快速脉冲充电技术的研究
概述
目前个护电动充电式产品得到了越来越广泛的应用。

个护占居市场的电动剃须刀用的可充电电池多数采用镍氢镍镉电池 , 其充电方式采用直流恒压或恒流充电 ,这两种充电方式实际中存在很大缺陷。

恒压充电不合理是因为可充电电池内阻很小 ,恒压充电初始电流很大,因而要降压, 到了充电后期则因电压过低导致充电不足, 长期欠充会使充电电池内部严重不能完全有效化学反应 ; 恒流充电之所以不合理是因为充电电池充电曲线呈指数变化 , 如图 1 所示 ,恒流电流在充电初期小于充电电池可接受最大电流 ,延长了充电周期 , 后期则超过充电电池可接受电流的能力 ,电能不能有效转化为化学能 , 多变为热能消耗掉了。

解决方法之一就是根据理想充电曲线 , 动态跟踪参变量 , 实时调节充电电流。

智能电动产品充电电池具有放电电流大、放电时间短以及放电深度深等特点 , 对于电动智能产品还有启动较频繁等特点 , 因此采用智能快速脉冲式充电技术 , 将避免上述缺点 , 使充电过程更合理化。

一般在正常充电时 , 以 8 或 10 小时充电率电流进行充电所需时间多为 10 多个小时 , 快速充电的特点是采用 1 C (A) ( C 为充电电池额定容量数值) 以上的大电流 , 在短时间内把电池充满 , 而在此过程中 , 充电电池既不产生大量气体 , 又不使充电电池温度过高 , 解决的办法就是采用脉冲式充电 , 用反向电流短时间放电的方法消除极化 , 这样就可以保证充电电池不大量产生气体又不
发热 , 从而大大缩短充电时间。

快速充电的基本原理
找出充电电池能够接受的最大充电电流和可以接受的充电电流曲线 ,如图1 所示 ,方程式：
i = I0e - at
方程式中i —任意时刻t 时充电电池可接受的充电电流
I0 —最大初始可接受充电电流
a —衰减率常数 , 也称充电接受比
图1
图 1 所示是一条自然充电接受特性曲线 , 超过这一充电接受曲线的任何充电电流 , 不仅不能提高充电效率 ,而且会增加析气 ,小于此接受曲线的充电电流 ,便是充电电池具有的储存充电电流。

在实验的基础上验证出 , 充电电池在采用任何放电电流后 ,
其充电接受比和放电放掉的容量的平方根成反比 ,
即:
其中,K 为常数, C为放电容量。

可见α随放电深度而变 , 放出电量越多 ,α值越大,充电接受电流也越大。

实验的基础上验证还指出 , 对于任何放电深度 , 一个充电电池的充电接受比α是和放电电流I d的对数成正比 , 即α= K lg ( KI d ) , 它定量地表明随放电率的不同充电接受比的变化。

因此 , 充电电池在充电过程中采取电量相对很小 ,而幅度较大且时间很短的放电措施 , 将恢复或提高充电电池的充电接受率 ,从而增大了充电电流 , 加快了充电效率 , 也就是说在快速充电中 ,进行短暂的停充 , 在停充中加入放电脉冲 , 这就是脉冲式快速充电的基本方法。

快速充电装置的设计原则
(1)应在整个充电时期内 ,始终适时地采取去极化措施。

充电电池的充电电流随时间会超过可接受电流 ,故充电前期应有去极化措施。

(2)去极化措施应能自动适应充电时间内的不同要求 , 动态跟踪
充电电池的实际状态、可接受的充电电流 ,自动确定充电时的参数。

(3)充电中充电电池电压上升到一定程度时 ,应当停止 , 进行放电去极化。

去极化措施应能抑制过超电能 , 使其达不到气体析出的电能。

(4)去极化是有限度的 ,端电压降至一定值时就适时转化再充放电过程。

快速充电系统的实现
根据实验验证的充电曲线 ,理论上充电起始电流应尽可能大 ,但实际由于充电电池内部结构参数及充电装置和供电系统的限制 ,起始电流不能过大 ;其次充电末期电流也不要太小 ,以免延长充电时间。

反应充电电池内部状态和接受能力的特征参量很多 ,在此选取端电压和端电压变化率参数 ,结合充放电电流和充放电时间两个参数变量来描述充放电过程中充电电池的内部状态 ,作为充电状态动态变化的依据。

(1)电压与容量关系
如图 2 所示 ,为电压与充电电池容量关系曲线。

由图 2曲线可看出 ,采用大电流充电效率时 ,为使电池容量恢复到 100 % , 必须允许一定的过充电反应 ,过充电反应发生后 , 单格充电电池电压迅速上升 ,达到一定数值后上升速度减小 , 然后缓慢下降。

故在充电电池充足电后 ,充电电路应输出恒定的浮充电压。

浮充电压不能过高 ,实践证明实际浮充电压大于规定浮充电压5%时 ,免维护充电电池的寿命将缩短一半。

0 图中 C : 蓄电池容量
图2
充电过程中的安时转换率可近似用式表示:
η= ( U e - U - U0) / U e C I ×100 %
式中η—转换率
U e —充电终止电压
U —当前电压 ,包括极化电压U p 和电动势E 两部分
C I —电流换算系数 ,10小时充电率时取 1，因此充电电池动态容量可以由式算出:
C = C0 + ∫t i ×ηdt
式中C0 为初始荷电容量
电压与环境温度关系由于剃须刀密封防水运行情况复杂 ,温度变化较大 ,而充电电池电压与环境温度又有着密切的关系 ,因而在设计充电器时要充分考虑温度因素。

由充电电池的电压与温度关系得知 , 温度每升高 1 ℃, 单格电池的电压将下降约 3mV 。

因此 ,为保证在很宽的温度范围内都能使充电电池刚好充足电 ,充电控制电路的各种转换电压必须随充电电池电压的温度系数而变。

硬件电路
系统硬件原理图如图3 所示:
图 3
电路控制部分采用MCU控制 , 可以方便的实现算法 ;对于脉冲电路的实现 ,应用 MCU的PWM 输出功能模块 ,驱动充电控制模块电路 ,可以方便的实现脉冲占空比的调节 ;充电控制模块电路简单可
靠 ,能够实时对电池进行均衡充电或浮充电。

采样电路中采用高精度的基准电压模块 ,将采集到的数据通过MCU转换为所需信号 , 选通开关根据需要选择不同的参数 ;显示部分为液晶或LED ,将充电状态实时显示或保留。

软件设计
软件流程图如图4 所示:
图 4
(1) 命令状态部分为A/D自动采集及轻触式操作 ,包括充电模式命令、参数设置及输出命令等。

(2) 数据采集处理部分完成对各参数模拟量的采集处理。

(3) 算法处理部分对采集的模拟量转化为数字量后再进行控制算法处理。

(4)状态分析调节部分根据安时累计、电池电压及其变化率和温度
等一系列计算结果判断电池状态 ,作出相应调节。

(5) 驱动输出部分通过MCU I/ O 口驱动外部电路 ,输出相应充电电流。

(6)温度测量和控制部分完成温度测控。

(7)显示部分通过I/ O口通信驱动液晶显示及各种LED指示, 完成对各状态及参数的显示、指示等操作。

结论
通过对比实验得出 : 充电电池充电采用脉冲分段恒流充电方式比较合理。

对分段恒流充电参数的研究表明:首段充电电流取 0.5 C , 选用三段至五段恒流充电方式充电 ,能抑制正极板活性物质的软化和负极板活性物质的硫酸盐化, 达到既不过充, 也不欠充的目的, 从而得到比较理想的充电效果，在充电过程中充电电池温升较小 ,充电效率较高。