电动车充电器的设计

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电动自行车充电器的制作实例

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41.5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｡