霍克蓄电池充电技术研究艾诺斯蓄电池英国霍克蓄电池
英国霍克蓄电池具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，它广泛地应用于发电厂、变电站、通信系统、电动汽车、航空航天等各个部门。蓄电池主要有普通铅酸蓄电池、碱性镉镍蓄电池以及阀控式密封铅酸蓄电池三类。普通铅酸蓄电池由于具有使用寿命短、效率低、维护复杂、所产生的酸雾污染环境等问题，其使用范围很有限，目前已逐渐被阀控式密封铅酸蓄电池所淘汰。阀控式密封铅酸蓄电池整体采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气涨、电解液渗漏等现象，使用安全可靠、寿命长，正常运行时无须对电解液进行检测和调酸加水，又称为免维护蓄电池。它已被广泛地应用到邮电通信、船舶交通、应急照明等许多领域。碱性镉镍蓄电池的特点是体积小、放电倍率高、运行维护简单、寿命长，但由于它单体电压低、易漏电、造价高且容易对环境造成污染，因而其使用受到限制，目前主要应用在电动工具及各种便携式电子装置上。
普通铅酸蓄电池主要由极板组、电解液和电池槽等部分组成。正、负极板都由板栅和活性物质构成，其中正极板上的活性物质是棕色的二氧化铅（PbO2），负极板上的活性物质为深灰色的海绵状纯铅(Pb)。电解液是用蒸馏水（H2O）和纯硫酸（H2SO4）按一定的比例配成的。在充电过程中，电解液与正、负极板上的活性物质发生化学反应，从而把电能变成化学能贮存起来；在放电过程中，电解液也与正、负极板上的活性物质发生化学反应，把贮存在蓄电池内的化学能转换成电能供给负载。为了使化学反应能正常进行，电解液必须具有一定的浓度。电池槽是极板组和电解液的容器，它必须具有较好的耐酸性能、绝缘性能和较高的机械强度。
在蓄电池正、负极板之间接入负载，便开始了蓄电池的放电过程。此时，正极板电位下降，负极板电位上升，正负极板上的活性物质(PbO2和Pb)都不断地转变为硫酸铅(PbSO4)，电解液中的硫酸逐渐转变为水，电解液比重逐渐下降，从而使蓄电池内阻增加、电动势降低。如果在蓄电池的正、负极板之间接入输出电压比蓄电池端电压高的直流电源，蓄电池的充电过程便开始了。此时，正极板电位因正电荷聚集而上升，负极板电位因负电荷聚集而下降，正极板上的PbSO4逐渐变为PbO2，负极板上的PbSO4逐渐变为海绵状Pb。同时，电解液中H2SO4合成逐渐增多，水分子逐渐减少，电解液比重逐渐增加，蓄电池端电压也不断提高。
2 蓄电池快速充电技术
常规充电的方法采用小电流慢充方式，对新的铅酸蓄电池初充电需70h以上，进行普通充电也需10h以上。充电时间太长，不但会拉长充电监测的时间、造成电能的浪费，还限制了蓄电池的循环利用次数，并增加维护工作量。此外，对于像电动汽车等要求蓄电池连续供电的场合，使用起来很不方便。而采用快速充电方法，可以缩短蓄电池的充电时间，提高充电效率，节约能源，并更好地满足工业应用的需要，具有重大的现实意义。
20世纪60年代中期，美国科学家马斯对蓄电池充电过程中的出气问题作了大量的试验研究工作，提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受的充电电流曲线，如图1所示。从图中可以看出，在充电过程中，只要充电电流不超过蓄电池可接受的电流，蓄电池内部就不会产生大量的气泡。而常规充电一般采用先恒流、后恒压的两阶段充电法，在充电过程初期，充电电流远远小于蓄电池可接受的充电电流，因而充电时间大大延长；充电过程后期，充电电流又大于蓄电池可接受电流，因而蓄电池内产生大量的气泡。但是，如果在整个充电过程中能使实际充电电流始终等于或接近于蓄电池可接受的充电电流，则充电速度就可大大加快，而且出气率也可控制在很低的范围内。这就是快速充电的基本理论依据。然而，在充电过程中，蓄电池中产生的极化电压会阻碍其本身的充电，并且使出气率和温升显著升高，因此，极化电压是影响充电速度的重要因素。由此可知，要想实现快速充电，必须设法消除极化电压对蓄电池充电的影响。从极化电压的形成机理可以推知，极化电压的大小是紧随充电电流的变化而改变的。当停止充电时，电阻极化消失，浓差极化和电化学极化亦逐渐减弱；而如果为蓄电池提供一条放电通道让其反向放电，则浓差极化和电化学极化将迅速消失，同时蓄电池内温度也因放电而降低。因此，在蓄电池充电过程中，适时地暂停充电，并且适当地加入放电脉冲，就可迅速而有效地消除各种极化电压，从而提高充电速度。目前，大家比较认同的快速充电方法是脉冲充电、脉冲放电去极化方法。图2为脉冲充电、脉冲放电去极化快速充电的波形图。研究表明，利用如图3所示开关充电电源可有效地实现蓄电池脉冲快速充电。
图1 蓄电池可接受的充电电流曲线
图2 脉冲快速充电曲线
图3 高频开关充电电源方框图
3 充电控制方法
充电控制主要包括主充、均充、浮充三阶段的自动转换，从放电状态到充电状态的自动转换，充电程序判断及停充控制等方面。掌握正确的控制方法，有利于提高蓄电池充电效率和使用寿命。
3.1 主充、均充、浮充各阶段的自动转换
目前，国内大部分充电电源仍采用主充、均充、浮充三阶段充电法实现对蓄电池的充电。充电各阶段的自动转换方法有：
（1）时间控制，即预先设定各阶段充电时间，由时间继电器或CPU控制转换时刻；
（2）设定转换点的充电电流或蓄电池端电压值，当实际电流或电压值达到设定值时，即自动转换；
（3）采用积分电路在线监测蓄电池的容量，当容量达到一定值时，则发信号改变充电电流的大小。
上述方法中，时间控制比较简单，但这种方法缺乏来自蓄电池的实时信息，控制比较粗略；容量监控方法控制电路比较复杂，但控制精度较高。
3.2 充电程度判断
在对蓄电池进行充电时，必须随时判断蓄电池的充电程度，以便控制充电电流的大小。判断充电程度的主要方法有：
（1）观察蓄电池去极化后的端电压变化。一般来说，在充电初始阶段，电池端电压的变化率很小；在充电的中间阶段，电池端电压的变化率很大；在充电末期，端电压的变化率极小。因此，通过观测单位时间内端电压的变化情况，就可判断蓄电池所处的充电阶段；
（2）检测蓄电池的实际容量值，并与其额定容量值进行比较，即可判断其充电程度；
（3）检测蓄电池端电压判断。当蓄电池端电压与其额定值相差较大时，说明处于充电初期；当两者差值很小时，说明已接近充满。
3.3 停充控制
当蓄电池充足电后，必须适时地切断充电电流，否则蓄电池将出现大量出气、失水和温升等过充反应，直接危及蓄电池的使用寿命。因此，必须随时监测蓄电池的充电状况，保证电池充足电而又不过充电。主要的停充控制方法有：
（1）定时控制采用恒流充电法时，电池所需充电时间可根据电池容量和充电电流的大小很容易地确定，因此只要预先设定好充电时间，一旦时间一到，定时器即可发出信号停充或降为涓流充电。定时器可由时间继电器充当，或者由单片机承担其功能。这种方法简单，但充电时间不能根据电池充电前状态而自动调整，因此实际充电时，可能会出现有时欠充、有时过充的现象；
（2）电池温度控制对Cd?Ni电池而言，正常充电时，蓄电池的温度变化并不明显，但是，当电池过充时，其内部气体压力将迅速增大，负极板上氧化反应使内部发热，温度迅速上升（每分钟可升高几个摄氏度）。因此，观察电池温度的变化，即可判断电池是否已经充满。通常采用两只热敏电阻分别检测电池温度和环境温度，当两者温差达到一定值时，即发出停充信号。由于热敏电阻动态响应速度较慢，故不能及时准确地检测到电池的满充状态；
（3）电池端电压负增量控制一般而言，当电池充足电后，其端电压将呈现下降趋势，据此可将电池电压出现负增长的时刻作为停充时刻。与温度控制法相比，这种方法响应速度快，此外，电压的负增量与电压的绝对值无关，因此这种停充控制方法可适应具有不同单格电池数的蓄电池组充电。此方法的缺点是一般的检测器灵敏度和可靠性不高，同时，当环境温度较高时，电池充足电后电压的减小并不明显，因而难以控制；
（4）利用极化电压控制通常情况下，蓄电池的极化电压出现在电池刚好充满后，一般在50mV～100mV数量级，采用有关专利技术来测量每个单格电池的极化电压，这样就使每个电池都可充电到它本身所要求的程度。研究表明，由于每个电池在几何结构、化学性质及电学特性等方面至少存在一些轻微的差别，那么根据每个单格电池的特性来确定它所要求的充电水平会比把蓄电池组作为一个整体来控制的方法更加合适一些。这种方法的优点表现在：
①不需温度补偿；
②电池不需连续浮充电，电池间连线腐蚀减少；
③不同型号和使用情况的电池可构成一组使用；
④可以随意添加电池以便扩容；
⑤每个电池都可用到不能再用，而其寿命不会缩短。
4 结论
蓄电池充电技术的改进，有利于缩短充电时间、提高利用效率、延长使用寿命、降低能耗、减少环境污染，具有良好的经济效益和社会效益。根据蓄电池可接受充电电流曲线，只要采用适当方法对电池实行去极化，实现蓄电池的快速充电是可能的。研究表明，脉冲充电、脉冲放电去极化充电法是一种较好的快速充电方法，而实现这一方法的最佳装置是高频开关充电电源。蓄电池的充电控制包括各个充电阶段的自动转换、充电程度判断以及停充控制等三个方面。蓄电池充放电的时间、速度、程度等都会对蓄电池的充电效率和使用寿命产生严重影响，因此在对蓄电池进行充放电时，必须把握以下原则：
（1）避免蓄电池充电过量或充电不足过充会使蓄电池内部温升过大、出气率上升，导致正极板损坏，从而影响电池的稳定性乃至寿命；欠充电会使负极板硫化，蓄电池内阻增大，容量降低。因此一定要掌握好蓄电池的充电程度；
（2）控制放电电流值即放电速度蓄电池放电电流越大，再充电时可接受的初始充电电流值也越大，有助于提高再充电的速度。但是，蓄电池放电电流流经内阻时产生的热量会引起温度上升，因而放电电流不宜过大；
（3）避免深度放电根据蓄电池充电电流接受比第一定律，对于任意给定的放电电流来说，蓄电池充电电流接受比与它已放出的电荷量的平方根成反比，因此放电深度越大，蓄电池放出的电量越多，蓄电池可接受的充电电流就越小，这将减慢蓄电池的充电速度；
（4）注意环境温度的影响蓄电池的放电电量随环境温度的降低而减小，因此在不同的环境温度下，应该掌握不同的放电速度和放电程度。
单个蓄电池的电压与容量有限，在很多场合下要组成串连蓄电池组来使用。但蓄电池组的中的电池存在均衡性的问题。如何提高蓄电池组的使用寿命，提高系统的稳定性和减少成本，是摆在我们面前的重要问题。
蓄电池的使用寿命是由多方面的因素所决定，其中最重要的是蓄电池本身的物理性能。
此外，电池管理技术的低下和不合理的充放电制度也是造成电池寿命缩短的重要原因。对蓄电池组来说，除去上述原因，单体电池间的不一致性也是个重要因素。针对蓄电池充放电过程中存在的单体电池不均衡的现象，笔者分析比较了目前的几种均充方法，结合实际提出了无损均充方法，并进行了试验验证。
现有的均衡充电方法
实现对串联蓄电池组的各单体电池进行均充，目前主要有以下几种方法。
1.在电池组的各单体电池上附加一个并联均衡电路,以达到分流的作用。在这种模式下,当某个电池首先达到满充时，均衡装置能阻止其过充并将多余的能量转化成热能，继续对未充满的电池充电。该方法简单，但会带来能量的损耗，不适合快充系统。
2.在充电前对每个单体逐一通过同一负载放电至同一水平,然后再进行恒流充电,以此保证各个单体之间较为准确的均衡状态。但对蓄电池组，由于个体间的物理差异，各单体深度放电后难以达到完全一致的理想效果。即使放电后达到同一效果，在充电过程中也会出现新的不均衡现象。
3.定时、定序、单独对蓄电池组中的单体蓄电池进行检测及均匀充电。在对蓄电池组进行充电时，能保证蓄电池组中的每一个蓄电池不会发生过充电或过放电的情况，因而就保证了蓄电池组中的每个蓄电池均处于正常的工作状态。
4.运用分时原理，通过开关组件的控制和切换，使额外的电流流入电压相对较低的电池中以达到均衡充电的目的。该方法效率比较高，但控制比较复杂。
图1 分时控制均充原理图
5.以各电池的电压参数为均衡对象，使各电池的电压恢复一致。如图2所示，均衡充电时，电容通过控制开关交替地与相邻的两个电池连接，接受高电压电池的充电，再向低电压电池放电，直到两电池的电压趋于一致。
该种均衡方法较好的解决了电池组电压不平衡的问题，但该方法主要用在电池数量较少的场合。
图2 均衡电压充电原理示意图
6.整个系统由单片机控制，单体电池都有独立的一套模块。模块根据设定程序，对各单体电池分别进行充电管理，充电完成后自动断开。
该方法比较简单，但在单体电池数多时会使成本大大增加，也不利于系统体积的减小。
无损均充电路
本文提出了一种无损均充电路。均充模块启动后，过充的电池会将多余的电量转移到没有充满的电池中，实现动态均衡。其效率高损失少，所有的电池电压都由均充模块全程监控。
1 电路设计
N节电池串联组成的电池组，主回路电流是Ich。各串联电池都接有一个均衡旁路，如图3所示。图中BTi是单体电池，Si是MOSFET，电感Li是储能元件。Si、Li、Di构成一个分流模块Mi。
在一个充电周期中，电路工作过程分为两个阶段：电压检测阶段（时间为Tv）和均充阶段（时间为Tc）。在电压检测阶段，均衡旁路电路不工作，主电源对电池组充电，同时检测电池组中的单体电池电压，并根据控制算法计算MOSFET的占空比。在均充阶段，旁路中被触发的MOSFET由计算所得的占空比来控制开关状态，对相应的电池进行均充处理。在这个阶段中，流经各单体电池的电流是不断变化的，也是各不相同的。
图3 均充电路
除去连接在B1两端的M1，所有的旁路分流模块组成都是一样的。在均充旁路中，由于二极管Di的单向导通作用，所有的分流模块都会将多余的电量从相应的电池转移到上游电池中，而M1则把多余的电量转移到下游的电池中。
2 开关管占空比的计算
充电时电池的荷电状态SOC（state of charge）可由下面的经验公式来得出，其中V是电池的端电压。
SOC＝－0.24V 2＋7.218V－ 53.088 （1）
SOC是电池当前容量与额定容量之比，SOC=Q/Q TOTAL×100%。
通过把电压检测阶段末期检测到的电池电压转化为荷电状态，而单节电池的储存容量Qest,n与SOC存在相应的关系，Qest,n可以被估算出来。
在充电平衡阶段，从主充器充入单节电池的电量是IchTcep。其中，Tcep为一个充电周期内均充阶段的时间。为使在均充阶段达到单节电池储存容量的平衡，均充的目标Q tar应为：
但是，在被激发的旁路和其他电池之间的充电转换是相互影响的，单体电池经旁路输出给其他电池的电流和接收的充电电流很难用一个简单的公式进行计算。不过，Gauss-Seidel迭代法可以解决这个问题。
均充蓄电池 期望储存容的计算的计算的的#e#
期望的储存容量Q n可以用下式来计算：
其中，I dis,n是一个开关周期中的平均电流，I o^,n是从其他被触发的旁路中获得的电流。Q tar是理想状态下电池经充电周期Ts达到均充时的电荷量，Q n是期望的储存容量，取Q tar＝Q n，即（2）、（3）相等。通过相应换算，得到占空比 的计算公式：
这里的函数f N只是一个示意函数，表示D n和D 2...D 3存在一定关系。
3 实验设计
为了验证本文的均衡充电方法，以两节单体电池组成的蓄电池组为例进行实验和分析，主要验证旁路中开关管对电压的调节作用。控制流程见图4。
图4 控制流程
由于没有现成的蓄电池，需用替代电池来进行实验。充电过程中蓄电池内阻和端电压都在不断变化，并且充电过程中电池蓄积能量，根据对蓄电池的物理性质的分析和相关资料，采用‘电阻串联电容’来替代单体蓄电池来进行实验。
本实验中，选用两个小功率NPN管C1815(Q1、Q2)来替代开关管，用89C51芯片的P1.0和P1.1脚控制Q1、Q2的开关。同时，蓄电池的端电压V1和V2由差动放大电路采集，经A/D转换送到CPU。在整个过程中，电压每20ms采样一次，每隔1s上传上位机并保存并自动绘制曲线。图5为试验电路图。
图5 实验电路原理图
图6为根据采样数值绘制的曲线。
图6 充电过程中蓄电池端电压曲线
实验结果与分析
通过实验结果可以看出，充电开始时电压相差为1.98V ，在经过充电140s后，电压相差值约为0.2V；在均充过程中，电池电压有趋向一致的趋势。均充方法能根据单体电池的差异，缩短蓄电池组之间的不一致性，使蓄电池组的整体性能得到提高，寿命延长。
同时，从实验结果来看，该方法也有效果不理想的地方，那就是两节电池端电压差值较大。究其原因，一是本实验中用‘电阻串联电容’来替代蓄电池，这和真实的蓄电池存在差别，无法达到理想的模拟状态；二是本实验主要是检验开关管的开关对电压的均衡影响，在很多环节上进行了简化处理，忽略了一些次要因素，而这些因素也对实验结果有一定的影响。
但总的来说，本实验达到了预定的目的，证明了无损均充法的可行性。
