2002年,第11期,類別:電子產品與器件

????近年來，電動自行車市場發展迅速，與其相關的配套產品和技術也在不斷發展。由于動力系統是一切機動車輛的核心，各種新型高效電動機和高能密封鉛酸蓄電池的研制與發展也得到了極大重視。然而實踐表明，充電技術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，但實際使用３～５年內即行報廢，造成巨大的經濟損失。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，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，電池開始發生過充電反應，產生氫氣和氧氣。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。當充電速率大于Ｃ／５時，電池容量恢復到額定容量的８０％以前，即開始發生過充電反應。只有充電速率小于Ｃ／１００，才能使電池在容量恢復到１００％后，出現過充電反應。為了使電池容量恢復到１００％，必須允許一定的過充電反應。過充電反應發生后，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。浮充電壓不能過高，以免因嚴重的過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。實踐證明，實際的浮充電壓與規定的浮充電壓相差５％時，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／℃。在環境溫度為２５℃時工作很理想的普通（無溫度補償）充電器，當環境溫度降到０℃時，電池就不能充足電，當環境溫度上升到５０℃時，電池將因嚴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，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。
????常見的幾種充電模式為：１． 限流恒壓充電模式，其充電曲線和轉換電壓如圖１所示。２． 兩階段恒流充電模式，其充電曲線和轉換電壓如圖２所示。３． 恒流脈沖充電模式，其充電曲線和轉換電壓如圖３所示。此三種充電模式均為業界推薦采用，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。國外已開發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到額定容量的８０％～９０％，同時，其充電轉換電壓也沒有溫度補償。在冬夏兩季易出現充電不足或過充電現象。再者，由于串聯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。
????本充電機實例采用圖３充電模式，原理圖見圖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，內置自動小型風扇，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。剛開始充電時，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上產生檢測壓降，經Ｒ５、Ｃ７傳遞到ＩＣ③腳。當③腳上的電壓達到１．１Ｖ時，⑥腳關閉脈沖，Ｑ１截止。此時電感Ｌ中的磁場能釋放，所產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。電池充滿后，ＰＣ導通，⑧腳輸出的５Ｖ電壓經ＰＣ加到Ｒ２上，①腳的電位高于２．５Ｖ時，⑥腳關閉輸出，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，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不導通，ＩＣ組成的充電電路開始工作，同時Ｑ２導通，風扇ＦＳ得電工作。當電池電壓逐漸升高，②腳電位達到４５Ｖ時，觸發器ａ翻轉，④腳輸出低電平，光耦ＰＣ初級流過電流，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。同時風扇停轉。隨后電池電壓逐漸下降，當電壓下降到４１．５Ｖ時，觸發器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，電量逐步恢復到１００％。此種狀態由充電指示燈ＬＥＤ充電時滅、停充時亮表現出來，而風扇的工作狀態剛好與ＬＥＤ相反：充電時轉動，停充時停轉。Ｒ９、Ｃ１０、ＤＺ２組成ＤＢＭ３６的供電電路。
????當電池電壓接入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恒流連續對電池充電，當電池電壓上升到４５Ｖ時，ＤＢＭ３６③腳檢測基準電壓由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換為恒壓浮充充電狀態。應當注意，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，溫度的繼續升高，使Ｖｂｌｋ不斷下降，將出現嚴重的過充電反應，影響電池的壽命。
???另外，當工作于恒流恒壓充電方式時，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電壓會使ＤＢＭ３６誤判，而直接切換到４１．５Ｖ恒壓浮充狀態，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。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　??????????廣州??瞿東波