正負(fù)脈沖充電器的原理及設(shè)計(jì)

摘要：

本介紹了脈沖充電器的原理，以及通過(guò)單片機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池進(jìn)行智能脈沖充電的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池，正負(fù)脈沖，充電。

1、概述，

隨著人們對(duì)環(huán)境污染的日益重視，鉛酸蓄電池由于制造成本低、容量大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在人們的日常生活中已經(jīng)是一個(gè)非常常見(jiàn)的儲(chǔ)能方式了，常見(jiàn)的如我們風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能部分大部分就是采用鉛酸蓄電池;我們?nèi)粘５拇焦ぞ?mdash;—電動(dòng)自行車，它的能源也是來(lái)源于鉛酸蓄電池。

但是在蓄電池的使用中，由于使用方法的不同，對(duì)蓄電池的使用壽命也產(chǎn)生很大的影響。充電方式的選擇就是其中主要因素。目前我們主要的蓄電池充電方式有恒壓限流、恒流充電以及快速充電法等幾種。這幾種常見(jiàn)充電方法在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)。正負(fù)脈沖充電器的就是我們常用一種充電器。在這里我們著重介紹正負(fù)脈沖充電器的工作原理。

2、脈沖充電的原理

美國(guó)科學(xué)家馬斯對(duì)蓄電池的充電過(guò)程的出氣問(wèn)題作了大量的直言和研究工作，提出了以最低出氣率為前提的蓄電池可接受的充電電流曲線，在充電過(guò)程中，只要充電電流不超過(guò)蓄電池的可接受的電流，蓄電池內(nèi)部就不會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡。常規(guī)的三段式充電在充電初期，充電電流遠(yuǎn)小于蓄電池的可接受充電電流，因而充電時(shí)間較長(zhǎng)，充電過(guò)程后期，充電電流有大于蓄電池的可接受電流，因而蓄電池內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡，如果在整個(gè)充電過(guò)程中能使用實(shí)際充電電流始終等于會(huì)接近于蓄電池可接受的充電電流進(jìn)行充電，，卻是可以大大加快充電速度，然而，充電過(guò)程中蓄電池產(chǎn)生的極化電壓會(huì)阻礙本身的充電。由此可見(jiàn)要想實(shí)現(xiàn)快速的充電，必須消除極化電壓對(duì)蓄電池充電的影響，如果給蓄電池提供一條放電通道，這樣就可以消除電化學(xué)的極化影響，同時(shí)蓄電池的溫度也會(huì)因?yàn)榉烹姸玫娇刂?。脈沖充電器也就是基于這個(gè)原理而形成：在蓄電池的充電過(guò)程中，適當(dāng)暫停充電，并適當(dāng)加入放電脈沖，就可以迅速消除各種極化電壓，從而提高充電速度和效率，脈沖充電有兩種類型，一種是只有正脈沖如圖1所示。

圖1 間隙正脈沖充電波形

另一種在正脈沖之間加入負(fù)脈沖，是電池放電。如圖2.

圖2 帶負(fù)脈沖的脈沖充電波形

影響充電速度的決定因素是電流的大小，脈沖充電比恒壓限流充電速度快的原因就是脈沖充電給了蓄電池休息的時(shí)間，從而允許在充電階段使用較大的電流充電，加快了充電速度。

3、硬件設(shè)計(jì)

充電器以高性能、低功耗的AVR 微處理器ATMEGA48為控制核心，該處理器建行糊了外圍電路，內(nèi)部集成了六通道的PWM輸出、8路10位ADC等接口和控制器。功率電路部分采用恒流開(kāi)關(guān)電源，通過(guò)對(duì)單片機(jī)采集相關(guān)的溫度、電壓、電流數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理形成高速PWM，可以調(diào)節(jié)恒流源的電流大小。以大功快速M(fèi)OS管Q3作為

正負(fù)脈沖充電器的設(shè)計(jì) 3 開(kāi)器件關(guān)，通過(guò)單片機(jī)的控制產(chǎn)生充電正脈沖，通過(guò)單片機(jī)控制MOS管Q4，產(chǎn)生放電脈沖。系統(tǒng)框圖如圖3。

圖3 系統(tǒng)框圖

充電器功率主電路設(shè)計(jì)如圖4所示：

圖4 功率電路設(shè)計(jì)圖

D1、D2、D3、D4整流電路部分，C1、C2、Q1、Q2組成功率因數(shù)矯正電路，L1、D5、D6、C3、Q3組成充電電路，R1Q4 組成放電電路。工作原理：通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)對(duì)Q1、Q2進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)充電器的恒流充電;單片機(jī)對(duì)Q3的控制，實(shí)現(xiàn)蓄電池的充電和充電停止，單片機(jī)對(duì)Q4的控制，實(shí)現(xiàn)蓄電池負(fù)脈沖的放電。

4、軟件設(shè)計(jì)

軟件以C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

對(duì)蓄電池電壓檢測(cè)

充電電流檢測(cè)

恒流控制

電池溫度采集

根據(jù)采集的電壓、充電電流作為特征，對(duì)充放電開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制

程序流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

5、總結(jié)

以單片及為控制核心組成的正負(fù)脈沖充電器，是近年來(lái)電力電子智能化發(fā)展一個(gè)方向，本文 采用智能控制的方式實(shí)現(xiàn)充電電流的恒流控制，另一方也可以通過(guò)單片對(duì)大功率開(kāi)關(guān)管的控制實(shí)現(xiàn)正負(fù)脈沖充電控制，在實(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)蓄電池的快速充電，并且可以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

參考資料：

1.ATME GA8中文數(shù)據(jù)手冊(cè)

2.蓄電池充電技術(shù)張新德機(jī)械工業(yè)出版社

3.開(kāi)關(guān)電源技術(shù)楊旭裴云慶王兆安機(jī)械工業(yè)出版社