電動(dòng)自行車用鉛酸蓄電池SOC顯示電路設(shè)計(jì)

　　肖青，周秀珍

　　（長江工程職業(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)自行車動(dòng)力源，其充電過程中析氫現(xiàn)象是發(fā)生爆炸的原因之一。經(jīng)研究表明：鉛酸蓄電池充電過程中，其容量達(dá)到80%以上才發(fā)生析氫現(xiàn)象，可見監(jiān)控蓄電池容量是必要的。本文基于鉛酸蓄電池開路電壓SOC估算法，以12V 2AH鉛酸蓄電池作為研究對象，設(shè)計(jì)電動(dòng)自行車用鉛酸蓄電池SOC顯示電路，最終驗(yàn)證了其可行性。

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

　　基金項(xiàng)目：湖北省教育廳科研計(jì)劃一般項(xiàng)目（B2017565）

　　0 引言

　　鉛酸蓄電池是目前電動(dòng)自行車的動(dòng)力源之一，其性能的好壞直接影響電動(dòng)自行車本身的性能。有實(shí)驗(yàn)證明鉛酸蓄電池在過充電的情況下，不會(huì)因?yàn)樾铍姵貎?nèi)部溫度升高導(dǎo)致起火或者電池內(nèi)部壓強(qiáng)較高而發(fā)生爆炸。但是充電過程中隨著蓄電池容量達(dá)到80%時(shí)，電解液中的水將被電解，氫氣會(huì)釋放出來。一旦氫氣的濃度達(dá)到4%~74.2%，遇到明火則極易發(fā)生爆炸?？梢姳O(jiān)測鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài)（SOC , State of Charge），對電動(dòng)自行車安全充電技術(shù)是必要的。

　　1 鉛酸電池析氫原理

　　目前電動(dòng)自行車用鉛酸蓄電池多為閥控式鉛酸蓄電池，該類電池在充電過程中產(chǎn)生的氣體將通過氧循環(huán)反應(yīng)轉(zhuǎn)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。通過擴(kuò)散作用，氧氣透過間歇和負(fù)極板的鉛結(jié)合轉(zhuǎn)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(fù)合，達(dá)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

　　本課題選用6-FMD-12.0(12 V 2.0 Ah)蓄電池，數(shù)據(jù)手冊可知：環(huán)境溫度25 ℃時(shí)，若待機(jī)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(nèi)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分鐘后測量開路電壓；（5）重復(fù)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：開路電壓法、內(nèi)阻法、卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。開路電壓法需要電池長時(shí)間靜置而無法在線估算，內(nèi)阻法要求為蓄電池注入交流信號，通過測量其產(chǎn)生的響應(yīng)計(jì)算電池內(nèi)阻 ^[1] ，且SOC與電池內(nèi)阻關(guān)系復(fù)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(jì)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(xùn)練數(shù)據(jù)。

　　3.1 蓄電池SOC與開路電壓關(guān)系

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

　　U OC =U 0 -K E (273+t)(1-SOC) （4）

　　其中U OC 為鉛酸蓄電池開路電壓，U O 為鉛酸蓄電池初始開路電壓，K E 是個(gè)常數(shù)，單位為V/℃，t為蓄電池內(nèi)部工作溫度。通過一定的實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)選用蓄電池理想模型，如圖2所示，該模型由等效串聯(lián)內(nèi)阻R和開路電壓V dc 組成，其中V 0 為蓄電池端電壓，I為充電電流，內(nèi)阻為R?？紤]到蓄電

池內(nèi)容R=63.7 mΩ和 充 電 電 流 較小，將內(nèi)阻的作用忽略，結(jié)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(shè)計(jì)

　　一般電動(dòng)自行車充電電路中主電路采用單端反激式設(shè)計(jì)，控制電路采用電流型UC3842為核心，配合LM324、光耦和TL431來實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)考慮到顯示蓄電池SOC為25%、50%、75%和100%。當(dāng)蓄電池SOC低于75%，建議用戶充電；而蓄電池SOC接近25%，屬于蓄電池深度放電狀態(tài)，長期出于此狀態(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(yán)重析氫，可設(shè)計(jì)相應(yīng)電路切斷蓄電池的充電主回路。

　　LM339 內(nèi)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(dāng)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 10mV時(shí)，即可改變輸出狀態(tài)。因此，用于弱信號檢測的場合是比較理想的 ^[6] 。

　　圖3為電動(dòng)自行車蓄電池荷電狀態(tài)顯示電路設(shè)計(jì)，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LM339A、LM339B、LM339C、LM339D。當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jì)算過程如下：

　　當(dāng)SOC=0.25時(shí)，U 1 =1.18 V，LED D 4 亮，；當(dāng)SOC=0.5時(shí),U 1 =1.21 V， LED D 3 和LED D 4 亮，；當(dāng)SOC=0.75時(shí),，LED D 2 、 LED D 3 和LED D 4 亮；當(dāng)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(yàn)

　　結(jié)果搭建由四電壓比較器LM339 N芯片構(gòu)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(diào)電阻，R 15 、R 6 、R 4 、R 2 也分別為1 K可調(diào)電阻，利用串聯(lián)電阻分壓關(guān)系，當(dāng)基準(zhǔn)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(diào)節(jié)10 K電阻，可模擬SOC為25 %、50 %、75 %和100 %的情況。當(dāng)電壓U 1高于1.18V時(shí)，LED4點(diǎn)亮；

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

　　6 結(jié)論

　　本系統(tǒng)基于現(xiàn)有電動(dòng)自行車充電器結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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 %，提示用戶在充電前了解蓄電池的狀態(tài)，對于電動(dòng)自行車安全充電有一定意義。后續(xù)將繼續(xù)設(shè)計(jì)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(xiàn)

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　　作者簡介

　　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。

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