電動(dòng)自行車(chē)用鉛酸蓄電池SOC顯示電路設計

　　肖青，周秀珍

　?。ㄩL(cháng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430200）

　　摘要：鉛酸蓄電池作為目前電動(dòng)自行車(chē)動(dòng)力源，其充電過(guò)程中析氫現象是發(fā)生爆炸的原因之一。經(jīng)研究表明：鉛酸蓄電池充電過(guò)程中，其容量達到80%以上才發(fā)生析氫現象，可見(jiàn)監控蓄電池容量是必要的。本文基于鉛酸蓄電池開(kāi)路電壓SOC估算法，以12V 2AH鉛酸蓄電池作為研究對象，設計電動(dòng)自行車(chē)用鉛酸蓄電池SOC顯示電路，最終驗證了其可行性。

　　關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車(chē)；12 V 2 AH 鉛酸蓄電池，SOC顯示電路

　　基金項目：湖北省教育廳科研計劃一般項目（B2017565）

　　0 引言

　　鉛酸蓄電池是目前電動(dòng)自行車(chē)的動(dòng)力源之一，其性能的好壞直接影響電動(dòng)自行車(chē)本身的性能。有實(shí)驗證明鉛酸蓄電池在過(guò)充電的情況下，不會(huì )因為蓄電池內部溫度升高導致起火或者電池內部壓強較高而發(fā)生爆炸。但是充電過(guò)程中隨著(zhù)蓄電池容量達到80%時(shí)，電解液中的水將被電解，氫氣會(huì )釋放出來(lái)。一旦氫氣的濃度達到4%~74.2%，遇到明火則極易發(fā)生爆炸?？梢?jiàn)監測鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài)（SOC , State of Charge），對電動(dòng)自行車(chē)安全充電技術(shù)是必要的。

　　1 鉛酸電池析氫原理

　　目前電動(dòng)自行車(chē)用鉛酸蓄電池多為閥控式鉛酸蓄電池，該類(lèi)電池在充電過(guò)程中產(chǎn)生的氣體將通過(guò)氧循環(huán)反應轉化為水，故不需要向電解液加入消耗的水。氧循環(huán)原理如式（1）、（2）、（3），在正極板，水電解產(chǎn)生氧氣。通過(guò)擴散作用，氧氣透過(guò)間歇和負極板的鉛結合轉化為氧化鉛，而氧化鉛將和電解液中的硫酸生成硫酸鉛和水。氧氣由產(chǎn)生到復合，達到較好的密封效果。

　　H 2 O→1/2O 2 +2H + +2e - （1）

　　Pb+1/2O 2 →Pbo （2）

　　PbO+H 2 SO 4 →PbSO 4 +H 2 O （3）

　　2 鉛酸蓄電池特性曲線(xiàn)

　　本課題選用6-FMD-12.0(12 V 2.0 Ah)蓄電池，數據手冊可知：環(huán)境溫度25 ℃時(shí)，若待機使用，最大充電電壓為2.275±0.025 V/單體；若循環(huán)使用，最大充電電壓為2.45±0.05 V/單體。電池內阻63.7 mΩ,最大初始充電電流為3.6 A。

　　圖1為不同溫度時(shí)，蓄電池開(kāi)路電壓與SOC關(guān)系。C為蓄電池額定容量2 AH。測量方法為：（1）對蓄電池進(jìn)行放電，使其容量為0；（2）從零開(kāi)始對蓄電池充電，使其容量為額定容量；（3）靜置24小時(shí)；（4）以0.05C電流對蓄電池進(jìn)行放電2小時(shí), 靜置10分鐘后測量開(kāi)路電壓；（5）重復第3、4步，直至荷電量為0。

　　表1為不同溫度時(shí)6FMD-12V 2AH 鉛酸蓄電池開(kāi)路電壓OCV-荷電量SOC關(guān)系

　　3 鉛酸蓄電池SOC估算方法

　　影響蓄電池SOC估算的因素較多：環(huán)境溫度、充放電電流、電解液濃度等。目前常用的估算方法有：開(kāi)路電壓法、內阻法、卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法。開(kāi)路電壓法需要電池長(cháng)時(shí)間靜置而無(wú)法在線(xiàn)估算，內阻法要求為蓄電池注入交流信號，通過(guò)測量其產(chǎn)生的響應計算電池內阻 ^[1] ，且SOC與電池內阻關(guān)系復雜，很難建立精確的模型?？柭鼮V波法對電池模型的要求較高，是一種估計值逼近真實(shí)值的方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法屬于智能算法，需要大量的訓練數據。

　　3.1 蓄電池SOC與開(kāi)路電壓關(guān)系

　　在蓄電池充放電過(guò)程中其開(kāi)路電壓不能直接測量，但開(kāi)路電壓法中鉛酸蓄電池開(kāi)路電壓與SOC滿(mǎn)足線(xiàn)性關(guān)系 ^[2] 即：

　　U OC =U 0 -K E (273+t)(1-SOC) （4）

　　其中U OC 為鉛酸蓄電池開(kāi)路電壓，U O 為鉛酸蓄電池初始開(kāi)路電壓，K E 是個(gè)常數，單位為V/℃，t為蓄電池內部工作溫度。通過(guò)一定的實(shí)驗條件，可獲得在SOC范圍為0.2至0.8有如下公式 ^[3] ：

　　U OC =1.27×SOC+11.61 （5）

　　3.2 蓄電池開(kāi)路電壓與端電壓關(guān)系

　　為確定端電壓于蓄電池SOC關(guān)系，需要借助蓄電池模型。本設計選用蓄電池理想模型，如圖2所示，該模型由等效串聯(lián)內阻R和開(kāi)路電壓V dc 組成，其中V 0 為蓄電池端電壓，I為充電電流，內阻為R?？紤]到蓄電

池內容R=63.7 mΩ和 充 電 電 流 較小，將內阻的作用忽略，結合式（5）（6）可得鉛酸蓄電池的端電壓與SOC關(guān)系為：

　　V O =1.27×SOC+11.61 （6）

　　4 鉛酸蓄電池SOC顯示電路設計

　　一般電動(dòng)自行車(chē)充電電路中主電路采用單端反激式設計，控制電路采用電流型UC3842為核心，配合LM324、光耦和TL431來(lái)實(shí)現蓄電池的充電控制。其蓄電池的狀態(tài)指示為：紅燈顯示充電過(guò)程，綠燈顯示充電完成 ^[5] 。為了更好顯示蓄電池的荷電狀態(tài)，本次電路設計考慮到顯示蓄電池SOC為25%、50%、75%和100%。當蓄電池SOC低于75%，建議用戶(hù)充電；而蓄電池SOC接近25%，屬于蓄電池深度放電狀態(tài)，長(cháng)期出于此狀態(tài)將影響蓄電池的使用壽命。蓄電池SOC接近100%，為安全充電避免嚴重析氫，可設計相應電路切斷蓄電池的充電主回路。

　　LM339 內部有四路集成比較器，且每個(gè)比較器包含兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端分別為同相輸入端( 即 為“ + ”) 、 反 相 輸 入 端 ( 即 為“－ ”) 。當參考電壓信號接同相輸入端“ + ”，待比較的信號接反相輸入端“－ ”，兩個(gè)電壓信號進(jìn)行比較時(shí)，若比較的信號高于參考電壓信號，則輸出飽和，輸出端為低電平; 若比較的信號低于參考電壓信號，則輸出截至，輸出端為高電平。LM339的兩個(gè)輸入端電壓差超過(guò) 10mV時(shí)，即可改變輸出狀態(tài)。因此，用于弱信號檢測的場(chǎng)合是比較理想的 ^[6] 。

　　圖3為電動(dòng)自行車(chē)蓄電池荷電狀態(tài)顯示電路設計，蓄電池SOC為25%、50%、75%和100%的四種狀態(tài)的參考電壓分別為U 5 、U 4 、U 3 、U 2 。蓄電池端電壓經(jīng)分壓電阻R 11 、R 12 可獲得LM339的參考電壓U 1 。四路LM339比較器分別命名為L(cháng)M339A、LM339B、LM339C、LM339D。當U 5 >U 1 時(shí)，LM339D輸出低電平，則發(fā)光二極管D 4 點(diǎn)亮，顯示蓄電池荷電狀態(tài)為25%；當U 4 > U1 時(shí)，LM339C輸出低電平，則發(fā)光二極管D 3 點(diǎn)亮，顯示蓄電池荷電狀態(tài)為50%；當U 3 >U 1 時(shí)，LM339B輸出低電平，則發(fā)光二極管D 2 點(diǎn)亮，顯示蓄電池荷電狀態(tài)為75%；當U 2 >U 1 時(shí)，LM339A輸出低電平，則發(fā)光二極管D 1 點(diǎn)亮，顯示蓄電池荷電狀態(tài)為100%。

　　電阻R 2 、R 3 、R 4 、R 5 的阻值計算過(guò)程如下：

　　當SOC=0.25時(shí)，U 1 =1.18 V，LED D 4 亮，；當SOC=0.5時(shí),U 1 =1.21 V， LED D 3 和LED D 4 亮，；當SOC=0.75時(shí),，LED D 2 、 LED D 3 和LED D 4 亮；當SOC=1時(shí),U 1 =1.275 V，LED D 1 、LED D 2 、 LED D 3 和LED D 4 亮。若取 R 1 =R 3 =R 5 =R 15 =1000 K則利用電阻分壓有R 15 =308 Ω R 6 =315 R 4 =329 Ω R 2 =342 Ω。

　　5 實(shí)驗

　　結果搭建由四電壓比較器LM339 N芯片構成的蓄電池荷電狀態(tài)顯示電路，其中蓄電池電壓U 0直接接入5 V。將R12 3.3 K電阻替換為10 k可調電阻，R 15 、R 6 、R 4 、R 2 也分別為1 K可調電阻，利用串聯(lián)電阻分壓關(guān)系，當基準電壓U 5 、U 4 、U 3 、U 2 分別為1.18 V、1.21 V、1.24 V和1.275V時(shí)，測量出R 15 =482 Ω、R 6 =312 Ω、R 4 =320Ω、R 2 =337 Ω。調節10 K電阻，可模擬SOC為25 %、50 %、75 %和100 %的情況。當電壓U 1高于1.18V時(shí)，LED4點(diǎn)亮；

　　當電壓U 1 高于1.21 V時(shí)，LED3、LED4點(diǎn)亮；當電壓U 1 高于1.24 V時(shí)，LED2、LED3、LED4點(diǎn)亮；當電壓U 1 高于1.275V時(shí)，LED1、LED2、LED3、LED4、點(diǎn)亮。

　　6 結論

　　本系統基于現有電動(dòng)自行車(chē)充電器結構和分析鉛酸蓄電池充電析氫原理、蓄電池荷電量估算方法等，設計出能顯示蓄電池荷電狀態(tài)的電路。該電路能夠顯示蓄電池SOC為25 %、50 %、75 %和100 %，提示用戶(hù)在充電前了解蓄電池的狀態(tài)，對于電動(dòng)自行車(chē)安全充電有一定意義。后續將繼續設計蓄電池SOC為100 %時(shí)，如何自動(dòng)切斷蓄電池充電電路。

　　參考文獻

　　[1] 王超.鉛酸蓄電池充放電監測控制系統[D] 杭州電子科技大學(xué)2017.6：14.

　　[2] MASSIMO C. New dynamical models of lead-acid batteries[J]. IEEE Transactions on PowerSystems, 2000,15(4):1184-1190.

　　[3] 王躍飛，方海濤等.汽車(chē)鉛酸蓄電池SOC的實(shí)時(shí)估計方法[J].設計.研究，2015（5）：17-18.

　　[4] 曹永紅，電動(dòng)自行車(chē)智能充電器設計[D].河北科技大學(xué)，2014（12）：5-8.

　　[5] 張波，一種36V電動(dòng)自行車(chē)充電器的設計[J]. 電子與封裝，2011（5）：38-39.

　　[6] 鞏銀苗，魯西坤等. 基于LM339電壓比較器的交流過(guò)零監測電路設計[J].煤礦機電，2018（5）：33-36.

　　作者簡(jiǎn)介

　　肖青（1984-），女，湖北隨州人，講師，主要研究方向：電氣自動(dòng)化技術(shù)教學(xué)工作。

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第6期第38頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處