池的數(shù)據(jù)采集和顯示，存儲(chǔ)工作等。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，充電機(jī)以達(dá)到預(yù)期的效果。圖8為某次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度對(duì)比圖。

圖8 電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度對(duì)比圖

從圖8中可知，電池內(nèi)部的溫度一直低于60℃，在環(huán)境溫度明顯升高的情況下，電池內(nèi)部的溫度也沒(méi)有明顯的上升。在充電第一階段即恒流充電階段中，電池溫升較快，達(dá)到了50℃左右。在充電第二階段采用的是脈沖充電，電池的溫升得到了很好的抑制，直到脈沖充電階段結(jié)束，電池的內(nèi)部最高溫度也僅在55℃左右，證明了脈沖充電能夠有效地控制電池內(nèi)部的溫升。到最后補(bǔ)足充電結(jié)束，整個(gè)內(nèi)化成充電時(shí)間僅為1600分鐘，較傳統(tǒng)的充電方法時(shí)間大幅縮短。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，充電機(jī)與國(guó)內(nèi)某廠商采用傳統(tǒng)充電方式同時(shí)對(duì)10個(gè)額定電壓為12 V，額定容量為70AH的蓄電池及20個(gè)額定電壓為12 V，額定容量為70AH的蓄電池進(jìn)行充電，其耗電量比較如表1所示。

由表1可知，充電機(jī)采用脈沖充電，相比于傳統(tǒng)的充電方式，有效地節(jié)省了電能。綜上所述，基于馬斯定律的脈沖充電法，不僅有效的跟蹤了鉛酸蓄電池的最佳充電曲線，較好的控制住了電池內(nèi)部的溫升，而且起到了提升充電效率，節(jié)約充電時(shí)間以及節(jié)能環(huán)保的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]李奇.閥控式鉛酸蓄電池的運(yùn)行與維護(hù)[J].湖北電力，2005，29（2）：34-36.

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[3]楊淑霞，賈全倉(cāng).汽車用起動(dòng)型蓄電池充電方法研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010（06）：43-45.

作者簡(jiǎn)介

黃瑜侃（1985-），男，湖北武漢人，助理工程師，研究方向：電源技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、紅外成像技術(shù)。endprint