中心議題：

• 鉛酸蓄電池快速充電的機理
• 智能充電係統的構成
• 係統軟件設計
• 係統的工作與性能評估

解決方案：

• 電壓檢測電路
• 去極化放電電路
• 充電控製電路
• 充電控製電路

自1859年法國物理學家普蘭特（Plante）發明了鉛酸蓄電池至今已有140年(nian)的(de)曆(li)史(shi)。鉛(qian)酸(suan)蓄(xu)電(dian)池(chi)有(you)著(zhe)成(cheng)本(ben)低(di)
，適(shi)用(yong)性(xing)寬(kuan)，可(ke)逆(ni)性(xing)好(hao)，大(da)電(dian)流(liu)放(fang)電(dian)性(xing)能(neng)良(liang)好(hao)
，單(dan)體(ti)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)高(gao)，並(bing)可(ke)製(zhi)成(cheng)密(mi)封(feng)免(mian)維(wei)護(hu)結(jie)構(gou)等(deng)優(you)點(dian)，而(er)被(bei)廣(guang)泛(fan)地(di)應(ying)用(yong)於(yu)車(che)輛(liang)啟(qi)動(dong)、郵電、電力、鐵路、礦山
、采掘、計算機UPS等各個領域中。蓄電池也是國民經濟以及國防建設的重要能源
，在許多行業的發展中，也迫切需要容量大、循環壽命長、充電時間短、價(jia)格(ge)低(di)的(de)蓄(xu)電(dian)池(chi)。而(er)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)技(ji)術(shu)也(ye)成(cheng)為(wei)了(le)其(qi)中(zhong)的(de)關(guan)鍵(jian)技(ji)術(shu)，它(ta)對(dui)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)有(you)著(zhe)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)影(ying)響(xiang)。目(mu)前(qian)
，國(guo)內(nei)外(wai)都(dou)在(zai)不(bu)斷(duan)地(di)研(yan)究(jiu)這(zhe)一(yi)技(ji)術(shu)，而(er)在(zai)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)技(ji)術(shu)中(zhong)引(yin)入(ru)計(ji)算(suan)機(ji)控(kong)製(zhi)，是(shi)非(fei)常(chang)有(you)效(xiao)的(de)，且(qie)有(you)著(zhe)非(fei)常(chang)明(ming)顯(xian)的(de)經(jing)濟(ji)效(xiao)益(yi)。而(er)單(dan)片(pian)機(ji)又(you)以(yi)其(qi)低(di)廉(lian)的(de)成(cheng)本(ben)
，靈(ling)活(huo)的(de)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)而(er)得(de)到(dao)業(ye)界(jie)的(de)青(qing)睞(lai)，本(ben)係(xi)統(tong)就(jiu)是(shi)以(yi)AT89C2051單片機為核心，集測量與控製為一體的智能化快速充電係統。

快速充電的機理
　　
qiansuanxudianchikuaisuchongdianjishushizaichangguichongdianjishudejichushangfazhanqilaide，buluncaiyonghezhongchongdianzhidujinxingchongdian
，qiansuanxudianchichongdiandechengliuguochengdouyaozunshoushuangjiliusuanyanhualilun，jiqihuaxuefanyingfangchengshiwei：


按(an)常(chang)規(gui)充(chong)電(dian)法(fa)
，充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)安(an)培(pei)數(shu)
，不(bu)應(ying)超(chao)過(guo)蓄(xu)電(dian)池(chi)待(dai)充(chong)電(dian)的(de)安(an)時(shi)數(shu)。這(zhe)樣(yang)，才(cai)可(ke)保(bao)證(zheng)在(zai)整(zheng)個(ge)充(chong)電(dian)過(guo)程(cheng)中(zhong)，產(chan)生(sheng)氣(qi)體(ti)和(he)溫(wen)升(sheng)的(de)狀(zhuang)況(kuang)符(fu)合(he)要(yao)求(qiu)。因(yin)此(ci)，常(chang)規(gui)的(de)蓄(xu)電(dian)池(chi)其(qi)充(chong)電(dian)方(fang)法(fa)都(dou)采(cai)用(yong)小(xiao)電(dian)流(liu)的(de)恒(heng)壓(ya)或(huo)恒(heng)流(liu)充(chong)電(dian)
，充(chong)電(dian)時(shi)間(jian)長(chang)達(da)10至20多個小時，給實際使用帶來許多的不便。為了縮短電池的充電時間
，國內外一直都在不斷地研究和開發快速充電方法和技術。
　　
1967年美國人麥斯（J.A.Mas）提出了蓄電池充電的三個定律後，這些理論就成為了我們研究快速充電技術的基礎。蓄電池有著如下的充電特性：
　　
（1）蓄電池充電接受能力隨放電深度而變化。如果以相同大小的電流放電，則，放出電量越多

，充電接受率α越高，充電接受電流越大。即有如下關係：


又因

故有

I0——開始充電時的最大初始電流值。
　　C——放電容量。
　　K——常數
，可由實驗求出。
　　
（2）對於任何給定的放電深度，充電接受率：


又因I0=αC，所以

Id——放電電流。
常數K和k可由實驗得出。
　　
shangshibiaoming，xudianchidechongdianjieshoulvqujueyutadefangdianlishi
，yixiaodianliuchangshijianfangdiandexudianchi，chongdianjieshoulvdi
，xiangfan，yidadianliuduanshijianfangdiandexudianchi，chongdianjieshoulvgao。
　　
（3）一個蓄電池經幾種放電率放電，其充電接受電流是各個放電率下接受電流之和。即：　It=I1+I2+I3+……
　　同時服從：


It——總接受電流。
　　Ct——放出的總電量。
　　αt——總的充電接受率。
　　
放電可使全部放掉的電量Ct增加
，同時也使總的充電接受電流It增加。因此，蓄電池在充電前或充電過程中適當地放電
，將會增加充電接受率αt。
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按an照zhao麥mai斯si理li論lun
，我wo們men對dui充chong電dian過guo程cheng中zhong的de充chong電dian電dian流liu進jin行xing實shi時shi控kong製zhi
，即ji用yong大da電dian流liu充chong電dian

，並bing在zai充chong電dian過guo程cheng中zhong，短duan暫zan地di停ting止zhi充chong電dian，在zai停ting充chong期qi間jian加jia入ru放fang電dian脈mai衝chong，打da破po蓄xu電dian池chi充chong電dian指zhi數shu曲qu線xian自zi然ran接jie受shou特te性xing的de限xian製zhi。但dan是shi
，理li論lun和he實shi踐jian證zheng明ming，蓄xu電dian池chi的de充chong放fang電dian是shi一yi個ge非fei常chang複fu雜za的de電dian化hua學xue過guo程cheng，由you快kuai速su充chong電dian的de電dian化hua機ji理li可ke知zhi，影ying響xiang快kuai速su充chong電dian的de重zhong要yao因yin素su是shi蓄xu電dian池chi的de電dian極ji極ji化hua現xian象xiang，這zhe是shi一yi切qie二er次ci電dian池chi所suo共gong有you的de
，包bao括kuo有you歐ou姆mu極ji化hua
、nongchajihuahedianhuaxuejihua。erxudianchidedianjijihuaxianxiang，youkeyitongguozaichongdianguochengzhongshishijiarufangdianmaichonglaixiaochu。yinci，yaoshixiankuaisuchongdian，jiuxuyaoduofangmiandekongzhi，qikongzhitedianwei：
　　
（1）多變量——諸如要控製蓄電池內的溫度、充電電流的大小、充電的間隔時間、去極化脈衝的設置等。
　　
（2）非線性——充電電流應隨充電的進行而逐漸降低
，否則
，會造成出氣和溫升的增加。
　　
（3）離散性——隨著蓄電池的放電狀態
、使用和保存曆史的不同，即使是相同型號
、相同容量的同類蓄電池的充電情況也不一樣。
　　
對dui於yu如ru此ci複fu雜za的de充chong電dian過guo程cheng，使shi用yong傳chuan統tong的de充chong電dian電dian路lu顯xian然ran難nan以yi控kong製zhi，因yin此ci，也ye影ying響xiang了le快kuai速su充chong電dian的de效xiao果guo。為wei了le能neng更geng有you效xiao地di實shi現xian快kuai速su充chong電dian，必bi須xu使shi用yong先xian進jin的de控kong製zhi手shou段duan，我wo們men利li用yong單dan片pian機ji構gou造zao了le一yi個ge具ju有you自zi動dong檢jian測ce功gong能neng的de蓄xu電dian池chi充chong電dian實shi時shi控kong製zhi係xi統tong。根gen據ju蓄xu電dian池chi快kuai速su充chong電dian的de機ji理li，對dui充chong電dian的de電dian池chi進jin行xing實shi時shi的de動dong態tai檢jian測ce，適shi時shi發fa出chu去qu極ji化hua脈mai衝chong及ji調tiao整zheng充chong電dian電dian流liu，力li求qiu以yi較jiao高gao的de充chong電dian平ping均jun電dian流liu進jin行xing充chong電dian，而er且qie還hai能neng有you效xiao地di抑yi製zhi氣qi體ti的de析xi出chu。從cong而er達da到dao快kuai速su充chong電dian的de目mu的de。

智能充電係統的構成

本係統以AT89C2051單片機為核心，它是高性能的8位CMOS單片微型計算機。片內帶有2K可重編程的FlashEPROM，足夠存放一般的控製程序
；具有豐富的I／O控製功能；片內帶有2個16位定時器／計數器
；多個中斷源；一個精密模擬比較器。它對許多嵌入式控製應用提供了一種高度靈活和低成本的解決辦法。
　　
根據係統功能的需要


，組成的硬件結構如圖1所示。該係統包括幾個主要部分：
　　
（1）以AT89C2051單片機作為整個智能充電係統的控製核心，用於數據的處理


、計算及輸入輸出控製。
　　
（2）電壓檢測電路

由RC電路與AT89C2051單片機的內置積分模擬比較器組成，用於電池電壓的實時檢測
，該電路同時將檢測到的模擬電壓轉換成數字量提供給計算機處理。
　　
（3）去極化放電電路

由RC放電回路與MOSFET電子開關組成
，電池的充電狀態信息經單片機處理後，根據需要經由AT89C2051的I／O口(kou)適(shi)時(shi)發(fa)出(chu)去(qu)極(ji)化(hua)脈(mai)衝(chong)，控(kong)製(zhi)開(kai)關(guan)閉(bi)合(he)接(jie)通(tong)放(fang)電(dian)回(hui)路(lu)
，以(yi)消(xiao)除(chu)電(dian)池(chi)的(de)極(ji)化(hua)現(xian)象(xiang)，也(ye)可(ke)以(yi)消(xiao)除(chu)某(mou)些(xie)電(dian)池(chi)的(de)不(bu)良(liang)記(ji)憶(yi)
，提(ti)高(gao)它(ta)的(de)充(chong)電(dian)接(jie)受(shou)率(lv)。
　　
（4）充電控製電路

caiyongshuchudianyazaiyidingfanweineiketiaojiedegaopinkaiguanshichongdiandianyuan。bingqiejiarushidudedianliufufankui，shishuchutexingbianruan
，bimianchongdianqizaijiazaishunjiandedianliuchongji，bingjuyouyidingdehengliuzuoyong。
　　
（5）狀態顯示電路

狀態顯示電路由不同的指示燈組成，根據不同的工作狀態由單片機控製顯示充電中或充電結束狀態。

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係統軟件設計

本係統軟件使用MCS-51彙編指令編寫
，並固化於片內的程序存儲器中
，使用極為方便。程序的流程圖如圖2所示。


整個係統的控製過程為：蓄電池組開始充電一段時間後
，檢測電池電壓，當達到電池出氣點電壓（約2.4V／單體）時
，停止充電，然後進行大電流（約2C）放電去極化，時間為1ms，充放電曲線如圖3所suo示shi。放fang電dian後hou，再zai檢jian測ce電dian池chi狀zhuang態tai，進jin行xing去qu極ji化hua效xiao果guo檢jian測ce，達da到dao去qu極ji化hua效xiao果guo則ze回hui轉zhuan充chong電dian
，否fou則ze
，再zai次ci進jin行xing去qu極ji化hua放fang電dian，直zhi至zhi達da到dao去qu極ji化hua要yao求qiu的de效xiao果guo才cai回hui轉zhuan充chong電dian。如ru果guo連lian續xu放fang電diann次（n＝3）
，電池電壓變化很小，則充電完成並結束充電狀態。

係統的工作與性能評估

　　
我們用本係統對24V12AH免維護鉛酸電池組進行快速充電試驗，首先以1安培放電，放電終止電壓為20V。充電電流取8A（0.66C）
，充電50分鍾後，蓄電池組端電壓達到24.5V


，在充電至40分鍾左右，去極化周期逐步縮短，充電電流下降到6.2A，經過2小時10分後，充電自動結束，蓄電池組終止電壓為28.8V
，5分鍾後測試電池組端電壓為27.6V。外殼溫升15.6℃。
　　
放電試驗是用1安培放電（負載用可調電阻）放電終止電壓為20V時
，放電時間為11小時25分，即充滿率達到95﹪。通過充、放電試驗，證明本充電控製係統是可行的。

討論
　　
1）快速充電的唯一辦法是遵照麥斯定律，利用充電-放電去極化的方式提高充電速度。
　　
2）chongdiansuduyuegao，chongdianqiderongliangyaoxiangyingzengda。danshichongdianqidechengbenbuchengbilizengjia。ruguojinyibujiadachongdiandianliu，chongdiandesuduhaikeyijinyibutigao。danshi，chongdiansuduguogaokenenghuidailaiyixiexindewenti，bixutongguoshiyanheshejidegaijinlaishixian。youzhuanjiarenwei
，zaikuaisuchongdianguochengzhong，zhiyaowenshengnengkongzhideheli，duidianchideshouminghedianchineibudantidianchidianyajunhengdouyouhaochu。
　　
3）本ben快kuai速su充chong電dian係xi統tong與yu傳chuan統tong的de充chong電dian器qi相xiang比bi，可ke以yi較jiao大da範fan圍wei地di提ti高gao充chong電dian速su度du，縮suo短duan充chong電dian時shi間jian。但dan是shi
，充chong電dian器qi複fu雜za係xi數shu略lve有you增zeng加jia。僅jin僅jin是shi增zeng加jia了le一yi個ge單dan片pian機ji實shi時shi檢jian測ce控kong製zhi環huan節jie和he一yi個geMOSFET電子開關及RC放電電路。因此，不失為一個簡單實用的快速充電電路。


綠lv色se革ge命ming的de一yi個ge重zhong要yao體ti現xian是shi綠lv色se交jiao通tong。因yin此ci
，很hen多duo國guo家jia都dou在zai致zhi力li於yu電dian動dong車che的de開kai發fa和he研yan究jiu。然ran而er
，蓄xu電dian池chi的de快kuai速su充chong電dian依yi然ran是shi一yi個ge必bi不bu可ke少shao的de課ke題ti。目mu前qian，市shi場chang上shang已yi出chu現xian了le不bu少shao電dian動dong車che和he電dian動dong助zhu力li車che、電動滑板車。根據專家的市場預測
，2004年美國市場的需求量是500萬wan輛liang
，中zhong國guo的de產chan品pin因yin為wei價jia廉lian物wu美mei而er成cheng為wei了le主zhu導dao產chan品pin。因yin此ci
，肯ken定ding對dui快kuai速su充chong電dian器qi有you一yi定ding的de需xu求qiu。隨sui著zhe電dian動dong交jiao通tong工gong具ju研yan究jiu的de深shen入ru和he發fa展zhan，可ke以yi預yu言yan，今jin後hou大da、中、小各種容量的快速充電器將是商機無限。