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课题：铅酸蓄电池充电器的设计与实现文 献 综 述一、引 言铅酸蓄电池经过百余年的发展与完善以其成本低、电压高、原材料丰富、制造工艺简单而在通讯、交通、电力等部门得到了广泛应用。目前，我国的电动车用动力蓄电池大多为铅酸蓄电池,但由于各种技术条件的限制,所采用的充电方法均未能遵循电池内部的物理化学规律，使整个的充电过程存在着严重的过充电和析气现象，充电效率低，导致蓄电池的使用寿命受到影响，造成很大的浪费，因此设计一种全新的多功能智能型铅酸蓄电池充电器是十分必要的。国内电动车市场的蓬勃兴起，引发了蓄电池行业的一场革命。铅酸蓄电池企业的技术创新和发展壮大，为电动车的普及和推广开辟了道路。但是，作为产业链中的一个重要环节，铅酸蓄电池企业目前的生存状况普遍堪忧，尤其是在当前国际金融危机的影响下，蓄电池企业的弱势地位则更加凸显。如何打破现有的产业利益分配格局，积极寻找一种符合产业健康发展方向的多边盈利模式，已经成为关乎铅酸蓄电池企业生死存亡和可持续发展的迫切要求。电动车用动力蓄电池与一般蓄电池还有所不同，它以较长时间中等电流持续放电为主，间或以大电流放电，用于起动、加速或爬坡。一般来说，电动车用蓄电池多工作在深度充放电工作状态。 当然，也有一些高性能电池，比如锂电池、燃料电池等。虽然近年来蓄电池自身的技术有了不小的进步，但作为其能量再次补充的充电器的发展非常缓慢，传统的常规充电时间过长，快速充电技术至今仍未能完全解决，严重地制约着电动车的发展。 对蓄电池而言,为了延长蓄电池的使用寿命，除了使用正确的方法外，充电器设计的好坏也直接影响其使用寿命,因此，设计一个好的蓄电池充电器尤为重要。二、主 题2.1 铅酸蓄电池的发展现状与未来发展趋势2.1.1 铅酸蓄电池企业的发展现状中国的电池工业起步较晚，但发展速度很快，尤其是在近10年的时间里，在电动自行车爆发性增长的拉动下，引发了蓄电池企业“大干快上”的热潮。目前铅酸蓄电池企业已经度过“量价齐升”的黄金时期，今年上半年，尽管我们在各种统计数据上看到的结果往往是喜忧参半， 但从企业的实际感受来说还是忧大于喜，现在大部分企业都已经开始“勒紧裤带过紧日子”了， 而且未来的市场走势究竟朝什么方向发展还很难预期， 这就是我们必须面对的严酷现实。从表象上来看，蓄电池产业在经过20多年来的高速发展之后，目前已经趋于稳定和理性，能做大的都做大了，能做强的也都做强了。但是如果对产业发展的现状进行反思和解剖，我们就不难发现，多年来累积的一些矛盾和问题不仅没有得到克服和解决，反而浮出了水面，已经成为蓄电池企业一种难以愈合的心病，并由此而带来了对整个行业可持续发展的隐忧。2.1.2 铅酸蓄电池未来的发展趋势铅酸蓄电池经过150多年的发展与完善，目前已成为世界上广泛使用的一种化学电源，具有安全可靠、使用寿命长、适用范围广、可再生利用及造价低廉等优点，至今仍保持了顽强的生命力。但是，从行业未来发展的趋势来看，铅酸蓄电池还必须从技术创新和市场拓展两个方面继续努力，才能保持产业与时俱进可持续发展。从技术创新上来说，经过20多年的发展，深循环铅酸动力电池制造技术目前处于国内铅酸蓄电池制造技术的第五个最高阶段，已经达到世界领先水平。因此，未来蓄电池企业必须进一步加大技术创新力度，研究新技术、新工艺， 不断完善和改进蓄电池的性能，以保持铅酸蓄电池在化学电源中的主导地位，这是产业技术发展的一个方向。从市场拓展上来说，“跨界越境”是未来市场的典型趋势。“跨界”就是要打破产品种类单一，“越境”就是要面对国际市场。铅酸蓄电池企业除了在传统应用领域开展合作与竞争之外，还要看到未来铅酸蓄电池的市场重心将会有所转移。一是当前方兴未艾的电动汽车领域，工信部发布的新能源汽车和生产企业及产品准入管理规则从2009年7月1日开始实施，国家政策已经为铅酸蓄电池的准入打开了“绿灯”；二是太阳能光伏储能电池领域，仅此一项国际市场的需求量就达到3000个亿；三是离网光伏发电领域，市场潜力非常巨大，全球市场年增长率将达到27%，国内随着西部开发和乡村离网发电照明改造工程的推进，也是一个非常庞大的市场。我们完全有理由相信，随着全球经济的逐步回暖和我国经济社会的健康发展，我国铅酸蓄电池企业一定会迎来一个新的春天。2.2 铅酸蓄电池充电原理分析 由于铅酸蓄电池国内电动车市场的蓬勃发展，铅酸蓄电池企业的技术创新和发展也不断发展壮大。以至于铅酸蓄电池在我们的生活中扮演着重要的角色，而且铅酸蓄电池的技术依旧在发展更新，其规模也不断壮大。 然而，怎样使铅酸蓄电池能够一直保持持续发展的速度，更充分更有效的利用铅酸蓄电池呢？对蓄电池进行怎样的充电方式，使充电效率更高，对电池损害最小呢？20世纪60年代末期，美国科学家马斯对蓄电池充电过程的析气问题做了大量的研究工作图（1） 最佳充电曲线，对蓄电池的充电过程作了大量的研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图（1）所示。由图（1）可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（产生氧气），使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。其放电及充电的化学反应如下：。可以看出充电过程和放电过程互为逆反应。可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。但是，实践证明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行，而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。一般来说，产生极化现象有欧姆极化、浓度极化、电化学极化三个原因。欧姆极化是在充电过程中，正负离子向两级迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温；浓度极化是在电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化；电化学极化，是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上的电子运动的速度造成的。这三种极化现象都是随着充电电流的增大而严重的。2.3 铅酸蓄电池充电方式分析一般的铅酸蓄电池是密封的，在充电过程中电池电压逐渐升高，由于电化学作用，内部的温度及压力也相应升高。使用正确的充电方式可以延长蓄电池的使用寿命和提高充电的效率，然而我们该如何选择最有效而又对电池的损害最小呢？采用传统的充电方式向蓄电池充电，蓄电池电压上升到某一数值后，电池内部极化现象已较为严重，易导致电池损坏，此时应立即停止充电，瞬间深度放电使蓄电池内部极化现象消失，为解决以上问题，可以采取脉冲充电方法，在正脉冲期间对电池充电，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。2.3.1 常规充电方式铅酸蓄电池的常规充电方式有两种：浮充(又称恒压充电)和循环充电。 浮充时要严格掌握充电电压，如额定电压为12V的蓄电池，其充电电压应在13.513.8V之间。浮充电压过低，蓄电池会充不满，过高则会造成过量充电。电压的调定，应以初期充电电流不超过0.3C(C为蓄电池的额定容量)为原则。循环充电，其初期充电电流也不宜超过0.3C，充电的安培小时数要略大于放电安培小时数。也可先以0.1C的充电速率恒流充电数小时，当充电安培小时数达到放电安培小时数的90%时，再改用浮充电压充电，直至充满。以上为目前常用的铅酸蓄电池充电方式，但这两种方式存在着一些不足之处。在充电过程中，电池电压逐渐增高，充电电流逐渐降低。由于恒压充电不管电池电压的实际状态，充电电压总是恒定的，充电电流刚开始比较大，然后按指数规律下降;采用快速充电可能使蓄电池过量充电，易导致电池损坏。对于循环充电而言，采用较小电流充电，充电效果较好。但对于大容量的蓄电池，充电时间就会拖得很长，时效低，造成诸多不便。图1 充电器的充电电压、 电流曲线2.3.2 智能型充电器的充电过程分析通过对上述两种充电方式的分析比较，综合其优点设计出具有快充和慢充的智能型铅酸蓄电池充电器。该充电器采用单片机控制，充电过程分为预充、快冲、均充及浮充四个阶段，充电效果更佳。图1所示为该充电器的充电电流、电压曲线。 从图1可以看出:在预冲阶段，充电器以小电流对蓄电池充电，直到电压达到一定大小；在快充阶段，充电器以恒定电流1C对蓄电池充电，由单片机控制快充时间，避免过量充电;在均充阶段，单片机输出PWM控制信号，控制斩波开关通断，以恒定电压对蓄电池进行充电，此时充电电流按指数规律下降，当电池电压上升到规定值时，结束慢充，进入涓流充阶段;在涓流充阶段，单片机输出的PWM控制信号，使充电器以约0.09C的充电电流对蓄电池充电，在这种状态下，可长时间对蓄电池充电，从而能最大限度地延长蓄电池寿命。（1）预充电阶段：对长期不用的电池、新电池或在充电初期已经处于深度放电的蓄电池, 刚开始就采用快速充电会突然增加蓄电池的析气量, 缩短蓄电池的寿命, 因此要先用稳定的小电流对蓄电池充电, 当蓄电池两端电压上升到能接受大电流充电时再进行快充。（2）快充电阶段: 快充也叫恒流充电, 它是一种定电流充电法,以充电器最大的输出电流对电池快速充电, 充电时间取决于电池容量和开始充电时电池状态, 能在较短时间内使充入电量快速增加, 使充电电压迅速上升。（3）均充电阶段: 均充也叫恒压充电, 恒压充电是用恒定不变的电压值对蓄电池进行充电。此阶段充电开始时电流值很大, 随电池端电压上升, 这种充电的电流值逐渐下降, 因此电池的析气量小, 耗水少, 利于延长电池使用寿命, 不过充入电量约在90 % 左右, 不能有效地给电池充足。（4）浮充电阶段: 浮充也叫涓流充电, 浮充电压大体上是恒定的, 仅略高于蓄电池组的断路电压, 充电电流很小, 并逐渐减小到0, 它是一种充电速率高至使电池完全充满电, 低至可避免过度充电的充电方式,使电池能接近100 % 充足电。铅酸蓄电池的型号不同，充电要求不完全相同，在设定快充时间和最大充电电流等参数时，要经过反复试验，才能达到最佳充电效果，使电池寿命得到延长。本充电器经过多种综合试验，充电效果良好，适用于对多种蓄电池充电。2.3.3 几种充电方式的比较浮充时要严格掌握充电电压。它的电压大体上是恒定的，仅略高于蓄电池组的端电压，由电源线路所供的少量电流来补偿蓄电池组局部作用的损耗，以使其能经常保持在充电满足状态而不致过充电。因此，蓄电池组可随电源线路电压上下波动而进行充放电。当负载较轻而电源线路电压较高时，蓄电池组即进行充电，当负载较重或电源发生意外中断时，蓄电池组则进行放电，分担部分或全部负载。这样，蓄电池组便起到稳压作用，并处于备用状态。循环充电，其初期充电是采用小电流对电池进行充电，充电的安培小时数要略大于放电安培小时数。然而，当充电安培小时数达到放电安培小时数的90%时，再改用浮充电压充电，直至充满。浮充和循环充电均属于常规充电方式。都是采用小电流慢充方式，充电时间长，长时间的小电流充电，极易造成充电过程出现“极化”现象，内部出现硫化结晶，极大的缩短了蓄电池的循环使用寿命。若充电电流大，蓄电池内部温升很快，产生大量的气泡，致使充电副反应加剧，严重的还会导致蓄电池“热失控”，永久的损坏电池。智能型充电器通过对上述两种充电方式的分析比较，综合其优点设计出具有快充和慢充的智能型铅酸蓄电池充电器。系统主要由开关稳压电源、斩波开关、控制器和辅助电源等四个部分组成,充电器采用单片机控制，充电过程分为预充、快冲、均充及浮充四个阶段，充电效果更佳。同时又能很好的保护蓄电池和充电器，并具有过流保护、过压保护和超温保护功能。例如，当充电器由于充电电压电流过大致使温度过高时，系统通过系统电压电流控制、电压电流检测、适当减小充电电压电流，从而降低温度。三、总结由于铅酸蓄电池发展的日渐成熟，以及蓄电池在很许多行业的普及，使得我们采用更有效的充电方式对蓄电池进行充电显得尤为重要。然而由于各种技术条件的限制,很多充电方法均未能遵循电池内部的物理化学规律, 使整个的充电过程存在着严重的过充电和析气现象, 充电效率低, 导致蓄电池的使用寿命受到影响, 造成很大的浪费, 因此设计一种全新的多功能智能型铅酸蓄电池充电器是十分必要的。目前市场上最先进的智能型充电器是采用的四阶段的充电方式。更加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、减少环境污染, 通过数字滤波和PID 算法可以在较宽的温度范围内对蓄电池精确充电, 并具有多种保护功能。充电过程中，最重要的问题是充电到什么时候应终止充电或改成涓流冲电，否则会因为过充电而造成对电池的损害，或因内部温度、压力太高而引起爆炸。四、参考文献：（1）周龙瑞；铅酸蓄电池企业的生产现状及未来发