廣東天波信息技術(shù)股份有限公司 顏君志
科學(xué)技術(shù)的發(fā)展的同時,電池在交通、通訊和電力等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,具有極高的應(yīng)用價值。鉛酸蓄電池在實際的使用中,需要配合有效的充電方式,保障電池的功能性與服務(wù)性?;诖耍疚膶︺U酸蓄電池快速充電方法展開研究,再分析具體的實現(xiàn)方式,詳細內(nèi)容如下。
文章主要以室外公話電池為例,展開電池快速充電技術(shù)分析。室外公話采用路燈電源供電,夜晚充電10h,白天由電池供電,通話時間<1h/天,占80%。具體的電池為鉛酸蓄電池。該電池具有良好的利用價值,為滿足無線室外電話中斷的需求,鉛酸蓄電池的電路設(shè)計盡可能保障電池服務(wù)年限。但考慮一些外界因素影響,具體因素分析如下:
(1)不同地區(qū)的溫度環(huán)境存在明顯差異,且區(qū)域四季的溫差較為顯著;
(2)考慮部分地區(qū)電池作為備用電池,部分區(qū)域?qū)㈦姵刈鳛橹饕娫垂┙o的差異;
(3)考慮不同區(qū)域的室外公話使用頻率、時長和耗電等;
(4)考慮終端的充電耗時差異,需借助快速充電,減弱對電池壽命的影響;
(5)思考并研究電池差異和通用性。
在實際的使用過程中,由于不合理的使用方法降低蓄電池壽命,為確保電池的有效應(yīng)用,現(xiàn)對影響電池使用壽命的主要因素展開分析,分析如下:
(1)電池過放電會造成電池內(nèi)部的硫酸鉛被吸附到電池陰極表面,導(dǎo)致硫酸鉛的產(chǎn)生,從而導(dǎo)致電池的功能障礙。而且,隨著硫化程度的不斷提升,電池的容量變化下降,最終導(dǎo)致電池壽命縮短。
(2)電池過充電由于劇烈的放出氣泡,會在極板內(nèi)部造成壓力,加劇活性物質(zhì)的脫落,使極板過早損壞,不宜于蓄電池后期充電。
(3)電池的壽命一般在十年左右,或者說電池可循環(huán)使用次數(shù)為300~600次,這些都是在最佳環(huán)境溫度(20℃~25℃)條件下的參數(shù)。但使用溫度比相對標準溫度每升高10℃,電池的使用壽命就會縮減一半左右。而且,溫度對鉛酸電池的最佳充電電壓還具有影響,不同的溫度下,最佳充電電壓也存在差異,如溫度上升1℃,最佳充電電壓將下降3mV。
實踐證明,要保證鉛酸蓄電池的使用壽命,正確充電方法是非常重要的,溫度對充電有很重要的影響,其中正確的充電方法不僅使蓄池的壽命得以延長,而且又可使它的容量得以充分利用。
綜合上電池使用場景、電池使用壽命等因素,本文對電池快速充電電路方法進行研究,給出預(yù)充、恒流、脈沖恒流、帶溫度補償?shù)母〕渌碾A段充電方法。
當(dāng)電池兩端電壓低于低壓門限VCOND時,由恒壓充電路對電池進行預(yù)充電,充電電流為ICOND;電池兩端電壓上升至VMIN,完成預(yù)充電階段T1;充電電路進入正常恒流充電階段T2,充電電流為IMAX,充電過程中,采樣比較控制脈寬調(diào)制電路不斷對電池兩端電壓采樣比較,當(dāng)電池充電壓達到充電截止電壓VBLK,完成正常恒流充電階段T2;充電電路進入恒流脈沖和恒壓混合充電階段T3,充電電路以浮充電流IFLT對電池充電,由于電池電量還未接近飽和,電池電壓下降較快,當(dāng)電池電壓下降超過門限電壓VHYST時,充電電路啟動恒流充電,實現(xiàn)恒流脈沖和恒壓混合充電的循環(huán)過程;當(dāng)電池電量基本充滿,恒壓充電足以維持穩(wěn)定電池電壓,充電電路處于恒壓浮充充電階段T4,此時充電電路以浮充電流IFLT對電池充電,維持電池電壓大于VHYST。
圖1 充電過程示意圖
本設(shè)計主要是針鉛酸蓄電池展開分析,旨意保障鉛酸蓄電池的快速充電,提高電池的服務(wù)能力,滿足實際使用需求。如表1所示,為具體電池快速充電的條件與限制情況。
表1 條件與限制
現(xiàn)結(jié)合實際情況,對具體電池快速充電方法設(shè)計及實現(xiàn)進行分析。受約束條件限制,輸入電壓選擇12V,當(dāng)電池2端電壓低于4.4±20%時,電池的充電方式為恒壓充電。完成預(yù)充電后,電路進入到恒流狀態(tài),規(guī)避電流過大造成的不良影響。輸入電能源DC-DC降壓后再供給恒流充電電流。具體的充電過程中,實現(xiàn)對電池2端電壓的采樣,再進行比較。如果恒流達到截止電壓后,電路轉(zhuǎn)變?yōu)楹懔髅}沖和浮充混合的方式實現(xiàn)充電。如圖2所示,為系統(tǒng)設(shè)計框圖。
圖2 系統(tǒng)設(shè)計框圖
現(xiàn)結(jié)合實際情況,對各個功能模塊進功能闡述,對關(guān)鍵功能模塊電路圖并說明,詳細內(nèi)容如下:
(1)DC-DC降壓電路。終端輸入電壓POT為+12V,如果直接供給恒流電流充電,電流過大電池壽命降低,,借助DC-DC降壓電路實現(xiàn)對直流的降壓輸出+8V。
(2)恒流充電電路。恒流充電電路實現(xiàn)快速充電的基礎(chǔ),在具體的電路設(shè)計中,需要考慮電路的保護工作。恒流充電電路是由三極管、MOS管組成的其中,其中,當(dāng)電壓較低時,CHG_CTL為低電平時,控制MOS導(dǎo)通。通常情況下,恒流的電流為330~400mA之間,且三極管管壓降對一致性存在輕微的影響。為實現(xiàn)對電池的保護,在恒流充電電路的設(shè)計中,將一個較小電流經(jīng)R112加達到電池上,從而規(guī)避MOS管的損壞情況,確保電池充電的可靠性,如圖3所示。
圖3 帶涓流充的恒流充電電路
(3)浮充穩(wěn)壓電路。浮充穩(wěn)壓電路的輸入電壓為12V,且能夠?qū)㈦妷悍€(wěn)定成為浮充充電恒壓,為電池充電提供溫度補償,如圖4所示。其中U101溫度補償關(guān)鍵器件,通過溫度補償在溫度0℃、25℃、40℃的浮充電壓V_FLT分別為+7V、+6.8V、+6.6V。
(4)比較控制脈寬調(diào)制電路。此電路實現(xiàn)了具有回差功能的比較控制脈寬調(diào)制電路,電池端電壓分壓后與基準電壓進行比較,低于基準電壓,比較器輸出低電平,否則輸出高電平,其信號輸出FLT_CTL是恒流與恒壓充電的切換控制信號;另外CHG_CTRL輸出高電平關(guān)斷恒流充電,關(guān)閉恒流后電池電壓高于恒壓充電電壓,為防止電池電流倒灌至恒壓充電電路,比較恒壓充電電壓與電池電壓,只有恒壓充電電壓高于電池電壓才開啟恒壓充電。
圖4 帶溫度補償浮充穩(wěn)壓電路圖
圖5 比較控制脈寬調(diào)制電路
(5)恒壓充電電路。在本次設(shè)計中,由輸入控制切換信號FLT_CTL控制MOS開啟與關(guān)閉浮充,并實現(xiàn)對電壓低時的預(yù)充電,避免電池出現(xiàn)過度放電的問題。
本文對電池快速充電的方法和電路實現(xiàn)進行分析,主要以鉛酸蓄電池為例,分析具體影響鉛酸電池使用壽命的因素,再分析具體鉛酸電池的快速充電方法及具體設(shè)計電路進行闡述。本設(shè)計電池電壓低時采用恒流預(yù)充電,浮充時采取溫度補償,在恒流充電后期自動轉(zhuǎn)為恒壓浮充和自適應(yīng)脈寬脈沖恒流混合模式,避免了初期充電電流過大和后期過充的缺點,既能實現(xiàn)快速充電又能有效地延長電池的使用壽命。