电力电子与电力传动硕士论文铅酸蓄电池快速充电器的设计

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1、铅酸蓄电池快速充电器的设计Design of Lead-Acid battery fast charger学科专业：电力电子与电力传动 研 究 生摘 要本文分析了铅酸蓄电池的特性以及国内外充电技术的发展现状，指出提高铅 酸蓄电池充电速度的关键是消除充电过程中电池的极化现象，在目前已有充电方 式的基础上采用了脉冲充电与变电压充电相结合的脉冲式变电压充电方式，使充 电曲线最大程度的模拟麦斯最佳充电曲线，尽可能的提高电池充电速度。本文设 计的快速充电系统在充电前期采用脉冲式变压快速充电方式，充电后期采用恒定 小电流补足充电，达到快速充电的目的。 考虑到铅酸蓄电池充电是一个复杂的电化学反应过程，充电控

2、制系统是一个 非线性的、时变的、有干扰的控制系统，所以本系统引入模糊控制，在控制方法 上采用 Fuzzy-PI 混合控制方式，将模糊控制和 PI 控制的优点结合起来，力求达 到最优控制效果。 铅酸蓄电池快速充电系统成功的实现了数字化控制，以 MC56F8013 作为控 制系统的核心处理单元，实现数据采集、模糊算法、脉冲驱动以及人机接口的功 能，采用高频开关电源实现充电电源，组建了充电系统的硬件平台。同时，为了 减小对电网的污染，提高系统效率，本充电装置具有功率因数校正功能。 在理论分析的基础上，应用 Simulink 仿真软件对充电控制系统进行了建模仿 真，仿真结果表明，基于 Fuzzy-PI

3、 混合控制的充电控制系统具有良好的动态性 能，控制效果理想。同时，对功率因数校正电路和开关电源电路进行了实验调试， 实验结果表明，系统的功率因数大大提高，并且可以得到相对稳定的直流电压输 出，具有良好的实际应用前景。关键词：铅酸蓄电池；快速充电；功率因数校正；Fuzzy-PI 混合控制； MC56F8013IABSTRACTIn this paper, we analyzed the characteristics of Lead-Acid batteries and the development status of charging methods domestic and oversea

4、s, pointing out that the key to improve charging speed of Lead-acid batteries is to eliminate the polarization of batteries during charging process. We suggested the pulse variation-voltage charging method on the basis of current charging method which combine the variation-voltage charging method wi

5、th the pulse charging method. The charging curve analog J.A.Masoptimal charging curve maximum, so the charging speed is raised as much as possible. The fast charging system we design in this paper were charged with pulse variation-voltage charging method in the first charging stage, and in the secon

6、d charging stage it was charged with constant small current to complement the remainder charge, achieving the purpose of fast charge. Considering that the charging process of Lead-acid batteries is a complex process of electrochemical reaction, the charging control system is a non-linear, time-varyi

7、ng, and interfered control system, so we introduce fuzzy-control method，we use fuzzy-PI hybrid control method, which combine the advantages of both fuzzy-control method and PI control method, trying to achieve the optimal control effect. Fast charging system of lead-acid batteries achieving digital

8、control successfully, MC56F8013 was used as core unit of control system, realizing data collection、 fuzzy algorithm 、 pulse-driven and man-machine interface functions. high-frequency switching power source was used as charging power source, we set up a hardware platform of charging system. Additiona

9、lly, we added power factor correction circuit to reduce pollution to power system and to improve system efficiency. On the basis of theoretical analysis, we set up models about charging control system and carried on simulation using Simulink software. The simulation result shows that the charging co

10、ntrol system based on Fuzzy-PI hybrid control put up good dynamic performance and the control results are satisfactory. At the same time, we take on experiments on the power factor correction circuit and the switching power source circuit, the experiment results show that the power factor was highly

11、 raised and we get relative stable DC voltage output, which with preferable prospects for practical application.IIKEY WORDS：Lead-acid battery, fast charge, power factor correction ，Fuzzy-PI hybrid control, MC56F8013III目 录第一章 绪论.1 1.1 选题目的、背景和意义.1 1.2 铅酸蓄电池充电技术及模糊控制的国内外发展状况.2 1.2.1 充电技术的发展状况.2 1.2.2

12、模糊控制的发展状况.2 1.3 铅酸蓄电池的微观充电特性.4 1.3.1 蓄电池充电过程中的化学反应.4 1.3.2 铅酸蓄电池的基本概念.5 1.3.3 阀控密封铅酸蓄电池的充电技术要求.6 1.3.4 蓄电池充电过程中的极化现象.7 1.4 本课题主要研究任务.8 1.5 本章小结.8 第二章 铅酸蓄电池的快速充电理论.9 2.1 铅酸蓄电池传统的充电方法.9 2.2 铅酸蓄电池快速充电原理.11 2.3 几种蓄电池的快速充电方法.12 2.4 充电控制技术.14 2.5 本充电装置的设计方案.15 2.5.1 系统的技术指标及基本功能.15 2.5.2 充电方法及控制技术的选择.15 2

13、.5.3 充电系统整体结构.16 2.5.4 充电方法的控制与实现.17 2.6 本章小结.17 第三章 充电装置的硬件电路设计.18 3.1 功率因数校正电路.19 3.2 高频开关电源的设计.21 3.2.1 反激式变换器工作原理.22 3.2.2 开关电源工作原理.24 3.2.3 变压器的设计.25IV3.3 数字控制系统的设计.27 3.3.1 控制器的选择及总体结构.27 3.3.2 电压采样电路设计.30 3.3.3 电流采样电路设计.31 3.3.4 温度采样电路.31 3.3.5 斩波电路.32 3.3.6 脉冲驱动电路.33 3.4 本章小结.35 第四章 基于Fuzzy-

14、PI算法的模糊控制器设计.36 4.1 模糊控制理论.36 4.1.1 模糊控制原理.36 4.1.2 模糊控制器的设计步骤.37 4.2 Fuzzy-PI混合控制算法.39 4.2.1 PI控制器的设计 .40 4.2.2 模糊控制器的设计.41 4.3 本章小结.44 第五章 充电装置的软件设计.45 5.1 主程序工作流程.45 5.2 实时时钟中断程序设计.47 5.3 PWM控制策略的实现 .48 5.4 本章小结.49 第六章 系统仿真与实验.50 6.1 MATLAB简介 .50 6.2 充电控制系统仿真模型.50 6.3 功率因数校正及开关电源实验结果.54 6.3.1 功率因

15、数校正电路实验分析.54 6.3.2 开关电源实验结果.56 6.4 本章小结.56 结束语.57 参考文献.59 发表论文和参加科研情况说明.62 致 谢.63V第一章 绪论第一章 绪论1.1 选题目的、背景和意义随着蓄电池的发展，充电技术也在不断提高，蓄电池充电技术的发展经过了 一个漫长的过程，从传统的恒流充电、恒压充电、恒压限流充电，发展到现在的 智能充电，充电技术的更新不仅满足了对新型电池的充电要求，更重要的是提高 了充电质量，延长了蓄电池的使用寿命。 铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，因此广泛应用于国 防、通信、铁路、交通、工农业生产部门。近年来全密封免维护铅酸蓄电池

16、有密 封好、无泄漏、无污染等优点，能够保证人体和各种用电设备的安全，而且在整 个寿命期间，无需任何维护，从而揭开了铅酸蓄电池发展历程新的一页。但免维 护电池对充电技术的要求也更为严格，国内外实践证明，免维护电池浮充电压偏 差 5%，电池的寿命将减少一半，工业生产中因为充放电控制不合理而损坏的电 池占相当大的比例，造成了极大的浪费。传统的充电技术不仅充电时间长，不能 适应现代生产和生活的需要，而且大多不能精确控制充电程度，使电池不能发挥 最大效能，缩短了使用寿命1。 目前大多数充电器均采用传统控制方法，传统控制方法是建立在精确的被控 对象数学模型的基础之上，其调节效果取决于控制器参数的整定，但是

17、常规控制 器不能在线整定参数，而充电系统是一个时变的、非线性的系统，难以获得其精 确的数学模型，使得传统控制很难获得预期的效果。随着现代自动控制系统对控 制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高，智能控制的出现解 决了这一难题。智能控制主要是用来解决传统控制难以解决的复杂问题的一种先 进的控制理论和技术，它把人工智能的方法引入控制系统，并根据人的经验、逻 辑推理和自学习能力，从定性和定量相结合的方法入手，对那些因结构复杂、参 数时变而难以用精确数学模型来解决的被控对象给出灵活的控制策略，其中以模 糊控制的应用最为普遍和成熟。 如果能够在目前充电技术的基础上提出一种新的适用于铅酸蓄电

18、池的模糊 控制充电技术，用智能化控制代替传统控制，不用建立精确的充电系统模型，使 充电电流自始至终处于电池可接受电流曲线的附近，提高充电速率和效率，并保 证充电精度和电池的性能，这样就能够大大的节省能源提高电池使用寿命，具有 很大的现实意义和使用价值，也势必会取得良好的经济效益和社会效益。1第一章 绪论1.2 铅酸蓄电池充电技术及模糊控制的国内外发展状况蓄电池充放电技术的发展经过了一个漫长的过程，早在 1935 年，伍德布里 奇发现了温度对充电的影响。1967 年，英国人麦斯(J.A.Mas)研究了充电过程中 的析气问题，发现了析气的原因和规律。随着人们对充电问题的日益重视，不少 充电装置也相

19、继问世，例如以电流接受能力控制的铅酸蓄电池充电装置和其他的 快速充电装置等，但是这些充电装置大都是采用模拟电路实现，体积较大，调试 复杂，且控制效果差。到 90 年代后，集充电、放电、检测和管理于一体的智能 化充电控制器才被开发出来。 1.2.1 充电技术的发展状况 对于铅酸电池来说，传统的充电方法主要有恒流、恒压充电以及恒流转恒压 二阶段充电方式。这些方法控制电路简单，容易实现，但是充电时间较长，充电 方法过于单一，控制不当很容易对电池本身造成伤害，影响电池性能和使用寿命。 在国内，蓄电池充电装置较多采用的是晶闸管硅整流设备，尽管晶闸管整流 设备功率密度低，但由于其工作可靠，仍得到广泛的应用

20、，其控制方案一般为模 拟调节式。随着生产中工艺要求的提高，蓄电池的充电速率和效率越来越受到重 视。快速充电技术的研究和改造在最近几年得到了很多科研人员的关注，而且取 得了一些成果，并首先成功的应用到电动汽车和煤矿机车牵引用蓄电池中1。改 造过的快速充电器都实现了数字化控制，借助微机控制，使整个系统的稳定性有 很大提高，使充电系统的调试和维护工作大大减少。但是这些快速充电技术大多 是采用传统的控制方法和思想，从评价快速充电技术性能的几个指标(即充电的 时间长短、充电的效率、稳升的大小和寿命的长短)来看，还存在一些不理想之 处，针对传统充电方法充电缓慢、安全性能不好等缺点，目前国内外陆续提出了 一

21、些新型的充电方法 ，如分级定流充电法、脉动式充电法、Reflex充电法、变 电流间歇充电法等实现最佳充电模式。对于铅酸蓄电池来讲，其中的分级定流法 已得到广泛的应用，近几年，也有人开始采用更加新颖的充电控制方法，例如模 糊控制充电法，利用模糊控制本身适合处理非线性系统的优势，更好的处理充电 过程中的时变性和干扰性等常规控制方法难以解决的问题2。 1.2.2 模糊控制的发展状况 模糊控制作为智能控制中的一个部分，它的发展和应用是相当迅速的。自从 1965年美国L.A.Zadeh教授首先提出模糊集合和模糊控制的概念后，便开始了对2第一章 绪论模糊控制的大量研究。 1974年英国罗敦大学教授E.H.

22、Mamdani首先成功地把模糊理论用于锅炉和 蒸汽机的控制，这一开拓性的工作标志着模糊控制工程的诞生。1979年英国的 I.J.Proc业和E.H.Mamdani研究了自组织的模糊控制器，标志着模糊控制器“智能 化”程度进一步向高级阶段发展。此外，日本在模糊控制应用方面走在了世界的 前列，日本有专门的模糊控制研究所。据日本电气公司(NEC) 1991年9月统计， 松下、三菱、东芝等公司在空调机、全自动洗衣机、吸尘器等高档家电中普遍应 用了模糊控制技术。美国的模糊工程是从美国宇航管理局(NASA)开始的。美国 专门从事模糊控制开发的机构是Togai Infalogic公司，主要从事模糊加速板和软

23、件 开发工具的研究。德国西门子公司和通讯电器公司联合研制了模糊166芯片，这 种芯片具有三维模糊逻辑功能，可以操纵无人驾驶模型汽车。 我国模糊控制理论以及应用研究工作是从1979年开始的，虽然起步较晚，但 发展迅速，诸如在模糊控制、模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊集 合论、模糊模式识别等领域取得了不少有实际影响的结果。1979年，李玉缓、刘 志俊等人用连续数字方法研究了典型模糊控制器的性能。1986年，都志杰等人用 单片机研制专用模糊控制器。1987年，张洪敏和张志敏研制成功我国第一台模糊 推理机。随后，在我国不少高校和研究所都成功研制用于工业控制的模糊控制器。 近年来，我国也推出了

24、模糊全自动洗衣机、模糊电饭煲、模糊控制自动恒温器等产品，标志着我国模糊技术的应用研究也有了飞速的发展1 3 4 。短短四十多年，模糊系统理论已引起了学术界的广泛兴趣，模糊控制与传统 空理论论的本质截然不同，传统控制侧重于对被控对象进行确切的数学描述，而 模糊控制的重点在于用已知的对系统的粗略的知识描述系统，并在此基础上引用 了模糊控制算法。从理论上讲，模糊控制有以下优势： 首先，模糊控制无需知道被控对象的精确数学模型。目前，工业过程中的系 统越来越复杂，要想建立精确的数学模型非常困难，模糊控制的出现很好的解决 了这一问题。 其次，模糊控制本质上是一种非线性控制，只要合适的选择控制器参数，就 能

25、完成非常复杂的非线性任务，在控制任务日趋复杂的今天，开发这样一种既简 单又有效的非线性控制器是至关重要的。 最后，模糊控制能够综合利用数据信息和语言信息，这是传统控制方法无法 比拟的，尤其是在数学模型难以获得时，所能利用的信息源只有两个，即来自传 感器的数据信息和来自人类专家的语言信息。而传统控制方法无法利用专家的语 言信息，这时，模糊控制的优势显而易见。 由于模糊控制技术已经渗透到经济社会和科学技术的各个领域。因此，模糊3第一章 绪论技术已引起国际科技界、工程界和企业界广泛的重视，也是目前高新技术领域研 究和应用的热点之一。1.3 铅酸蓄电池的微观充电特性阀控密封铅酸蓄电池的结构、材料都在原

26、有电池的基础上进行了很大的改 进，其工作过程是一个电化学过程，它对充电特性要求较高，要严格控制充电电 流、浮充电压，同时还要考虑温度、环境的影响，尽量减少出气、极化现象，保 证电池的使用寿命。 1.3.1 蓄电池充电过程中的化学反应 铅酸电池是一种二次电池，它的正活性物质是二氧化铅(PbO2),负极活性物质 是海绵状金属铅(Pb)，电解液是稀硫酸(H2SO4),当电池处在开路状态时，正负极 上的活性物质与稀硫酸之间的反应趋于稳定，形成平衡电极。 1882 年格拉斯顿(J.H.Glandstone)和特雷伯(A.Tribe)提出了解释铅酸蓄电池 成流反应的“双硫酸盐化”理论。按照这一理论，铅酸蓄

27、电池的化学反应如下： PbO2 + Pb + 2H2SO4 ? 2PbSO4 + 2H2O (1-1)- +PbPbSO4PbO2放电 + H2SO4 充电PbSO4负极板 正极板图 1-1 铅酸蓄电池基本化学反应图 1-1 表示了铅酸蓄电池充放电的化学反应过程，充电时，正、负极的反应 如下：正极反应 PbS04 + 2H20?充? 电负极反应 PbS04 + H+ + 2e ?充? Pb + HS04 ? 电4?Pb02 +3H+ +HS04 +2e?(1-2) (1-3)第一章 绪论蓄电池的放电过程即充电过程的逆向反应，正极由多孔二氧化铅(PbO2)转化 为硫酸铅(PbSO4)而将化学能转

28、化为电能向负载供电，负极由海绵状铅(Pb )转化 为硫酸铅(PbSO4)而将化学能转化为电能向负载供电4。 老式铅酸蓄电池中电解液的水分，在浮动充电末期都会产生电离分解反应而 被电解成氢气和氧气，这些氢气和氧气将慢慢消失在空气中。因此每隔一段时间 必须对蓄电池进行定期补水，以补充电解液中水分的损失，否则蓄电池中的电解 液浓度将大大超过规定值。 而对于免维护铅酸蓄电池，它采用了先进的阴极吸收式密封技术，可把这种 定期补水的间隔时间延长至五年以上。生成的氧气在电场作用下移向电池组的阴 极，在阴极催化剂的作用下，重新与氢气结合生成水。在理想的工作状态下，它 可维持蓄电池的电解液中水的含量保持不变，为

29、了使电池内部的这种气体阴极吸 收方式能够充分进行，它要求在电解过程中水的电解分解反应要尽可能进行的缓 慢，还要求电池内部的阳极、阴极及中间隔离板的结构必须易于气体通过和传输。 因此，要想提高电池的使用寿命，必须严格遵循充电电流不得超过电池所允许的 最大充电电流的规定，过大的充电电流会导致蓄电池使用寿命的缩短。 1.3.2 铅酸蓄电池的基本概念 因为蓄电池的充电涉及到许多相关的专业知识，为了能更好的理解设计课 题，本节简单介绍有关铅酸蓄电池的基本概念3 。 (1) 电池容量 电池容量(C)是蓄电池使用过程中的一个重要参数，是指蓄电池充足电后放 电到终止电压时所输出的电量，单位为Ah、mAh，一般

30、用电流和时间的积分来 定义电池的容量：5C = Idt T 0 (1-4)容量又分为标准容量(额定容量)和剩余容量。额定容量是电池生产者规定的 表征电池容量的标准值，一般规定用恒定电流在20或室温下的放电容量作为额 定容量。剩余容量是指蓄电池在经过一定时间放电后所能继续放出的电量。 (2) 放电速率 为了对不同容量的电池加以比较，电池的放电电流不用电流的绝对值来表 示，而是用电池容量C和放电时间t的比表示，称为电池的放电速率。例如一个容 量C为50Ah的电池，对它进行2小时的放电后电池的电量完全放完，则它的放电5第一章 绪论电流为I = C/ 2 = 0.5C(A) (1-5)充电速率的描述和

31、放电速率的描述相同，采用这种形式来描述电池的充放电 更为直观和方便。 (3) 充电状态(State of Charge：SOC) 充电状态的定义如公式(1-6)，它是指某个时刻电池所剩电量Cr 与电池标称 总容量Ct 的比： SOC = (Cr /Ct)?100% (1-6) 通常把在一定温度下电池充电到不能再吸收能量的状态定义为100%的充电 状态，而将电池不能放出能量的状态定义为0%的充电状态。 (4) 放电深度(Depth of Discharge：DOD) 放电深度是指用户在使用蓄电池的过程中，电池放出的电量Qe与电池标称 容量Ct 的比，也就是电池所放的安时数占它的标称容量安时数的百

32、分比。定义 如下：DOD = Qe /Ct 容易得出，SOC和DOD满足如下关系： SOC + DOD = 1(1-7)(1-8)当放电深度为100%时，电池的实际使用寿命大约是200250次充放电循环， 如果将电池的放电深度减至50%时，它所允许的充放电循环可增至500600次左 右，当电池放电深度减为30%时，允许的充放电的循环可达1200次左右。因此， 为延长电池的使用寿命，尽量不要让电池处于深度放电状态。 1.3.3 阀控密封铅酸蓄电池的充电技术要求 阀控式密封铅酸蓄电池生产厂家提供的保证其使用寿命的技术指标是在环 境温度为 25时给出的。由于单体阀控铅酸蓄电池具有温度每上升 1电压下

33、降 4mV 的特性，所以，一个由六个单体阀控密封铅酸蓄电池串联组成的 12V 蓄电 池组，在 25时的浮充电压为 13.5V；当环境温度降为 0时，浮充电压应为 14.25V；当环境温度升至 40时，浮充电压应为 13.05V。另外，阀控密封铅酸 蓄电池还有一个特性，当环境温度一定时，若充电电压比要求的电压低 100mV6第一章 绪论时，冲电电流将增大数倍，因此，将导致阀控密封铅酸蓄电池的热失控和过充损 坏。同时，阀控密封铅酸蓄电池的容量也和温度有关，温度每降低 1，容量将 下降约 1%，所以，在夏季阀控密封铅酸蓄电池放出额定容量的 50%后，冬季放 出 25%后就应及时充电。 阀控密封铅酸蓄

34、电池组初始充电电流大小的设计一般按说明书额定值或者 额定容量的 1/10 来进行。使用中正常充电时，最好采用分级定流充电方式，即 在充电初期采用较大的电流，充电一定时间后，采用较小的电流，到了充电后期， 采用更小的电流，这样充电效果好，对延长阀控式密封铅酸蓄电池的寿命有利。 有的新型智能化充电器采用定期自动监测及循环充电的方式对阀控密封铅酸蓄 电池进行冲电，以延长其使用寿命。 对于端电压为 12V的阀控密封铅酸蓄电池来说。正常的浮充电压在 13.5 13.8V之间。若浮充电压过低，则阀控密封铅酸蓄电池充不满；若浮充电压过高， 则会造成过压充电。当浮充电压超过 14V时，即认为是过压充电。严禁对

35、阀控密 封铅酸蓄电池进行过压充电，因为过压充电会造成电池中的电解液所含的水被电 解成氢气和氧气而溢出，使电解液浓度增大，导致电池寿命缩短甚至损坏6。 1.3.4 蓄电池充电过程中的极化现象 电极上无外电流通过时的电极是处于平衡状态的，与之对应的电势是平衡电 势；当有外电流通过时，电极电势将偏离原来的平衡值。电流越大，电极的电势 偏离平衡值越严重，这种偏离平衡的现象称为电极的极化2 。7蓄电池充电过程中的极化现象对蓄电池的负面影响主要有以下几个方面： (1) 极化产生的过电压阻碍充电电流增加，使电池化学反应速度减慢。 (2) 加剧化学反应的水解过程，产生大量气体，延缓电池的充电过程，而且 对极板

36、有严重的腐蚀作用。 (3) 电池内部水解产生大量热量使电解液温度升高，当温度升高到一定程度 时会引起极板变形损坏。 极化所产生的过压、气泡、温升、能耗等对蓄电池都是极为不利的。此外， 充电电流越大，极化现象越严重，如果不设法消除或缓和极化现象就难以实现大 幅值恒流充电。这也是长期以来一直用小电流进行常规充电的原因，只有消除极 化才有可能达到快速充电的目的。7第一章 绪论1.4 本课题主要研究任务本系统的面向对象是电动汽车用铅酸蓄电池，一般为 6 节的 12V 铅酸蓄电 池，目前，许多电池在使用过程中由于采用了简单的充电设备和传统的充电方法 进行充电，电池的质量下降，使用寿命缩短，因此，设计一种

37、新型的铅酸蓄快速 充电器很有必要，模糊控制技术是一种新型的控制技术，目前工业系统应用中模 糊控制技术的应用并不普及，传统的 PID 控制仍占主导地位。通过本课题的设计， 希望最终能够实现智能化控制的铅酸蓄电池快速充电器，也希望模糊控制技术在 工业领域得到推广与应用。本课题主要完成以下几个研究内容： (1) 介绍了铅酸蓄电池充电原理和目前各种常用的充电方法，并在此基础上 提出一种新型的充电模式，即脉冲式变电压充电方法，提高充电速率，并缓解了 电池极化现象。 (2) 本次充电器设计的关键是实现智能化控制，对控制器的设计进行详细说 明，在控制策略上采用 Fuzzy-PI 控制，它结合了模糊控制与 P

38、I 控制的优点，提 高了充电系统的响应速度和准确性，实现快速、准确充电。 (3) 完成充电系统的硬件电路设计，包括功率因数校正电路、开关电源、斩 波电路、控制电路、信息采集电路以及驱动电路，控制芯片采用飞思卡尔公司推 出的针对电力电子应用的 MC56F8013 芯片，它将 DSP 的高性能数据处理能力和 单片机的灵活外设资源高度集成，形成低成本、高效率的解决方案。 (4) 结合充电系统的 Fuzzy-PI 控制策略，有针对性的进行软件流程设计，并 在 MATLAB/Simulink 环境中搭建充电控制模型，进行充电控制仿真，验证充电 控制系统的可行性，同时对功率因数校正电路和开关电源电路进行实

39、验调试。1.5 本章小结本章对铅酸蓄电池的充电原理、国内外发展状况进行了介绍，提出设计阀控 式密封铅酸蓄电池智能充电器的必要性和广阔的应用前景，并详细说明了阀控密 封铅酸蓄电池充电的技术要求和电池充电过程中易产生的极化现象。8第二章 铅酸蓄电池的快速充电理论第二章 铅酸蓄电池的快速充电理论铅酸蓄电池的充电方法主要分为传统的充电方法和快速充电方法，传统充电 方法主要是采用小电流慢充的方式，将完全放电状态的电池恢复至完全充电状态 大约需要近 20H 的充电时间。快速充电法旨在缩短铅酸蓄电池的充电时间，提 高充电速效率，并提高铅酸蓄电池的循环使用次数，是目前充电领域研究和应用 的热点之一。2.1 铅

40、酸蓄电池传统的充电方法传统的充电方法主要有恒流充电、恒压充电、分阶段充电。使用传统充电方 法的充电控制电路比较简单，充电功率一般比较小。 2.1.1 恒流充电 恒流充电是用一个电流源对电池充电，充电电流在一个阶段保持恒定。它包 括单一恒流充电和分阶段恒流充电，如图 2-1 所示。(a)单一恒流充电 (b)分段恒流充电图 2-1 恒流充电的充电电流电压波形 两种充电方式的区别在于：分段恒流充电的充电电流在一个充电周期中是变 化的，而单一恒流充电则保持充电电流恒定不变直到充电结束。单一恒流充电为 了避免后期过大的充电电流对电池造成损坏，恒流值设定较低，因此充电时间一 般较长。分段恒流充电虽然可以根

41、据充电状态调整，先以较大电流充电，并逐步 减小，有效减小析气和极化现象，但是转换电流时机需要合理选择8。9第二章 铅酸蓄电池的快速充电理论2.1.2 恒压充电 恒压充电是保持电池端电压恒定值的充电方法，其充电电压电流波形如图 2-2 所示，对于阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA)，恒压值一般取每节单体电池 2.452.5V。恒压充电的时候，充电初始电流很大。随着充电的进行，蓄电池电 势和电解液密度逐渐上升，在充电末期，充电电流较小。图 2-2 恒压充电的充电电压电流波形 恒压充电较为容易实现，且控制简单，但是由于电池等效串联内阻一般较小， 初始电流很大，严重时可能引起极板弯曲、活性物质脱落以及蓄电

42、池温度过高， 从而损坏电池；如果降低恒压值，虽然可以减小初始电流大小，但是充电时间过 长且易造成充电不足，同样缩短电池的使用寿命。因此，恒压充电一般用在小容 量、低电压的电池充电。2.1.3 恒压充电 为了避免恒压充电初始时过大充电电流对电池的损坏，大多数厂家推荐使用 两阶段充电(恒压限流)法，即充电初期采用恒流充电，限制充电的初始充电电流， 等电池电压上升到恒压值，再转入恒压充电，这个时候充电电流逐渐减小，直到 充电结束，其充电电压电流波形如图 2-3 所示。U/V 充电电流充电电压t O图 2-3 两阶段充电的充电电压电流波形10第二章 铅酸蓄电池的快速充电理论两阶段充电的过程中，电解液产

43、生的气泡较少，可以节省电能、降低蓄电池 的升温，避免损坏电池的极板，是一种有效可行的充电方式，如果加上过充判断、 浮充控制、温度补偿等，就可以构成一个简单的电池管理系统。2.2 铅酸蓄电池快速充电原理20 世纪 60 年代中期，美国科学家麦斯(J.A.Mas)对电池充电过程中的析气现 象做了大量的试验研究工作，研究了充电过程中的析气问题，发现了析气的原因 和规律，提出了以最低吸气率为前提的电池可接受的充电电流曲线。 图 2-4 为在蓄电池的充电过程中只产生微量气体的充电特性曲线。在充电过 程中的任一时刻，蓄电池可以接受的充电电流为：i = I0e?at 其中，i是任意t时刻蓄电池可以接受的充电

44、电流； I0 是当t = 0时的最大起始电流； 是衰减率常数，也称充电接受比。 (2-1)图 2-4 蓄电池充电电流接受曲线 从图 2-4 可以看出，在充电过程中，只要充电电流不超过铅酸蓄电池可接受 的电流，其内部就不会产生大量的气泡；若充电电流过大，超过电池接受曲线的 部分并不能转化为蓄电池的化学能存储起来，而只会促进电解水的反应，产生严 重的析气现象。常规充电初期充电电流远远小于可接受的充电电流，延长充电时 间，充电后期电流充电电流又大于可接受的充电电流，使析气现象变得严重。 消除充电过程中电池的极化现象是实现快速充电方法的关键。一方面，快 速充电要求尽量加快电池的化学反应速度(提高充电电

45、流)，使充电速度得到最大 的提高，缩短蓄电池达到满充状态的时间；另一方面，快速充电又要保证负极的11第二章 铅酸蓄电池的快速充电理论吸收能力，使它能够跟得上正极产生氧气的速度，把吸气率控制在很低的范围内， 尽可能消除极化现象。这一原理表明：蓄电池的快速充电速度是有上限的，不可 能无限提高蓄电池的充电速度。 快速充电技术是目前国内外广泛研究的一种充电技术，它在实现过程中仍有 一系列需要解决的问题，如析气问题、热量问题以及低温问题等都是快速充电技 术发展的瓶颈4 。92.3 几种蓄电池的快速充电方法针对传统传统充电方法充电缓慢、安全性能不好等缺点，国内外陆续提出 了一些其它的快速充电方法，如分级定

46、流充电法、脉冲式充电法以及变电流间歇 充电法等。 2.3.1 分级定流充电法10 分级定流充电法和常说的多段恒流充电法类似，它综合了恒压充电和恒流充 电两种充电方法。在充电的初期采用较大的充电电流，经过一段时间后改用较小 的电流，至充电后期改用更小的电流。其中最为典型的是三级充电法，其原理图 如图2-5所示。一级恒流电 流二级恒压三级恒流时间O 图2-5 铅酸蓄电池的三级充电法 一级恒流和三级恒流都是以恒定电流给蓄电池充电，二级恒压是以恒定电压 给蓄电池充电，在这个过程中，通过蓄电池的充电电流由一级的大电流过渡到三 级的小电流。 这种充电方法结合了恒压充电和恒流充电的优点，既避免了恒压充电在起

47、始 阶段对电池造成的瞬间大电流冲击，又避免了大电流恒流充电可能带来的过充电 现象，而且第三级小电流充电可以保证在不损坏蓄电池的基础上能够最大程度地 给蓄电池充满电,比较有效地模拟了铅酸蓄电池的最佳充电曲线，起到了良好的 充电效果。12第二章 铅酸蓄电池的快速充电理论2.3.2 脉冲充电法 脉冲式充电是指将充电电流或电压以脉冲的形式加在蓄电池两端，如图2-6 所示。脉冲充电方法的理论基础是通过在充电电流中叠加一定频率、宽度、高度 的负脉冲或短时间的中途停充电，其目的是降低蓄电池的极化电压。I/UO t图2-6 脉冲充电电压/电流波形 由于极化电压是影响充电速度的重要因素，因此，要实现快速充电，必

48、须设 法消除极化电压对铅酸蓄电池充电的影响。由于极化电压的大小是跟随充电电流 的变化而变化的，当停止充电时，电阻极化消失、浓度差极化和电化学极化亦逐 渐减弱。如果为阀控密封铅酸蓄电池提供一条放电通道让其反向放电，则浓度差 极化和电化学极化将迅速消失，同时电池内部温度也因放电而降低。因此，在阀 控密封铅酸蓄电池的充电过程中适时的暂停充电，或者适当的加入放电脉冲，就 可以消除蓄电池的极化现象，实现脉冲快速充电。2.3.3 变电流间歇充电法 变电流间歇充电法是由厦门大学陈体衔教授在近两年提出来的。它也是建立 在恒流充电和脉冲充电的基础上，其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充 电段。如图2-7所示，充电前期的恒电流充电段采用最佳充电电流值，获得绝大 部分充电量。充电后期采用定电流充电法，获得剩余电量，将电池恢复至完