铅酸蓄电池三段式智能充电器设计毕业论文.doc

青岛大学本科生毕业论文（设计）铅酸蓄电池三段式智能充电器设计毕业论文 前 言如今，越来越多的家庭开始拥有自己的汽车，根据国家统计局的统计数据显示，在2003年，全国民用汽车保有量达到2400多万辆，这其中私人汽车的数量为1219万辆。但是，大多数人对汽车的主要部件的维修和保养知识极为欠缺，所以，造成汽车故障频出，而蓄电池电池的作用是汽车驱动系统的惟一动力源。而在装备传统发动机与蓄电池的混合动力汽车中，蓄电池既可扮演汽车驱动系统主要动力源的角色，也可充当辅助动力源的角色。由此可见蓄电池在汽车中起着十分重要的作用。如果蓄电池工作不良，说不准哪天就能把您的车撂在路上，影响大家的出行和安全，所以注意蓄电池的日常维护就显得尤为重要。蓄电池的主要使用过程中不可避免的要用充电器进行充电，而充电器的好坏则直接影响蓄电池的效用。于是我决定对汽车电瓶充电器进行研究，期望能对这方面的知识有所认识。 在确定该课题后，通过阅览相关书籍和网上查阅等途径研究了蓄电池的工作环境、充放电方式和结构原理，对蓄电池的充电器所满足的条件有了框架性的认识，然后通过查阅资料，完成了对现有充电器的结构认识，之后，在总结现有充电器电路的优缺点之后，设计了这个充电器，该充电器除了完成对蓄电池充电的基本功能外，同时增加了极性保护和充电指示功能，满足了人们对蓄电池充电器的基本要求。同时，在阅读本文后，也能对蓄电池有一定的认识和了解，有利于在日常生活中对蓄电池的正确使用和维护保养。第一章 绪论1.1蓄电池的发展历史 法国科学家普兰特在19世纪50年代发明了开口式铅酸蓄电池，到现在已经有近150年的发展历程。到20世纪初，铅酸蓄电池已经经过了几十年的研发和改进，也提高了蓄电池的循环使用时间、高倍率的放电、能量密度等的性能。然而，开口式铅酸蓄电池有两个主要缺点：气体扩散出来时会有酸雾形成，会慢慢的腐蚀周围金属设备，对人体健康不利，并污染了环境；在蓄电池充电的末期水会分解为氢气，氧气析出，而且需要经常加酸、水，平时的维修工作繁重，严重限制了蓄电池的应用。在之后的几十年的时间里，为了解决蓄电池使用中的这两个主要问题，世界各国科学家争相地开发密封铅酸蓄电池以代替开口式铅酸蓄电池，以期实现蓄电池的密封，由此获得纯粹的电力能源。在上世纪的六十年代，美国盖特公司发明了铅钙合金这一重要物质，从那以后，引起了对铅酸蓄电池的开发狂潮，因为这种物质对于蓄电池有十分重要的意义。世界上很多的蓄电池企业研发纷纷投入大量的物力人力进行开发。在1969年之后的一年时间里，美国EC公司制造了几十万只小型密封铅酸蓄电池，该电池首次采用了玻璃纤维棉隔板，这也是最早的商业用阀控式铅酸蓄电池，遗憾的是那时人们还尚未认识到其氧再化合原理。 1975年，美国的一家公司在经过多年的努力，最终研发成功了并获得了D型密封铅酸干电池，这也是今天密封式铅酸蓄电池的电池原型。在此之后，铅酸蓄电池在理论研究方面，在产品种类及品种、产品电气性能等方面都得到了长足的进步，不论是在交通、通信、电力、军事还是在航海、航空各个经济领域，铅酸蓄电池都起到了不可缺少的重要作用。 在蓄电池研发的不断发展中，铅酸蓄电池的充电技术也得到了很大的技术方面的提高，当然这也经历了一个非常长的过程。从刚开始出现的的恒电流充电方式、恒电压充电方式，一直到后来的恒压限流充电方式，直到现代热门的智能充电方式，蓄电池充电技术的不断进步不仅满足了新型蓄电池对充电的要求，最关键的是提高了蓄电池充电质量，蓄电池使用寿命也得到了大大的延长。但是由于目前大都采用传统充电技术，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，使得电池不能充分工作，并缩短了使用寿命。因此，成熟和完善的充电技术对于蓄电池的寿命和工作效果有着至关重要的影响。 1.2 铅酸蓄电池充电技术及其发展概况 在蓄电池不断发展的同时，蓄电池的充电技术从蓄电池发明以来也在不断发展。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(JAMas)研究了蓄电池充电过程中出现的析气问题，在之后的研究中发现了析气出现的原因以及出现的影响。随着人们对充电问题的日益重视，不少新型的充电装置也相继被研发出来，比如以电流接受能力为控制因素而研发的铅酸蓄电池充电装置等快速充电装置等。 对于铅酸蓄电池来说，传统的充电方法主要有恒流转恒压二阶段充电方式、恒流充电方式、恒压充电方式等。以上所说的这些传统充电方式的主要优点是充电器的控制电路不复杂，容易实现，但是由于充电方法固定不变，所需要的充电时间较长，所以很容易因为控制不当而伤害到电池内部结构，影响电池的使用以及使用寿命。晶闸管硅整流设备是我国目前蓄电池充电装置较多采用的充电设备，这种设备的控制一般是依据模拟调节式方案。这套设备虽然功率密度低，但由于其稳定的工作效果，可靠的性能表现，在实际生产中应用十分广泛。 随着科学技术和生产工艺要求的提高，蓄电池要满足的工作环境越来越苛刻，由此带来了一系列蓄电池充电方面的问题。其中，电池充电速度和充电效率因为生产工艺要求的提高而受到越来越多的重视。近年来，快速充电技术的研究和改进，得到了许多科技工作人员的关注，并取得了一定的成就，并首次成功地应用于电机和矿山机车牵引用蓄电池。改进的铅酸蓄电池快速充电器实现了支持数字控制的微机控制，大大提高了更个系统的稳定性，使得充电系统的运行调试和之后的维护工作量大大的得到减缩。虽然充电技术得到改进，但是其主要的技术理论却依然是传统的充电理论。从评价快速充电技术性能好坏的的几个指标即充电效率、充电时间、使用寿命的长短和稳升的大小来讲，还存在着一些不太符合要求的地方，针对目前蓄电池传统充电方法存在的安全性能不好、充电时间长、充电效果不佳等缺陷，国内外的学者和研究者不断的提出一些新型的充电方法，如变电流间歇充电法、Reflex充电法、分级定流充电法、脉动式充电法等可以实现最佳充电模式的充电理论。其中的分级定流法对于铅酸蓄电池的充电来讲己经得到了广泛的应用，并得到普遍好评。近几年，随着技术的不断成熟，也有人开始采用更加先进的充电控制方法，比如利用模糊控制本身适合处理非线性系统的优势而出现的模糊控制充电法，可以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。 1.3 密封铅酸蓄电池的充电技术要求 密封铅酸蓄电池使用寿命的技术指标是生产厂家在环境温度为25时给出的，这些指标比较可靠。因为单体的密封式铅酸蓄电池的电压会因为温度上升1摄氏度而下降4毫伏，所以，一个由六个单体密封铅酸蓄电池串联组成的12V蓄电池组，在25摄氏度时的浮充电压为13.5V；当温度升至40摄氏度时，浮充电压应为l3.05V；当温度降为零度时，浮充电压应为14.25V。也就是说，环境温度越低，铅酸蓄电池的浮充电压越高。除此之外，密封式铅酸蓄电池的另一个特性：当环境温度一定时，如果充电电压比要求的电压低100mV时，流经蓄电池的充电电流将增大数倍，因此，将导致密封铅酸蓄电池的热失控，进而导致过充损坏。同时，密封铅酸蓄电池的容量也受温度的影响，温度每降低1，容量将下降约1，所以，到了冬季当放出25后就应及时充电，在夏季密封铅酸蓄电池放出额定容量的50后应该及时充电。对于端电压为12V的汽车铅酸蓄电池来说，13.513.8V是浮充电压正常的波动范围。如果浮充时电压太高，就会造成过压充电。这里规定浮充电压大于15V时，就被判定为是过电压充电，如果浮充时电压过低，则铅酸蓄电池充不满电。严禁对密封铅酸蓄电池进行过电压充电，是因为过电压充电会使得蓄电池中的酸溶液所含的水会被电解成为氧气、氢气而减少，使电解液的浓度变大，导致电池的使用时间缩短甚至损坏。1.4 该课题研究的意义对于汽车来讲，其供电系统就是蓄电池，一个蓄电池的普通寿命大约为2到3年，但是很多的蓄电池并没有到设计的工作年限就会提前报废，造成了不必要的财产损失。而在造成蓄电池到不了工作年限就提前“下岗”的主要原因中有两个很重要的原因与充电有关：充电电流过大，造成电池极板上的活性物质过早的脱落；长时间在充电不足的情况下放置或者使用，造成极板硫化严重。而如果对电池进行日常保养，尤其是在充电方面格外注意爱护的话，蓄电池的寿命将会延长至3到4年，由此可知，一个好的充电器对于蓄电池的寿命有着十分重要的意义。铅酸蓄电池除了是汽车的供电系统外，在其他生产和应用中，也有着无可替代的地位。现在，铅酸蓄电池作为固定用电源，在电话通信、不间断电源（UPS）、安全报警、应急灯及医疗设备中有着广泛应用。从这个层次上讲，研究蓄电池的充电技术的意义更为深远。 现在全世界都在宣传低碳生活，如果使用好的充电器就能起到节约能量消耗，增加蓄电池的使用寿命，提高工作效率，不仅是对蓄电池也是对地球的保护。而且在最近一段时间内许多新闻都有因使用者使用不当造成事故的报道，这些都会严重影响使用者的安全和蓄电池的使用，所以未来充电器的发展方向将是节能与安全。而研究该课题也因此有十分重要的意义和实用价值，也势必会取得良好的经济效益和社会效益。1.5 本章小结本章对铅酸蓄电池的历史及国内外发展状况进行了介绍，分析了铅酸蓄电池能得到广泛应用的原因和未来的发展前景。总结了铅酸蓄电池的充电技术的发展历史，提出设计铅酸蓄电池智能充电器的必要性和广阔的应用前景，并详细说明了铅酸蓄电池充电的技术要求和指标。第二章 蓄电池及其充电原理2.1 蓄电池一、蓄电池在汽车中的作用 在发动机起动时，向起动机、点火系统等主要用电设备供电。 在发动机不运行或低速运行时，蓄电池向各种用电设备供电。 当用电设备过多、用电量超过发电机的供电能力时，蓄电池协助发电机向各种用电设备供电。 稳定电压的作用。蓄电池相当于一个大电容，可以吸收电路中瞬间的过电压，以保护用电设备。二、蓄电池的构造汽车常用的蓄电池为铅酸蓄电池，12V的蓄电池由6个单格蓄电池串联而成，每个单格蓄电池的标称电压为2V，充满电时为2.1V。 图2.1 蓄电池结构图 如图2.1所示，铅酸蓄电池由极板、隔板、电解液和壳体组成。蓄电池的极板分为正极板和负极板，它们都以铅锑合金浇铸成的栅架为骨架，在栅架上填充活性物质制成极板。正极板上的活性物质是深棕色的二氧化铅(PbO2)，负极板上的活性物质是海绵状、青灰色的纯铅(Pb)。目前，蓄电池采用的栅架有二种，一种为普通型，另一种为放射型。其中放射型栅架具有输出电流大、内阻小的特点，在新型蓄电池中采用。为了增大蓄电池的容量，每个单格蓄电池都由多个正、负极板组成极板组。每两片负极板之间都夹有一个正极板，使正极板两侧充、放电均匀。普通蓄电池正极板厚度一般为2.2mm，负极板厚度为1.8mm。将正负极板浸入电解液中，就可获得约2.1V的电动势。为了增大铅酸蓄电池的电池容量，可以将多片正极板和负极板分别并联，然后焊接成正负极板组。让正负极板相互交错嵌合，中间插入隔板后装在蓄电池单格内，便形成单格电池。在每个单格电池中负极板总比正极板多一片。因为正极板活性物质比较疏松，且正极板处的化学反应比负极质上的化学反应剧烈，反应前后活性物质体积变化大，所以正极板夹在负极板之间，可使其两侧放电均匀，从而减轻正极板的翘曲和活性物质脱落。结构如图2.2所示： 图2.2 栅架结构图 正负极板之间装有绝缘隔板，用来防止极板间的短路。隔板具有多孔性，有利于电解液的自由渗透。隔板采用耐酸性和抗碱性的木质、微孔橡胶、微孔塑料及浸树脂纸质材料制成。近年来，还将微孔塑料隔板做成袋状，紧包在正极板的外部，从而防止活性物质的脱落。电解液是由化学纯的硫酸（H2SO4）和蒸馏水（H2O）按一定比例配制而成的硫酸水溶液（密度为1.241.31克/立方厘米）。 电解液密度对蓄电池的容量和寿命影响大。密度大可以提高蓄电池的容量，减少结冰的危险；但粘度增加，流动性变差，使蓄电池的容量下降，而且腐蚀作用增强，降低极板和隔板的寿命。壳体采用耐酸、耐热和耐震的硬橡胶或聚丙稀塑料制成整体式结构，壳体内分成个互不相通的单格，每个单格内装有极板组和电解液组成一个单格的蓄电池。壳体的底部有凸起的筋，用来支撑极板组，并使极板上脱落下来的活性物质落入凹槽中，防止极板短路。2.2蓄电池的放电工作原理充电完成后的铅酸蓄电池，正极板二氧化铅（PbO2），在电解溶液中水分子的作用下，由水与少量二氧化铅生成的物质氢氧化铅（Pb(OH)4），这种物质可离解并且不稳定。溶液中的氢氧根离子比较稳定，正极板上则留下了铅离子（Pb4+），所以正极板上需要电子进行中和。 铅酸蓄电池充电完成后，铅（Pb）成了负极板，与酸溶液里的硫酸（H2SO4）发生反应，生成了铅离子（Pb4+），铅离子扩散至电解溶液中，多余的两个电子（2e）就留在负极板上。 由此可知，当外电路并为与蓄电池接通时（电池开路），由于化学作用，负极板上产生了多余电子，正极板上失去了电子，两极板间就产生了一定的电位差，电池的电动势也就这样形成了。当在蓄电池正、负极板之间接入负载后，放电过程开始发生。此时，正极板上的电位逐渐下降，负极板上的电位逐渐上升，正极板和负极板上的活性物质（PbO2和Pb）都在不断地转变为硫酸铅（PbSO4），而电解液中的硫酸逐渐转变为水，电解液的比重逐步下降，从而增加了蓄电池的内阻、降低了电池电动势。其化学方程式为：Pb+PbO2+2HS2O2=2PbSO4+2H2O 。 2.3蓄电池的充电工作原理铅酸蓄电池是一种循环使用的电池，它的负极上活性物质是海绵状金属铅(Pb)，正极上的活性物质是二氧化铅(PbO)，稀硫酸(H2S04)构成了蓄电池的电解液，当电池没有连接负载而开路状态时，正极板和负极板上的活性物质与稀硫酸之间的反应处于稳定状态，形成了平衡态的电极。最低出气率是进行充电过程的前提条件，而蓄电池的充电曲线也是在这个前提下经过科研绘制得到的。曲线如下图所示： 图2.3 蓄电池理想充电曲线实验结果证明，如果充电电流的大小是按照图2.3的这条曲线变化，电池的充电时间将大大减少，电池的容量和使用寿命也不会受到干扰，一般来说把曲线叫做最佳充电曲线。初始充电电流虽然起初很大但是衰减的非常快，主要是由于极化现象的出现，这是在充电过程中产生的。在密封的蓄电池充电过程中，由于化学作用内部产生了氢气和氧气，当氧气不能被吸收时，堆积在产生氧气的正极板上，造成电池内阻增加，使得电池的温度不断增加，如同将正极板的面积缩小，表现形式就是内阻的增加，这就是所谓的极化现象。 蓄电池充电的化学反应式如下所示： 充电的过程就是电解的过程。也就是从外部向蓄电池内通入电流，在电极极板的活性物质上引起氧化还原反应。 负极发生还原反应：PbSO4+2ePb+SO42（1） 正极发生氧化反应：PbSO42e2H2OPbO24HSO42（2） 总反应：2PbSO42H2OPbPbO22H2SO4（3） 在充电快要结束的时候发生下列反应： 负极：2H2eH2（4） 正极：2OH2e1/2 O2H2O（5） 总反应：H2O1/2 O2H2（6） 最后的结果是正极上二氧化铅最多，硫酸铅最少；负极上的绒状铅最多,硫酸铅最少。由于反应（2）和（6）消耗了水，反应（1）和（2）硫酸是主要产物，所以充电结束后铅酸蓄电池中电解液的浓度上升，在必要时需要加入一定量的水来调整电解液浓度。 因为充放电是可逆反应，所以放电反应如下所示： 负极发生氧化反应：PbSO422ePbSO4（7） 正极发生还原反应：PbO26HSO422ePbSO42H2O（8）总反应：PbO2Pb2H2SO42PbSO42H2O（9）l882年格拉斯顿(JHGladstone)和特雷伯(ATribe)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，铅酸蓄电池的化学反如下： 图2.4 蓄电池化学反应示意图由图2.4可知，蓄电池放电的化学方程式如下： PbO2Pb2H2SO42PbSO42H2O2.4蓄电池的容量及影响因素一、蓄电池的容量C 蓄电池的容量是指在放电允许范围内，蓄电池输出的电量： Cft f （安时/Ah）1、额定容量C20充足电的蓄电池，在电解液温度为30oC时，以20h放电率的电流连续放电到规定的终止电压时，蓄电池所输出的电量C20。2、 起动容量 起动容量表征蓄电池在接起动机时的供电能力，并根据使用条件分为常温起动容量和低温起动容量。 常温起动容量在电解液温度为30oC时，以5分钟放电率的电流，连续放电到9V（12V蓄电池）时，蓄电池所输出的容量。低温起动容量在电解液温度为-18oC时，以5分钟放电率的电流，连续放电到6V（12V蓄电池）时，蓄电池所输出的容量。3、 额定储备容量额定储备容量是不分蓄电池规格大小的，规定一律以25A电流放电到终止电压（1.75V)时的放电大小计算。对于不同规格的电池，要规定不同的放电时间。国际电工委员会（IEC）标准中规定，汽车型的铅酸蓄电池的容量用额定容量和额定储备容量表示都可以。 有时在额定容量后面用一个字母表示特殊性能，G表示高起动率、S表示塑料外壳、D表示低温起动性能好。 例如：夏利TJ7100型轿车用6QA40S型蓄电池：由6个单格电池组成，额定电压为12V，额定容量为40Ah的起动用干荷电铅蓄电池，采用了塑料外壳。 2、 影响蓄电池容量的因素 蓄电池的容量越大，所存贮的电能越多。蓄电池容量的大小，与放电电流、电解液的密度及极板结构等有关。放电电流增大，蓄电池的端电压和容量下降；温度越低，蓄电池的容量下降，额定容量是在30oC时测得；电解液密度增大，可以减少内阻，提高容量，但不能过大；增大极板面积和片数，可以增大容量。采用簿型极板、增加极板的片数，可以在不增大蓄电池体积的情况下，提高蓄电池的容量。 2.5 本章小结 本章对蓄电池的结构进行了概括性的介绍，并增加了图片进行说明，使读者对蓄电池有了大概的结构性的了解，然后对蓄电池的工作原理进行了分析，并对充电和放电分别进行了概述，对研究历史做了大致阐述。使对蓄电池的了解更加具体和细致，为之后的充电研究打下知识基础。 第三章 蓄电池的充电研究铅酸蓄电池的充电方法现在主要分为蓄电池的快速充电方法和蓄电池的传统充电方法。蓄电池快速充电法的意义在于提高蓄电池充电速率，比较有效的缩短了铅酸蓄电池的充电时间，同时提高了铅酸蓄电池循环使用的次数，是目前铅酸蓄电池充电技术中科研和实际应用的热门之一。采用用小电流充电、慢速充电的方式是主要的传统充电方法，将完全放完电的电池充至完全满电的状态需要20多小时的充电时间。将小电流充电与快充相结合可以取长补短，这是我所设计的充电器使用的充电理论。 3.1 蓄电池早期充电方法 在蓄电池使用之初，大都采用传统的充电方法。充电方法主要有分阶段充电、恒电流充电、恒电压充电等充电方式。这些充电方法有很多优点，比如使用传统充电方法的充电功率一般比较小，充电控制电路比较简单。1940年前国际上公认的蓄电池充电经验法则成为传统充电方法的依据。“安培小时规则”是这些法则里最为著名的。其内容为：蓄电池充电电流的安培数值，应该小于蓄电池待充电的安时数。但是实际上，蓄电池在充电时的温升和气体的产生制约了常规充电的速度。这对研究蓄电池所需要的的最少充电时间具有十分重要的意义。 1、 恒流充电：用一个电流源对蓄电池进行充电，充电电流在一个充电过程的某一个时间段内保持不变。 在恒流充电中，单阶段恒流充电、分阶段恒流充电是恒流充电里两种常见的方式。 图3.1 单一恒流充电方式 图3.2 分阶段恒流充电方式 由图3.1和图3.2可以看出，这两种方式的不同在于：单一恒流充电方式恒定电流设定的值比较小，这是为了防止充电后期充电电流过大，防止对电池造成损坏，所以所需要的充电时间一般较长，充电电流一直保持恒定，直到充电完成。而另一种充电方式的充电电流在一次充电过程里是变化的，在其中有很多的恒流段，电流的变化成阶梯式。2、 恒压充电是保持蓄电池端电压恒定充电的充电方法，该方式充电电压、电流曲线图如图3.3所示，对于铅酸蓄电池来说，一般取每节单体电池2.452.5V作为充电恒压数值。在充电开始时候，电流很大。随着充电过程的继续进行，电解液密度逐渐上升、蓄电池电动势增大，所以到了充电的末期，恒压充电时的电流比较小。 图3.3 恒压充电中电压、电流大小的变化曲线优点：恒压充电因为电路简单所以容易实现，而且方便控制。缺点：（1）等效的串联电池内阻一般很小，而在充电开始时候电流很大，可能会引起电池上的活性物质脱落，造成蓄电池温度过高，严重时可能会引起电池极板弯曲，使电池损坏。 （2）把恒压值的大小减小，虽然可以减小充电开始时的电流，但是会造成延长充电时间、充电不足，严重地同样会缩短蓄电池的使用寿命。总结：恒压充电一般用在小容量、低电压的电池充电。3、两阶段充电法，也就是常说的恒流限压充电方法，即在蓄电池充电第一阶段采用电流恒定的充电方法，从而限制了充电开始时候的电流大小，在第二阶段，电池电压上升到某一数值后变为恒定值，也就是恒压充电，在此之后，流经蓄电池的电流逐渐减小，最终充电完成，图3.4为该充电方式的电压、电流变化曲线示意图 图3.4 两阶段充电法电流、电压曲线 3.2 蓄电池的快速充电理论 美国科学家麦斯在20世纪60年代对蓄电池的充电过程中出现的的析气问题作了大量的分析研究工作后，得到了一个重要成果铅酸蓄电池可以承受的以最低出气率为标准的充电电流曲线，如下图所示： 图3.5 标准充电电流曲线他的研究实验表明，如果铅酸蓄电池的充电电流的大小的变化规律同这条曲线吻合，那么就可以达到快速充电的目的，减小充电时间，蓄电池的容量和蓄电池的使用时间也没有受到影响。这条曲线就是蓄电池最佳充电曲线，这项研究成果确定了铅酸蓄电池的快速充电理论研究的方向，具有十分重要的意义。 . 由上图可以看出：在充电开始时候，电流很大，但是很快的就减小了。主要是因为在蓄电池充电的过程中其内部出现的极化现象。这里说的极化现象，指的是在密封式铅酸蓄电池充电的时候，内部产生了气体氢气和氧气，产生的氧气在正极板（氧气是在正极板上由于电化学反应产生的）上开始堆积，前面已经提到，这会造成电池温度升高，内阻上升，相当于使正极板减小了面积。这种极化现象使得电流因为内阻的增加而迅速减小。 蓄电池充电过程和放电过程是可逆的，在有些理论中，是这样解释极化现象的出现的：只有尽量使通过蓄电池的电流小一些，才能使电池能在这种热力学平衡状态（充电和放电的可逆反应）之下保持充电状态。当充电电压跟蓄电池本身的电压相等时是实现该状态的最理想的条件。但是，实践表明，充电电池的电压，必须增加到一定值时（这个值由于电极材料，溶液浓度等各种因素的差异在不同程度上大于电池电动势平衡值）才能进行充电。在一个化学反应中，电动势比热力学平衡值大的现象，是极化现象。而极化现象随着越来越大的充电电流而变得严重。要想实现快速充电，必须消除充电过程中电池的极化现象。第一，快速充电要保证负极的吸收能力，保证能基本吸收正极上产生的氧气，不会有多余的氧气析出，使得析气率控制一个很小的数值范围内，这样能很好的消除极化现象，第二，快速充电必须要保证尽量加快电池的化学反应速度也就是能够提高充电电流，提高充电速率，减少充电时间。针对传统充电方法安全性能不好、充电速率慢，对电池损坏大等缺点，在经过多年研究后，许多科学家陆续提出了一些其它的快速充电方法，如脉冲式充电法、分级定流充电法以及变电流间歇充电法等。这些方法都得到了实际生产的检验，在这些方法中，使用最为广泛和成熟的是分级定流充电法。1、 分级定流充电法类似于我们常说的多阶段恒电流充电方法，它综合了恒流充电和恒压充电两种充电方法的优点。当充电开始后，电流比较大，充电时间快，经过一段时间后电压上升到某一数值后，改用较小的电流，充电最后变为更小的电流。最具代表性的就是三级充电法，其原理图如图3.6所示。 图3.6 分级定流充电法一级恒流是给蓄电池一恒定电流充电，二级恒压阶段是以恒定电压给蓄电池充电，三级恒流是给蓄电池一小恒定电流充电。整个给蓄电池充电的过程中电流的大小从一级的大电流变为三级阶段的小电流。恒压充电的优点和恒流充电的优点被分阶段充电方式融合在一起，这种充电方法首先有效的避开了恒电压充电方式在充电开始时候电流对电池造成的瞬间冲击破坏，其次，可以使大电流的恒流充电方式可能带来的过充电现象得到有效的避免，在前两个阶段充电完成后，最后一级的充电可以给蓄电池尽可能多的充电，并且对电池不造成损害，最后，这种充电方式比较好地模遵循了蓄电池的最佳充电曲线，得到了比较好的实际应用的效果2、 脉冲式充电法 优点：（1）尊重铅酸蓄电池自身的充电接受速率水平； （2）能够提高铅酸蓄电池充电接受率，不受蓄电池的指数充电接受曲线的影响和限制。 图3.7 脉冲式充电法脉冲充电方式的充电原理是：接入电路后，用脉冲电流对蓄电池进行充电，充电一段时间后，停止给电池充电，然后再用脉冲电流充电，再停止，如此循环。通过间断性的充电，蓄电池充满电量，而在停止充电的时候，蓄电池因为化学反应放出的氧气和氢气能够有充足的时间被吸收化合成水，使欧姆的极化和浓差的极化也能顺利的消失，进而减小了蓄电池的内部压力，保证恒流充电在下一轮中能够更加顺利地完成，使蓄电池得到更多的电能。间歇脉冲充电方法使蓄电池有了较为充足的反应的时间，同时使析气量大大的减少，铅酸蓄电池的充电电流接受率也得到明显的改善。3、 变电压间歇充电法 由于是恒压充电，所以充电电流的变化是按照指数规律进行下降的，而且也满足蓄电池的电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。其电压、电流变化曲线如下图所示： 图3.8 变电压间歇充电法 4、变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法 根据以上的Reflex快速充电法、综合脉冲充电法及变电流间歇充电法等的优点，变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法进行了总括，并实现了发展应用。脉冲充电法充电法的控制方式一般有两种：1）PWM（驱动充放电开关管）设定的信号频率是固定的，而可以通过改变脉冲电流的幅值进行控制调节；2）脉冲电流的幅值固定不变，而通过调节PWM信号的频率进行控制。 而变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法采用了一种跟这两者不同的控制方式，脉冲电流幅值与PWM信号的频率都是不变化的，而是通过调节PWM的占空比来实现，在这个基础之上再加上间歇充电的阶段，使得蓄电池能够在一定的时间内获得更多的电量，蓄电池的充电接受能力得到了明显的提高，相比其他的充电方式更为可靠和安全。但是由于其技术较为复杂，不容易实现，所以没有得到广泛的应用。 图3.9为该充电方式电压、电流的变化曲线 图3.9 波浪式间歇正负零脉冲快速充电3.3本章小结 本章主要阐述了铅酸蓄电池的充电理论的发展，介绍了快速充电原理、以及各种充电方法，指出了快速充电技术的关键在于消除电池极化电压。快速充电技术与传统的充电方法相比有明显的优势，有利于缩短充电时间、提高利用效率、延长使用寿命、降低能耗等，充分运用马斯最佳充电曲线理论，在其安全充电状态下，尽可能加速充电时间，下一章将开始介绍设计的充电器的结构原理 第四章 充电器电路设计及原理 4.1 电路总体设计 该充电器由充电专用芯片uc3906及其外围电路组成，其结构比较简单，但是稳定性相对于其他的由简单二极管、三极管及放大器、电容等组成的纯电路要高很多，电路主体由整流电路和充电电路组成。若在汽车上取下蓄电池进行充电时，可用整流滤波电路，将220v交流电在经过整流电路整流滤波后进入充电电路，通过充电电路进行取样，分析，然后开始各阶段充电。在下面章节会对滤波电路进行简要分析。因蓄电池一般是利用汽车发电机进行充电，而汽车发电机发出的电压刚好在芯片使用的电压范围内，所以在此不在讲述，直接分析充电电路。 4.2使用芯片介绍 现在，所有的电器设备都趋于小型化、智能化，而且更加安全，方便使用。这主要归功于内部结构的集成化程度越来越高，同时也使得体积变小成为可能。我相信这也是未来电器的发展方向，因此本设计也采用了集成芯片，加入了专用充电芯片UC3906，使得外围电路得到了简化，也易懂方便。UC3906是密封式铅酸蓄电池的专用充电芯片，它除了可以实现密封铅酸蓄电池进行最佳充电方式所需要的全部控制功能、取样检查功能以外，还可以使充电器的各种转换电压根据蓄电池电压温度系数的变化进行相应的改变，正因为如此，该芯片可以使密封式铅酸蓄电池能不受周围环境温度的影响而能达到最佳的充电状态。UC3906 为密封式铅酸电池充电监控IC,该芯片整合必要的电路,只须少数的外部元件配置,即可提供对密封式铅酸电池充电所需的控制与检测功能,并藉由最佳化的充电参数控制,确保电池的使用寿命与工作效能。UC3906外部管脚图如下图所示。该芯片内部的电压控制电路是独立设置的，内部的限流放大器也是独立设置的，芯片内部的驱动器可以由此进行控制，输出电流的大小可以达到25毫安，这样可以直接对外部串联的调整管直接驱动，进而可以直接对蓄电池充电器的输出电压和输出电流进行调整。芯片内部的电流和电压检测比较器可以随时检测蓄电池是否充满电，并将该状态作为控制信号来对充电状态电路的输入信号进行控制，以此实现状态指示的功能。UC3906有SOIC-16以及DIP16两种封装形式。管脚与电路板是采用表面粘着或插件的方式进行接合。 图4.1 uc3906外部图图4.1为UC3906外部管脚图，共有16管脚，其内部管脚图如图4.2所示： 图4.2 UC3906 内部结构图 当蓄电池的电压低于设定值时，芯片内部的充电使能比较器能控制充电器进入涓流充电状态。该比较器在驱动器截止的时候还可以输出大小约为25mA的涓流充电电流。因此，当电池反接或者短路时，该充电器仅能进行小电流充电，这样就可以使电池不至于因过电流充电而损坏。 具有非常精准的基准电压是芯片UC3906的另一个非常重要的特性，其基准电压能随环境温度的变化而变化，而且其变化规律和铅酸电池电压的温度变化特性一模一样。该芯片另一个优势便是它的工作电流仅为1.7mA，这样可以尽量减小芯片的功耗，功耗低意味着散热少，也就能实现对外界环境温度的准确检测，并使自身的温度影响降到最小程度，使蓄电池既能充足电，又不会严重过充电而造成电池的损坏。除此之外，在芯片内部还加入了一个输入欠压检测电路，这样可以对充电周期进行初始化。这个电路还可以驱动逻辑输出一个，当给充电器加上输入电源后，管脚7可以指示电源的状态从而方便控制。 其管脚图如下表所示：1 脚C/S out16脚流入2 脚C/s -15 脚流出3 脚C/s +11 脚偏置4 脚C/L13 脚电压检测5 脚+ Vin12脚充电器启动6 脚GND11 脚涓流偏置7 脚电源指示10脚状态电平控制8 脚过充电终止9脚过充电指示 其参数最大值为： 电源电压（VIN）40V 开集电极输出电压40V 放大比较器输入电压 -0.3V to +40V 驱动电流80mA 涓流偏置输出电流40mA 4.3 原理图及分析4.3.1 市电整流滤波电路 在最初选择此部分电路时，考虑的是整流电路，但是整流电路虽然其输出电压是只有一个方向的，却会留下比例比较大的交流成分，对于该充电器的工作效果会产生一定的不确定影响，为了排除这部分不确定因素，最终选择在整流电路后再加入滤波电路，可以把脉动的直流变平滑。在综合充电器电路电压，电流大小以及电路复杂程度各影响因素，选择最常见也是最简单的电容滤波电路 图4.3 整流滤波电路图 如图4.3所示，在整流电路后并联一个电容C，当变压器副边一侧电压u2处于上半周期而且其大小比电容两端电压高时，其中两个二极管导通，电流经过电阻和电容时，给电容充电，当副边电压开始下降后，电容电压下降速度比副边电压下降速度慢，使得电容继续给电阻放电，使电阻上的压降缓慢下降，波形变得平滑，而且输出电压的平均值得到了提高，从而起到了改善电压输出和滤波的效果。其电压输出波形图如下： 图4.4 整流滤波电路电压输出波形图 4.3.2充电器原理图及分析 一、充电器电路图如图4.4所示： 图4.5 充电器电路示意图 此充电器整个充电过程可以分为三个阶段： 1、恒流阶段：首先开始涓流充电，当蓄电池电压过低时，充电器开始输出一个小电流，该电流恒定。当驱动器截止时，该比较器还能输出25mA涓流充电电流。这样，当电池短路或反接时，充电器只能小电流充电，避免了因充电电流过大而损坏电池。然后进行大电流快速充电，当充电器电压达到一定数值后，充电器进入快速充电阶段，此阶段仍为恒流阶段，而蓄电池主要的电量也是在此阶段回充。2、 恒压阶段：在完成大电流快速充电后，当蓄电池电压达到过充电电压的95%时，即进入恒压阶段，在此阶段，电压上升很小，充电电流下降，但仍继续为蓄电池补充能量，电压上升的幅度较小并且速度放慢，直到蓄电池电压稳定接近至过充电电压。3、 浮充阶段：在第二个阶段完成后，开始进入本阶段，此状态下，蓄电池电压因接入负载而开始消耗电能，电压随之下降从而小于过充电电压，充电模式回到涓流充电状态，相当于充电器供电，而也给蓄电池维持供电，使得蓄电池电压上下浮动，但仍能保持满电状态。2、 整流滤波电路及充电器电路各参数整定 （1）因为VIN=18V，所以整流滤波电路的输出电压是18V，根据滤波电路输出电压平均值公式 以及相似三角形关系公式 得到：=18V又因为T=50Hz，设U2=30V，所以RC=21.74，因为滤波电容容量较大，所以选择C=1000uF，而R2170。 （2）在蓄电池充电过程中，根据三段式充电原理及充电专用芯片UC3906使用相关规定，其充电参数主要有浮充电电压VF、过充电电压VOC、最大充电电流I max、过充电终止电流IOCT等。电池额定电压为12V，容量为7Ah，VIN=18V，VF=13.8V，VOC=15V。由于该充电器一般是接在蓄电池上，所以，在串联调整管与输出端之间串入一只二极管以防止蓄电池的电流倒流入充电器引起不安全情况。同时，为了避免输入电源中断后，蓄电池通过分压电阻R1、R2、R3放电，使R3串接电源充电状态指示（管脚7）然后接地。当18V的电压接入充电器后，三极管Q1开始导通，开始恒流充电，电流大小为500mA，蓄电池的电压逐渐升高。当蓄电池的电压大小为过充电压VOC的95（即14.25V）时，电池转入过充电恒压充电状态，充电电压维持在过充电电压的95%左右，流经充电器的电流开始迅速下降。当电流大小回落至过充电终止电流（IOCT）大小时，该充电芯片的管脚10输出高电平，经过比较器LM339的比较后，比较器输出低电平，蓄电池自动转入浮充状态。同时充足电指示发光管发光，指示蓄电池已充足电。 只要所提供的功率管可以承受、输入电压允许，I max便越大越好。虽然有些生产企业宣称在有过充保护电路的情况下，充电率可以大于等于2C，但是一般来说，C/20C/3是电池生产厂家普遍推荐的充电率范围。IOCT的选择原则是能使电池接近100充电状态。合适值的选取要考虑VOC和在VOC时蓄电池充电时充电的电流变化的特性。I max由电流限制放大器和电流检测放大器的偏置电压决定，IOCT检测电流的电阻RS决定。参考以上资料，在这里，取I max=500mA，IOCT=50mA。 因为 ，所以，RS=0.5 在选择参数前，必须确定一个分流参数值，ID，其值为150至200微安。 所以，RD=1.2K其他元件的参数如下：R1 =68.1k 、R2 =22.6k、R3 =47k、R4 =348k、R5 =82k、R6 =1k、R7 =1k、C1 = C2 =0.1 F。根据以上参数，由PROTEL软件绘制的电路原理图如图4.6所示： 图4.6 充电器电路原理图充电器PCB图如下： 图4.7 充电器PCB图 4.4本章小结 本章给出了充电的原理图以及PCB图，根据模块化设计的理念，采用了专用充电芯片UC3906，使电路图大大的得到了简化，分析也更为容易，更容易掌握和理解，然后对电路图的充电原理进行了分析，总体来说，该电路能在实际应用中有不错的工作效果。 第五章 总结与展望 对蓄电池的结构、充放电原理进行了分析，重点对蓄电池的充电进行了分析和论述，分析指出现在三段式是最为常见、理论最为成熟、也最容易使用的充电理论。同时，根据现在电路趋于模块化数字化的特点，利用充电专用芯片UC3906和外围电路设计了该三段式充电电路。能够实现对蓄电池的智能充电，并能够根据充电过程自动调整控制参数，可以实现充电过程的无人值守，延长电池的使用寿命，也节省了人力，符合现在倡导的低碳环保的新要求。由于设计时间短，在电路设计与充电算法方面还存在不足，有待于以后不断改进。不可再生资源如煤炭、石油、天然气等的开采量逐渐增大，其存储量也越来越少，未来时间里，电力作为可再生清洁能源越来越得到人们的重视。风力发电、太阳能发电等新兴清洁能源发电技术越来越完善，使用也越来越广泛。在电能使用越来越广泛的今天，作为存储电能的蓄电池也会随之受到更广泛的关注，现在蓄电池的快速充电技术正在日趋完善。 现在，国家新的规划当中给予了新能源汽车很高的重视，这也为蓄电池行业的发展提供了广阔的市场前景。用于新能源汽车的动力电池包括两部分：混合动力和纯电动。前者又包括两个方向：一是传统的铅酸电池;二是使用新技术、新材料的锂电、镍氢等。市场比较倾向于前者向后者的过渡，一般比较认可的过渡路径还是铅酸蓄电池。有些人认为，今后低速车用铅酸，高档车可以用锂电。但是，一些业内人士认为，铅酸电池在混合动力车领域也大有作为，不应只局限在低速车。而且，国家对电动车的支持和投入要比当年电动自行车要大得多，