摘  要： 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。

　　关键词： 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]。

　　副反应方程式之负极：

　　2H++2e-→H2（3）

　　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。

　　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?鄣因子，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。

　　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。

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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

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。

　　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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