電池快速充電方法及實現(xiàn)研究

廣東天波信息技術(shù)股份有限公司 顏君志

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展的同時，電池在交通、通訊和電力等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有極高的應(yīng)用價值。鉛酸蓄電池在實際的使用中，需要配合有效的充電方式，保障電池的功能性與服務(wù)性。基于此，本文對鉛酸蓄電池快速充電方法展開研究，再分析具體的實現(xiàn)方式，詳細(xì)內(nèi)容如下。

1 電池使用場景分析

文章主要以室外公話電池為例，展開電池快速充電技術(shù)分析。室外公話采用路燈電源供電，夜晚充電10h，白天由電池供電，通話時間＜1h/天，占80%。具體的電池為鉛酸蓄電池。該電池具有良好的利用價值，為滿足無線室外電話中斷的需求，鉛酸蓄電池的電路設(shè)計盡可能保障電池服務(wù)年限。但考慮一些外界因素影響，具體因素分析如下：

（1）不同地區(qū)的溫度環(huán)境存在明顯差異，且區(qū)域四季的溫差較為顯著；

（2）考慮部分地區(qū)電池作為備用電池，部分區(qū)域?qū)㈦姵刈鳛橹饕娫垂┙o的差異；

（3）考慮不同區(qū)域的室外公話使用頻率、時長和耗電等；

（4）考慮終端的充電耗時差異，需借助快速充電，減弱對電池壽命的影響；

（5）思考并研究電池差異和通用性。

2 影響電池使用壽命主要因素

在實際的使用過程中，由于不合理的使用方法降低蓄電池壽命，為確保電池的有效應(yīng)用，現(xiàn)對影響電池使用壽命的主要因素展開分析，分析如下：

（1）電池過放電會造成電池內(nèi)部的硫酸鉛被吸附到電池陰極表面，導(dǎo)致硫酸鉛的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致電池的功能障礙。而且，隨著硫化程度的不斷提升，電池的容量變化下降，最終導(dǎo)致電池壽命縮短。

（2）電池過充電由于劇烈的放出氣泡，會在極板內(nèi)部造成壓力，加劇活性物質(zhì)的脫落，使極板過早損壞，不宜于蓄電池后期充電。

（3）電池的壽命一般在十年左右，或者說電池可循環(huán)使用次數(shù)為300～600次，這些都是在最佳環(huán)境溫度(20℃～25℃)條件下的參數(shù)。但使用溫度比相對標(biāo)準(zhǔn)溫度每升高10℃，電池的使用壽命就會縮減一半左右。而且，溫度對鉛酸電池的最佳充電電壓還具有影響，不同的溫度下，最佳充電電壓也存在差異，如溫度上升1℃，最佳充電電壓將下降3mV。

實踐證明，要保證鉛酸蓄電池的使用壽命，正確充電方法是非常重要的，溫度對充電有很重要的影響，其中正確的充電方法不僅使蓄池的壽命得以延長，而且又可使它的容量得以充分利用。

3 電池快速充電方法

綜合上電池使用場景、電池使用壽命等因素，本文對電池快速充電電路方法進(jìn)行研究，給出預(yù)充、恒流、脈沖恒流、帶溫度補(bǔ)償?shù)母〕渌碾A段充電方法。

當(dāng)電池兩端電壓低于低壓門限VCOND時，由恒壓充電路對電池進(jìn)行預(yù)充電，充電電流為ICOND；電池兩端電壓上升至VMIN，完成預(yù)充電階段T1；充電電路進(jìn)入正常恒流充電階段T2，充電電流為IMAX，充電過程中，采樣比較控制脈寬調(diào)制電路不斷對電池兩端電壓采樣比較，當(dāng)電池充電壓達(dá)到充電截止電壓VBLK，完成正常恒流充電階段T2；充電電路進(jìn)入恒流脈沖和恒壓混合充電階段T3，充電電路以浮充電流IFLT對電池充電，由于電池電量還未接近飽和，電池電壓下降較快，當(dāng)電池電壓下降超過門限電壓VHYST時，充電電路啟動恒流充電，實現(xiàn)恒流脈沖和恒壓混合充電的循環(huán)過程；當(dāng)電池電量基本充滿，恒壓充電足以維持穩(wěn)定電池電壓，充電電路處于恒壓浮充充電階段T4，此時充電電路以浮充電流IFLT對電池充電，維持電池電壓大于VHYST。

圖1 充電過程示意圖

4 快速充電電路實現(xiàn)

本設(shè)計主要是針鉛酸蓄電池展開分析，旨意保障鉛酸蓄電池的快速充電，提高電池的服務(wù)能力，滿足實際使用需求。如表1所示，為具體電池快速充電的條件與限制情況。

表1 條件與限制

4.1 設(shè)計框圖

現(xiàn)結(jié)合實際情況，對具體電池快速充電方法設(shè)計及實現(xiàn)進(jìn)行分析。受約束條件限制，輸入電壓選擇12V，當(dāng)電池2端電壓低于4.4±20%時，電池的充電方式為恒壓充電。完成預(yù)充電后，電路進(jìn)入到恒流狀態(tài)，規(guī)避電流過大造成的不良影響。輸入電能源DC-DC降壓后再供給恒流充電電流。具體的充電過程中，實現(xiàn)對電池2端電壓的采樣，再進(jìn)行比較。如果恒流達(dá)到截止電壓后，電路轉(zhuǎn)變?yōu)楹懔髅}沖和浮充混合的方式實現(xiàn)充電。如圖2所示，為系統(tǒng)設(shè)計框圖。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計框圖

4.2 各功能模塊電路設(shè)計

現(xiàn)結(jié)合實際情況，對各個功能模塊進(jìn)功能闡述，對關(guān)鍵功能模塊電路圖并說明，詳細(xì)內(nèi)容如下：

（1）DC-DC降壓電路。終端輸入電壓POT為+12V，如果直接供給恒流電流充電，電流過大電池壽命降低,，借助DC-DC降壓電路實現(xiàn)對直流的降壓輸出+8V。

（2）恒流充電電路。恒流充電電路實現(xiàn)快速充電的基礎(chǔ)，在具體的電路設(shè)計中，需要考慮電路的保護(hù)工作。恒流充電電路是由三極管、MOS管組成的其中，其中，當(dāng)電壓較低時，CHG_CTL為低電平時，控制MOS導(dǎo)通。通常情況下，恒流的電流為330～400mA之間，且三極管管壓降對一致性存在輕微的影響。為實現(xiàn)對電池的保護(hù)，在恒流充電電路的設(shè)計中，將一個較小電流經(jīng)R112加達(dá)到電池上，從而規(guī)避MOS管的損壞情況，確保電池充電的可靠性，如圖3所示。

圖3 帶涓流充的恒流充電電路

（3）浮充穩(wěn)壓電路。浮充穩(wěn)壓電路的輸入電壓為12V，且能夠?qū)㈦妷悍€(wěn)定成為浮充充電恒壓，為電池充電提供溫度補(bǔ)償，如圖4所示。其中U101溫度補(bǔ)償關(guān)鍵器件，通過溫度補(bǔ)償在溫度0℃、25℃、40℃的浮充電壓V_FLT分別為+7V、+6.8V、+6.6V。

（4）比較控制脈寬調(diào)制電路。此電路實現(xiàn)了具有回差功能的比較控制脈寬調(diào)制電路，電池端電壓分壓后與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，低于基準(zhǔn)電壓，比較器輸出低電平，否則輸出高電平，其信號輸出FLT_CTL是恒流與恒壓充電的切換控制信號；另外CHG_CTRL輸出高電平關(guān)斷恒流充電,關(guān)閉恒流后電池電壓高于恒壓充電電壓，為防止電池電流倒灌至恒壓充電電路，比較恒壓充電電壓與電池電壓，只有恒壓充電電壓高于電池電壓才開啟恒壓充電。

圖4 帶溫度補(bǔ)償浮充穩(wěn)壓電路圖

圖5 比較控制脈寬調(diào)制電路

（5）恒壓充電電路。在本次設(shè)計中，由輸入控制切換信號FLT_CTL控制MOS開啟與關(guān)閉浮充，并實現(xiàn)對電壓低時的預(yù)充電，避免電池出現(xiàn)過度放電的問題。

5 結(jié)束語

本文對電池快速充電的方法和電路實現(xiàn)進(jìn)行分析，主要以鉛酸蓄電池為例，分析具體影響鉛酸電池使用壽命的因素，再分析具體鉛酸電池的快速充電方法及具體設(shè)計電路進(jìn)行闡述。本設(shè)計電池電壓低時采用恒流預(yù)充電，浮充時采取溫度補(bǔ)償，在恒流充電后期自動轉(zhuǎn)為恒壓浮充和自適應(yīng)脈寬脈沖恒流混合模式，避免了初期充電電流過大和后期過充的缺點，既能實現(xiàn)快速充電又能有效地延長電池的使用壽命。