孫莉莉　雷永鋒　李自成

摘要：針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人充電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，找到影響充電速度的原因——電極極化。以最佳充電曲線(xiàn)和馬斯三定律為理論依據(jù)，提出以正負(fù)脈沖間歇充放電為主的三段式快速充電方案。通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，確定各個(gè)充電階段的相關(guān)參數(shù)。同時(shí)設(shè)計(jì)充電系統(tǒng)的硬件電路，編寫(xiě)充電控制程序。結(jié)果表明，三段式充電有效消除了蓄電池的極化，大幅度提高了充電接受率，大大縮短充電時(shí)間，真正做到快速、高效、安全地充電。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)器人；快速充電；電池極化；間歇充放電

中圖分類(lèi)號(hào)： TM912.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）07-0435-04

中國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模化和精準(zhǔn)化是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要標(biāo)志。農(nóng)業(yè)機(jī)器人在改善農(nóng)民勞動(dòng)環(huán)境、降低農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度和提高勞動(dòng)效率等方面具有重要意義，尤其在育苗、采摘、灌溉、收獲等方面得到了一定程度的應(yīng)用 [1～2]。因此，國(guó)家已把農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用列為農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的重點(diǎn)研發(fā)對(duì)象之一。但農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)在推廣過(guò)程中受到了時(shí)間和空間的限制，主要原因在于機(jī)器人動(dòng)力源問(wèn)題。因此，作為機(jī)器人動(dòng)力源的蓄電池以及能量補(bǔ)給的充電系統(tǒng)顯得尤為重要[3]。調(diào)查結(jié)果表明，現(xiàn)在的蓄電池由于充電設(shè)備落后、充電方法不當(dāng)導(dǎo)致其使用壽命只有2～3年，遠(yuǎn)低于其設(shè)計(jì)指標(biāo)10～15年的要求，這既增加了使用成本又造成了資源的極大浪費(fèi)。

目前，一般的蓄電池充電系統(tǒng)完成1次充電需要8～12 h，顯然無(wú)法滿(mǎn)足機(jī)器人對(duì)充電系統(tǒng)的要求以及生產(chǎn)的需要。因此，設(shè)計(jì)一種快速、高效和安全的智能充電系統(tǒng)，是農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到大力發(fā)展的重要前提。

1 快速充電理論

美國(guó)人馬斯在1967年依據(jù)大量試驗(yàn)提出了蓄電池可接受的最佳充電電流曲線(xiàn)（圖1）[4]，并給出充電電流的衰減規(guī)律：

I=I0e-at。

（1）

式中：I為任意時(shí)刻的充電電流，I0為初始充電電流，a為充電接受率，t為充電時(shí)間。從圖1可以看出，接受區(qū)的任何充電電流不會(huì)引起極化，但會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間[4]；出氣區(qū)的任何充電電流則會(huì)導(dǎo)致析氣量增多加劇極化，降低充電速度。

馬斯三定律證明了在蓄電池充電過(guò)程中適時(shí)地進(jìn)行短時(shí)間的大電流放電，提高蓄電池的充電接受率，增強(qiáng)蓄電池接受電流的能力，加快充電速度。

2 快速充電方案的確定

2.1 鉛酸蓄電池的極化

極化即蓄電池充放電過(guò)程中，其端電壓大于開(kāi)路電壓的現(xiàn)象，極化是影響充電速度和充電效率最主要的原因。極化會(huì)阻礙充電電流的增加，減緩化學(xué)反應(yīng)速度；還會(huì)加劇水解反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣體，延緩充電速度腐蝕極板；還會(huì)產(chǎn)生熱量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸。極化包括濃度極化、歐姆極化和電化學(xué)極化。濃度極化是由溶液中離子擴(kuò)散過(guò)程的遲緩性，造成在一定電流下電極表面與溶液本體濃度差而產(chǎn)生極化，充電停止后濃度極化逐漸減弱并最終消失；歐姆極化是由電池各連接部分的電阻造成的；電化學(xué)極化是由電極表面電化學(xué)反應(yīng)的遲緩性造成。后二者充電結(jié)束后立即消失。

2.2 快速充電方案

實(shí)現(xiàn)快速充電需采用大電流，但大電流充電勢(shì)必會(huì)加劇極化，對(duì)蓄電池造成很大的危害[6]。因此，要實(shí)現(xiàn)快速、無(wú)損充電必須減弱或者消除充電過(guò)程中的極化。

本研究以馬斯三定律為理論基礎(chǔ)，并依據(jù)蓄電池的充放電原理以及極化的產(chǎn)生機(jī)理，采用以正負(fù)脈沖間歇充放電為主的三段式充電方案。將整個(gè)充電過(guò)程分為正負(fù)脈沖間歇充放電、恒壓充電、恒流浮充3個(gè)階段，充電曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

第一階段：采用不同時(shí)間寬度的正脈沖對(duì)蓄電池充電，負(fù)脈沖前后的停充間歇自動(dòng)消除歐姆極化和電化學(xué)極化，削弱濃度極化。負(fù)脈沖放電還可消除極板孔隙間的氣體，進(jìn)一步削弱濃度極化，提高充電接受率，增大充電電流，達(dá)到快速充電的目的[7～8]。

第二階段：對(duì)蓄電池進(jìn)行14.7 V恒壓充電。充電過(guò)程中充電電流逐漸減小，當(dāng)電流降至0.1 A時(shí)，轉(zhuǎn)入第三階段。

第三階段：采用0.1 A恒流浮充，主要提供蓄電池自放電的能量補(bǔ)給。

2.3 確定正負(fù)脈沖間歇充電參數(shù)

蓄電池充入電量的90%都來(lái)自于正負(fù)脈沖間歇充放電，因此，合理設(shè)置此階段的充電參數(shù)是實(shí)現(xiàn)快速充電的基礎(chǔ)。本研究以12 V/10 （A·h）鉛酸蓄電池為對(duì)象進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算。

蓄電池開(kāi)始充電時(shí)充電接受率約為1，所以初始充電電流理論值可取10 A。從圖1可知，充電電流按指數(shù)規(guī)律快速衰減，為了保證充電順利進(jìn)行，本研究選用9.5 A的電流充電。當(dāng)電流衰減到E點(diǎn)時(shí)，如果繼續(xù)用9.5 A的電流充電就會(huì)產(chǎn)生極化。依據(jù)馬斯定律，此時(shí)采用大電流放電會(huì)削弱極化，增大充電接受率，則使充電電流由E點(diǎn)上升到A點(diǎn)，保證蓄電池仍能以9.5 A的電流繼續(xù)充電，充電曲線(xiàn)由1轉(zhuǎn)換為2。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較取放電電流為5 A，既保證放電電流不對(duì)極板產(chǎn)生沖擊，又保證充電效率。因此，依次在F、G、H等點(diǎn)放電，即可一直用9.5 A的電流進(jìn)行充電（圖3）。

2.3.1 計(jì)算負(fù)脈沖時(shí)間寬度 本研究以增加充電電流 9.5 A 的1%為目的進(jìn)行負(fù)脈沖放電，則可接受的電流增量I0d=95 mA。

當(dāng)充入額定容量的90%時(shí)，停止正負(fù)脈沖間歇充電，可算得n=226。

除了利用負(fù)脈沖放電消除極化，還可以在負(fù)脈沖放電前后設(shè)置停充間歇。停充間歇既可進(jìn)一步消除極化，又可為正負(fù)脈沖之間的轉(zhuǎn)換提供緩沖時(shí)間。因此，依據(jù)大量試驗(yàn)在負(fù)脈沖前后分別設(shè)置0.5 s的停充間歇。

3 硬件及軟件的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件電路的設(shè)計(jì)

充電系統(tǒng)由主電路和控制電路組成，電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。主電路包括輸入整流濾波、DC/AC逆變、高頻變壓器、輸出整流濾波和雙向DC/DC電路[9]。雙向DC/DC電路采用 Buck/Boost 結(jié)構(gòu)，它既可實(shí)現(xiàn)正脈沖充電，又通過(guò)電容為負(fù)脈沖放電提供能量通道，存儲(chǔ)的能量用于下次充電，提高充電效率。控制電路由單片機(jī)PIC18F4520、信息采集處理電路和指示報(bào)警電路組成[10]。ECCP1模塊產(chǎn)生的PWM信號(hào)用于控制半橋逆變器中功率管S1和S2的通斷，CCP2模塊產(chǎn)生的PWM信號(hào)用于控制雙向DC/DC電路功率管S3和S4的通斷。通過(guò)對(duì)充電電壓、電流信息的采集實(shí)現(xiàn)電壓、電流閉環(huán)控制。通過(guò)對(duì)溫度的采集實(shí)現(xiàn)超溫故障報(bào)警。

3.2 充電控制流程

充電系統(tǒng)以硬件電路為基礎(chǔ)，通過(guò)程序控制完成了正負(fù)脈沖間歇充放電、恒壓充電和恒流浮充三段式充電。充電控制程序流程見(jiàn)圖5。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

負(fù)脈沖放電（圖6）和停充間歇（圖7）對(duì)極化影響的局部放大，從圖中可以看出，二者都削弱了極化，提高了蓄電池的充電接受能力。

本研究還將三段式充電和傳統(tǒng)多階脈沖充電進(jìn)行了充電比較，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖8、表1。

從圖8可以看出，正負(fù)脈沖間歇充電到電池容量的90%只需要1.3 h，傳統(tǒng)的多階脈沖充電需要2 h以上。從表1可以看出，正負(fù)脈沖間歇充電的充電效率比多階脈沖充電高5%，溫度升高卻低4 ℃。證明正負(fù)脈沖間歇充電提高了充電效率，加快了充電速度，保護(hù)了電池，真正做到了高效、安全、無(wú)損地充電。

5 結(jié)論

本研究針對(duì)蓄電池充放電過(guò)程中存在的極化現(xiàn)象，提出了以正負(fù)脈沖間歇充電為主的三段式充電方案。以9.5 A恒流充電為目的，依據(jù)馬斯三定律和最佳充電電流曲線(xiàn)，算出不同充電接受率時(shí)的正脈沖寬度，計(jì)算負(fù)脈沖的寬度，設(shè)置間歇時(shí)間，同時(shí)設(shè)計(jì)充電系統(tǒng)的硬件電路和充電控制程序。結(jié)果表明，正負(fù)脈沖間歇充電有效地消除了電池的極化，增大了充電接受率，縮短了充電時(shí)間，提高了充電效率。

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