密封蓄电池与电动自行车充电器设计

2002年,第11期,类别:电子产品与器件

    近年来，电动自行车市场发展迅速，与其相关的配套产品和技术也在不断发展。由于动力系统是一切机动车辆的核心，各种新型高效电动机和高能密封铅酸蓄电池的研制与发展也得到了极大重视。然而实践表明，充电技术不能适应密封铅酸蓄电池的特殊要求，严重影响了电池的寿命。国内通讯设备密封铅酸蓄电池设计寿命一般为１２～１５年，但实际使用３～５年内即行报废，造成巨大的经济损失。本文将讨论密封铅酸蓄电池的充电特性，并介绍一种电动自行车智能充电器制作实例。
    一、密封铅酸蓄电池的充电特性
    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，另一是使用小电流充电，补充电池因自放电而损失的能量，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析出铅，正极板上的硫酸铅逐渐生成二氧化铅。当正负极板上的硫酸铅完全生成铅和二氧化铅后，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。
    过充电开始的时间与充电的速率有关。当充电速率大于Ｃ／５时，电池容量恢复到额定容量的８０％以前，即开始发生过充电反应。只有充电速率小于Ｃ／１００，才能使电池在容量恢复到１００％后，出现过充电反应。为了使电池容量恢复到１００％，必须允许一定的过充电反应。过充电反应发生后，单格电池的电压迅速上升，达到一定数值后，上升速率减小，然后电池电压开始缓慢下降。由此可知，电池充足电后，维持电容容量的最佳方法就是在电池组两端加入恒定的电压。浮充电压下，充入的电流应能补充电池因自放电而失去的能量。浮充电压不能过高，以免因严重的过充电而缩短电池寿命。采用适当的浮充电压，密封铅酸蓄电池的寿命可达１０年以上。实践证明，实际的浮充电压与规定的浮充电压相差５％时，免维护蓄电池的寿命将缩短一半。
    铅酸电池的电压具有负温度系数，其单格值为－４ｍＶ／℃。在环境温度为２５℃时工作很理想的普通（无温度补偿）充电器，当环境温度降到０℃时，电池就不能充足电，当环境温度上升到５０℃时，电池将因严重的过充电而缩短寿命。因此，为了保证在很宽的温度范围内，都能使电池刚好充足电，充电器的各种转换电压必须随电池电压的温度系数而变。
    常见的几种充电模式为：１． 限流恒压充电模式，其充电曲线和转换电压如图１所示。２． 两阶段恒流充电模式，其充电曲线和转换电压如图２所示。３． 恒流脉冲充电模式，其充电曲线和转换电压如图３所示。此三种充电模式均为业界推荐采用，其各阶段充电电流间的转换，都分别受有温度补偿的转换电压Ｖｍｉｎ（快充最低允许电压）、Ｖｂｉｋ（快充终止电压）和Ｖｆｌｔ（浮充电压）控制。国外已开发出多款具有上述功能的专用充电集成电路，如ＵＣ３９０６，ｂｑ２０３１等。
    二、ＤＢ３６１６Ｃ电动自行车的制作实例
    目前国内市场上的电动自行车大多采用３６Ｖ或２４Ｖ密封铅酸蓄电池组，为了降低成本，与其相配套的充电器大多采用简化的恒流恒压模式，充电曲线见图４。此方案与图１相比，由于省却了补足充电阶段（即Ｖｌｋ高电压恒压过充电阶段），故电池的容量只能恢复到额定容量的８０％～９０％，同时，其充电转换电压也没有温度补偿。在冬夏两季易出现充电不足或过充电现象。再者，由于串联电池组中各个电池的自放电率亦不尽相同，如果采用恒定的浮充电压，那么将影响单体电池的充电状态。
    本充电机实例采用图３充电模式，原理图见图５。本机选用ＡＣ／ＤＣ谐振式高效变换器组件ＤＢＸ６００１，作为前级隔离降压。此组件效率高达９２％以上。组件输出的６０Ｖ直流电，由ｃ、ｄ端进入后级充电电路。后级功率元件采用低导通压降器件，考虑到便携性，本机采用小型化设计，内置自动小型风扇，整机体积为７５ｍｍ×１３０ｍｍ×５０ｍｍ。
    ＩＣ和Ｑ１、Ｌ、Ｄ１等组成快速恒流充电系统。ＩＣ采用ＳＧ３８４２，Ｒ１、ＤＺ１、Ｃ３、Ｃ４为ＩＣ的供电电路，Ｒ４、Ｃ６决定ＩＣ的振荡频率，Ｃ５、Ｒ３为补偿元件。刚开始充电时，电池电压较低，ＰＣ不导通（原理后述）。ＩＣ①脚被Ｒ３、Ｒ４拉到地电位，⑥脚输出约１００ｋＨｚ脉冲，通过Ｒ８加到Ｑ１栅极，控制Ｑ１通断。Ｑ１导通期间，ＤＢＸ６００１③脚输出的充电电流，经储能电感Ｌ、外接电池Ｅ、Ｑ１、Ｒ６到④脚。在给电池充电的同时，电感Ｌ也存储着能量，充电电流呈线性增大，并在Ｒ６上产生检测压降，经Ｒ５、Ｃ７传递到ＩＣ③脚。当③脚上的电压达到１．１Ｖ时，⑥脚关闭脉冲，Ｑ１截止。此时电感Ｌ中的磁场能释放，所产生的电流继续向电池供电。Ｄ１为Ｌ提供续流通道。平均充电电流的大小由Ｒ６决定。电池充满后，ＰＣ导通，⑧脚输出的５Ｖ电压经ＰＣ加到Ｒ２上，①脚的电位高于２．５Ｖ时，⑥脚关闭输出，充电器停止充电。
    ＤＢＭ３６为３６Ｖ铅酸电池组专用充电检测与控制模块，内部有两种充电模式。ＤＢＭ３６的工作原理是，当电池电压接入ＤＢＭ３６②端时，工作于恒流脉冲充电模式，即②脚电位小于４５Ｖ时，④脚输出高电位，光耦ＰＣ不导通，ＩＣ组成的充电电路开始工作，同时Ｑ２导通，风扇ＦＳ得电工作。当电池电压逐渐升高，②脚电位达到４５Ｖ时，触发器ａ翻转，④脚输出低电平，光耦ＰＣ初级流过电流，次级导通，ＩＣ①脚高于２．５Ｖ，⑥脚停止输出脉冲，Ｑ２截止，充电器停止充电。同时风扇停转。随后电池电压逐渐下降，当电压下降到４１．５Ｖ时，触发器ａ复位，④脚输出高电平，光耦ＰＣ截止，解除对ＩＣ的封锁，充电器重新输出电流。周而复始，充电的时间越来越短，电池电压由４５Ｖ下降到４１．５Ｖ的自放电时间越来越长，电量逐步恢复到１００％。此种状态由充电指示灯ＬＥＤ充电时灭、停充时亮表现出来，而风扇的工作状态刚好与ＬＥＤ相反：充电时转动，停充时停转。Ｒ９、Ｃ１０、ＤＺ２组成ＤＢＭ３６的供电电路。
    当电池电压接入③端时，ＤＢＭ３６工作于恒流恒压充电模式，开始时，充电器输出１．６Ａ恒流连续对电池充电，当电池电压上升到４５Ｖ时，ＤＢＭ３６③脚检测基准电压由４５Ｖ自动切换到４１．５Ｖ并保持不变，通过光耦ＰＣ的反馈，充电器则由恒流充电转换为恒压浮充充电状态。应当注意，如充电电流过大，使电池的温度显著增加，那么自放电电流可能会超过充电电流，温度的继续升高，使Ｖｂｌｋ不断下降，将出现严重的过充电反应，影响电池的寿命。
   另外，当工作于恒流恒压充电方式时，充电器应先接入电池，然后再接入２２０Ｖ市电。否则，充电器输出的４５Ｖ电压会使ＤＢＭ３６误判，而直接切换到４１．５Ｖ恒压浮充状态，造成电池充电不足。用于对２４Ｖ蓄电池组的充电测控，需用ＤＢＭ２４模块。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　         ?广州  瞿东波