广东天波信息技术股份有限公司 颜君志
科学技术的发展的同时,电池在交通、通讯和电力等领域得到了广泛的应用,具有极高的应用价值。铅酸蓄电池在实际的使用中,需要配合有效的充电方式,保障电池的功能性与服务性。基于此,本文对铅酸蓄电池快速充电方法展开研究,再分析具体的实现方式,详细内容如下。
文章主要以室外公话电池为例,展开电池快速充电技术分析。室外公话采用路灯电源供电,夜晚充电10h,白天由电池供电,通话时间<1h/天,占80%。具体的电池为铅酸蓄电池。该电池具有良好的利用价值,为满足无线室外电话中断的需求,铅酸蓄电池的电路设计尽可能保障电池服务年限。但考虑一些外界因素影响,具体因素分析如下:
(1)不同地区的温度环境存在明显差异,且区域四季的温差较为显著;
(2)考虑部分地区电池作为备用电池,部分区域将电池作为主要电源供给的差异;
(3)考虑不同区域的室外公话使用频率、时长和耗电等;
(4)考虑终端的充电耗时差异,需借助快速充电,减弱对电池寿命的影响;
(5)思考并研究电池差异和通用性。
在实际的使用过程中,由于不合理的使用方法降低蓄电池寿命,为确保电池的有效应用,现对影响电池使用寿命的主要因素展开分析,分析如下:
(1)电池过放电会造成电池内部的硫酸铅被吸附到电池阴极表面,导致硫酸铅的产生,从而导致电池的功能障碍。而且,随着硫化程度的不断提升,电池的容量变化下降,最终导致电池寿命缩短。
(2)电池过充电由于剧烈的放出气泡,会在极板内部造成压力,加剧活性物质的脱落,使极板过早损坏,不宜于蓄电池后期充电。
(3)电池的寿命一般在十年左右,或者说电池可循环使用次数为300~600次,这些都是在最佳环境温度(20℃~25℃)条件下的参数。但使用温度比相对标准温度每升高10℃,电池的使用寿命就会缩减一半左右。而且,温度对铅酸电池的最佳充电电压还具有影响,不同的温度下,最佳充电电压也存在差异,如温度上升1℃,最佳充电电压将下降3mV。
实践证明,要保证铅酸蓄电池的使用寿命,正确充电方法是非常重要的,温度对充电有很重要的影响,其中正确的充电方法不仅使蓄池的寿命得以延长,而且又可使它的容量得以充分利用。
综合上电池使用场景、电池使用寿命等因素,本文对电池快速充电电路方法进行研究,给出预充、恒流、脉冲恒流、带温度补偿的浮充四阶段充电方法。
当电池两端电压低于低压门限VCOND时,由恒压充电路对电池进行预充电,充电电流为ICOND;电池两端电压上升至VMIN,完成预充电阶段T1;充电电路进入正常恒流充电阶段T2,充电电流为IMAX,充电过程中,采样比较控制脉宽调制电路不断对电池两端电压采样比较,当电池充电压达到充电截止电压VBLK,完成正常恒流充电阶段T2;充电电路进入恒流脉冲和恒压混合充电阶段T3,充电电路以浮充电流IFLT对电池充电,由于电池电量还未接近饱和,电池电压下降较快,当电池电压下降超过门限电压VHYST时,充电电路启动恒流充电,实现恒流脉冲和恒压混合充电的循环过程;当电池电量基本充满,恒压充电足以维持稳定电池电压,充电电路处于恒压浮充充电阶段T4,此时充电电路以浮充电流IFLT对电池充电,维持电池电压大于VHYST。
图1 充电过程示意图
本设计主要是针铅酸蓄电池展开分析,旨意保障铅酸蓄电池的快速充电,提高电池的服务能力,满足实际使用需求。如表1所示,为具体电池快速充电的条件与限制情况。
表1 条件与限制
现结合实际情况,对具体电池快速充电方法设计及实现进行分析。受约束条件限制,输入电压选择12V,当电池2端电压低于4.4±20%时,电池的充电方式为恒压充电。完成预充电后,电路进入到恒流状态,规避电流过大造成的不良影响。输入电能源DC-DC降压后再供给恒流充电电流。具体的充电过程中,实现对电池2端电压的采样,再进行比较。如果恒流达到截止电压后,电路转变为恒流脉冲和浮充混合的方式实现充电。如图2所示,为系统设计框图。
图2 系统设计框图
现结合实际情况,对各个功能模块进功能阐述,对关键功能模块电路图并说明,详细内容如下:
(1)DC-DC降压电路。终端输入电压POT为+12V,如果直接供给恒流电流充电,电流过大电池寿命降低,,借助DC-DC降压电路实现对直流的降压输出+8V。
(2)恒流充电电路。恒流充电电路实现快速充电的基础,在具体的电路设计中,需要考虑电路的保护工作。恒流充电电路是由三极管、MOS管组成的其中,其中,当电压较低时,CHG_CTL为低电平时,控制MOS导通。通常情况下,恒流的电流为330~400mA之间,且三极管管压降对一致性存在轻微的影响。为实现对电池的保护,在恒流充电电路的设计中,将一个较小电流经R112加达到电池上,从而规避MOS管的损坏情况,确保电池充电的可靠性,如图3所示。
图3 带涓流充的恒流充电电路
(3)浮充稳压电路。浮充稳压电路的输入电压为12V,且能够将电压稳定成为浮充充电恒压,为电池充电提供温度补偿,如图4所示。其中U101温度补偿关键器件,通过温度补偿在温度0℃、25℃、40℃的浮充电压V_FLT分别为+7V、+6.8V、+6.6V。
(4)比较控制脉宽调制电路。此电路实现了具有回差功能的比较控制脉宽调制电路,电池端电压分压后与基准电压进行比较,低于基准电压,比较器输出低电平,否则输出高电平,其信号输出FLT_CTL是恒流与恒压充电的切换控制信号;另外CHG_CTRL输出高电平关断恒流充电,关闭恒流后电池电压高于恒压充电电压,为防止电池电流倒灌至恒压充电电路,比较恒压充电电压与电池电压,只有恒压充电电压高于电池电压才开启恒压充电。
图4 带温度补偿浮充稳压电路图
图5 比较控制脉宽调制电路
(5)恒压充电电路。在本次设计中,由输入控制切换信号FLT_CTL控制MOS开启与关闭浮充,并实现对电压低时的预充电,避免电池出现过度放电的问题。
本文对电池快速充电的方法和电路实现进行分析,主要以铅酸蓄电池为例,分析具体影响铅酸电池使用寿命的因素,再分析具体铅酸电池的快速充电方法及具体设计电路进行阐述。本设计电池电压低时采用恒流预充电,浮充时采取温度补偿,在恒流充电后期自动转为恒压浮充和自适应脉宽脉冲恒流混合模式,避免了初期充电电流过大和后期过充的缺点,既能实现快速充电又能有效地延长电池的使用寿命。