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1、题 目： 铅 酸 蓄 电 池 充 电 器 设 计 摘 要蓄电池充电过程中的主要问题是极化现象始终存在并逐渐加剧，严重影响充电速度与质量，损伤蓄电池，甚者可能报废。根据充电速度、出气、温升及活性物质脱落等现象，比较了传统的充电方法包括恒流充电、恒压充电及快速充电的优缺点，指出极化现象的根本原因是充电方法不符合蓄电池充电接受特性，据此提出了恒压充电法，不但所需人工干预少，而且极化现象少、充电效果好，即充电速度快、出气少、温升少、活性物质脱落少。bq2031是TI公司为优化铅酸蓄电池的充电特性能而设计的专用芯片.它是灵活的脉冲调制调节器允许bq2031以恒压、恒流或恒流脉冲方式进行充电.PWM调节器
2、的频率可由外接电容来方便灵活的设定.其开关模式设计可使其在大电流充电情况下的损耗降到最小. 恒压充电模式的优点是：能够根据电池的充电状态, 自动调整电池的充电电流，并且所有电压值都具有温度补偿。恒压充电模式适用于循环充电和浮充充电。在快速充电状态下，充电器输出较高的恒定电压，然后下降到温度补偿浮充电压。这样充电器可以随时随地检测蓄电池充电情况。关键词:铅酸蓄电池；充电方法；快速充电；单片CMOS集成电路bq2031，脉冲调制，恒压、恒流充电，自动调整充电电流，温度补偿，浮充电压。目录1 引言 32 密封免维护铅酸蓄电池 42.1 密封免维护铅酸蓄电池的结构 42.2 密封铅酸蓄电池的充电特性
3、43 传统充电方法概要 53.1 恒流充电 53.2 恒压充电 63.3 快速充电 74 单片CMOS集成电路bq2031 104.1 管脚功能 124.2 参数定义 145 充电器主要部分的设计 145.1整流滤波电路 145.2驱动电路 155.3控制电路 15结论 22致谢 23参考文献 24附录 1 25附录 2 27附录 3 28引言从1859年法国科学家普朗特发明铅酸蓄电池后的一百多年里，电池充电一直采用小电流(约O.1C)恒流充电法，由于此法充电时间太长、充电效率低，限制了电池的应用。20世纪60年代中期美国科学家马斯提出了电池快充基本定律马斯三定津之后，电池快速充电开始得到了人
4、们的极大重视，几十年来人们对快充模式和停充控制方式进行了大量深人研究，提出了多种切实可行的方法。目前，由于常规充电技术不能适应各类新型电他的要求，因此严重影响电池的使用寿命。实践证明，免维护电池的浮充电压偏差5，浮充寿命将减少一半。离电池的充电电压超过4.1V土50mV，将造成电池永久性损坏。如果采用镍铜电池常用的检测法，控制镍氢电池快速充电，可能造成镍氢电池因严重过充电而损坏。为了满足各类电池快速充电的不同要求，世界各国都在研究智能化快速充电技术。目前已研制出几十种各类电池快速充电控制集成电路，利用这些集成电路，很容易制作智能化快速充电器。 所以我们的毕业设计就是研究具有智能化的充电器，研究
5、充电器的基本结构、工作原理和充放电特性，详细分析了充电控制专用集成电路的结构和工作原理。为此我们研制了一种基于bq2031的铅酸蓄电池充电控制器。bq2031是TI公司为优化铅酸蓄电池的充电性能而设计的专用芯片。它灵活的脉宽调制调节器允许bq2031以恒压、恒流或恒流脉冲方式进行充电。PWM调节器的频率可由外接电容来方便灵活的设定。其开关模式设计可使其在大电流充电情况下的损耗降到最小。为了便于评审老师阅读参考，我们潜心学习翻阅大量资料，反复推算，终于设计出了快速充电器的设计方法和实际电路。为了便于以后有意者参阅与制作，我们详细的说明智能快速充电器的主要性能和技术参数。2 密封免维护铅酸蓄电池由
6、于免维护铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠,在电池的整个寿命期间电压稳定且不需要维护等优点,所以在各类需要不间断供电的电子设备和便携式仪器仪表中有着广泛的应用。在正常使用时,免维护铅酸蓄电池的浮充寿命可达1216年，如果浮充电压偏差5%，则使用寿命缩短1/2。2.1 密封免维护铅酸蓄电池的结构 全密封免维护铅酸蓄电池由正负极板、隔板、电解液、安全阀、气塞、外壳等部分组成。正负极板均采用活性材料涂在特制的铅钙合金骨架上。这种极板的耐酸性强，导电性好，寿命较长，自放电速率也较小。隔板采用超细玻璃纤维制成，全部电解液吸附在极板和隔板中，电池内没有流动的电解液，即使外壳破裂，电池也能正常工作。电池顶部装
7、有安全阀，当电池内部气压达到一定数值时，安全阀自动开启，排出多余气体；电池内气压低于一定数值时，安全阀自动关闭。顶盖上还有内装陶瓷过滤器的气基，它可以防止酸雾从蓄电池中逸出。正负极接线端子用铅合金制成，采用全密封结构，并用沥青封口。在免维护电池中，电解液全部吸附在隔板和极板中，负极活性物质(海棉状铅)在潮湿的条件下活性很高，能与氧气快速反应。充电过程中，正极板产生的氧气通过隔板扩散到负极板，与负极板活性物质快速反应，合成水。因此，在整个使用过程中，不需要加水补酸.2.2 密封铅酸蓄电池的充电特性容量和寿命是蓄电池的重要参数，如前所述，蓄电池的容量(C)指的是：采用规定的放电速率(通常为l0小时
8、放电率)，充足电的电池能够放出的安时数，蓄电池的额定容量(C)通常作为电池充放电速率的单位。例如100Ah的蓄电池，采用20A电流充电时，充电速率为C/5，采用10A电流放电时，放电速率就是C/10。蓄电池的寿命通常分为循环寿命和浮充寿命两种。蓄电池的容量减小到规定值以前，蓄电池的充放电循环次数称为循环寿命。在正常维护条件下，蓄电池浮充供电的时间，称为浮充寿命。经常免维护电池的浮充寿命可达l0年以上。电池充电通常要完成两个任务，首先是尽可能快地使电池恢复额定容量，另一个任务是用涓流补充电池因自放电而损失的电量，以维持电池的额定容量。在充电过程中，铅酸电池负极板上的硫酸铅逐渐变为铅，正极板上的硫
9、酸铅逐渐变为二氧化铅。当正负极板上硫酸铅完全变成铅和二氧化铅后，电池开始发生过充电反应，产生氢气和氧气。这样，在非密封铅酸蓄电池中，电解液中的水将逐渐减少。在密封铅酸蓄电池中，采用中等充电速率时，氢气和氧气能够重新化合为水。图1 充电器充电特性图3 传统充电方法概要3.1 恒流充电3.1.1 特点恒流充电的特点即恒流、变压。3.1.2 优点(1)恒流充电电流可调,故可以适应不同技术状态的蓄电池,如新蓄电池、正常使用蓄电池和有不同故障的蓄电池,因而目前得到了广泛采用。(2)恒流充电当蓄电池基本充好后还能以很小的电流对蓄电池继续充电,使极板内部较多的活性物质参加电化学反应,从而使蓄电池充电比较彻底
10、,保证了蓄电池的容量。3.1.3 缺点(1)充电过程中需要较多的人工干预,如蓄电池端电压的测试、温度测量!电流调节等。(2)恒流充电由于没有去极化措施,因而极化现象比较严重。(3)蓄电池充电接受特性如图1所示，恒流充电一般为分阶段进行,与蓄电池充电接受特性相差较大,因而在实际操作中一般存在初期电流较小,后期电流太大的缺陷,所以无论从速度上还是从效果上都不完善、伴随蓄电池的剧烈冒气,会因极板上活性物质脱落而降低蓄电池的寿命,并有大量电能浪费。(4)充电时间长。 图2 蓄电池充电接受特性 图3 恒压充电特性3.2 恒压充电恒压充电特性如图3所示。3.2.1 特点恒压充电的特点是恒压、变流。3.2.
11、2 优点（1）恒压充电电流随蓄电池端电压的升高而逐渐减小,最后自动停充。因此恒压充电操作简单,不需人工干预,省去了许多麻烦。(2)恒压充电在充电过程初期由于蓄电池端电压较低,充电电流较大,因而充电速度较快,一般在34h即可使蓄电池充到80%90%,故在室外条件下的充电采用恒压充电较为理想。(3)恒压充电性能比较接近蓄电池充电接受特性,因此恒压充电如果掌握得好可以取得较好充电效果。3.2.3 缺点(1)恒压充电电流不能自由调节,因此不能适应对各种不同技术状态的蓄电池进行充电。(2)由于没有去极化措施,因而充电过程中也有较严重的极化现象,因此也有严重的负面效果,如出气、温升、极板活性物质脱落等,而
12、延长充电时间,折损蓄电池寿命浪费电能。 (3)恒压充电过程后期充电电流过小极板深处的活性物质不能充分恢复,因而不能保证蓄电池彻底充足。3.3 快速充电3.3.1 特点采取瞬间放电或停充等去极化措施,以比常规充电大得多的电流进行充电。3.3.2 优点(1) 快速充电速度快。以补充电为例,快速充电一般需0.51.5h,是常规补充充电的1/81/20。(2) 快速充电效果较好。采用快速充电,在充电过程中由于采取去极化措施,使蓄电池始终比较接近初始充电状态,因而蓄电池只有微量出气有效地避免了因剧烈出气而造成的活性物质脱落,故蓄电池寿命显著提高。(3) 节约大量电能。快速充电由于有去极化措施,充入蓄电池
13、的电能绝大部分转变为化学能,同时充电时间短,电能的损耗也少,因此快速充电可节约大量电能。(4)快速充电由于充电电流较大,可对某些硫化了的蓄电池进行激活试验。3.3.3 缺点（1）快速充电与常规充电相比温升较高。（2）快速充电制度很多,如定电流、定周期脉冲充电、放电去极化法,定电流、定电压脉冲充电、放电去极化法,小电流宽脉冲放电去极化法,大电流和小电流结合去极化法,等等。虽然都有去极化措施,充电过程中仍有极化现象存在,很多快速充电设备就是靠检测因极化而升高了的蓄电池端电压而关机的。因而快速充电尽管比常规充电极化现象大大减少,仍然不能完全去除极化,造成这种情况的原因是快速充电仍然没有很好吻合蓄电池充电接受特性。（3）快速充电由于充电电流较大,在实际操作中可能因电流过大反而造成温升高、出气量大、活性物质脱落等较严重的负面效果,因而一般的快速充电比常规充电实际达到的寿命循环(460次)约低30%,这也是目前大多数蓄电池生产厂家普遍不支持快速充电的主要原因。3.3.4脉冲快速充电法的理论基础 理论和实践证明，蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程。一般地说,充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降,不可能自动按恒流或恒压充电。充电过程中影响充
