免維護鉛酸電池智能快速充電系統

1．引言

　　自1859年法國物理學家普蘭特（Plante）發明了鉛酸蓄電池至今已有140年的歷史。鉛酸蓄電池有著成本低，適用性寬，可逆性好，大電流放電性能良好，單體電池電壓高，并可制成密封免維護結構等優點，而被廣泛地應用于車輛啟動、郵電、電力、鐵路、礦山、采掘、計算機UPS等各個領域中。蓄電池也是國民經濟以及國防建設的重要能源，在許多行業的發展中，也迫切需要容量大、循環壽命長、充電時間短、價格低的蓄電池。而快速充電技術也成為了其中的關鍵技術，它對電池的使用有著非常重要的影響。目前，國內外都在不斷地研究這一技術，而在快速充電技術中引入計算機控制，是非常有效的，且有著非常明顯的經濟效益。而單片機又以其低廉的成本，靈活的控制方式而得到業界的青睞，本系統就是以AT89C2051單片機為核心，集測量與控制為一體的智能化快速充電系統。

2．快速充電的機理

　　鉛酸蓄電池快速充電技術是在常規充電技術的基礎上發展起來的，不論采用何種充電制度進行充電，鉛酸蓄電池充電的成流過程都要遵守雙極硫酸鹽化理論，即其化學反應方程式為：

　　按常規充電法，充電電流安培數，不應超過蓄電池待充電的安時數。這樣，才可保證在整個充電過程中，產生氣體和溫升的狀況符合要求。因此，常規的蓄電池其充電方法都采用小電流的恒壓或恒流充電，充電時間長達10至20多個小時，給實際使用帶來許多的不便。為了縮短電池的充電時間，國內外一直都在不斷地研究和開發快速充電方法和技術。
　　1967年美國人麥斯（J. A. Mas）提出了蓄電池充電的三個定律后，這些理論就成為了我們研究快速充電技術的基礎。蓄電池有著如下的充電特性：
　　（1）蓄電池充電接受能力隨放電深度而變化。如果以相同大小的電流放電，則，放出電量越多，充電接受率α越高，充電接受電流越大。即有如下關系：

　　又因　　
　　　　 故有　　

　　I₀——開始充電時的最大初始電流值。
　　C——放電容量。
　　K——常數，可由實驗求出。
　　（2）對于任何給定的放電深度，充電接受率：

　　又因I0=αC，所以

　　I_d——放電電流。
　　常數K和k可由實驗得出。
　　上式表明，蓄電池的充電接受率取決于它的放電歷史，以小電流長時間放電的蓄電池，充電接受率低，相反，以大電流短時間放電的蓄電池，充電接受率高。
　　（3）一個蓄電池經幾種放電率放電，其充電接受電流是各個放電率下接受電流之和。即：　 It = I1+I2+I3+……
　　同時服從：

　　I_t——總接受電流。
　　C_t——放出的總電量。
　　α_t——總的充電接受率。
　　放電可使全部放掉的電量Ct增加，同時也使總的充電接受電流It增加。因此，蓄電池在充電前或充電過程中適當地放電，將會增加充電接受率αt。
　　按照麥斯理論，我們對充電過程中的充電電流進行實時控制，即用大電流充電，并在充電過程中，短暫地停止充電，在停充期間加入放電脈沖，打破蓄電池充電指數曲線自然接受特性的限制。但是，理論和實踐證明，蓄電池的充放電是一個非常復雜的電化學過程，由快速充電的電化機理可知，影響快速充電的重要因素是蓄電池的電極極化現象，這是一切二次電池所共有的，包括有歐姆極化、濃差極化和電化學極化。而蓄電池的電極極化現象，又可以通過在充電過程中適時加入放電脈沖來消除。因此，要實現快速充電，就需要多方面的控制，其控制特點為：
　　（1） 多變量——諸如要控制蓄電池內的溫度、充電電流的大小、充電的間隔時間、去極化脈沖的設置等。
　　（2） 非線性——充電電流應隨充電的進行而逐漸降低，否則，會造成出氣和溫升的增加。
　　（3） 離散性——隨著蓄電池的放電狀態、使用和保存歷史的不同，即使是相同型號、相同容量的同類蓄電池的充電情況也不一樣。
　　對于如此復雜的充電過程，使用傳統的充電電路顯然難以控制，因此，也影響了快速充電的效果。為了能更有效地實現快速充電，必須使用先進的控制手段，我們利用單片機構造了一個具有自動檢測功能的蓄電池充電實時控制系統。根據蓄電池快速充電的機理，對充電的電池進行實時的動態檢測，適時發出去極化脈沖及調整充電電流，力求以較高的充電平均電流進行充電，而且還能有效地抑制氣體的析出。從而達到快速充電的目的。

3．智能充電系統的構成

　　本系統以AT89C2051單片機為核心，它是高性能的8位CMOS單片微型計算機。片內帶有2K可重編程的Flash EPROM，足夠存放一般的控制程序；具有豐富的I／O控制功能；片內帶有2個16位定時器／計數器；多個中斷源；一個精密模擬比較器。它對許多嵌入式控制應用提供了一種高度靈活和低成本的解決辦法。
　　根據系統功能的需要，組成的硬件結構如圖1所示。
該系統包括幾個主要部分：
　　（1） 以AT89C2051單片機作為整個智能充電系統的控制核心，用于數據的處理、計算及輸入輸出控制。
　　（2） 電壓檢測電路
由RC電路與AT89C2051單片機的內置積分模擬比較器組成，用于電池電壓的實時檢測，該電路同時將檢測到的模擬電壓轉換成數字量提供給計算機處理。
　　（3） 去極化放電電路
由RC放電回路與MOSFET電子開關組成，電池的充電狀態信息經單片機處理后，根據需要經由AT89C2051的I／O口適時發出去極化脈沖，控制開關閉合接通放電回路，以消除電池的極化現象，也可以消除某些電池的不良記憶，提高它的充電接受率。
　　（4） 充電控制電路
采用輸出電壓在一定范圍內可調節的高頻開關式充電電源。并且加入適度的電流負反饋，使輸出特性變軟，避免充電器在加載瞬間的電流沖擊，并具有一定的恒流作用。
　　（5） 狀態顯示電路
狀態顯示電路由不同的指示燈組成，根據不同的工作狀態由單片機控制顯示充電中或充電結束狀態。