密封蓄電池與電動(dòng)自行車(chē)充電器設計

近年來(lái)，電動(dòng)自行車(chē)市場(chǎng)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(dòng)力系統是一切機動(dòng)車(chē)輛的核心，各種新型高效電動(dòng)機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(shí)踐表明，充電技術(shù)不能適應密封鉛酸蓄電池的特殊要求，嚴重影響了電池的壽命。國內通訊設備密封鉛酸蓄電池設計壽命一般為１２～１５年，但實(shí)際使用３～５年內即行報廢，造成巨大的經(jīng)濟損失。本文將討論密封鉛酸蓄電池的充電特性，并介紹一種電動(dòng)自行車(chē)智能充電器制作實(shí)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(gè)任務(wù)，首先是盡可能快地使電池恢復額定容量，另一是使用小電流充電，補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(guò)程中，鉛酸電池負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。當正負極板上的硫酸鉛完全生成鉛和二氧化鉛后，電池開(kāi)始發(fā)生過(guò)充電反應，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(shí)，氫氣和氧氣能夠重新化合為水。
過(guò)充電開(kāi)始的時(shí)間與充電的速率有關(guān)。當充電速率大于Ｃ／５時(shí)，電池容量恢復到額定容量的８０％以前，即開(kāi)始發(fā)生過(guò)充電反應。只有充電速率小于Ｃ／１００，才能使電池在容量恢復到１００％后，出現過(guò)充電反應。為了使電池容量恢復到１００％，必須允許一定的過(guò)充電反應。過(guò)充電反應發(fā)生后，單格電池的電壓迅速上升，達到一定數值后，上升速率減小，然后電池電壓開(kāi)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，充入的電流應能補充電池因自放電而失去的能量。浮充電壓不能過(guò)高，以免因嚴重的過(guò)充電而縮短電池壽命。采用適當的浮充電壓，密封鉛酸蓄電池的壽命可達１０年以上。實(shí)踐證明，實(shí)際的浮充電壓與規定的浮充電壓相差５％時(shí)，免維護蓄電池的壽命將縮短一半。
鉛酸電池的電壓具有負溫度系數，其單格值為－４ｍＶ／℃。在環(huán)境溫度為２５℃時(shí)工作很理想的普通（無(wú)溫度補償）充電器，當環(huán)境溫度降到０℃時(shí)，電池就不能充足電，當環(huán)境溫度上升到５０℃時(shí)，電池將因嚴重的過(guò)充電而縮短壽命。因此，為了保證在很寬的溫度范圍內，都能使電池剛好充足電，充電器的各種轉換電壓必須隨電池電壓的溫度系數而變。
常見(jiàn)的幾種充電模式為：１． 限流恒壓充電模式，其充電曲線(xiàn)和轉換電壓如圖１所示。２． 兩階段恒流充電模式，其充電曲線(xiàn)和轉換電壓如圖２所示。３． 恒流脈沖充電模式，其充電曲線(xiàn)和轉換電壓如圖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換，都分別受有溫度補償的轉換電壓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(kāi)發(fā)出多款具有上述功能的專(zhuān)用充電集成電路，如ＵＣ３９０６，ｂｑ２０３１等。
二、ＤＢ３６１６Ｃ電動(dòng)自行車(chē)的制作實(shí)例
目前國內市場(chǎng)上的電動(dòng)自行車(chē)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(jiǎn)化的恒流恒壓模式，充電曲線(xiàn)見(jiàn)圖４。此方案與圖１相比，由于省卻了補足充電階段（即Ｖｌｋ高電壓恒壓過(guò)充電階段），故電池的容量只能恢復到額定容量的８０％～９０％，同時(shí)，其充電轉換電壓也沒(méi)有溫度補償。在冬夏兩季易出現充電不足或過(guò)充電現象。再者，由于串聯(lián)電池組中各個(gè)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)。
本充電機實(shí)例采用圖３充電模式，原理圖見(jiàn)圖５。本機選用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通壓降器件，考慮到便攜性，本機采用小型化設計，內置自動(dòng)小型風(fēng)扇，整機體積為７５ｍｍ×１３０ｍｍ×５０ｍｍ。
ＩＣ和Ｑ１、Ｌ、Ｄ１等組成快速恒流充電系統。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為補償元件。剛開(kāi)始充電時(shí)，電池電壓較低，ＰＣ不導通（原理后述）。ＩＣ①腳被Ｒ３、Ｒ４拉到地電位，⑥腳輸出約１００ｋＨｚ脈沖，通過(guò)Ｒ８加到Ｑ１柵極，控制Ｑ１通斷。Ｑ１導通期間，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(shí)，電感Ｌ也存儲著(zhù)能量，充電電流呈線(xiàn)性增大，并在Ｒ６上產(chǎn)生檢測壓降，經(jīng)Ｒ５、Ｃ７傳遞到ＩＣ③腳。當③腳上的電壓達到１．１Ｖ時(shí)，⑥腳關(guān)閉脈沖，Ｑ１截止。此時(shí)電感Ｌ中的磁場(chǎng)能釋放，所產(chǎn)生的電流繼續向電池供電。Ｄ１為Ｌ提供續流通道。平均充電電流的大小由Ｒ６決定。電池充滿(mǎn)后，ＰＣ導通，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(shí)，⑥腳關(guān)閉輸出，充電器停止充電。
ＤＢＭ３６為３６Ｖ鉛酸電池組專(zhuān)用充電檢測與控制模塊，內部有兩種充電模式。ＤＢＭ３６的工作原理是，當電池電壓接入ＤＢＭ３６②端時(shí)，工作于恒流脈沖充電模式，即②腳電位小于４５Ｖ時(shí)，④腳輸出高電位，光耦ＰＣ不導通，ＩＣ組成的充電電路開(kāi)始工作，同時(shí)Ｑ２導通，風(fēng)扇ＦＳ得電工作。當電池電壓逐漸升高，②腳電位達到４５Ｖ時(shí)，觸發(fā)器ａ翻轉，④腳輸出低電平，光耦ＰＣ初級流過(guò)電流，次級導通，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(shí)風(fēng)扇停轉。隨后電池電壓逐漸下降，當電壓下降到４１．５Ｖ時(shí)，觸發(fā)器ａ復位，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。周而復始，充電的時(shí)間越來(lái)越短，電池電壓由４５Ｖ下降到４１．５Ｖ的自放電時(shí)間越來(lái)越長(cháng)，電量逐步恢復到１００％。此種狀態(tài)由充電指示燈ＬＥＤ充電時(shí)滅、停充時(shí)亮表現出來(lái)，而風(fēng)扇的工作狀態(tài)剛好與ＬＥＤ相反：充電時(shí)轉動(dòng)，停充時(shí)停轉。Ｒ９、Ｃ１０、ＤＺ２組成ＤＢＭ３６的供電電路。
當電池電壓接入③端時(shí)，ＤＢＭ３６工作于恒流恒壓充電模式，開(kāi)始時(shí)，充電器輸出１．６Ａ恒流連續對電池充電，當電池電壓上升到４５Ｖ時(shí)，ＤＢＭ３６③腳檢測基準電壓由４５Ｖ自動(dòng)切換到４１．５Ｖ并保持不變，通過(guò)光耦ＰＣ的反饋，充電器則由恒流充電轉換為恒壓浮充充電狀態(tài)。應當注意，如充電電流過(guò)大，使電池的溫度顯著(zhù)增加，那么自放電電流可能會(huì )超過(guò)充電電流，溫度的繼續升高，使Ｖｂｌｋ不斷下降，將出現嚴重的過(guò)充電反應，影響電池的壽命。
另外，當工作于恒流恒壓充電方式時(shí)，充電器應先接入電池，然后再接入２２０Ｖ市電。否則，充電器輸出的４５Ｖ電壓會(huì )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。