铅酸蓄电池快速充电器的设计

铅酸电池充电器这个充电器可以快速方便的对任何铅酸电池充电。充电电器始终以最大电流对电池进行充电,直到电池电量充满才回落到150mA。这时,变为低电压结束充电,已防止过充。当电池充满后,电路的开关将

天津大学

硕士学位论文

铅酸蓄电池快速充电器的设计

姓名：戚艳

申请学位级别：硕士

专业：电力电子与电力传动

指导教师：贾贵玺

20090601

铅酸电池充电器这个充电器可以快速方便的对任何铅酸电池充电。充电电器始终以最大电流对电池进行充电,直到电池电量充满才回落到150mA。这时,变为低电压结束充电,已防止过充。当电池充满后,电路的开关将

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；ＭＣ５６Ｆ８０１３

铅酸电池充电器这个充电器可以快速方便的对任何铅酸电池充电。充电电器始终以最大电流对电池进行充电,直到电池电量充满才回落到150mA。这时,变为低电压结束充电,已防止过充。当电池充满后,电路的开关将

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

ＩｎｔｈｉｓｐａｐｅＬｗｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＬｅａｄ－Ａｃｉｄｂａｔｔｅｒｉｅｓａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｃｈａｒｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｏｖｅｒｓｅａｓ，ｐｏｉｎｔｉｎｇｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｋｅｙｔｏｉｍｐｒｏｖｅｃｈａｒｇｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆＬｅａｄ—ａｃｉｄｂａｔｔｅｒｉｅｓｉｓｔＯｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｂａｔｔｅｒｉｅｓｄｕｒｉｎｇｃｈａｒｇｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｗｅｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｈｅｐｕｌｓｅｖａｒｉａｔｉｏｎ。ｖｏｌｔａｇｅｃｈａｒｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｃｕｒｒｅｎｔｃｈａｒｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗｈｉｃｈｃｏｍｂｉｎｅｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎ．ｖｏｌｔａｇｅｃｈａｒｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈｔｈｅｐｕｌｓｅｃｈａｒｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅｃｈａｒｇｉｎｇｃｕｒｖｅａｎａｌｏｇＪ．Ａ．Ｍａｓ７

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ＣｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｃｈａｒｇｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆＬｅａｄ ａｃｉｄｂａｔｔｅｒｉｅｓｉｓａｃｏｍｐｌｅｘｐｒｏｃｅｓｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｈａｒｇｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓａｎｏｎ—ｌｉｎｅａｌｔｉｍｅ ｖａｒｙｉｎｇ，ａｎｄｉｎｔｅｒｆｅｒｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ＳＯｗｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｆｕｚｚｙ－ｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄ，ｗｅｕｓｅｆｕｚｚｙ－ＰＩｈｙｂｒｉｄｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｍｂｉｎｅｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｂｏｔｈｆｕｚｚｙ—ｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄａｎｄＰＩｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄ，ｔｒｙｉｎｇｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔ．

Ｆａｓｔｃｈａｒｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｌｅａｄ—ａｃｉｄｂａｔｔｅｒｉｅｓａｃｈｉｅｖｉｎｇｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ，ＭＣ５６Ｆ８０１３ｗａｓｕｓｅｄａｓｃｏｒｅｕｎｉｔｏｆｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｒｅａｌｉｚｉｎｇｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ、ｆｕｚｚｙａｌｇｏｒｉｔｈｍ’、ｐｕｌｓｅ。ｄｒｉｖｅｎａｎｄｍａｎ．ｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅｗａｓｕｓｅｄａｓｃｈａｒｇｉｎｇｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅ，ｗｅｓｅｔｕｐａｈａｒｄｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｏｆｃｈａｒｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｗｅａｄｄｅｄｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｔｏｒｅｄｕｃｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎｔｏｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｓｙｓｔｅｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．

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ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｌｅａｄ－ａｃｉｄ

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Ｉｉｉ

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独创性声明

本人声明所与！交的学位论文是本人红：导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了义 ｌｔ特别力¨以标注和敛谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也刁ｉ包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同二［作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：两艳签孚ｒＩ期：ａ∞ｊｉ７年６月ｕ日

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学位论文作者签名：蕊托导师签名：签字Ｒ期：）为ｊ）年６月毕同签字同期：劢。７年６月争日

铅酸电池充电器这个充电器可以快速方便的对任何铅酸电池充电。充电电器始终以最大电流对电池进行充电,直到电池电量充满才回落到150mA。这时,变为低电压结束充电,已防止过充。当电池充满后,电路的开关将

第一章绪论

第一章绪论

Ｉ．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Ｉｌｌ。

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。

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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，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Ｉｌｌ。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，其中的分级定流法己得到广泛的应用，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１２Ｉ。

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

铅酸电池充电器这个充电器可以快速方便的对任何铅酸电池充电。充电电器始终以最大电流对电池进行充电,直到电池电量充满才回落到150mA。这时,变为低电压结束充电,已防止过充。当电池充满后,电路的开关将

模糊控制的大量研究。

１９７４年英国罗敦大学教授Ｅ．Ｈ．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ＴｏｇａｉＩｎｆａｉｏｇｉｃ公司，主要从事模糊加速板和软件开发工具的研究。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Ｉ¨１３１１４１。

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迸行确切的数学描述，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

铅酸电池充电器这个充电器可以快速方便的对任何铅酸电池充电。充电电器始终以最大电流对电池进行充电,直到电池电量充满才回落到150mA。这时,变为低电压结束充电,已防止过充。当电池充满后,电路的开关将

技术己引起国际科技界、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（Ｐｂ０，），负极活性物质是海绵状金属铅（Ｐｂ），电解液是稀硫酸（Ｈ２Ｓ０４），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。

ｌ８８２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，铅酸蓄电池的化学反应如下：

ＰｂＯ，＋Ｐｂ＋２Ｈ２Ｓ０４营２ＰｂＳ０４＋２Ｈ２０（１－１）

广—］厂—］

０ＰｂＰｂ０２矸０充电放电且ｌｊ＋】

ＰｂＳ０４１＂１２Ｓ０４‘Ｐｂｓ０４Ｉ

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正极板０负极扳

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—马Ｐｂ０２＋３Ｈ＋＋ＨＳＯ，一＋２ｅ

负极反应ＰｂＳＯ。＋Ｈ＋＋２ｅ—玛Ｐｂ＋ＨＳ０４一（１－２）（１—３）

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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（ＰｂＯ，）转化为硫酸铅（ＰｂＳＯ。）而将化学能转化为电能向负载供电，负极由海绵状铅（Ｐｂ）转化为硫酸铅（ＰｂＳＯ。）而将化学能转化为电能向负载供电１４Ｉ。

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１３Ｉ吼

（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，一般用电流和时间的积分来定义电池的容量：

Ｃ：（Ｉｄｔ椰（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２ｄ，时的放电后电池的电量完全放完，则它的放电

铅酸电池充电器这个充电器可以快速方便的对任何铅酸电池充电。充电电器始终以最大电流对电池进行充电,直到电池电量充满才回落到150mA。这时,变为低电压结束充电,已防止过充。当电池充满后,电路的开关将

电流为

１＝Ｃ／２＝０．ＳＣ（Ａ）（１－５）

充电速率的描述和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（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ：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Ｃ，的比：。

ＳＯＣ＝（ｃｒ／ｃ，）幸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（ＤｅｐｔｈｏｆＤｉｓｃｈａｒｇｅ：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Ｑ与电池标称容量ｅ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分比。定义如下：

ＤＯＤ＝Ｑ／ｃ，（１－７）

容易得出，ＳＯＣ和ＤＯＤ满足如下关系：

ＳＯＣ＋ＤｏＤ＝１（１－８）

当放电深度为１００％时，电池的实际使用寿命大约是２００－２５０次充放电循环，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１４．２５Ｖ；当环境温度升至４０℃时，浮充电压应为ｌ３．０５Ｖ。另外，阀控密封铅酸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５００－－６００次左境温度为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１００ｍＶ

铅酸电池充电器这个充电器可以快速方便的对任何铅酸电池充电。充电电器始终以最大电流对电池进行充电,直到电池电量充满才回落到150mA。这时,变为低电压结束充电,已防止过充。当电池充满后,电路的开关将

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｜６Ｊ。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１２Ｉ１７１。

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。

铅酸电池充电器这个充电器可以快速方便的对任何铅酸电池充电。充电电器始终以最大电流对电池进行充电,直到电池电量充满才回落到150mA。这时,变为低电压结束充电,已防止过充。当电池充满后,电路的开关将

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．Ｐ１控制，它结合了模糊控制与ＰＩ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。

铅酸电池充电器这个充电器可以快速方便的对任何铅酸电池充电。充电电器始终以最大电流对电池进行充电,直到电池电量充满才回落到150mA。这时,变为低电压结束充电,已防止过充。当电池充满后,电路的开关将

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。

ＵＰ。客

（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隅Ｉ。

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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２．４５～２．５Ｖ。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／、，充电电流

／充电电压／／

／＼

Ｏ一图２．３两阶段充电的充电电压电流波形

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两阶段充电的过程中，电解液产生的气泡较少，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＝Ｉｏｅ一甜（２－１）

其中，ｆ是任意ｔ时刻蓄电池可以接受的充电电流；

厶是当ｔ＝Ｏ时的最大起始电流；

口是衰减率常数，也称充电接受比。

Ｏ

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

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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…引。

２．３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１１０１

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。

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。

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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蔷电池两端，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问的中途停充电，其目的是降低蓄电池的极化电压。

图２４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，必须设法鹕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ｊ中，就可以消除蓄电池的极化现象，实现脉冲快速充电。

２．３３变电流间歇充电法

变电流间歇充电法是由厦门大学陈休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，其特点是蒋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．将电池恢复至完全充电态‘”Ｉ。圈２－７变电流间歇充电曲线

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首先选择起始充电电流（一般取较大电流值）充电，电池电压逐渐上升。当充电电压达到转换电压时停止充电（通常取２．５０Ｖ／ｃｅｌｌ）。在停充时电池电压急剧下降，保持一段停充时间后，按一定方式减小充电电流继续充电。当电池充电电压再次达到转换电压时又停止充电，如此反复数次（一般为３￣４次）就可以将充电电流减ｄ，Ｎｏ．】Ｃ。最后用０．１Ｃ电流充电至电压达到转换电压值时，结束充电过程。

从理论上讲，为了快速充电，就要加大充电电流。通过上一节快速充电的原理得知，如果持续采用过大电流对蓄电池进行充电，电池会产生严重的极化现象，为了避免这种现象，陈体衔教授提出了间歇停充这一概念，这也就是这种方法的核心。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气有时间被重新化合吸收掉，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利的进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。通过蓄电池充电的最佳曲线，我们可以理解变电流的必要性，因为最佳充电曲线表明，蓄电池的充电电流在逐渐缩小的情况下会使充电效果得到最佳化。采用降低一级的电流进行限压恒充，就等于是在电池已经降低接受能力的情况下用最适宜此时接受能力的电流充电，其充电效果显然是最好的。２．４充电控制技术

快速充电的控制技术是非常重要的问题，当铅酸蓄电池充足电以后，必须即时的切断电流，否则蓄电池将出现大量析气、失水和温度升高等过充反应，直接危及电池的使用寿命。现阶段采用的充电控制方法很多，通常使用的有定时控制、电池温度控制、电池端电压负增量控制以及综合控制法１６ＩＩ￥１。

（１）定时控制

定时控制是根据蓄电池的容量和充电电流预先设定好充电时间，只要时间一到，定时器即可发出信号停冲或降为浮充。这种方法简单，但充电时不能根据蓄电池的充电状态自动调整，实际充电时可能会出现过充。

（２）电池温度控制

正常充电时，铅酸蓄电池的温度变化并不明显，但是，当蓄电池过充时，其内部气体压力迅速增大，负极板上的氧化反应使内部发热，温度迅速上升（每分钟可升高数摄氏度）。因此，通过观察阀控密封铅酸蓄电池温度的变化，即可判断其是否己充满。

（３）电池端电压负增量控制

当铅酸蓄电池充满电后，其端电压呈现下降趋势，据此可将蓄电池电压出现负增长的时刻作为停冲时刻。与温度控制相比，这种控制方法响应速度快。此方法的缺点是一般的检测器灵敏性和可靠性不高，同时，当环境温度较高时，蓄电

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