大功率智能快速充电机
大功率智能快速充电机
李向锋浙江嘉科电子有限公司（３１４００１）
戴永军
李洪中国电子科技集团公司第３６研究所（３１４００１）
摘要：以大功率开关电源作为充电机主体，利用单片机来调节充电电压、控制充放电、充电电池组的检测和保护，从而实现快速充电提高充电效率。
叙词：快速充电单片机充电曲线
１
引言
铅酸蓄电池作为二次电池已广泛应用于国民经济的各行各
业和人民生活的各个部分，所以铅酸蓄电池的日常维护工作也非常繁重，本方案针对铅酸蓄电池的实际使用情况，提出一种利用大功率开关电源作为充电电源，以智能控制来实现铅酸蓄电池的快速充电，提高铅酸蓄电池的充电效率。
铅酸蓄电池是一种酸性电池，早期的铅酸蓄电池是富液式电池，这种电池是不密封的，２０世纪８０年代，研制出阀控式密封铅酸（Ｖａｌｖｅ
ＲｅｇｕｌａｔｅｄＬｅａｄ
Ａｃｉｄ）蓄电池，即ＶＲＬＡ蓄电池，这
是一种贫液式蓄电池。目前这两种电池都在使用，但ＶＲＬＡ电池的使用已越来越广泛。
常规的电池充电一般采用恒流转恒压的方法，充电电流为０．１－－０．２Ｃ，充电时间较长，一般６—１０个小时。如此设备的使用效率就因为充电时间过长而大大降低。给使用大容量电池的设备推广带来不小的瓶颈。
２主要原理和设计方法
２．１基本原理
电池的快速充电理论最早源于１９６７年美国人马斯（Ｊ．Ａ．Ｍａｓ）的充电曲线（图１），这是马斯采用小容量密封启动型铅酸蓄电池进行实验而得到的曲线。
Ｉ。
ｔ
图ｌ
并归纳为马斯三定律，主要论点为：蓄电池是依据其充电接受率而接受充电，即低于曲线值的充电将延长充电时间，但超过曲线值的充电不仅不会缩短充电时间，相反会增高电池气压和温度。由此推论：蓄电池只有在获得较大的充电接受率而同时能抑制电池析气条件下，方可以较短的时间充足电量。依据充电电流特性曲线在某个时间ｔ内充入蓄电池的电量为：
・３３４・
Ｊｌ‘／ｄｚ—Ｉｏ（１一一）
０
ａ
当蓄电池经过长时间（ｚ—ｏ。）充电而达到额定容量Ｃ时，则Ｃ—Ｌ几即充电电流接受率口是Ｊｏ与Ｃｅ的比值。由此可知，要使电池充电达到预期容量，则充电接受率愈大，充电速度也愈快。由图１看出，只要充电电流不超过蓄电池可接受的的电流，电池内部就不会产生大量的气体。倘若整个充电过程使实际充电电流始终等于或接近于蓄电池可接受的充电电流，则充足电的时间将大大缩短，并且电池出气率也能控制在最小范围。值得注意的是电池极化作用将明显增大，同时带来剧烈的温升。因此蓄电池快速充电器，是以马斯定律指导，用脉冲充电和脉冲放电去极化的技术生产的。换言之当蓄电池以正脉冲电流充电结束时，立即施加负脉冲电流放电，致使浓差极化和电化学极化电势的影响快速消除。这样在正负脉冲周而复始作用下，蓄电池就能够快速充足电量。
马斯实验表明Ｊｏ与Ｃｅ有关：蓄电池容量越大时，电池可接受的初始充电电流愈大。马斯实验还表明电池接受充电电流的能力，与电池放电电流有关，即放电电流愈大时，可接受的初始充电电流愈大。
为了消除极化作用采用大电流脉冲充电，其短时间的停止充电解决了离子扩散速度低于化学反应速度，浓差极化将会减小。若在短时间的停止充电后，接着以大电流进行短暂放电，则积累在正负极板上的电荷会迅速消失，电化学极化随即被消失。而且可减小电池温升，因为蓄电池的电化学反应是吸热反应，由内阻产生的热量可以被电化学反应吸收。
目前大功率快速充电技术商品化应用不多见，主要是采用相控技术的工频电源为充电电源，这种电源的最大缺点是体积大、重量重，电源效率低。以开关电源为充电电源的大功率（ｏ－－
２００Ａ）智能快速充电机技术的产品研制尚处于探索阶段。、、与工
频电源相比，开关电源具有体积小、重量轻和电源效率高等优点，另外工频电源中的可控硅是电流型器件，而开关电源中的功率器件主要是ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ，是电压型器件，所以在控制和驱动上后者实现起来更方便，尤其在大功率应用中更为明显。
２．２主要技术指标
输入电压及频率：三相３８０ＶＡｃ土１０％；频率５０土３Ｈｚ。输出电压：４８Ｖ眦±２０％。
第十七届全国电源技术年会论文集
输出电流０～２００Ａ。电压调整率；岛≤±２％。负载调整率；ＳＲ≤±２％。
保护功能：电池充电过流、过热保护功能；电池充电过、欠压保护功能。
功率崮数；ＰＦ＞９０“。充电电池种类：酸蓄电池。
充电时间小于１小时。
充电容量：相对常规充电容量的７０％－－９０％左右。冷却温控风冷。
环境适血性要求：低温工件：１０℃；高温工作：５０＇２。安全性：电源输入端对机壳绝缘电阻不小于１０ｍｓ＇ｌ。电源输出端对机壳绝缘电阻不小于２ｍｎ。
２．３主电路设计
ｉ相交流电源经整流滤波后，牛成几百伏的直流电压，羟１２Ｃ－ＩＣＣ变换器输出１０～１４Ⅵｘ电源，ＭＣＵ控制电路根据对蓄电池实时检测的电压、电流等参数．通过快速充电的数学模型得到实时的充、放电控制指令，分别控制ｒｘ：一Ｄｃ变换器的充电输出和放电同路的放电，达到快遣充电的目的。ＭＣＵ控制电路同时将充电参数送显币器显示。ＭＣＵ控制电路可根据被充电池数目的多少，町串联扩充单元电源模块．“达到合适的充电电压。
交流输＾：输＿凡电源为ｉ相一线３８０ｖｍ＠５０Ｈａ
ＥＭＣ网络ＥＭＣ网络由差模滤波器和共模滤波器组合而成。功率刚数补偿网络：采用无源补偿．由ＬＣ并联网络和串联网络组成。将功率因数补偿到０９以上，电流谐波拟制在２０％
３０％。
４８Ｖ
图３流程图
３实验结果
经过我｛ＩＪ２４
４８Ｖ
５８０Ａｈ电池组进行反复充放电实验后，该
电池是叉车配备电池ｔ经充电机快速充电后，平均６０分钟可将
５５０Ａｈ电池组充到电容量达副常规充电的９０％左右。该实
验结果由叉车的工作时问、里程数据、液压托举数据等各项指标多次实验得出。
ＤＣ－ＤＣ变楔器：由于输人电压为高压３８０、ｋ，所以功率器件采用ＩＸＦＮＳＯＮＳＯ．输出整流管用ＩＸＹＳ
２Ｘ１２１
０２Ａ，控制蒜片用的
舨
图４
是３８７５，模块为轼开关，输出为１４Ｖ２００Ａ。用单片机来控制３８７５的美断脚．使得开关电源给ｍ脉冲电压．对电池快速充电。
单片机选用Ｍｉｅｒｏｃｈｉｐ公司的ＰｌＣｌＴＦ８７６型单片机，该单片机属于中档类型，价格较低．功能强大。
刮籍
盛一
罔２智能快速充电机组成框图
参考文献
［１］汪继强第二十届国际原电池和蓄电池会议评述电源技术－
２００３，２７（３）
［２］俞光昀，王绮红，吴一锋ＰＩＣ系列单片机开发应用技术．电
子工业出版社．２０００
Ｅ３］周志敏，周圮海，纪爱华开关电源功率因数校正电路设计与
应用人民邮电出版社，２００５
［４］任华带功率因数校正的密封铅酸电池充电装置的研究南
京航空航天大学，２００２
作者简介
李向锋，浙江嘉科电子有限公司。
・３３５
大功率智能快速充电机
大功率智能快速充电机
李向锋浙江嘉科电子有限公司（３１４００１）
戴永军
李洪中国电子科技集团公司第３６研究所（３１４００１）
摘要：以大功率开关电源作为充电机主体，利用单片机来调节充电电压、控制充放电、充电电池组的检测和保护，从而实现快速充电提高充电效率。
叙词：快速充电单片机充电曲线
１
引言
铅酸蓄电池作为二次电池已广泛应用于国民经济的各行各
业和人民生活的各个部分，所以铅酸蓄电池的日常维护工作也非常繁重，本方案针对铅酸蓄电池的实际使用情况，提出一种利用大功率开关电源作为充电电源，以智能控制来实现铅酸蓄电池的快速充电，提高铅酸蓄电池的充电效率。
铅酸蓄电池是一种酸性电池，早期的铅酸蓄电池是富液式电池，这种电池是不密封的，２０世纪８０年代，研制出阀控式密封铅酸（Ｖａｌｖｅ
ＲｅｇｕｌａｔｅｄＬｅａｄ
Ａｃｉｄ）蓄电池，即ＶＲＬＡ蓄电池，这
是一种贫液式蓄电池。目前这两种电池都在使用，但ＶＲＬＡ电池的使用已越来越广泛。
常规的电池充电一般采用恒流转恒压的方法，充电电流为０．１－－０．２Ｃ，充电时间较长，一般６—１０个小时。如此设备的使用效率就因为充电时间过长而大大降低。给使用大容量电池的设备推广带来不小的瓶颈。
２主要原理和设计方法
２．１基本原理
电池的快速充电理论最早源于１９６７年美国人马斯（Ｊ．Ａ．Ｍａｓ）的充电曲线（图１），这是马斯采用小容量密封启动型铅酸蓄电池进行实验而得到的曲线。
Ｉ。
ｔ
图ｌ
并归纳为马斯三定律，主要论点为：蓄电池是依据其充电接受率而接受充电，即低于曲线值的充电将延长充电时间，但超过曲线值的充电不仅不会缩短充电时间，相反会增高电池气压和温度。由此推论：蓄电池只有在获得较大的充电接受率而同时能抑制电池析气条件下，方可以较短的时间充足电量。依据充电电流特性曲线在某个时间ｔ内充入蓄电池的电量为：
・３３４・
Ｊｌ‘／ｄｚ—Ｉｏ（１一一）
０
ａ
当蓄电池经过长时间（ｚ—ｏ。）充电而达到额定容量Ｃ时，则Ｃ—Ｌ几即充电电流接受率口是Ｊｏ与Ｃｅ的比值。由此可知，要使电池充电达到预期容量，则充电接受率愈大，充电速度也愈快。由图１看出，只要充电电流不超过蓄电池可接受的的电流，电池内部就不会产生大量的气体。倘若整个充电过程使实际充电电流始终等于或接近于蓄电池可接受的充电电流，则充足电的时间将大大缩短，并且电池出气率也能控制在最小范围。值得注意的是电池极化作用将明显增大，同时带来剧烈的温升。因此蓄电池快速充电器，是以马斯定律指导，用脉冲充电和脉冲放电去极化的技术生产的。换言之当蓄电池以正脉冲电流充电结束时，立即施加负脉冲电流放电，致使浓差极化和电化学极化电势的影响快速消除。这样在正负脉冲周而复始作用下，蓄电池就能够快速充足电量。
马斯实验表明Ｊｏ与Ｃｅ有关：蓄电池容量越大时，电池可接受的初始充电电流愈大。马斯实验还表明电池接受充电电流的能力，与电池放电电流有关，即放电电流愈大时，可接受的初始充电电流愈大。
为了消除极化作用采用大电流脉冲充电，其短时间的停止充电解决了离子扩散速度低于化学反应速度，浓差极化将会减小。若在短时间的停止充电后，接着以大电流进行短暂放电，则积累在正负极板上的电荷会迅速消失，电化学极化随即被消失。而且可减小电池温升，因为蓄电池的电化学反应是吸热反应，由内阻产生的热量可以被电化学反应吸收。
目前大功率快速充电技术商品化应用不多见，主要是采用相控技术的工频电源为充电电源，这种电源的最大缺点是体积大、重量重，电源效率低。以开关电源为充电电源的大功率（ｏ－－
２００Ａ）智能快速充电机技术的产品研制尚处于探索阶段。、、与工
频电源相比，开关电源具有体积小、重量轻和电源效率高等优点，另外工频电源中的可控硅是电流型器件，而开关电源中的功率器件主要是ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ，是电压型器件，所以在控制和驱动上后者实现起来更方便，尤其在大功率应用中更为明显。
２．２主要技术指标
输入电压及频率：三相３８０ＶＡｃ土１０％；频率５０土３Ｈｚ。输出电压：４８Ｖ眦±２０％。
第十七届全国电源技术年会论文集
输出电流０～２００Ａ。电压调整率；岛≤±２％。负载调整率；ＳＲ≤±２％。
保护功能：电池充电过流、过热保护功能；电池充电过、欠压保护功能。
功率崮数；ＰＦ＞９０“。充电电池种类：酸蓄电池。
充电时间小于１小时。
充电容量：相对常规充电容量的７０％－－９０％左右。冷却温控风冷。
环境适血性要求：低温工件：１０℃；高温工作：５０＇２。安全性：电源输入端对机壳绝缘电阻不小于１０ｍｓ＇ｌ。电源输出端对机壳绝缘电阻不小于２ｍｎ。
２．３主电路设计
ｉ相交流电源经整流滤波后，牛成几百伏的直流电压，羟１２Ｃ－ＩＣＣ变换器输出１０～１４Ⅵｘ电源，ＭＣＵ控制电路根据对蓄电池实时检测的电压、电流等参数．通过快速充电的数学模型得到实时的充、放电控制指令，分别控制ｒｘ：一Ｄｃ变换器的充电输出和放电同路的放电，达到快遣充电的目的。ＭＣＵ控制电路同时将充电参数送显币器显示。ＭＣＵ控制电路可根据被充电池数目的多少，町串联扩充单元电源模块．“达到合适的充电电压。
交流输＾：输＿凡电源为ｉ相一线３８０ｖｍ＠５０Ｈａ
ＥＭＣ网络ＥＭＣ网络由差模滤波器和共模滤波器组合而成。功率刚数补偿网络：采用无源补偿．由ＬＣ并联网络和串联网络组成。将功率因数补偿到０９以上，电流谐波拟制在２０％
３０％。
４８Ｖ
图３流程图
３实验结果
经过我｛ＩＪ２４
４８Ｖ
５８０Ａｈ电池组进行反复充放电实验后，该
电池是叉车配备电池ｔ经充电机快速充电后，平均６０分钟可将
５５０Ａｈ电池组充到电容量达副常规充电的９０％左右。该实
验结果由叉车的工作时问、里程数据、液压托举数据等各项指标多次实验得出。
ＤＣ－ＤＣ变楔器：由于输人电压为高压３８０、ｋ，所以功率器件采用ＩＸＦＮＳＯＮＳＯ．输出整流管用ＩＸＹＳ
２Ｘ１２１
０２Ａ，控制蒜片用的
舨
图４
是３８７５，模块为轼开关，输出为１４Ｖ２００Ａ。用单片机来控制３８７５的美断脚．使得开关电源给ｍ脉冲电压．对电池快速充电。
单片机选用Ｍｉｅｒｏｃｈｉｐ公司的ＰｌＣｌＴＦ８７６型单片机，该单片机属于中档类型，价格较低．功能强大。
刮籍
盛一
罔２智能快速充电机组成框图
参考文献
［１］汪继强第二十届国际原电池和蓄电池会议评述电源技术－
２００３，２７（３）
［２］俞光昀，王绮红，吴一锋ＰＩＣ系列单片机开发应用技术．电
子工业出版社．２０００
Ｅ３］周志敏，周圮海，纪爱华开关电源功率因数校正电路设计与
应用人民邮电出版社，２００５
［４］任华带功率因数校正的密封铅酸电池充电装置的研究南
京航空航天大学，２００２
作者简介
李向锋，浙江嘉科电子有限公司。
・３３５