正負脈沖充電器的原理及設計

摘要：

本介紹了脈沖充電器的原理，以及通過單片機的控制實現對蓄電池進行智能脈沖充電的設計方法。

關鍵詞：鉛酸蓄電池，正負脈沖，充電。

1、概述，

隨著人們對環境污染的日益重視，鉛酸蓄電池由于制造成本低、容量大、成本低等優點，在人們的日常生活中已經是一個非常常見的儲能方式了，常見的如我們風光互補發電系統的儲能部分大部分就是采用鉛酸蓄電池;我們日常的代步工具——電動自行車，它的能源也是來源于鉛酸蓄電池。

但是在蓄電池的使用中，由于使用方法的不同，對蓄電池的使用壽命也產生很大的影響。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。這幾種常見充電方法在現實的應用中各有優缺點。正負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脈沖充電器的工作原理。

2、脈沖充電的原理

美國科學家馬斯對蓄電池的充電過程的出氣問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，在充電過程中，只要充電電流不超過蓄電池的可接受的電流，蓄電池內部就不會產生大量的氣泡。常規的三段式充電在充電初期，充電電流遠小于蓄電池的可接受充電電流，因而充電時間較長，充電過程后期，充電電流有大于蓄電池的可接受電流，因而蓄電池內部會產生大量的氣泡，如果在整個充電過程中能使用實際充電電流始終等于會接近于蓄電池可接受的充電電流進行充電，，卻是可以大大加快充電速度，然而，充電過程中蓄電池產生的極化電壓會阻礙本身的充電。由此可見要想實現快速的充電，必須消除極化電壓對蓄電池充電的影響，如果給蓄電池提供一條放電通道，這樣就可以消除電化學的極化影響，同時蓄電池的溫度也會因為放電而得到控制。脈沖充電器也就是基于這個原理而形成：在蓄電池的充電過程中，適當暫停充電，并適當加入放電脈沖，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脈沖，是電池放電。如圖2.

圖2 帶負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、硬件設計

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關電源，通過對單片機采集相關的溫度、電壓、電流數據，經過處理形成高速PWM，可以調節恒流源的電流大小。以大功快速MOS管Q3作為

正負脈沖充電器的設計 3 開器件關，通過單片機的控制產生充電正脈沖，通過單片機控制MOS管Q4，產生放電脈沖。系統框圖如圖3。

圖3 系統框圖

充電器功率主電路設計如圖4所示：

圖4 功率電路設計圖

D1、D2、D3、D4整流電路部分，C1、C2、Q1、Q2組成功率因數矯正電路，L1、D5、D6、C3、Q3組成充電電路，R1Q4 組成放電電路。工作原理：通過單片機產生PWM信號對Q1、Q2進行控制實現充電器的恒流充電;單片機對Q3的控制，實現蓄電池的充電和充電停止，單片機對Q4的控制，實現蓄電池負脈沖的放電。

4、軟件設計

軟件以C語言進行編寫，主要實現以下功能：

對蓄電池電壓檢測

充電電流檢測

恒流控制

電池溫度采集

根據采集的電壓、充電電流作為特征，對充放電開關進行控制

程序流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

5、總結

以單片及為控制核心組成的正負脈沖充電器，是近年來電力電子智能化發展一個方向，本文 采用智能控制的方式實現充電電流的恒流控制，另一方也可以通過單片對大功率開關管的控制實現正負脈沖充電控制，在實際應用中可以實現蓄電池的快速充電，并且可以延長蓄電池的使用壽命。

參考資料：

1.ATME GA8中文數據手冊

2.蓄電池充電技術張新德機械工業出版社

3.開關電源技術楊旭裴云慶王兆安機械工業出版社