孫安全，潘永雄，蘇成悅（廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

鉛酸蓄電池智能快充的電路設(shè)計(jì)*

孫安全，潘永雄，蘇成悅
（廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

為了縮短鉛酸蓄電池的充電時(shí)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(shè)計(jì)制作了快速充電模式電路。該模式運(yùn)用較為簡單的反激拓?fù)洌黾恿颂岣逷F的前置電路，采取了靈敏的控制電路芯片——STM8S103C6單片機(jī)。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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，該電路在不影響鉛酸電池的物理化學(xué)性質(zhì)的前提下，提高了充電電路的PF、效率，縮短了充電時(shí)間。

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(jià)格低廉、制作材料簡單、工藝成熟、性能穩(wěn)定而使其應(yīng)用價(jià)值與日俱增，其應(yīng)用領(lǐng)域小到家用電動(dòng)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(shí)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(shí)間過長。為了解決鉛酸蓄電池充電時(shí)間長、效率低的問題，本文以單片機(jī)為輔助手段，結(jié)合改進(jìn)的三段式充電模式，設(shè)計(jì)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(fù)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(fù)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(yīng)式如式（1）。當(dāng)鉛酸蓄電池放電時(shí)，正極板的二氧化鉛（PbO2）與硫酸（H2SO4）反應(yīng)下生成硫酸鉛（PbSO4）和水（H2O），負(fù)極板則有鉛（Pb）與硫酸根離子（SO-4）反應(yīng)生成硫酸鉛（PbSO4）。此時(shí)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，為負(fù)載供電。電解液濃度降低；當(dāng)鉛酸蓄電池充電時(shí)，硫酸鉛（PbSO4）在正極板和負(fù)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(yīng)為電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，同時(shí)硫酸（H2SO4）的濃度升高。但同時(shí)，在充電時(shí)，隨著溫度的升高，鉛酸蓄電池內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，包括內(nèi)阻極化、濃度差極化、電化學(xué)極化等[5]。極化又帶來水電解的副反應(yīng)，稱為析氣現(xiàn)象。反應(yīng)式如式（2）、式（3）[6]。

副反應(yīng)方程式之正極：

副反應(yīng)方程式之負(fù)極：

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(shí)間，蓄電池可接受最佳電流為一個(gè)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(shí)間；I是任意時(shí)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。

圖1 蓄電池充電電流曲線圖

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(shí)，蓄電池內(nèi)部才不會(huì)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(shí)，就會(huì)加劇蓄電池內(nèi)部溫度的升高，促進(jìn)電池內(nèi)部水的電解，析氣現(xiàn)象嚴(yán)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(shí)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(gè)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(shí)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(shí)刻給予較大深度的放電，可以提高?因子，即提高蓄電池的充電電流接受比，這正是加快充電進(jìn)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(shè)計(jì)了快速充電的模式：第一級(jí)充電方式為涓流；第二級(jí)充電方式為大電流的恒流；第三級(jí)充電方式為恒壓；最后一級(jí)充電方式為浮充。由于在第二級(jí)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(yán)重，故在其充電過程加入了一個(gè)按時(shí)間比例控制的深度放電負(fù)脈沖。而在其他幾級(jí)充電模式下，在檢測到蓄電池的溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，同樣加入深度放電的負(fù)脈沖，以便降溫和降低析氣程度。

圖2 蓄電池最佳充電電流值與放電電流脈沖的關(guān)系圖

以12 V·7 Ah的鉛酸蓄電池為例，12 V的鉛酸蓄電池由6個(gè)2 V的單體組成，鉛酸蓄電池單個(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)，當(dāng)充電電流達(dá)到0.02 C=0.14 A時(shí)，意味著鉛酸蓄電池充電的結(jié)束；而在第二級(jí)大電流充電時(shí)，最大的充電電流設(shè)定為鉛酸蓄電池容量的0.15～0.25倍，以此來保護(hù)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。

圖3 鉛酸蓄電池充電曲線圖

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

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(hào)流動(dòng)的方向，該系統(tǒng)主要由第一級(jí)的AC/ DC的APFC升壓模塊、第二級(jí)的DC/DC反激降壓模塊、第三級(jí)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。

圖4 蓄電池充電框圖

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(jí)反激拓?fù)浣Y(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(shè)計(jì)該電路?？刂菩酒現(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(jí)電路輸出正常時(shí)，引導(dǎo)第二級(jí)工作。FAN7930C周圍電路設(shè)計(jì)如圖5所示。依據(jù)FAN7930C芯片資料，當(dāng)?shù)谝患?jí)輸出達(dá)到設(shè)定輸出的89%，即輸出電壓UO1=89%×390=347.1 V時(shí)，RDY腳輸出為高電平，NPN晶體管Q1飽和導(dǎo)通，此時(shí)電解電容C3充電，當(dāng)C3端電壓達(dá)到第二級(jí)芯片開啟電壓時(shí)，第二級(jí)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(jí)因電解電容能量不足而停止工作。故RDY腳控制著第二級(jí)電路的開通與關(guān)斷，避免第二級(jí)因欠壓而使變壓器磁芯飽和，造成第二級(jí)電路損壞。

圖5 FAN7930C周圍電路

2.3 反激輸出電路

本文電路設(shè)計(jì)的輸出功率相對不高（PO=UO×IO= 14.4×1.75=25.2 W），所以第二級(jí)電路采用較為簡單的反激拓?fù)潆娐?，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(shè)計(jì)為150 kHz；輸入電壓由上一級(jí)電解電容C3提供；輸出因電流較大（1.75 A），故輸出多并幾個(gè)快恢復(fù)二極管，用于分流和減少反向恢復(fù)時(shí)間。因芯片AP4313內(nèi)部有精準(zhǔn)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(shí)就是帶有基準(zhǔn)電壓的兩個(gè)運(yùn)算放大器。采樣電壓（采樣電流轉(zhuǎn)化為采樣電壓）與基準(zhǔn)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。

圖6 AP4313內(nèi)部電路圖

圖7 AP4313周圍電路布局電路圖

2.4 控制電路

充放電控制電路是控制器設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵[15]?？刂颇K電路如圖8所示，控制開關(guān)由兩個(gè)P溝道MOSFET（Q2、Q3）構(gòu)成，而驅(qū)動(dòng)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(qiáng)、可靠性強(qiáng)、運(yùn)行速度快的特點(diǎn)，并內(nèi)置了高速中分辨率的10位ADC轉(zhuǎn)換器。故其能及時(shí)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(gè)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(gè)階段。

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

圖8 控制模塊電路圖

因此，兩個(gè)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(shí)間，減弱了鉛酸蓄電池內(nèi)部的極化反應(yīng)，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(shí)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(yīng)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(jìn)入浮充模式充電，其主要是用來補(bǔ)充鉛酸蓄電池自放電，不斷以小電流補(bǔ)充，使其始終處在慢電流充電狀態(tài)，也標(biāo)志著充電過程的結(jié)束[16]。整個(gè)充電、放電電路，須時(shí)刻檢測蓄電池兩端的溫度，隨時(shí)調(diào)整充電模式，從而有效地保護(hù)蓄電池的壽命。

圖9 蓄電池充電流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在本次試驗(yàn)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。

表1 傳統(tǒng)充電數(shù)據(jù)

表2 快充數(shù)據(jù)

從兩種不同的充電數(shù)據(jù)對比可知，本文設(shè)計(jì)制作的快充充電器，無論時(shí)間、PF或效率都優(yōu)于市場上部分傳統(tǒng)的充電器，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的目的。

5 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)的充電模式下，設(shè)計(jì)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(fù)脈沖結(jié)合的模式電路，通過對12 V·7 Ah鉛酸蓄電池的實(shí)驗(yàn)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(shí)間，實(shí)現(xiàn)了對鉛酸蓄電池快速充電的目的。

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

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

[3]王萌萌，劉斌，王丹.基于單片機(jī)的脈沖快速充電系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)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(xué)，2014.

[6]姜俊斐.鉛酸蓄電池的工作原理與維護(hù)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(luò)信息，2011，11（1）：34-36.

[8]李淑芳.鉛酸蓄電池快速充電器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，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(jí)AC/DC諧振拓?fù)涞男铍姵乜焖俪潆娂夹g(shù)[D].秦皇島：燕山大學(xué)，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(dòng)化應(yīng)用，2014（9）：8-10.

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

[14]李廣全，王志強(qiáng)，張梅，等.單級(jí)功率因數(shù)校正（PFC）變換器的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2003，6（10）：555-558.

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

[16]鄭強(qiáng)勝.基于單片機(jī)技術(shù)的電動(dòng)自行車快速充電器設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù)，2014，31（2）：66-67.

The intelligent design of lead acid battery fast charging circuit

Sun Anquan，Pan Yongxiong，Su Chengyue
（Department of Physics and Optoelectronic Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

In order to shorten the charging time of battery and improve the efficiency of power conversion，this paper designs a new charging mode circuit based on the traditional charging mode and the relationship between charge and discharge of the battery. This charging mode performs the simple flyback topology and the circuit that improving PF，as well as its control unit based on STM8S103C6.Contributing to the combination of hardware and software，the reliability of circuit is increased.The experimental data showed that，the device based on the physical and chemical properties of the lead-acid battery enhances the circuit PF，efficiency and shortens the charging time.

lead acid battery；PF；STM8S103C6；fast charging

TN86

A

1674-7720（2015）17-0021-05

孫安全，潘永雄，蘇成悅.鉛酸蓄電池智能快充的電路設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（17）：21-25.

2015-05-02）

孫安全（1987-），男，碩士研究生，主要研究方向：開關(guān)電源、鉛酸蓄電池快速充電電路。

2013年廣東省信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)現(xiàn)代信息服務(wù)業(yè)項(xiàng)目（2150510）；2013年中山市科技強(qiáng)企資助項(xiàng)目（2013B3FC0002）

潘永雄（1964-），男，碩士，副教授，主要研究方向：開關(guān)電源、電子技術(shù)應(yīng)用。

蘇成悅（1961-），男，博士，教授，主要研究方向：應(yīng)用物理、應(yīng)用光學(xué)、電子、LED應(yīng)用。