正负脉冲充电器的原理及设计
摘要：
本介绍了脉冲充电器的原理，以及通过单片机的控制实现对蓄电池进行智能脉冲充电的设计方法。
关键词：铅酸蓄电池，正负脉冲，充电。
1、概述，
随着人们对环境污染的日益重视，铅酸蓄电池由于制造成本低、容量大、成本低等优点，在人们的日常生活中已经是一个非常常见的储能方式了，常见的如我们风光互补发电系统的储能部分大部分就是采用铅酸蓄电池;我们日常的代步工具——电动自行车，它的能源也是来源于铅酸蓄电池。
但是在蓄电池的使用中，由于使用方法的不同，对蓄电池的使用寿命也产生很大的影响。充电方式的选择就是其中主要因素。目前我们主要的蓄电池充电方式有恒压限流、恒流充电以及快速充电法等几种。这几种常见充电方法在现实的应用中各有优缺点。正负脉冲充电器的就是我们常用一种充电器。在这里我们着重介绍正负脉冲充电器的工作原理。
2、脉冲充电的原理
美国科学家马斯对蓄电池的充电过程的出气问题作了大量的直言和研究工作，提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受的充电电流曲线，在充电过程中，只要充电电流不超过蓄电池的可接受的电流，蓄电池内部就不会产生大量的气泡。常规的三段式充电在充电初期，充电电流远小于蓄电池的可接受充电电流，因而充电时间较长，充电过程后期，充电电流有大于蓄电池的可接受电流，因而蓄电池内部会产生大量的气泡，如果在整个充电过程中能使用实际充电电流始终等于会接近于蓄电池可接受的充电电流进行充电，，却是可以大大加快充电速度，然而，充电过程中蓄电池产生的极化电压会阻碍本身的充电。由此可见要想实现快速的充电，必须消除极化电压对蓄电池充电的影响，如果给蓄电池提供一条放电通道，这样就可以消除电化学的极化影响，同时蓄电池的温度也会因为放电而得到控制。脉冲充电器也就是基于这个原理而形成：在蓄电池的充电过程中，适当暂停充电，并适当加入放电脉冲，就可以迅速消除各种极化电压，从而提高充电速度和效率，脉冲充电有两种类型，一种是只有正脉冲如图1所示。
图1 间隙正脉冲充电波形
另一种在正脉冲之间加入负脉冲，是电池放电。如图2.
图2 带负脉冲的脉冲充电波形
影响充电速度的决定因素是电流的大小，脉冲充电比恒压限流充电速度快的原因就是脉冲充电给了蓄电池休息的时间，从而允许在充电阶段使用较大的电流充电，加快了充电速度。
3、硬件设计
充电器以高性能、低功耗的AVR 微处理器ATMEGA48为控制核心，该处理器建行糊了外围电路，内部集成了六通道的PWM输出、8路10位ADC等接口和控制器。功率电路部分采用恒流开关电源，通过对单片机采集相关的温度、电压、电流数据，经过处理形成高速PWM，可以调节恒流源的电流大小。以大功快速MOS管Q3作为
正负脉冲充电器的设计 3 开器件关，通过单片机的控制产生充电正脉冲，通过单片机控制MOS管Q4，产生放电脉冲。系统框图如图3。
图3 系统框图
充电器功率主电路设计如图4所示：
图4 功率电路设计图
D1、D2、D3、D4整流电路部分，C1、C2、Q1、Q2组成功率因数矫正电路，L1、D5、D6、C3、Q3组成充电电路，R1Q4 组成放电电路。工作原理：通过单片机产生PWM信号对Q1、Q2进行控制实现充电器的恒流充电;单片机对Q3的控制，实现蓄电池的充电和充电停止，单片机对Q4的控制，实现蓄电池负脉冲的放电。
4、软件设计
软件以C语言进行编写，主要实现以下功能：
对蓄电池电压检测
充电电流检测
恒流控制
电池温度采集
根据采集的电压、充电电流作为特征，对充放电开关进行控制
程序流程图如图5所示。
图5 软件流程图
5、总结
以单片及为控制核心组成的正负脉冲充电器，是近年来电力电子智能化发展一个方向，本文 采用智能控制的方式实现充电电流的恒流控制，另一方也可以通过单片对大功率开关管的控制实现正负脉冲充电控制，在实际应用中可以实现蓄电池的快速充电，并且可以延长蓄电池的使用寿命。
参考资料：
1.ATME GA8中文数据手册
2.蓄电池充电技术张新德机械工业出版社
3.开关电源技术杨旭裴云庆王兆安机械工业出版社
