密封蓄電池與電動自行車充電器設(shè)計

近年來，電動自行車市場發(fā)展迅速，與其相關(guān)的配套產(chǎn)品和技術(shù)也在不斷發(fā)展。由于動力系統(tǒng)是一切機(jī)動車輛的核心，各種新型高效電動機(jī)和高能密封鉛酸蓄電池的研制與發(fā)展也得到了極大重視。然而實踐表明，充電技術(shù)不能適應(yīng)密封鉛酸蓄電池的特殊要求，嚴(yán)重影響了電池的壽命。國內(nèi)通訊設(shè)備密封鉛酸蓄電池設(shè)計壽命一般為１２～１５年，但實際使用３～５年內(nèi)即行報廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文將討論密封鉛酸蓄電池的充電特性，并介紹一種電動自行車智能充電器制作實例。
一、密封鉛酸蓄電池的充電特性
電池充電通常要完成兩個任務(wù)，首先是盡可能快地使電池恢復(fù)額定容量，另一是使用小電流充電，補(bǔ)充電池因自放電而損失的能量，以維持電池的額定容量。在充電過程中，鉛酸電池負(fù)極板上的硫酸鉛逐漸析出鉛，正極板上的硫酸鉛逐漸生成二氧化鉛。當(dāng)正負(fù)極板上的硫酸鉛完全生成鉛和二氧化鉛后，電池開始發(fā)生過充電反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和氧氣。這樣，在非密封電池中，電解液中的水將逐漸減少。在密封鉛酸蓄電池中，采用中等充電速率時，氫氣和氧氣能夠重新化合為水。
過充電開始的時間與充電的速率有關(guān)。當(dāng)充電速率大于Ｃ／５時，電池容量恢復(fù)到額定容量的８０％以前，即開始發(fā)生過充電反應(yīng)。只有充電速率小于Ｃ／１００，才能使電池在容量恢復(fù)到１００％后，出現(xiàn)過充電反應(yīng)。為了使電池容量恢復(fù)到１００％，必須允許一定的過充電反應(yīng)。過充電反應(yīng)發(fā)生后，單格電池的電壓迅速上升，達(dá)到一定數(shù)值后，上升速率減小，然后電池電壓開始緩慢下降。由此可知，電池充足電后，維持電容容量的最佳方法就是在電池組兩端加入恒定的電壓。浮充電壓下，充入的電流應(yīng)能補(bǔ)充電池因自放電而失去的能量。浮充電壓不能過高，以免因嚴(yán)重的過充電而縮短電池壽命。采用適當(dāng)?shù)母〕潆妷?，密封鉛酸蓄電池的壽命可達(dá)１０年以上。實踐證明，實際的浮充電壓與規(guī)定的浮充電壓相差５％時，免維護(hù)蓄電池的壽命將縮短一半。
鉛酸電池的電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，其單格值為－４ｍＶ／℃。在環(huán)境溫度為２５℃時工作很理想的普通（無溫度補(bǔ)償）充電器，當(dāng)環(huán)境溫度降到０℃時，電池就不能充足電，當(dāng)環(huán)境溫度上升到５０℃時，電池將因嚴(yán)重的過充電而縮短壽命。因此，為了保證在很寬的溫度范圍內(nèi)，都能使電池剛好充足電，充電器的各種轉(zhuǎn)換電壓必須隨電池電壓的溫度系數(shù)而變。
常見的幾種充電模式為：１． 限流恒壓充電模式，其充電曲線和轉(zhuǎn)換電壓如圖１所示。２． 兩階段恒流充電模式，其充電曲線和轉(zhuǎn)換電壓如圖２所示。３． 恒流脈沖充電模式，其充電曲線和轉(zhuǎn)換電壓如圖３所示。此三種充電模式均為業(yè)界推薦采用，其各階段充電電流間的轉(zhuǎn)換，都分別受有溫度補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)換電壓Ｖｍｉｎ（快充最低允許電壓）、Ｖｂｉｋ（快充終止電壓）和Ｖｆｌｔ（浮充電壓）控制。國外已開發(fā)出多款具有上述功能的專用充電集成電路，如ＵＣ３９０６，ｂｑ２０３１等。
二、ＤＢ３６１６Ｃ電動自行車的制作實例
目前國內(nèi)市場上的電動自行車大多采用３６Ｖ或２４Ｖ密封鉛酸蓄電池組，為了降低成本，與其相配套的充電器大多采用簡化的恒流恒壓模式，充電曲線見圖４。此方案與圖１相比，由于省卻了補(bǔ)足充電階段（即Ｖｌｋ高電壓恒壓過充電階段），故電池的容量只能恢復(fù)到額定容量的８０％～９０％，同時，其充電轉(zhuǎn)換電壓也沒有溫度補(bǔ)償。在冬夏兩季易出現(xiàn)充電不足或過充電現(xiàn)象。再者，由于串聯(lián)電池組中各個電池的自放電率亦不盡相同，如果采用恒定的浮充電壓，那么將影響單體電池的充電狀態(tài)。
本充電機(jī)實例采用圖３充電模式，原理圖見圖５。本機(jī)選用ＡＣ／ＤＣ諧振式高效變換器組件ＤＢＸ６００１，作為前級隔離降壓。此組件效率高達(dá)９２％以上。組件輸出的６０Ｖ直流電，由ｃ、ｄ端進(jìn)入后級充電電路。后級功率元件采用低導(dǎo)通壓降器件，考慮到便攜性，本機(jī)采用小型化設(shè)計，內(nèi)置自動小型風(fēng)扇，整機(jī)體積為７５ｍｍ×１３０ｍｍ×５０ｍｍ。
ＩＣ和Ｑ１、Ｌ、Ｄ１等組成快速恒流充電系統(tǒng)。ＩＣ采用ＳＧ３８４２，Ｒ１、ＤＺ１、Ｃ３、Ｃ４為ＩＣ的供電電路，Ｒ４、Ｃ６決定ＩＣ的振蕩頻率，Ｃ５、Ｒ３為補(bǔ)償元件。剛開始充電時，電池電壓較低，ＰＣ不導(dǎo)通（原理后述）。ＩＣ①腳被Ｒ３、Ｒ４拉到地電位，⑥腳輸出約１００ｋＨｚ脈沖，通過Ｒ８加到Ｑ１柵極，控制Ｑ１通斷。Ｑ１導(dǎo)通期間，ＤＢＸ６００１③腳輸出的充電電流，經(jīng)儲能電感Ｌ、外接電池Ｅ、Ｑ１、Ｒ６到④腳。在給電池充電的同時，電感Ｌ也存儲著能量，充電電流呈線性增大，并在Ｒ６上產(chǎn)生檢測壓降，經(jīng)Ｒ５、Ｃ７傳遞到ＩＣ③腳。當(dāng)③腳上的電壓達(dá)到１．１Ｖ時，⑥腳關(guān)閉脈沖，Ｑ１截止。此時電感Ｌ中的磁場能釋放，所產(chǎn)生的電流繼續(xù)向電池供電。Ｄ１為Ｌ提供續(xù)流通道。平均充電電流的大小由Ｒ６決定。電池充滿后，ＰＣ導(dǎo)通，⑧腳輸出的５Ｖ電壓經(jīng)ＰＣ加到Ｒ２上，①腳的電位高于２．５Ｖ時，⑥腳關(guān)閉輸出，充電器停止充電。
ＤＢＭ３６為３６Ｖ鉛酸電池組專用充電檢測與控制模塊，內(nèi)部有兩種充電模式。ＤＢＭ３６的工作原理是，當(dāng)電池電壓接入ＤＢＭ３６②端時，工作于恒流脈沖充電模式，即②腳電位小于４５Ｖ時，④腳輸出高電位，光耦ＰＣ不導(dǎo)通，ＩＣ組成的充電電路開始工作，同時Ｑ２導(dǎo)通，風(fēng)扇ＦＳ得電工作。當(dāng)電池電壓逐漸升高，②腳電位達(dá)到４５Ｖ時，觸發(fā)器ａ翻轉(zhuǎn)，④腳輸出低電平，光耦ＰＣ初級流過電流，次級導(dǎo)通，ＩＣ①腳高于２．５Ｖ，⑥腳停止輸出脈沖，Ｑ２截止，充電器停止充電。同時風(fēng)扇停轉(zhuǎn)。隨后電池電壓逐漸下降，當(dāng)電壓下降到４１．５Ｖ時，觸發(fā)器ａ復(fù)位，④腳輸出高電平，光耦ＰＣ截止，解除對ＩＣ的封鎖，充電器重新輸出電流。周而復(fù)始，充電的時間越來越短，電池電壓由４５Ｖ下降到４１．５Ｖ的自放電時間越來越長，電量逐步恢復(fù)到１００％。此種狀態(tài)由充電指示燈ＬＥＤ充電時滅、停充時亮表現(xiàn)出來，而風(fēng)扇的工作狀態(tài)剛好與ＬＥＤ相反：充電時轉(zhuǎn)動，停充時停轉(zhuǎn)。Ｒ９、Ｃ１０、ＤＺ２組成ＤＢＭ３６的供電電路。
當(dāng)電池電壓接入③端時，ＤＢＭ３６工作于恒流恒壓充電模式，開始時，充電器輸出１．６Ａ恒流連續(xù)對電池充電，當(dāng)電池電壓上升到４５Ｖ時，ＤＢＭ３６③腳檢測基準(zhǔn)電壓由４５Ｖ自動切換到４１．５Ｖ并保持不變，通過光耦ＰＣ的反饋，充電器則由恒流充電轉(zhuǎn)換為恒壓浮充充電狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)注意，如充電電流過大，使電池的溫度顯著增加，那么自放電電流可能會超過充電電流，溫度的繼續(xù)升高，使Ｖｂｌｋ不斷下降，將出現(xiàn)嚴(yán)重的過充電反應(yīng)，影響電池的壽命。
另外，當(dāng)工作于恒流恒壓充電方式時，充電器應(yīng)先接入電池，然后再接入２２０Ｖ市電。否則，充電器輸出的４５Ｖ電壓會使ＤＢＭ３６誤判，而直接切換到４１．５Ｖ恒壓浮充狀態(tài)，造成電池充電不足。用于對２４Ｖ蓄電池組的充電測控，需用ＤＢＭ２４模塊。