电容降压脉冲式电动自行车快速充电器设计研究

郑强胜

摘要：电动自行车以灵活方便，经济实用的特点成为现代普通家庭的主要代步工具。但其续行能力差，电池易被充坏，充电慢的缺点为人们所诟病。该文介绍了一种基于电容降压，以PIC系列单片机为控制核心的放电式脉冲快速充电的方式。该方式不但充电速度快，普通家用电动自行车最多在2 h内充满，充电过程不会损伤电池，而且有修复电池的功能。

关键词：快速充电器 电容放电式脉冲 PIC单片机

中图分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（a）-0020-02

Electric bicycle charger design of capacitor step-down pulse

ZHENG Qiangsheng

（Jiaxing City Construction Industry School）

Abstract：Electric bicycle with flexible and convenient，economical and practical features to become the main means of modern common household tools.But its continuation is poor，easily charge a bad battery，charging the shortcomings of slow attracted much criticism.This paper introduces a capacitor step-down，To PIC MCU to control the core of the fast charge mode. This method is not only fast charging，ordinary household electric bicycle filled up within 2 hours，the charging process will not damage the battery，and the function of the battery of a fix.

Key words：quick charger Capacitor discharge pulse PIC microcontroller

虽然蓄电池问世至今也有100多年的历史，但是由于技术条件的限制，其充电一度主要采用恒压、恒压限流、恒流等模式，这些充电方法未能遵从电池内部的物理化学规律，大多存在着严重的过充电和析气等现象。现行的各种充电方法中，由于种种原因，其充电电流未能依据蓄电池的状态变化动态地跟踪可接受的充电电流曲线，因此充电质量和效果并不理想。由于充电效率低，在充电过程中将会造成大量的气体析出，析气使正极板腐蚀，导致蓄电池损坏，严重地影响蓄电池的使用寿命。对于蓄电池使用者来说，蓄电池的管理维护固然重要，但高效、无伤害的充电装置更是对提高蓄电池的使用效率、延长其使用寿命起着非常关键的作用。本文研究的就是既能提高能量利用效率，加快充电速度，又不影响铅酸蓄电池使用寿命的新型高效、快速、无损的充电技术。

1 快速充电理论分析

1.1 快速充电电流要求

1967年美国J.A.Mass在研究蓄电池能够接受的最大充电电流时，找出了蓄电池快速充电过程中析气的原因和规律，并在实践的基础上提出了蓄电池快速充电的一些基本规律。在充电过程中，用某一速率电流进行充电，蓄电池电压只能充到某极限值，当达到这一极限后，继续充电时，只能导致电解水反应而产生气体和温升，不能提高蓄电池的充电速度。图1是蓄电池在充电过程中，只持续产生微量气体时充电特性曲线，曲线上蓄电池可接受的充电电流，式中Io为t=0时的最大起始电流；a为衰减率常数，也称充电接受比[1]。

1.2 电容放电脉冲快速充电介绍

从图1的蓄电池充电曲线可知：要电池快速充电，必须有大电流，但大电流不能持续太久，否则将进入电池的出气区，超出电池的接收能力，继续充电将损伤电池。这一研究表明：充电电流初期可以很大，但接下来必须要不断的减小。另据研究，电池的极化，铅酸蓄电池以一定电流充电时，普遍存在三种极化：欧姆极化由电池各连接部分的电阻造成，当充电电流很大时会产生较大的欧姆压降；浓差极化是由于溶液中离子扩散过程的迟缓性，造成在一定电流下电极表面与溶液本体浓度差而产生极化，它随充电进行而迅速增大；电化学极化由电极表面电化学反应的迟缓性造成，其产生的压降较小。这三种极化共同作用使电池内部压力加大，温度上升，外部表现为内阻上升，造成电池充电接受能力的下降[2]。由此可见，只有消除以上三种极化，才能实现快速充电。我们研究的电容放电式脉冲可很好削除三种极化。所谓电容放电式脉冲充电就是先利用电网对电容充电，然后再将电容内的能量直接灌进电池内，这个充电电流符合图1蓄电池充电曲线的要求，图2为电容的放电曲线与图1相拟。

3 快速充电电路组成及原理

电容放电脉冲充电的电路由EMI抗干扰电路，整流电路，过零检测电路，控制电路，电容储能电路，充放电电路，电池电压采集电路，保护电路等组成。它的结构如图3所示。

交流电网电压经过全波整流电路整流后为脉动直流电（图4），再经过零检测电路检测到过零点后，由MCU控制电路发出命令接通K1（如图5）对电容进行充电，到达预设电压后，关断K1，接通K2，开通放电电路对电池放电，对蓄电池而言一个充电脉冲完成。原理和过程如下。

3.1 对电容充电过程分析

正弦交流电的电压解析式为：，

一般情况下：为310V，频率为50Hz，初相为0。可得电压解析式为：

整流后计算式为：此式可知频率为100Hz，周期0.01s。即为10ms。当t=0时，u为0伏，当t为5 ms是达到最大，即为：=310 V。电容两端的电压可从0伏变化到310伏。

3.2 对电容放电过程分析

由上面分析可知电容两端的电压可从0伏变化到310 V，但是一般电动自行车的蓄电池多数为36 V，48 V，64 V等。所以电网对电容充电的电压最多比被充蓄电池高出15 V到30 V（电容容量为470uF，放电时间极短，高出20 V左右对电池无损伤，极短的电流脉冲，反而对蓄电池有修复作用）。经过我们近三年的实验，拿64 V蓄电池为例，电网对电容充电的到90 V为宜。

即：u=90=由查表可得t=1ms。

即：从过零点起（如图4），K1接通（如图5），电网对电容充电，约1 ms后，关闭K1，电容两端的电压约为90 V。5 ms后接通K2，电容对蓄电池放电，在一个周期内，完成了电容的充电放电过程，蓄电池的充电过程。此过程用pic16f716单片机控制，采用16 M石英晶振可精却控制。

由此可见，此种充电方法为脉冲频率可调，其最高频率也就只是100 HZ，属慢脉冲充电，脉冲与脉冲之间有足够的时间（多达3～5 ms）来消除三种极化，有利于快速充电。而慢脉冲快速充电方法是一项简便易行，经济实用的快速充电技术，从本质上真正消除或大大地降低了大电流快速充电过程中电池极化现象，尤其是浓差极化。能够有效地消除大电流充电下电池的极化，使得电池快速充电效率大大提高，电池温升不高，析气率低，充电量足[3] 。频率可调则可以实现分价段控制，如前期可以用较高频率充电，而后期可用较低频率充电，频率高则充电脉冲多，电流大。频率低则充电脉冲少，电流小。符合马斯定律充电电流接收曲线。

4 电路软件设计

本快速充电电路的软件设计就只介绍主要流程，包括时间中断控制程序，过零检测子程序，充电和放电控制子程序，数据采集子程序，充电末处理子程序，电路保护处理子程序等。这里须注意的是：K1，K2关断和接通处理程序。让K1关断命令程序执行后，一定要经过检测经确认后才能执行接通K2的程序。如果K1、K2同时接通，可能造成短路。损伤电池，引发事故。

5 结语

该文是介绍的是一种全新的快速充电路的模式，是利用市电对电容充电到一定的电压后再往电池里灌电流的方法，形成一种符合马斯定律充电曲线的充电方法，这种方式不损伤电池，且对电池有一定的修复作用，作者在实际应用中已证明了这一点。电路中应用了PIC16F716单片机，这种芯片可靠性高，价格便宜，功能全，是理想的控制器，足以保证充电器的稳定性。充电的频率可以控制，可以实现理想的分阶段充电，如前期可以相对较高频率充电，后期可以非常低的频率充电，以保证充电的效果。本充电方法充电频率是一种慢脉冲，而慢脉冲充电是一种较好的消除极化的充电方式。总之，我相信电容放电式脉冲充电法有如此多的优点，在不久的将来它会得到更广泛的应用。

参考文献

[1] 朱松然.铅蓄电池技术[M].Beijing Mechanism Industry Press（机械工业出社），2002.

[2] 龚竹青.理论电化学导论[M].1版.湖南：中南工业大学出版社，1988.

[3] 王坚，秦大为，季宝华，等.慢脉冲快速充电方法的研究[J].电池工业，2002（7）：164.

3.2 对电容放电过程分析

由上面分析可知电容两端的电压可从0伏变化到310 V，但是一般电动自行车的蓄电池多数为36 V，48 V，64 V等。所以电网对电容充电的电压最多比被充蓄电池高出15 V到30 V（电容容量为470uF，放电时间极短，高出20 V左右对电池无损伤，极短的电流脉冲，反而对蓄电池有修复作用）。经过我们近三年的实验，拿64 V蓄电池为例，电网对电容充电的到90 V为宜。

即：u=90=由查表可得t=1ms。

即：从过零点起（如图4），K1接通（如图5），电网对电容充电，约1 ms后，关闭K1，电容两端的电压约为90 V。5 ms后接通K2，电容对蓄电池放电，在一个周期内，完成了电容的充电放电过程，蓄电池的充电过程。此过程用pic16f716单片机控制，采用16 M石英晶振可精却控制。

由此可见，此种充电方法为脉冲频率可调，其最高频率也就只是100 HZ，属慢脉冲充电，脉冲与脉冲之间有足够的时间（多达3～5 ms）来消除三种极化，有利于快速充电。而慢脉冲快速充电方法是一项简便易行，经济实用的快速充电技术，从本质上真正消除或大大地降低了大电流快速充电过程中电池极化现象，尤其是浓差极化。能够有效地消除大电流充电下电池的极化，使得电池快速充电效率大大提高，电池温升不高，析气率低，充电量足[3] 。频率可调则可以实现分价段控制，如前期可以用较高频率充电，而后期可用较低频率充电，频率高则充电脉冲多，电流大。频率低则充电脉冲少，电流小。符合马斯定律充电电流接收曲线。

4 电路软件设计

本快速充电电路的软件设计就只介绍主要流程，包括时间中断控制程序，过零检测子程序，充电和放电控制子程序，数据采集子程序，充电末处理子程序，电路保护处理子程序等。这里须注意的是：K1，K2关断和接通处理程序。让K1关断命令程序执行后，一定要经过检测经确认后才能执行接通K2的程序。如果K1、K2同时接通，可能造成短路。损伤电池，引发事故。

5 结语

该文是介绍的是一种全新的快速充电路的模式，是利用市电对电容充电到一定的电压后再往电池里灌电流的方法，形成一种符合马斯定律充电曲线的充电方法，这种方式不损伤电池，且对电池有一定的修复作用，作者在实际应用中已证明了这一点。电路中应用了PIC16F716单片机，这种芯片可靠性高，价格便宜，功能全，是理想的控制器，足以保证充电器的稳定性。充电的频率可以控制，可以实现理想的分阶段充电，如前期可以相对较高频率充电，后期可以非常低的频率充电，以保证充电的效果。本充电方法充电频率是一种慢脉冲，而慢脉冲充电是一种较好的消除极化的充电方式。总之，我相信电容放电式脉冲充电法有如此多的优点，在不久的将来它会得到更广泛的应用。

参考文献

[1] 朱松然.铅蓄电池技术[M].Beijing Mechanism Industry Press（机械工业出社），2002.

[2] 龚竹青.理论电化学导论[M].1版.湖南：中南工业大学出版社，1988.

[3] 王坚，秦大为，季宝华，等.慢脉冲快速充电方法的研究[J].电池工业，2002（7）：164.

3.2 对电容放电过程分析

由上面分析可知电容两端的电压可从0伏变化到310 V，但是一般电动自行车的蓄电池多数为36 V，48 V，64 V等。所以电网对电容充电的电压最多比被充蓄电池高出15 V到30 V（电容容量为470uF，放电时间极短，高出20 V左右对电池无损伤，极短的电流脉冲，反而对蓄电池有修复作用）。经过我们近三年的实验，拿64 V蓄电池为例，电网对电容充电的到90 V为宜。

即：u=90=由查表可得t=1ms。

即：从过零点起（如图4），K1接通（如图5），电网对电容充电，约1 ms后，关闭K1，电容两端的电压约为90 V。5 ms后接通K2，电容对蓄电池放电，在一个周期内，完成了电容的充电放电过程，蓄电池的充电过程。此过程用pic16f716单片机控制，采用16 M石英晶振可精却控制。

由此可见，此种充电方法为脉冲频率可调，其最高频率也就只是100 HZ，属慢脉冲充电，脉冲与脉冲之间有足够的时间（多达3～5 ms）来消除三种极化，有利于快速充电。而慢脉冲快速充电方法是一项简便易行，经济实用的快速充电技术，从本质上真正消除或大大地降低了大电流快速充电过程中电池极化现象，尤其是浓差极化。能够有效地消除大电流充电下电池的极化，使得电池快速充电效率大大提高，电池温升不高，析气率低，充电量足[3] 。频率可调则可以实现分价段控制，如前期可以用较高频率充电，而后期可用较低频率充电，频率高则充电脉冲多，电流大。频率低则充电脉冲少，电流小。符合马斯定律充电电流接收曲线。

4 电路软件设计

本快速充电电路的软件设计就只介绍主要流程，包括时间中断控制程序，过零检测子程序，充电和放电控制子程序，数据采集子程序，充电末处理子程序，电路保护处理子程序等。这里须注意的是：K1，K2关断和接通处理程序。让K1关断命令程序执行后，一定要经过检测经确认后才能执行接通K2的程序。如果K1、K2同时接通，可能造成短路。损伤电池，引发事故。

5 结语

该文是介绍的是一种全新的快速充电路的模式，是利用市电对电容充电到一定的电压后再往电池里灌电流的方法，形成一种符合马斯定律充电曲线的充电方法，这种方式不损伤电池，且对电池有一定的修复作用，作者在实际应用中已证明了这一点。电路中应用了PIC16F716单片机，这种芯片可靠性高，价格便宜，功能全，是理想的控制器，足以保证充电器的稳定性。充电的频率可以控制，可以实现理想的分阶段充电，如前期可以相对较高频率充电，后期可以非常低的频率充电，以保证充电的效果。本充电方法充电频率是一种慢脉冲，而慢脉冲充电是一种较好的消除极化的充电方式。总之，我相信电容放电式脉冲充电法有如此多的优点，在不久的将来它会得到更广泛的应用。

参考文献

[1] 朱松然.铅蓄电池技术[M].Beijing Mechanism Industry Press（机械工业出社），2002.

[2] 龚竹青.理论电化学导论[M].1版.湖南：中南工业大学出版社，1988.

[3] 王坚，秦大为，季宝华，等.慢脉冲快速充电方法的研究[J].电池工业，2002（7）：164.