鉛酸蓄電池(chi)由于其成本低(di)、容量大、安(an)全可靠等特點，在通信、電動汽(qi)車(che)、軍事、航空航天等各個領域都有(you)廣泛的(de)應用(yong)。電池(chi)的(de)性能好(hao)壞、使(shi)(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)的(de)長短直接影響(xiang)到(dao)電子產(chan)品的(de)使(shi)(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)和(he)使(shi)(shi)用(yong)安(an)全；而充(chong)電器的(de)好(hao)壞又直接影響(xiang)到(dao)電池(chi)的(de)使(shi)(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。因(yin)此研究(jiu)低(di)成本又有(you)智能管理功(gong)能的(de)充(chong)電器是有(you)實際(ji)應用(yong)價值的(de)課題。

　　1 目前(qian)智能(neng)充電器的幾種結構［1］

　　1.1 基(ji)于專用芯片的管理系統

　　現在(zai)，UNITRODE 公司已開(kai)發出系列電(dian)(dian)池管理專(zhuan)用(yong)(yong)芯片(pian)。因為電(dian)(dian)池管理中采用(yong)(yong)最多的(de)(de)(de)就(jiu)是(shi)(shi)控(kong)制(zhi)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓及充(chong)(chong)(chong)放電(dian)(dian)電(dian)(dian)流，電(dian)(dian)池管理芯片(pian)正(zheng)是(shi)(shi)抓住了這一點，為VRLA 電(dian)(dian)池研制(zhi)了具(ju)有(you)四(si)狀態(tai)管理的(de)(de)(de)專(zhuan)用(yong)(yong)控(kong)制(zhi)芯片(pian)，可(ke)以智能地實現帶(dai)溫度補償的(de)(de)(de)四(si)狀態(tai)管理方案：涓流充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)模(mo)式、大功率(lv)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)模(mo)式、過充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)模(mo)式和(he)浮充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)模(mo)式。不(bu)同的(de)(de)(de)電(dian)(dian)池要有(you)不(bu)同的(de)(de)(de)芯片(pian)控(kong)制(zhi)，因此(ci)，用(yong)(yong)專(zhuan)用(yong)(yong)芯片(pian)做(zuo)管理系統其靈活性較差(cha)，

　　1.2 基于監(jian)控(kong)測量的蓄電池管理系統(tong)

　　在(zai)給電(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)的過程中，涉及到電(dian)(dian)(dian)池(chi)工作電(dian)(dian)(dian)壓、工作電(dian)(dian)(dian)流、溫度等參(can)數，這些(xie)都是(shi)表征電(dian)(dian)(dian)池(chi)狀態的重要參(can)數。采用傳感器提取(qu)這些(xie)參(can)數，然后再配合故障(zhang)診斷、遙(yao)控遙(yao)測(ce)、自動報警和事故現場處理等功能(neng)，就可以組(zu)成一個(ge)電(dian)(dian)(dian)池(chi)管(guan)理系統。如圖(tu)1所(suo)示。

　　1.3 與電源設備一起(qi)構(gou)成的蓄電池(chi)充放電管理系統

　　在通訊、供電系統中，為了保證電網掉電時蓄電池組能及時補充電能，在規定時間內向負載供電，保證通信或電力合閘系統的正常運轉，通常是將電池組直接掛接在電源模塊輸出端。當電網正常工作時，電池組工作在浮充狀態，起到平滑濾波和保持容量（補充自放電的容量損失）的作用。一旦電網掉電，蓄電池組立即投入工作，當電網恢復，電源模塊立即對電池進行充電。如圖2 所示。

　　這(zhe)樣(yang)的一個系(xi)(xi)統由于和電(dian)(dian)(dian)(dian)源模塊聯系(xi)(xi)起來，所以(yi)，可(ke)(ke)以(yi)從充(chong)(chong)放電(dian)(dian)(dian)(dian)過程(cheng)(cheng)上(shang)(shang)來優化(hua)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)工作狀(zhuang)態，電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)成(cheng)為(wei)可(ke)(ke)控的過程(cheng)(cheng)，建立(li)在(zai)這(zhe)樣(yang)一個系(xi)(xi)統上(shang)(shang)的監控單元應該具有(you)第一種監控系(xi)(xi)統中(zhong)所有(you)功能，并且可(ke)(ke)以(yi)和電(dian)(dian)(dian)(dian)源模塊直(zhi)接“對話”，根據要(yao)求對電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)進(jin)行管理，并且可(ke)(ke)以(yi)實時監控電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的放電(dian)(dian)(dian)(dian)狀(zhuang)態，對電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的工作進(jin)行優化(hua)［2］。因此，電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)組的工作會更(geng)加(jia)可(ke)(ke)靠，可(ke)(ke)控性和智能化(hua)程(cheng)(cheng)度也會更(geng)高。但(dan)是(shi)這(zhe)樣(yang)一個系(xi)(xi)統存在(zai)的主(zhu)要(yao)問題是(shi)：

　　（1）沒有解決電池(chi)(chi)組串聯運行過程中不均衡(heng) 現象的問題，這也是(shi)電池(chi)(chi)失效的重要(yao)原因之一；

　　（2）一般(ban)只完(wan)成了電池生產廠家提(ti)供的(de)充電曲線，對(dui)于電池在(zai)使用過程中發生的(de)其它問(wen)題控制不夠(gou)全面，例如深度放電后的(de)涓充問(wen)題等。

　　在將來，充電器的(de)發展方向是(shi)智能(neng)化(hua)(hua)、數字(zi)化(hua)(hua)、集成(cheng)化(hua)(hua)。智能(neng)化(hua)(hua)可以(yi)使電池的(de)管理做到全自動(dong)，無需人(ren)員(yuan)監管，真正做到免維(wei)護(hu)。數字(zi)化(hua)(hua)和(he)集成(cheng)化(hua)(hua)可以(yi)減少管理系統的(de)體積和(he)重量(liang)，減少系統的(de)復雜度。

　　2 目前幾種充電方式(shi)［3］

　　鉛酸蓄電池的充電方法目(mu)前主要(yao)有恒(heng)(heng)(heng)流、恒(heng)(heng)(heng)壓(ya)、恒(heng)(heng)(heng)壓(ya)限流、脈(mo)沖充電、Reflex充電法。

　　2.1 恒流充電

　　恒流(liu)充(chong)(chong)電(dian)(dian)方(fang)式(shi)是一種簡單的充(chong)(chong)電(dian)(dian)方(fang)法。但(dan)是，恒流(liu)充(chong)(chong)電(dian)(dian)有其局限性：對電(dian)(dian)池(chi)過充(chong)(chong)電(dian)(dian)就會造成電(dian)(dian)池(chi)壽命(ming)的縮(suo)短，而過小電(dian)(dian)流(liu)又會延長充(chong)(chong)電(dian)(dian)時間。

　　2.2 恒壓(ya)充電

　　恒壓充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)用(yong)簡單的(de)控制方(fang)法很容(rong)易(yi)就能實現。在(zai)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)初始階(jie)段，由于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓很低而造成充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流很大(da)，這對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)池會造成損害。當電(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)壓達到一定值之(zhi)后(hou)，電(dian)(dian)(dian)(dian)流就會隨之(zhi)減(jian)小。這種(zhong)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)方(fang)法的(de)缺點(dian)就是會造成溫(wen)度上升和電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)壽命(ming)減(jian)少，并且在(zai)開(kai)始時(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)流很大(da)，而后(hou)來快充(chong)滿(man)時(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)流又很小，就無法充(chong)分利用(yong)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器的(de)容(rong)量。

　　2.3 恒壓限流法

　　恒(heng)壓(ya)(ya)(ya)限(xian)流法(fa)實際(ji)上是將恒(heng)壓(ya)(ya)(ya)充(chong)(chong)電(dian)(dian)和(he)恒(heng)流充(chong)(chong)電(dian)(dian)相結合，又可(ke)(ke)稱為(wei)混(hun)合充(chong)(chong)電(dian)(dian)法(fa)。在充(chong)(chong)電(dian)(dian)開始階段，由于(yu)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)過低，為(wei)避免電(dian)(dian)流過大而損壞電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)，就采用恒(heng)流充(chong)(chong)電(dian)(dian)法(fa)來限(xian)制(zhi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流。但(dan)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)達到(dao)預定(ding)值時，進入恒(heng)壓(ya)(ya)(ya)充(chong)(chong)電(dian)(dian)方式。恒(heng)壓(ya)(ya)(ya)限(xian)流方式是大多數電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)廠商推薦的(de)(de)充(chong)(chong)電(dian)(dian)方式。由于(yu)蓄(xu)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)較低，充(chong)(chong)電(dian)(dian)后期電(dian)(dian)流很小(xiao)，因此電(dian)(dian)解(jie)液中產生的(de)(de)氣泡很少，可(ke)(ke)以節省電(dian)(dian)能、降低蓄(xu)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)溫(wen)升，避免損壞電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)極板。恒(heng)壓(ya)(ya)(ya)限(xian)流方式是一(yi)(yi)種很有效的(de)(de)充(chong)(chong)電(dian)(dian)方式，加上過充(chong)(chong)判(pan)斷、浮(fu)充(chong)(chong)控制(zhi)、溫(wen)度補償等就可(ke)(ke)以形成一(yi)(yi)個簡單的(de)(de)充(chong)(chong)電(dian)(dian)管理系統(tong)，蓄(xu)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)可(ke)(ke)以在這個系統(tong)下(xia)更(geng)好(hao)地工作。

　　2.4 脈沖充電［4］

　　在充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)過(guo)程中，只要充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)(liu)不超過(guo)蓄電(dian)(dian)池可接受的(de)(de)(de)電(dian)(dian)流(liu)(liu)，蓄電(dian)(dian)池內部就不會(hui)產生大(da)量的(de)(de)(de)氣(qi)泡。蓄電(dian)(dian)池中產生的(de)(de)(de)極(ji)化現象會(hui)阻礙充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)，并且使出(chu)氣(qi)率和溫(wen)升顯著升高(gao)。因此，極(ji)化電(dian)(dian)壓(ya)是(shi)影(ying)響充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)速度的(de)(de)(de)重要因素(su)。用周(zhou)期(qi)性的(de)(de)(de)脈動電(dian)(dian)流(liu)(liu)給(gei)電(dian)(dian)池充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)可以使電(dian)(dian)池有時間恢復其原來狀態，減小極(ji)化現象的(de)(de)(de)影(ying)響，解決快速充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)面(mian)臨的(de)(de)(de)難題(ti)。但是(shi)目前這種(zhong)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)方式(shi)還(huan)在研究階(jie)段，對于采用多大(da)的(de)(de)(de)脈沖周(zhou)期(qi)，占(zhan)空比(bi)又是(shi)多少(shao)之類的(de)(de)(de)具體(ti)問題(ti)還(huan)沒(mei)有一個定論。

　　2.5 ReflexTM充電方式

　　Reflex 充電方法是脈沖電流法的改進：一個周期是由一個正脈沖后加一個負脈沖，然后才是空閑時段。這樣就強制消除電池的極化現象，使得電池充電時可以更快而又不損害電池的使用壽命。這種充電方式與脈沖充電方式一樣，仍然處于研究階段。
.　3 數(shu)字(zi)式智能充(chong)電器的設計

　　3.1 系統結(jie)構和充電方案的設計

　　本文中設計的系統是(shi)一個針對12 V/（200～500Ah）的鉛酸蓄電池智(zhi)能充電系統。采用半橋(qiao)作為主(zhu)功率拓撲，開關頻率取80kHz左右。

　　對(dui)于(yu)一(yi)個(ge)智(zhi)能管理(li)系(xi)(xi)統(tong)(tong)，控制模(mo)塊無(wu)異(yi)于(yu)它(ta)的(de)大腦。充電器的(de)所有(you)動(dong)作都是由它(ta)來決定和(he)控制的(de)，所以控制模(mo)塊的(de)選擇關系(xi)(xi)到整個(ge)系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)優劣(lie)。由于(yu)系(xi)(xi)統(tong)(tong)需要多(duo)個(ge)A/D 轉換器，但不(bu)需要擴(kuo)展存儲器也不(bu)需要通(tong)訊，根據以上特點(dian)我們選擇了MICROCHIP 公司(si)的(de)PIC 系(xi)(xi)列PIC16C73 單片機。

　　圖3 所示為智能充電器的(de)(de)系統(tong)(tong)框圖。單片機是智(zhi)能充(chong)電器(qi)的(de)(de)核心部件，它根據電流、電壓(ya)采樣以(yi)及溫度采樣做出溫度補償后的(de)(de)PWM波(bo)形輸出，經過驅(qu)動(dong)電路(lu)提供(gong)給功(gong)率電路(lu)，并且(qie)決定了智(zhi)能充(chong)電器(qi)的(de)(de)工作(zuo)狀態(tai)，可以(yi)在必要的(de)(de)情況下(xia)做出保(bao)護(hu)(hu)動(dong)作(zuo)。意外故(gu)障保(bao)護(hu)(hu)電路(lu)可以(yi)在單片機失效的(de)(de)情況下(xia)對電路(lu)進行(xing)強(qiang)制保(bao)護(hu)(hu)，起(qi)到雙(shuang)重保(bao)險的(de)(de)作(zuo)用(yong)。報警顯示部分用(yong)若(ruo)干(gan)個LED表示系統(tong)(tong)的(de)(de)運行(xing)狀態(tai)，簡單有效。

　　充電(dian)方式采用恒(heng)壓(ya)(ya)限流法(fa)。恒(heng)壓(ya)(ya)限流充電(dian)模式分兩個階段(duan)，第(di)一階段(duan)是恒(heng)流階段(duan)，即系(xi)統(tong)給定電(dian)流值，給電(dian)池以恒(heng)定電(dian)流充電(dian)，當電(dian)池的(de)電(dian)壓(ya)(ya)達到系(xi)統(tong)給定的(de)轉化值，就轉為第(di)二階段(duan)―――恒(heng)壓(ya)(ya)階段(duan)。恒(heng)壓(ya)(ya)轉化值會影響充入(ru)電(dian)量的(de)多少。

　　由(you)圖4 可知，當恒(heng)壓(ya)轉化值(zhi)（Vref）設置(zhi)的(de)(de)較(jiao)低時，充(chong)入(ru)的(de)(de)電量不足(zu)（圖中陰影部(bu)分就是少(shao)充(chong)入(ru)的(de)(de)容(rong)(rong)量），沒有充(chong)分利用電池(chi)的(de)(de)容(rong)(rong)量，長期工(gong)作，會(hui)引(yin)起電池(chi)容(rong)(rong)量丟失(shi)，這就要求(qiu)把恒(heng)壓(ya)轉化值(zhi)設高(gao)。但是恒(heng)壓(ya)值(zhi)較(jiao)高(gao)，容(rong)(rong)易(yi)在充(chong)電末期引(yin)起過充(chong)電，這同樣會(hui)導(dao)致電池(chi)容(rong)(rong)量丟失(shi)。

　　為了(le)解決這個矛盾，系統引進了(le)第三個階段(duan)―――浮充(chong)階段(duan)，這樣(yang)就可以(yi)把恒壓轉化值設置的比普通(tong)恒壓限流模(mo)式高，這樣(yang)可以(yi)保(bao)證充(chong)入足夠的電量，在充(chong)電末期轉入浮充(chong)階段(duan)，用稍(shao)低的電壓浮充(chong)充(chong)電，從(cong)而保(bao)證不(bu)會過充(chong)電。

　　三階段充(chong)(chong)電(dian)方法保(bao)證了充(chong)(chong)電(dian)末期不(bu)過充(chong)(chong)，同時又能達到滿充(chong)(chong)的(de)目(mu)的(de)，是一種成本較低(di)的(de)通用(yong)蓄電(dian)池充(chong)(chong)電(dian)解(jie)決方案。

　　3.2 軟件系統的設計

　　圖5 為系(xi)統(tong)軟件的程序流(liu)程圖。根據電池的端電壓決定充電器工作(zuo)在何(he)種充電狀態(tai)。

　　我們做的是全數字化的改(gai)良型PI 調(diao)節(jie)環，由于PI 調(diao)節(jie)的積分(fen)環在(zai)(zai)前期對(dui)誤(wu)差(cha)進行積累(lei)，為了不讓積累(lei)的誤(wu)差(cha)影(ying)響系統的穩定性，所以我們在(zai)(zai)誤(wu)差(cha)等于0 時(shi)(shi)，對(dui)原(yuan)有積累(lei)的誤(wu)差(cha)清零。當(dang)誤(wu)差(cha)等于±1 時(shi)(shi)，只進行積分(fen)運(yun)算，減(jian)慢調(diao)整速度，避免產生振蕩。

　　鉛酸(suan)蓄電(dian)(dian)池的(de)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓需要(yao)根據(ju)環(huan)境溫(wen)度進行(xing)調(diao)整(zheng)，以－4 mV/℃的(de)補償(chang)系(xi)數來(lai)調(diao)整(zheng)。因(yin)此(ci)我們(men)加入了溫(wen)度補償(chang)的(de)功能。

　　4 實驗結果

　　圖6 為用電(dian)子負載模擬電(dian)池三階段充(chong)(chong)電(dian)過程(cheng)的波形圖。從圖6 中(zhong)我們可以看出(chu)智能(neng)充(chong)(chong)電(dian)系統能(neng)夠方便地實現(xian)各個充(chong)(chong)電(dian)狀態的轉換。

　　5 結語

　　用PIC 單片機(ji)可以(yi)(yi)實現全數字化的電(dian)(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(dian)管(guan)理(li)，結構簡(jian)單，成本較低，并且(qie)具有很高(gao)的靈活性，通過改變軟件內設置的恒(heng)(heng)流(liu)(liu)參考值和恒(heng)(heng)壓參考值就可以(yi)(yi)改變系統的恒(heng)(heng)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)和恒(heng)(heng)壓電(dian)(dian)(dian)壓值，使得(de)系統在不改變系統硬(ying)件設計的情(qing)況下實現給(gei)多種不同容量(liang)的鉛酸蓄電(dian)(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(dian)。另外(wai)可以(yi)(yi)實現有效的電(dian)(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(dian)管(guan)理(li)和保護功能(neng)，達到智(zhi)能(neng)化控(kong)制。