铅酸蓄电池智能快充的电路设计*

孙安全，潘永雄，苏成悦（广东工业大学物理与光电工程学院，广东广州510006）

铅酸蓄电池智能快充的电路设计*

孙安全，潘永雄，苏成悦
（广东工业大学物理与光电工程学院，广东广州510006）

为了缩短铅酸蓄电池的充电时间，提高电能转换效率，本文在传统充电模式的基础上，依据蓄电池可接受的最佳充电状态和充放电的关系，设计制作了快速充电模式电路。该模式运用较为简单的反激拓扑，增加了提高PF的前置电路，采取了灵敏的控制电路芯片——STM8S103C6单片机。该智能脉冲快速充电电路通过软硬件相结合，增加了电路的可靠性。实验数据分析表明，该电路在不影响铅酸电池的物理化学性质的前提下，提高了充电电路的PF、效率，缩短了充电时间。

铅酸蓄电池；PF；STM8S103C6；快速充电

0 引言

铅酸蓄电池发展至今，因其价格低廉、制作材料简单、工艺成熟、性能稳定而使其应用价值与日俱增，其应用领域小到家用电动自行车，大到汽车、船舰等[1-3]。但一直以来，铅酸蓄电池存在充电时间过长、效率低、寿命短等问题。如今，市场上铅酸蓄电池的充电模式一般还采用恒流模式、恒压模式或分阶段充电模式，其充电时间过长。为了解决铅酸蓄电池充电时间长、效率低的问题，本文以单片机为辅助手段，结合改进的三段式充电模式，设计制作出了新型脉冲快速充电电路。

1 快速充电理论及最优方案

1.1 铅酸蓄电池的充放电原理

铅酸蓄电池主要核心部分有正负极板、电解液、隔板。正极板的活性物质由二氧化铅（PbO2）构成；而负极板的活性物质则由灰色海绵形状的铅（Pb）构成；27%～37%浓度的硫酸（H2SO4）溶液作为其电解液[4]。充放电反应式如式（1）。当铅酸蓄电池放电时，正极板的二氧化铅（PbO2）与硫酸（H2SO4）反应下生成硫酸铅（PbSO4）和水（H2O），负极板则有铅（Pb）与硫酸根离子（SO-4）反应生成硫酸铅（PbSO4）。此时化学能转化为电能，为负载供电。电解液浓度降低；当铅酸蓄电池充电时，硫酸铅（PbSO4）在正极板和负极板分别被氧化和还原，转化为二氧化铅（PbO2）和铅（Pb），该反应为电能转化为化学能，同时硫酸（H2SO4）的浓度升高。但同时，在充电时，随着温度的升高，铅酸蓄电池内部会产生极化现象，包括内阻极化、浓度差极化、电化学极化等[5]。极化又带来水电解的副反应，称为析气现象。反应式如式（2）、式（3）[6]。

副反应方程式之正极：

副反应方程式之负极：

1.2 蓄电池的最佳充电接受方案

基于蓄电池充电过程中的最低析气率，马斯提出了蓄电池接受的最佳充电电流曲线图[7]。蓄电池充电过程中可接受的最佳充电电流曲线如图1所示，对于蓄电池充电的任意时间，蓄电池可接受最佳电流为一个衰减指数变化的曲线，可以用式（4）来表示。

式中，t为充电时间；I是任意时刻蓄电池接受的充电电流；I0是最大起始可接受的充电电流；∂是衰减率常数，亦可以称为充电接受比。

图1 蓄电池充电电流曲线图

从图1所示的马斯最佳充电曲线可以看出，在对蓄电池的充电过程中，充电电流只有在低于蓄电池可接受的最大充电电流时，蓄电池内部才不会出现析气现象；反之，如果充电电流过大，高于蓄电池充电可接受的最大充电电流时，就会加剧蓄电池内部温度的升高，促进电池内部水的电解，析气现象严重，缩短了蓄电池的使用寿命[8-10]。

在传统的恒流方法中，在短时间内以大电流给蓄电池充电，虽然加快了充电速度，但是后期温度的升高加剧了蓄电池内析气的产生；恒压方法中，由于整个过程充电电流由大逐渐减小，充电电流趋势虽满足蓄电池充电电流曲线图，但临界充电电流值不易控制，故造成充电时间过长或温升。

此后，马斯依次提出了马斯三定律[11]，总结了蓄电池的放电电流和其可接受的最佳充电电流的内在关系：如果在蓄电池的充电过程中，对蓄电池在某时刻给予较大深度的放电，可以提高∂因子，即提高蓄电池的充电电流接受比，这正是加快充电进程的有效方法[12]。蓄电池充电可接受最佳电流值与放电电流脉冲的关系如图2所示。

基于上述分析，本文设计了快速充电的模式：第一级充电方式为涓流；第二级充电方式为大电流的恒流；第三级充电方式为恒压；最后一级充电方式为浮充。由于在第二级大电流恒流充电过程中，蓄电池温度升高很快，析气产生严重，故在其充电过程加入了一个按时间比例控制的深度放电负脉冲。而在其他几级充电模式下，在检测到蓄电池的温度高于设定温度时，同样加入深度放电的负脉冲，以便降温和降低析气程度。

图2 蓄电池最佳充电电流值与放电电流脉冲的关系图

以12 V·7 Ah的铅酸蓄电池为例，12 V的铅酸蓄电池由6个2 V的单体组成，铅酸蓄电池单个电池充电的最高电压介于2.35 V～2.45 V，平均电压为2.4 V。依据单个电池的最佳充电电压，12 V的铅酸蓄电池能够充电的最高电压为：Vmax=6×2.4=14.4 V。涓流充电时，充电电流为0.1 C（C代表的是蓄电池的容量，此处为7 Ah）=0.7 A；浮充充电时，当充电电流达到0.02 C=0.14 A时，意味着铅酸蓄电池充电的结束；而在第二级大电流充电时，最大的充电电流设定为铅酸蓄电池容量的0.15～0.25倍，以此来保护铅酸蓄电池的寿命。即Imin= 0.15×7=1.05 A，Imax=0.25×7=1.75 A[13]，为了最快速充电，选其最大充电电流为1.75 A。

铅酸蓄电池充电曲线图如图3所示。

图3 铅酸蓄电池充电曲线图

2 硬件电路的设计

2.1 铅酸蓄电池快充硬件电路构架

铅酸蓄电池快速充电电路框图如图4所示。其中，箭头代表信号流动的方向，该系统主要由第一级的AC/ DC的APFC升压模块、第二级的DC/DC反激降压模块、第三级控制模块（包括铅酸蓄电池充电模块、放电模块、以Stm8s103c6为核心的采集电路模块）构成。

图4 蓄电池充电框图

2.2 Boost APFC模块

近年来，提高开关电源的功率因素、减轻电路对电网的污染已经成为电源发展的方向。为了使输入电流谐波满足要求，需要加入功率因素校正（APFC）电路[14]。该电路通过对第二级反激拓扑结构输入电流的采样，反馈到带有调节APFC功能的芯片FAN7930C中，最终通过该芯片调节MOSFET的占空比。其主要作用是：（1）把交流输入全电压（90 V～265 V）转化为直流输出电压（390 V）；（2）提高了输入电路的功率因素。这部分技术目前市场上虽然比较成熟，但是为了节约成本和减小充电器的体积，市场上一般都没有设计该电路。控制芯片FAN7930C不同于飞兆公司的其他功率因素芯片，因其引脚增加了RDY检测脚，RDY引脚是通过检测第一级电路输出正常时，引导第二级工作。FAN7930C周围电路设计如图5所示。依据FAN7930C芯片资料，当第一级输出达到设定输出的89%，即输出电压UO1=89%×390=347.1 V时，RDY脚输出为高电平，NPN晶体管Q1饱和导通，此时电解电容C3充电，当C3端电压达到第二级芯片开启电压时，第二级电路正常工作；反之，RDY脚输出为低电平，NPN晶体管Q1截止关断，第二级因电解电容能量不足而停止工作。故RDY脚控制着第二级电路的开通与关断，避免第二级因欠压而使变压器磁芯饱和，造成第二级电路损坏。

图5 FAN7930C周围电路

2.3 反激输出电路

本文电路设计的输出功率相对不高（PO=UO×IO= 14.4×1.75=25.2 W），所以第二级电路采用较为简单的反激拓扑电路，工作模式采取连续模式（CCM）。该反激主电路控制芯片由UC3844B构成，频率为fsw=1.72/（R× C），设计为150 kHz；输入电压由上一级电解电容C3提供；输出因电流较大（1.75 A），故输出多并几个快恢复二极管，用于分流和减少反向恢复时间。因芯片AP4313内部有精准的1.21 V参考电压、外围所用元器件较少、耐温值范围宽（-40℃～105℃），故选其作为恒流恒压控制芯片。AP4313内部电路简图如图6所示，其内部其实就是带有基准电压的两个运算放大器。采样电压（采样电流转化为采样电压）与基准电压的比较决定着电路输出是恒压还是恒流。AP4313周围电路元器件布局如图7所示。

图6 AP4313内部电路图

图7 AP4313周围电路布局电路图

2.4 控制电路

充放电控制电路是控制器设计过程中的关键[15]。控制模块电路如图8所示，控制开关由两个P沟道MOSFET（Q2、Q3）构成，而驱动Q2、Q3开通与关断的则是STM8S103C6芯片的引脚PA1、PA2。STM8S系列芯片具有抗干扰性强、可靠性强、运行速度快的特点，并内置了高速中分辨率的10位ADC转换器。故其能及时有效地采集充电数据并通过A/D转换处理，从而确定充电模式。正是两个P沟道MOSFET的开通和关断，使得充电过程包含了对蓄电池正向通电、停止充电和反向深度放电三个阶段。

当Q2管导通，Q3管关闭时，整个电路对铅酸蓄电池正向充电；当Q2管关闭，而Q3管开通时，整个电路对铅酸蓄电池反向放电；当Q2管关闭，Q3管也关闭时，铅酸蓄电池停止充放电。放电电路最大的特点是结构简单可靠、成本低。

图8 控制模块电路图

因此，两个开关管通过开通与关断，增加了铅酸蓄电池的停充和反向放电时间，减弱了铅酸蓄电池内部的极化反应，缓解了铅酸蓄电池内部的析气现象，加快了蓄电池的充电接受率，实现了对铅酸蓄电池快速充电的目的。

3 软件电路

由快速充电模式分析可知，要得到较好的去极化现象，应采用充—停—放—停—充的循环模式。铅酸蓄电池充电流程图如图9所示。在监测铅酸蓄电池的端电压与采样电阻的电流过程中，须在铅酸蓄电池充电前，首先关断两开关管，电压传感器监测其端电压的大小，以此来确定充电开始模式。充电模式进入浮充模式充电，其主要是用来补充铅酸蓄电池自放电，不断以小电流补充，使其始终处在慢电流充电状态，也标志着充电过程的结束[16]。整个充电、放电电路，须时刻检测蓄电池两端的温度，随时调整充电模式，从而有效地保护蓄电池的寿命。

图9 蓄电池充电流程图

4 实验结果

在本次试验中使用的充电器是传统的三段式充电器（规格为：12 V/1 A）。充电数据如表1所示，而本次快充数据如表2所示。

表1 传统充电数据

表2 快充数据

从两种不同的充电数据对比可知，本文设计制作的快充充电器，无论时间、PF或效率都优于市场上部分传统的充电器，达到了实验的目的。

5 结论

本文在传统的充电模式下，设计制作了四阶段的快速充电模式电路。即涓流、恒流、恒压、浮充与负脉冲结合的模式电路，通过对12 V·7 Ah铅酸蓄电池的实验分析、对比可知，此方法在不损害铅酸蓄电池的基础上，缓解了铅酸蓄电池内部的极化现象，缩短了充电时间，实现了对铅酸蓄电池快速充电的目的。

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The intelligent design of lead acid battery fast charging circuit

Sun Anquan，Pan Yongxiong，Su Chengyue
（Department of Physics and Optoelectronic Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

In order to shorten the charging time of battery and improve the efficiency of power conversion，this paper designs a new charging mode circuit based on the traditional charging mode and the relationship between charge and discharge of the battery. This charging mode performs the simple flyback topology and the circuit that improving PF，as well as its control unit based on STM8S103C6.Contributing to the combination of hardware and software，the reliability of circuit is increased.The experimental data showed that，the device based on the physical and chemical properties of the lead-acid battery enhances the circuit PF，efficiency and shortens the charging time.

lead acid battery；PF；STM8S103C6；fast charging

TN86

A

1674-7720（2015）17-0021-05

孙安全，潘永雄，苏成悦.铅酸蓄电池智能快充的电路设计[J].微型机与应用，2015，34（17）：21-25.

2015-05-02）

孙安全（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向：开关电源、铅酸蓄电池快速充电电路。

2013年广东省信息产业发展专项现代信息服务业项目（2150510）；2013年中山市科技强企资助项目（2013B3FC0002）

潘永雄（1964-），男，硕士，副教授，主要研究方向：开关电源、电子技术应用。

苏成悦（1961-），男，博士，教授，主要研究方向：应用物理、应用光学、电子、LED应用。