電動車用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蓄電池的損傷、延長使用壽命。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)測蓄電池的電壓，對蓄電池進(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對蓄電池比較合適。電動自行車用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。

通過對浙江天能、浙江超威、英國IBT和日本松下等電動車用48V ( 20A·h)蓄電池進(jìn)行了長期的可靠性實(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)不但需要對蓄電池有較為深人的了解，還需要對充電策略等因素進(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，電流會隨著充電的進(jìn)程逐漸減小，當(dāng)小到一定程度電流將會恒定，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)的充電器通過對電壓、電流、溫度等工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并按模糊理論的評判規(guī)則對這些參數(shù)進(jìn)行綜合分析，從而確定蓄電池是否充滿。