摘 要 基于鉛酸蓄電池內(nèi)化成工藝，從馬斯定理入手，提出了一種新的節(jié)能充電技術(shù)—脈沖充電，該充電方案相比傳統(tǒng)的充電方案，解決了充電時間過長，電池溫升過高，極化嚴重等問題，并能夠較好的擬合充電最佳曲線。在脈沖充電基礎(chǔ)上，提出了放電電能回收存儲再利用的節(jié)能設(shè)計，將蓄電池放電的電能存儲在大容量的電容中，并在下一個充電周期中將存儲的電能放出提供給蓄電池充電。以電力電子學為基礎(chǔ)，設(shè)計了節(jié)能充電機的供電電路，充電，放電回路以及驅(qū)動電路。以DSP2812為核心控制器，設(shè)計了節(jié)能充電機的控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了脈沖充電過程中的高度時序配合，完成了鉛酸蓄電池充電，放電以及能量存儲，再利用等功能。

關(guān)鍵詞 鉛酸蓄電池；馬斯定律；脈沖充電；能量回收及利用

中圖分類號：TM910 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）09-0012-03

根據(jù)化成方式的不同，鉛酸蓄電池分為外化成電池和內(nèi)化成電池?，F(xiàn)階段，國內(nèi)鉛酸蓄電池行業(yè)85%以上的工藝采用的是外化成，外化成電池相比內(nèi)化成電池的優(yōu)點是技術(shù)成熟，電池極板可以進行篩選，電池的一致性和可靠性有保證；缺點是成本高，需要專門的化成槽，充電電流較小，化成所需時間較長，特別是在生產(chǎn)過程中，外化成工藝中產(chǎn)生的生產(chǎn)廢水嚴重污染環(huán)境，國家已將外化成工藝列入蓄電池環(huán)保整治重點對象。與此相比，內(nèi)化成工藝所帶來的污染則比外化成工藝要小得多。內(nèi)化成工藝相比外化成，可以節(jié)能28.5%，節(jié)水90%以上。因此基于內(nèi)化成工藝的鉛酸蓄電池生產(chǎn)，已經(jīng)成為一種趨勢。但由于基于內(nèi)化成工藝的電池充電技術(shù)研究起步較晚，現(xiàn)階段并沒有一套合理成熟的充電方案。因此，研究基于內(nèi)化成工藝的電池充電技術(shù)是十分有必要的[1]。

1 內(nèi)化成電池充電工藝難點

現(xiàn)階段，基于內(nèi)化成工藝，對蓄電池進行化成充電，主要難點有：

1）內(nèi)化成充電過程中蓄電池內(nèi)部溫度過高。內(nèi)化成充電過程中，蓄電池內(nèi)部的溫度一般不宜超過60℃。如果溫度過高，蓄電池內(nèi)部的各種活性物質(zhì)的活度將會增加，可能會導(dǎo)致極板上產(chǎn)生結(jié)晶以及電池過充的可能，從而損害蓄電池。由于內(nèi)化成工藝相比于外化成工藝，沒有專門的水槽給電池進行降溫，因此，如何控制充電過程中的溫升是困擾內(nèi)化成充電工藝的一大難題。

2）充電過程中的極化現(xiàn)象。極化現(xiàn)象也是影響充電效率的一大因素。在充電過程中，蓄電池內(nèi)部會發(fā)生電化學反應(yīng)，從而產(chǎn)生極化。極化現(xiàn)象主要有三種：歐姆極化，濃差極化和電化學極化。如果不能控制好充電過程中的極化現(xiàn)象，則會導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部溫度升高，可接受的充電電流變小，從而影響充電效率。

3）蓄電池容量不易充滿及充電時間長。由于極化現(xiàn)象的存在和充電過程中溫升的原因，未化成的鉛酸蓄電池在第一次化成充電時，其電量并不容易充滿以及存在充電時間過長的問題。如果電量沒有充滿，則會在后續(xù)的充電過程中，蓄電池的電量也不容易被充滿，從而導(dǎo)致蓄電池的使用效率下降，并影響蓄電池的使用時間。因此，首次化成的鉛酸蓄電池，一定要保證其電量飽滿[2]。

2 脈沖充電方案設(shè)計

為解決內(nèi)化成電池充電工藝中的難點，本文提出一種基于馬斯定理的脈沖充電方案。

1）馬斯定律。每個蓄電池都有其特定的固有充電曲線，只有當充電電流的值小于其特有充電曲線電流的值時，才不會影響充電效率，否則，蓄電池內(nèi)部會有大量析氣產(chǎn)生，阻礙充電電流流入蓄電池，影響充電效率。

馬斯定律指出，在充電過程中，當蓄電池固有充電曲線電流值降至充電電流的值附近時，將蓄電池進行適度的短時放電，可以使蓄電池固有充電曲線右移，提高蓄電池可接受充電電流的值，從而能使蓄電池保持大電流充電，提高充電效率。同時，短時的放電，能夠去除蓄電池在充電過程中產(chǎn)生的電化學極化和濃差極化，蓄電池內(nèi)部的溫度也會降低，從而進一步提升充電效率，減少充電時間?；隈R斯定律的電池充電曲線如圖1所示[3]。

圖1 基于馬斯定律的電池充電曲線

2）充電方案設(shè)計。本文在馬斯定律的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新的充電方案， 在充電的初始階段，先采用小電流的恒流充電。這是因為充電開始階段，電池產(chǎn)生的極化反應(yīng)較小，此時采用恒流充電，可以在短時間內(nèi)有效的提升蓄電池的容量，并且能減少蓄電池內(nèi)部的硫化反應(yīng)。

恒流充電過程中，蓄電池電壓會持續(xù)上升。當蓄電池電壓上升到一定的數(shù)值時，開始采用脈沖充電，脈沖充電的完整過程是：先對蓄電池繼續(xù)恒流充電一段時間后，停止充電，靜止蓄電池，目的是消除歐姆極化和濃差極化。之后讓蓄電池通過放電回路進行短時間的快速放電，以消除充電過程中積累的電化學極化，并排出極板孔中產(chǎn)生的氣體，控制電池溫升。在蓄電池放電周期結(jié)束后，再將蓄電池靜置一段時間，目的是避免短時間內(nèi)的電流反向沖擊對蓄電池造成影響。靜置結(jié)束后，即完成了一個完整的脈沖充電周期。之后再進行下一個周期的恒流充電——靜置——放電——靜置過程，如此循環(huán)往復(fù)。

當充電電能接近蓄電池的額定容量時，停止脈沖充電，開始最后階段的恒流充電。最后階段的小電流恒流充電主要作用是保證蓄電池的電量充足，防止出現(xiàn)電池虛電或充不滿的情況，也稱為補足充電。由于在第二個充電階段中，采用的是脈沖充電，電池內(nèi)部的溫升不會過高，極化反應(yīng)也不會很明顯，因此最后階段的恒流充電能夠保證將電池容量充滿。

3 充電機的具體實現(xiàn)

根據(jù)上述的充電方案，充電機系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。

圖2 充電機系統(tǒng)圖

充電機通過充電電源采用并聯(lián)的方式對兩路鉛酸蓄電池進行充電。充電機系統(tǒng)由充電電路，放電電路，能量回饋電路以及控制驅(qū)動，采樣電路組成。根據(jù)充電方案，在充電第一階段，充電機對兩路鉛酸蓄電池進行小電流的恒流預(yù)充電。在充電第二階段，及脈沖充電階段，先將第一路鉛酸蓄電池靜置一段時間后進行短時間的放電，第二路鉛酸蓄電池則繼續(xù)以恒流充電的方式進行充電，當?shù)谝宦枫U酸蓄電池結(jié)束短時間的放電并靜置一段時間后，以恒流充電的方式開始充電，此時將第二路鉛酸蓄電池停止充電，將其靜置一段時間后進行短時間放電并再次靜置，如此循環(huán)，兩路以互補的方式進行充電。這樣做的好處是能夠最大的利用充電電源，提升充電效率，避免不必要的電能浪費。在充電的最后一個階段，充電機對兩路鉛酸蓄電池進行小電流的補足充電。充電機系統(tǒng)的充電工作時序圖如圖3所示。endprint

圖3 充電機工作時序圖

1）充電電源設(shè)計。充電機系統(tǒng)中的電源主要是給電池充電以及控制電路部分供電。給蓄電池充電的電源采用開關(guān)電源設(shè)計，如圖4所示。

圖4 開關(guān)電源電路模型

采用開關(guān)電源的設(shè)計對蓄電池進行充電，好處是輸出穩(wěn)定，抗干擾能力強，使充電電流比較純凈，從而提升充電效率。

控制及驅(qū)動采樣電路供電采用線性電源設(shè)計，由于控制及驅(qū)動采樣電路工作電壓和電流較小，因此采樣線性電源設(shè)計，能夠有效的減小電路板元器件數(shù)量及電路板體積。

2）充電電路設(shè)計。充電機采用的是并聯(lián)的方式對兩路鉛酸蓄電池同時進行充電，因此兩路的充電過程一致，理論上，當充電結(jié)束時，兩路鉛酸蓄電池最后得到的電能應(yīng)該一致。但由于實際充電過程中，會出現(xiàn)蓄電池的個體差異以及環(huán)境影響等外界因素，兩路充電電路的充電效率不能做到完全一致，因此在第一階段及第三階段的恒流充電過程中，采用PWM控制進行充電，通過控制占空比的值，改變充電電流大小，使兩路蓄電池得到的電能基本一致，避免出現(xiàn)一路充滿而另一路沒有充滿的情況。充電電路如圖5所示。

圖5 充電電路圖

充電電路采用經(jīng)典的BUCK降壓電路設(shè)計，圖中，VA表示輸入電源，通過IGBT開關(guān)管Q101，電源向電池BATT1進行充電。設(shè)t=0時刻，Q101導(dǎo)通，此時電池電壓等于供電電壓。當t=t1時刻時，關(guān)斷Q101，此時負載電流通過二極管D蓄流。從0到t1時刻，為一個完整的工作周期，充電電壓的有效值如式（1）所示：

（1）

式中，U表示充電電壓有效值，ton表示IGBT導(dǎo)通時間，toff表示IGBT關(guān)斷時間，t表示IGBT一個導(dǎo)通及關(guān)斷周期，α表示導(dǎo)通占空比，E為充電電源電壓。由式（1）可知，控制器檢測電池兩端的電壓及電流，通過控制信號CHAR1控制開關(guān)管導(dǎo)通的占空比α，改變充電電流的大小，使兩路鉛酸蓄電池充電電能達到基本一致。

3）放電電路設(shè)計。放電電路采樣BOOST升壓電路設(shè)計。因為充電機系統(tǒng)中含有能量存儲部分，用來存儲蓄電池放出的電能，必須保證蓄電池能夠有效的放出電能，將其存放在能量存儲器件中。需將放電電壓升高，保證其高于儲能元件的電壓，如圖6所示。

圖6 放電電路圖

當控制器通過控制放電信號DISCHARGE1控制IGBT開關(guān)管Q103導(dǎo)通及關(guān)斷，提高電池放電電壓的值，如式（2）所示：

（2）

式中，u0表示電池放電電壓，T表示IGBT一個導(dǎo)通及關(guān)斷周期，E表示電池經(jīng)過BOOST升壓電路處理后最后的放電電壓，toff表示開關(guān)管關(guān)斷時間，ton表示開關(guān)管導(dǎo)通時間，由于T>toff，可知E大于u0，通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通占空比，可以改變最終放電電壓E的大小。

4）電能存儲及回饋電路設(shè)計。傳統(tǒng)工藝中，鉛酸蓄電池放出的電能一般采用以下兩種方式釋放。

①通過大功率的放電電阻釋放電能。釋放到電阻上的電能如式（3）所示：

（3）

式中，w為釋放到電阻上的電能，i為放電電流，r為放電電阻大小，s為放電時間，由式可知，放電時間s越長時，當放電電流i越大，放電電阻所接受的電能也越大。在實際使用中，放電電阻的阻值往往達到了數(shù)千歐，采用通過大功率放電電阻釋放電能的方式，不僅需要很大的空間，也會導(dǎo)致環(huán)境的污染，不符合現(xiàn)今的環(huán)保精神。

②使用逆變器將電能回放到電網(wǎng)。通過逆變器，將電能放出的直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率的交流電，再將其回放到電網(wǎng)中。優(yōu)點是所需空間小，成本低，缺點是會對電網(wǎng)造成高次諧波的污染。

基于節(jié)能環(huán)保的思想，設(shè)計了一種新的電能存儲及回饋電路，將蓄電池在放電周期中放出的電能存儲起來并在下一個充電周期到來的時候重新回充給蓄電池，其工作原理圖如圖7

所示。

圖7 電能存儲及回饋電路

當蓄電池處于放電周期時，電容C101將蓄電池放出的電容存儲起來；當蓄電池處于充電周期時，控制器通過控制信號RECHAR控制IGBT開關(guān)管Q205導(dǎo)通，將電容C101上存儲的電能通過開關(guān)管Q205及電感L104放出，重新給蓄電池充電。采用電容作為儲能元件，將蓄電池放出的電能存儲起來并再利用。

5）控制電路設(shè)計。充電機采用TMS320C2812作為主處理器，該處理器是美國TI公司推出的一種32位定點運算的DPS芯片。其工作最高時鐘頻率可以達到185M，A/D精度可以達到12位，同時具備32的定時器及兩個SCI接口?？刂齐娐分饕饔檬峭ㄟ^控制充電電路，放電電路及能量回饋電路中的IGBT開關(guān)管的通斷，從而控制充電機的充電時序，以及完成對電池的數(shù)據(jù)采集和顯示，存儲工作等。

4 實驗結(jié)果及分析

通過多次的實驗及數(shù)據(jù)分析，充電機以達到預(yù)期的效果。圖8為某次實驗過程中電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度對比圖。

圖8 電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度對比圖

從圖8中可知，電池內(nèi)部的溫度一直低于60℃，在環(huán)境溫度明顯升高的情況下，電池內(nèi)部的溫度也沒有明顯的上升。在充電第一階段即恒流充電階段中，電池溫升較快，達到了50℃左右。在充電第二階段采用的是脈沖充電，電池的溫升得到了很好的抑制，直到脈沖充電階段結(jié)束，電池的內(nèi)部最高溫度也僅在55℃左右，證明了脈沖充電能夠有效地控制電池內(nèi)部的溫升。到最后補足充電結(jié)束，整個內(nèi)化成充電時間僅為1600分鐘，較傳統(tǒng)的充電方法時間大幅縮短。在實驗過程中，充電機與國內(nèi)某廠商采用傳統(tǒng)充電方式同時對10個額定電壓為12 V，額定容量為70AH的蓄電池及20個額定電壓為12 V，額定容量為70AH的蓄電池進行充電，其耗電量比較如表1所示。

由表1可知，充電機采用脈沖充電，相比于傳統(tǒng)的充電方式，有效地節(jié)省了電能。綜上所述，基于馬斯定律的脈沖充電法，不僅有效的跟蹤了鉛酸蓄電池的最佳充電曲線，較好的控制住了電池內(nèi)部的溫升，而且起到了提升充電效率，節(jié)約充電時間以及節(jié)能環(huán)保的作用。

參考文獻

[1]李奇.閥控式鉛酸蓄電池的運行與維護[J].湖北電力，2005，29（2）：34-36.

[2]徐之鵬，李長威.蓄電池的使用和保養(yǎng)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2010（04）：39.

[3]楊淑霞，賈全倉.汽車用起動型蓄電池充電方法研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010（06）：43-45.

作者簡介

黃瑜侃（1985-），男，湖北武漢人，助理工程師，研究方向：電源技術(shù)、電機控制技術(shù)、紅外成像技術(shù)。endprint

圖3 充電機工作時序圖

1）充電電源設(shè)計。充電機系統(tǒng)中的電源主要是給電池充電以及控制電路部分供電。給蓄電池充電的電源采用開關(guān)電源設(shè)計，如圖4所示。

圖4 開關(guān)電源電路模型

采用開關(guān)電源的設(shè)計對蓄電池進行充電，好處是輸出穩(wěn)定，抗干擾能力強，使充電電流比較純凈，從而提升充電效率。

控制及驅(qū)動采樣電路供電采用線性電源設(shè)計，由于控制及驅(qū)動采樣電路工作電壓和電流較小，因此采樣線性電源設(shè)計，能夠有效的減小電路板元器件數(shù)量及電路板體積。

2）充電電路設(shè)計。充電機采用的是并聯(lián)的方式對兩路鉛酸蓄電池同時進行充電，因此兩路的充電過程一致，理論上，當充電結(jié)束時，兩路鉛酸蓄電池最后得到的電能應(yīng)該一致。但由于實際充電過程中，會出現(xiàn)蓄電池的個體差異以及環(huán)境影響等外界因素，兩路充電電路的充電效率不能做到完全一致，因此在第一階段及第三階段的恒流充電過程中，采用PWM控制進行充電，通過控制占空比的值，改變充電電流大小，使兩路蓄電池得到的電能基本一致，避免出現(xiàn)一路充滿而另一路沒有充滿的情況。充電電路如圖5所示。

圖5 充電電路圖

充電電路采用經(jīng)典的BUCK降壓電路設(shè)計，圖中，VA表示輸入電源，通過IGBT開關(guān)管Q101，電源向電池BATT1進行充電。設(shè)t=0時刻，Q101導(dǎo)通，此時電池電壓等于供電電壓。當t=t1時刻時，關(guān)斷Q101，此時負載電流通過二極管D蓄流。從0到t1時刻，為一個完整的工作周期，充電電壓的有效值如式（1）所示：

（1）

式中，U表示充電電壓有效值，ton表示IGBT導(dǎo)通時間，toff表示IGBT關(guān)斷時間，t表示IGBT一個導(dǎo)通及關(guān)斷周期，α表示導(dǎo)通占空比，E為充電電源電壓。由式（1）可知，控制器檢測電池兩端的電壓及電流，通過控制信號CHAR1控制開關(guān)管導(dǎo)通的占空比α，改變充電電流的大小，使兩路鉛酸蓄電池充電電能達到基本一致。

3）放電電路設(shè)計。放電電路采樣BOOST升壓電路設(shè)計。因為充電機系統(tǒng)中含有能量存儲部分，用來存儲蓄電池放出的電能，必須保證蓄電池能夠有效的放出電能，將其存放在能量存儲器件中。需將放電電壓升高，保證其高于儲能元件的電壓，如圖6所示。

圖6 放電電路圖

當控制器通過控制放電信號DISCHARGE1控制IGBT開關(guān)管Q103導(dǎo)通及關(guān)斷，提高電池放電電壓的值，如式（2）所示：

（2）

式中，u0表示電池放電電壓，T表示IGBT一個導(dǎo)通及關(guān)斷周期，E表示電池經(jīng)過BOOST升壓電路處理后最后的放電電壓，toff表示開關(guān)管關(guān)斷時間，ton表示開關(guān)管導(dǎo)通時間，由于T>toff，可知E大于u0，通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通占空比，可以改變最終放電電壓E的大小。

4）電能存儲及回饋電路設(shè)計。傳統(tǒng)工藝中，鉛酸蓄電池放出的電能一般采用以下兩種方式釋放。

①通過大功率的放電電阻釋放電能。釋放到電阻上的電能如式（3）所示：

（3）

式中，w為釋放到電阻上的電能，i為放電電流，r為放電電阻大小，s為放電時間，由式可知，放電時間s越長時，當放電電流i越大，放電電阻所接受的電能也越大。在實際使用中，放電電阻的阻值往往達到了數(shù)千歐，采用通過大功率放電電阻釋放電能的方式，不僅需要很大的空間，也會導(dǎo)致環(huán)境的污染，不符合現(xiàn)今的環(huán)保精神。

②使用逆變器將電能回放到電網(wǎng)。通過逆變器，將電能放出的直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率的交流電，再將其回放到電網(wǎng)中。優(yōu)點是所需空間小，成本低，缺點是會對電網(wǎng)造成高次諧波的污染。

基于節(jié)能環(huán)保的思想，設(shè)計了一種新的電能存儲及回饋電路，將蓄電池在放電周期中放出的電能存儲起來并在下一個充電周期到來的時候重新回充給蓄電池，其工作原理圖如圖7

所示。

圖7 電能存儲及回饋電路

當蓄電池處于放電周期時，電容C101將蓄電池放出的電容存儲起來；當蓄電池處于充電周期時，控制器通過控制信號RECHAR控制IGBT開關(guān)管Q205導(dǎo)通，將電容C101上存儲的電能通過開關(guān)管Q205及電感L104放出，重新給蓄電池充電。采用電容作為儲能元件，將蓄電池放出的電能存儲起來并再利用。

5）控制電路設(shè)計。充電機采用TMS320C2812作為主處理器，該處理器是美國TI公司推出的一種32位定點運算的DPS芯片。其工作最高時鐘頻率可以達到185M，A/D精度可以達到12位，同時具備32的定時器及兩個SCI接口。控制電路主要作用是通過控制充電電路，放電電路及能量回饋電路中的IGBT開關(guān)管的通斷，從而控制充電機的充電時序，以及完成對電池的數(shù)據(jù)采集和顯示，存儲工作等。

4 實驗結(jié)果及分析

通過多次的實驗及數(shù)據(jù)分析，充電機以達到預(yù)期的效果。圖8為某次實驗過程中電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度對比圖。

圖8 電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度對比圖

從圖8中可知，電池內(nèi)部的溫度一直低于60℃，在環(huán)境溫度明顯升高的情況下，電池內(nèi)部的溫度也沒有明顯的上升。在充電第一階段即恒流充電階段中，電池溫升較快，達到了50℃左右。在充電第二階段采用的是脈沖充電，電池的溫升得到了很好的抑制，直到脈沖充電階段結(jié)束，電池的內(nèi)部最高溫度也僅在55℃左右，證明了脈沖充電能夠有效地控制電池內(nèi)部的溫升。到最后補足充電結(jié)束，整個內(nèi)化成充電時間僅為1600分鐘，較傳統(tǒng)的充電方法時間大幅縮短。在實驗過程中，充電機與國內(nèi)某廠商采用傳統(tǒng)充電方式同時對10個額定電壓為12 V，額定容量為70AH的蓄電池及20個額定電壓為12 V，額定容量為70AH的蓄電池進行充電，其耗電量比較如表1所示。

由表1可知，充電機采用脈沖充電，相比于傳統(tǒng)的充電方式，有效地節(jié)省了電能。綜上所述，基于馬斯定律的脈沖充電法，不僅有效的跟蹤了鉛酸蓄電池的最佳充電曲線，較好的控制住了電池內(nèi)部的溫升，而且起到了提升充電效率，節(jié)約充電時間以及節(jié)能環(huán)保的作用。

參考文獻

[1]李奇.閥控式鉛酸蓄電池的運行與維護[J].湖北電力，2005，29（2）：34-36.

[2]徐之鵬，李長威.蓄電池的使用和保養(yǎng)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2010（04）：39.

[3]楊淑霞，賈全倉.汽車用起動型蓄電池充電方法研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010（06）：43-45.

作者簡介

黃瑜侃（1985-），男，湖北武漢人，助理工程師，研究方向：電源技術(shù)、電機控制技術(shù)、紅外成像技術(shù)。endprint

圖3 充電機工作時序圖

1）充電電源設(shè)計。充電機系統(tǒng)中的電源主要是給電池充電以及控制電路部分供電。給蓄電池充電的電源采用開關(guān)電源設(shè)計，如圖4所示。

圖4 開關(guān)電源電路模型

采用開關(guān)電源的設(shè)計對蓄電池進行充電，好處是輸出穩(wěn)定，抗干擾能力強，使充電電流比較純凈，從而提升充電效率。

控制及驅(qū)動采樣電路供電采用線性電源設(shè)計，由于控制及驅(qū)動采樣電路工作電壓和電流較小，因此采樣線性電源設(shè)計，能夠有效的減小電路板元器件數(shù)量及電路板體積。

2）充電電路設(shè)計。充電機采用的是并聯(lián)的方式對兩路鉛酸蓄電池同時進行充電，因此兩路的充電過程一致，理論上，當充電結(jié)束時，兩路鉛酸蓄電池最后得到的電能應(yīng)該一致。但由于實際充電過程中，會出現(xiàn)蓄電池的個體差異以及環(huán)境影響等外界因素，兩路充電電路的充電效率不能做到完全一致，因此在第一階段及第三階段的恒流充電過程中，采用PWM控制進行充電，通過控制占空比的值，改變充電電流大小，使兩路蓄電池得到的電能基本一致，避免出現(xiàn)一路充滿而另一路沒有充滿的情況。充電電路如圖5所示。

圖5 充電電路圖

充電電路采用經(jīng)典的BUCK降壓電路設(shè)計，圖中，VA表示輸入電源，通過IGBT開關(guān)管Q101，電源向電池BATT1進行充電。設(shè)t=0時刻，Q101導(dǎo)通，此時電池電壓等于供電電壓。當t=t1時刻時，關(guān)斷Q101，此時負載電流通過二極管D蓄流。從0到t1時刻，為一個完整的工作周期，充電電壓的有效值如式（1）所示：

（1）

式中，U表示充電電壓有效值，ton表示IGBT導(dǎo)通時間，toff表示IGBT關(guān)斷時間，t表示IGBT一個導(dǎo)通及關(guān)斷周期，α表示導(dǎo)通占空比，E為充電電源電壓。由式（1）可知，控制器檢測電池兩端的電壓及電流，通過控制信號CHAR1控制開關(guān)管導(dǎo)通的占空比α，改變充電電流的大小，使兩路鉛酸蓄電池充電電能達到基本一致。

3）放電電路設(shè)計。放電電路采樣BOOST升壓電路設(shè)計。因為充電機系統(tǒng)中含有能量存儲部分，用來存儲蓄電池放出的電能，必須保證蓄電池能夠有效的放出電能，將其存放在能量存儲器件中。需將放電電壓升高，保證其高于儲能元件的電壓，如圖6所示。

圖6 放電電路圖

當控制器通過控制放電信號DISCHARGE1控制IGBT開關(guān)管Q103導(dǎo)通及關(guān)斷，提高電池放電電壓的值，如式（2）所示：

（2）

式中，u0表示電池放電電壓，T表示IGBT一個導(dǎo)通及關(guān)斷周期，E表示電池經(jīng)過BOOST升壓電路處理后最后的放電電壓，toff表示開關(guān)管關(guān)斷時間，ton表示開關(guān)管導(dǎo)通時間，由于T>toff，可知E大于u0，通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通占空比，可以改變最終放電電壓E的大小。

4）電能存儲及回饋電路設(shè)計。傳統(tǒng)工藝中，鉛酸蓄電池放出的電能一般采用以下兩種方式釋放。

①通過大功率的放電電阻釋放電能。釋放到電阻上的電能如式（3）所示：

（3）

式中，w為釋放到電阻上的電能，i為放電電流，r為放電電阻大小，s為放電時間，由式可知，放電時間s越長時，當放電電流i越大，放電電阻所接受的電能也越大。在實際使用中，放電電阻的阻值往往達到了數(shù)千歐，采用通過大功率放電電阻釋放電能的方式，不僅需要很大的空間，也會導(dǎo)致環(huán)境的污染，不符合現(xiàn)今的環(huán)保精神。

②使用逆變器將電能回放到電網(wǎng)。通過逆變器，將電能放出的直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率的交流電，再將其回放到電網(wǎng)中。優(yōu)點是所需空間小，成本低，缺點是會對電網(wǎng)造成高次諧波的污染。

基于節(jié)能環(huán)保的思想，設(shè)計了一種新的電能存儲及回饋電路，將蓄電池在放電周期中放出的電能存儲起來并在下一個充電周期到來的時候重新回充給蓄電池，其工作原理圖如圖7

所示。

圖7 電能存儲及回饋電路

當蓄電池處于放電周期時，電容C101將蓄電池放出的電容存儲起來；當蓄電池處于充電周期時，控制器通過控制信號RECHAR控制IGBT開關(guān)管Q205導(dǎo)通，將電容C101上存儲的電能通過開關(guān)管Q205及電感L104放出，重新給蓄電池充電。采用電容作為儲能元件，將蓄電池放出的電能存儲起來并再利用。

5）控制電路設(shè)計。充電機采用TMS320C2812作為主處理器，該處理器是美國TI公司推出的一種32位定點運算的DPS芯片。其工作最高時鐘頻率可以達到185M，A/D精度可以達到12位，同時具備32的定時器及兩個SCI接口。控制電路主要作用是通過控制充電電路，放電電路及能量回饋電路中的IGBT開關(guān)管的通斷，從而控制充電機的充電時序，以及完成對電池的數(shù)據(jù)采集和顯示，存儲工作等。

4 實驗結(jié)果及分析

通過多次的實驗及數(shù)據(jù)分析，充電機以達到預(yù)期的效果。圖8為某次實驗過程中電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度對比圖。

圖8 電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度對比圖

從圖8中可知，電池內(nèi)部的溫度一直低于60℃，在環(huán)境溫度明顯升高的情況下，電池內(nèi)部的溫度也沒有明顯的上升。在充電第一階段即恒流充電階段中，電池溫升較快，達到了50℃左右。在充電第二階段采用的是脈沖充電，電池的溫升得到了很好的抑制，直到脈沖充電階段結(jié)束，電池的內(nèi)部最高溫度也僅在55℃左右，證明了脈沖充電能夠有效地控制電池內(nèi)部的溫升。到最后補足充電結(jié)束，整個內(nèi)化成充電時間僅為1600分鐘，較傳統(tǒng)的充電方法時間大幅縮短。在實驗過程中，充電機與國內(nèi)某廠商采用傳統(tǒng)充電方式同時對10個額定電壓為12 V，額定容量為70AH的蓄電池及20個額定電壓為12 V，額定容量為70AH的蓄電池進行充電，其耗電量比較如表1所示。

由表1可知，充電機采用脈沖充電，相比于傳統(tǒng)的充電方式，有效地節(jié)省了電能。綜上所述，基于馬斯定律的脈沖充電法，不僅有效的跟蹤了鉛酸蓄電池的最佳充電曲線，較好的控制住了電池內(nèi)部的溫升，而且起到了提升充電效率，節(jié)約充電時間以及節(jié)能環(huán)保的作用。

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作者簡介

黃瑜侃（1985-），男，湖北武漢人，助理工程師，研究方向：電源技術(shù)、電機控制技術(shù)、紅外成像技術(shù)。endprint