電動(dòng)車用48V （20A·h）蓄電池充電器的研究

根據(jù)鉛酸蓄電池的特點(diǎn)，將其充電過程分為4個(gè)階段：涓流短時(shí)充電、恒流快速充電、恒壓均衡充電、浮充電。其中第一階段和第二階段均為恒流充電，采取這種策略是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)研究證明多段恒流充電有利于充入更多的電量且可以減少對(duì)蓄電池的損傷、延長(zhǎng)使用壽命。充電過程中各個(gè)階段充電電壓、充電電流隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。

圖4 充電流程曲線。

(1)涓流短時(shí)充電( T0 - T1 )

蓄電池在充電初期可能已處于深度放電狀態(tài)(或可能已經(jīng)處于受損的狀態(tài)) ,為避免對(duì)蓄電池充電電流過大造成"熱失控", P IC16C712單片機(jī)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓，對(duì)蓄電池進(jìn)行穩(wěn)定的小電流涓流充電，這樣有利于激活蓄電池內(nèi)的反應(yīng)物質(zhì)，部分恢復(fù)受損的蓄電池單元。在涓流充電階段，蓄電池電壓開始緩慢上升，當(dāng)蓄電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時(shí)則轉(zhuǎn)入恒流快速充電階段。

(2)恒流快速充電( T1 - T2 )

該階段充電電流保持恒定，蓄電池電壓上升較快，當(dāng)電壓上升至均衡充電壓閾值時(shí)，則轉(zhuǎn)入恒壓均衡充電階段。

(3)恒壓均衡充電( T2 - T3 )

該階段充電電壓保持恒定，蓄電池容量快速恢復(fù)。充電電流逐漸減小，當(dāng)電流下降至某一閾值時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入浮充電階段。

(4)浮充電( T3 - )

該階段主要用來補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量，此時(shí)標(biāo)志著充電過程結(jié)束。

2. 2 關(guān)鍵技術(shù)

2. 2. 1 恒流充電電流的選擇

充電過程中包含兩個(gè)恒流充電過程：涓流短時(shí)充電和恒流快速充電。

涓流短時(shí)充電電流的選擇應(yīng)該根據(jù)蓄電池的剩余電量進(jìn)行選擇。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，對(duì)于放電深度為80% ~100%的蓄電池，充電電流定在0. 2~0. 4A比較合適。

恒流快速充電電流的選擇要綜合考慮蓄電池容量、內(nèi)阻、對(duì)充電時(shí)間的要求、制造成本等多方面因素。按照應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，普遍認(rèn)為，該充電電流設(shè)置為0. 15~0. 3 C對(duì)蓄電池比較合適。電動(dòng)自行車用48V (20A·h)鉛酸蓄電池時(shí)采用的是20℃標(biāo)稱，但是實(shí)際容量往往只能達(dá)到15~17A·h.因此，依據(jù)該經(jīng)驗(yàn)看法，充電電流應(yīng)大致定在2. 25~5. 1 A之間，平均為3. 675A.有設(shè)計(jì)者認(rèn)為減小充電電流具有3個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)： (1)可以使單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量降低，有利于在蓄電池的使用壽命末期和夏季保證充電質(zhì)量;(2)可以減少極化(歐姆極化、濃差極化、電化學(xué)極化)現(xiàn)象的影響，有利于冬季充電; ( 3)可以降低充電器的輸出功率，制造成本下降。但是也有設(shè)計(jì)者認(rèn)為，電動(dòng)車用蓄電池以較大電流短時(shí)間放電，充電接受率高， 所以可以增大充電電流(甚至推薦為5A)以提高充電速度。

通過對(duì)浙江天能、浙江超威、英國(guó)IBT和日本松下等電動(dòng)車用48V ( 20A·h)蓄電池進(jìn)行了長(zhǎng)期的可靠性實(shí)驗(yàn)。在充電時(shí)，采用平均值為3. 5A并根據(jù)環(huán)境溫度動(dòng)態(tài)小幅度調(diào)整的恒流快速充電電流，蓄電池沒有明顯發(fā)熱，充電過程穩(wěn)定可靠。

2. 2. 2 恒壓充電電壓的選擇

恒壓充電電壓的選擇非常關(guān)鍵，因?yàn)樗荒茉诤軐挼姆秶鷥?nèi)調(diào)整。確定這個(gè)參數(shù)不但需要對(duì)蓄電池有較為深人的了解，還需要對(duì)充電策略等因素進(jìn)行考慮。

蓄電池在充電時(shí)，正極上的析氧速率與施加的充電電壓成正比，而氧傳輸?shù)截?fù)極并溶解在負(fù)極表面液膜中進(jìn)行還原的速度受到限制，即氧的析出快于還原時(shí)，復(fù)合效率就下降，造成失水。通常情況下， 48V 閥控鉛酸蓄電池的浮充電壓設(shè)置在55 -55. 6 V,可以保證蓄電池長(zhǎng)期處于充電狀態(tài)且極少失水。循環(huán)使用蓄電池最高充電電壓為58. 8V,如果超過就會(huì)使復(fù)合效率急劇下降，從而影響電池的使用壽命。

2. 2. 3 蓄電池是否充滿的判定

對(duì)蓄電池在充電過程中是否已充滿的判斷是充電器的重要指標(biāo)。如果蓄電池未充滿而錯(cuò)判為充滿將導(dǎo)致蓄電池欠充;反之，則將導(dǎo)致蓄電池過充。這兩種情況都會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池的壽命。目前判斷蓄電池是否充滿的控制準(zhǔn)則有：定時(shí)控制、電壓控制(包含最高電壓、電壓負(fù)增量、電壓零增量等)、溫度控制(包括最高溫度、最高溫升、溫度變化率等)、電流控制(包含最小電流、電流變化量等)、動(dòng)態(tài)內(nèi)阻控制等。

在實(shí)際應(yīng)用中，如果以單一的控制的方式都將不可避免地存在缺陷。比如，在恒壓均衡充電過程中，電壓保持恒定，電流會(huì)隨著充電的進(jìn)程逐漸減小，當(dāng)小到一定程度電流將會(huì)恒定，不再下降，這時(shí)的電能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)很低，電能主要用于電解水，一般認(rèn)為這個(gè)電流為蓄電池恒壓均衡充電的殘余電流。然而，殘余電流的大小將隨著環(huán)境溫度的變化而變化，也就是說殘余電流是一個(gè)受內(nèi)、外界多重因素影響的動(dòng)態(tài)值。若沒有溫度控制，最高充電電壓和切換電流都只能設(shè)置成定值，而這個(gè)定值無論如何設(shè)置，都只能在一個(gè)相對(duì)較小的范圍內(nèi)成為最佳設(shè)置。為此，設(shè)計(jì)的充電器通過對(duì)電壓、電流、溫度等工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并按模糊理論的評(píng)判規(guī)則對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行綜合分析，從而確定蓄電池是否充滿。