基于快速脉冲充电电路的仿真研究

【摘要】本文基于快速脉冲充电电路的仿真研究，阐述了以CC4017十进制计数器和555多谐振荡器组成的脉冲式快速充电电路工作时的基本工作状态和基本工作参数。当对电路进行仿真时，改变电路中元件参数，会改变电池充电效率，由仿真结果可以分析出快速脉冲充电的最优工作状态，以及电路工作的可靠性，以便延长电池的使用寿命和提高维护效率。

【关键词】CC4017十进制计数器;555多谐振荡器;电路仿真

Abstract：In this paper，simulation of fast pulse charging circuit based on multiple resonators，describes the basic working state of pulse type fast charging circuit in operation and the basic working parameters based on CC4017 decimal counter and 555 multivibrator.When carries on the simulation of the circuit，change the component parameters in the circuit，will change the battery charging efficiency，the simulation results showed the optimal working state of fast pulse charging，and the reliability of the circuit，so as to extend the service life of the battery and improve the efficiency of maintenance.

Keywords： CC4017 decimal counter;555 multivibrator;Circuit simulation

铅酸蓄电池因其供电可靠、价格低廉等优点，被广泛应用于生产、生活多个领域，但电池的极化现象严重影响了电池性能及其使用寿命。通过分析蓄电池极化的产生机理，设计出由555多谐振荡器和CC4017十进制计数器组成的脉冲式快速充电电路。本文的仿真研究就是对这种新型的快速脉冲式充电电路进行仿真，分析仿真结果以解决蓄电池充电时的最佳工作状态，能够在短时间内使蓄电池充好电，并延长蓄电池[1]使用寿命和提高利用效率。

这里所引用的铅酸蓄电池快速充电[2]电路以马斯三定律为理论基础，一方面加快了蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，提高了充电速度;另一方面保证了蓄电池负极能及时的吸收正极所产生的氧气，避免了电池的极化现象。较好地实现了铅酸蓄电池的快速充电与去除极化，延长了电池的使用寿命。

电路图如图1[3]所示，由NE555多谐振荡器脚3输出的脉冲送到CC4017十进制计数器的脚14信号接收端，然后CC4017的十个输出端轮流输出高电平。当脚1-5输出高电平时，Q1导通，然后Q3也导通，直流电压通过Q3与R5对电池进行大电流充电。当脚6-7输出高电平时，Q1与Q3因没有驱动电平而截止。在此期间通过电压比较电路，测量电池两端的电压，判断电池是否充满。当脚8-9输出高电平时使Q2导通，电池通过电阻R6进行放电。当脚10与脚11输出高电平时，Q2截止。如此反复循环。其中，R5为充电电阻，电阻值为10Ω。

图1 电路图

图1中蓄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，将恢复或提高蓄电池的充电接受率，从而增大了充电电流，加快了充电速率，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，这就是脉冲快速充电的基本方法。所以以上述快速脉冲充电[4]电路为例，运用Matlab[5]进行电路仿真，根据理想充电曲线，通过调节其充电电阻R5的阻值，实时调节充电电流，观察对电池充电的影响。

图2 当R5=5Ω时，仿真波形

图3 当R5=10Ω，仿真波形

图4 当R5=20Ω时，仿真波形

当R5=5Ω时，仿真波形如图2所示;当R5=10Ω，仿真波形如图3;当R5=20Ω时，仿真波形如图4所示。其中u1为555多谐振荡器电压输出波形，u2为CC4017十进制计数器电压输出波形，u3为蓄电池的电压波形。

由仿真结果之间的比较可以观察出，当充电电阻减小时，充电初始电流过大，因而要降压，到了充电后期则因电压过低导致充电不足，长期欠充会使极板严重硫酸盐化;当充电电阻增大时，蓄电池充电曲线呈指数变化，充电电流在充电初期小于蓄电池可接受最大电流，延长了充电周期，后期则超过蓄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;只有当充电电流最接近蓄电池可接受最大电流时，提高电池充电电流的接受率，加快充电速率，提高电能的有效利用率，延长电池的使用寿命。

本文对555多谐振荡器和CC4017十进制计数器组成的快速脉冲充电电路进行仿真研究，为实际起到了有意义的结论。本次仿真研究展示了快速脉冲充电的阶段性过程，说明了快速脉冲充电的基本工作原理和工作时充电电阻的基本参数。仿真结果表明理论上充电起始电流应尽接近蓄电池可大接受最大电流时，才能减少能量的损耗，使电能更有效地转化为化学能并存储起来，提高充电效率和蓄电池的充电接受能力，从而大大提高充电速度，缩短充电时间，为实际中的工艺流程提供了理论依据。

参考文献

[1]赵光明.蓄电池快速充电方法研究[J].通信电源技术，2012，29（4）：128-130.

[2]汤秀芬，米晨，魏凤兰.VRLA蓄电池用慢脉冲快速充电器的设计[J].电源技术，2008，32（1）：56-58.

[3]马丽丽，闫志伟，贺超兴，宋美男，霍超.一种新型快速脉冲充电电路的设计[J].现代医疗与仪器，2013，19（6）：10-13.

[4]刘玉杰，姜印平，孟祥适.关于快速脉冲充电技术的研究[J].蓄电池，2004，2：71-72.

[5]沈艳霞，周萍，等.Matlab 在电力电子学中仿真的应用[J].无锡大学轻工学报，2001，20（1）92-94.