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电动自行车用蓄电池充电方式的探讨.pdf

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电动自行车用蓄电池充电方式的探讨.pdf

CHINESELABATMANNO2,20091引言21世纪是“绿色环保”的世纪,环境保护和能源节约问题己成为新世纪最为突出的两大主题。这两大问题成为了“绿色交通工具”研究开发和推广应用的积极因素1。电动自行车以其自身所具有的质量轻,速度低,售价低廉,省时省力,绿色环保等突出优点拥有着较为广阔的市场前景。作为电动自行车电源的铅酸蓄电池以其具有的污染小、噪音低、使用时间长、稳定、可靠、应用方便等优点成为电动自行车的主流产品2。国家标准规定铅酸电池每单体电压值为2V,由于市场上的大部分电动自行车用蓄电池组为的电压为36V,所以一般由6只6V电池或3只12V电池串联成电池组来使用。在电动自行车用铅酸蓄电池的充电方法上,普遍采用对36V蓄电池组整组进行充电管理3,如图1所示。这样的管理系统忽略了各单只蓄电池之间的内阻、容量、化学特性的差异,经过多次充/放电循电动自行车用蓄电池充电方式的探讨李雪梅贵州大学机械工程学院,贵州贵阳550003摘要普遍采用的电动自行车蓄电池组整体充电的模式忽略了蓄电池间的差异,易使某些单只蓄电池在充电过程中发生过充、欠充等现象而过早损坏。针对这样的问题,采用蓄电池组分只同时均充技术,以单只蓄电池端电压监测和充电控制为目标,保证蓄电池组中每一只蓄电池容量和端电压的一致性,以延长其使用寿命。关键词电动自行车蓄电池;分只同时均充;实时监测;充电中图分类号TM9126文献标识码A文章编号10060847200902008004THEMODEOFCHARGINGBATTERIESUSEDFOREBIKESLIXUEMEIMECHANICALENGINEERINGAUTOMATIONCOLLEGEOFGUIZHOUUNIVERSITY,GUIYANGGUIZHOU550003ABSTRACTTHEWIDELYAPPLICATEDBULKCHARGINGMODEFORACOMPLETESETOFTHEELECTRICALBICYCLEBATTERIESNEGLECTSTHEDIFFERENCEAMONGINDIVIDUALBATTERIES,WHICHCANLEADTOPREMATUREDAMAGEDUETOOVERCHARGEORUNDG80G81G82G83G84G85G86G87G88G89G8AG8BG8CG8DG8EG8FG90G91G92G93G94G95G96G97G98G99G9AG9BG9CG9DG9EG9FGA0GA1GA2GA3GA4GA5GA6GA7GA8GA9GAAGABGACGADGAEGAFGB0GB1GB2GB3GB4GB5GB6GB7GB8GB9GBAGBBGBCGBDGBEGBFGC0GC1GC2GC3GC4GC5GC6GC7GC8GC9GCAGCBGCCGCDGCEGCFGD0GD1GD2GD3GD4GD5GD6GD7GD8GD9GDAGDBGDCGDDGDEGDFGE0GE1GE2GE3GE4GE5GE6GE7GE8GE9GEAGEBGECGEDGEEGEFGF0GF1GF2GF3GF4GF5GF6GF7GF8GF9GFAGFBGFCGFDGFEGFFTTERY,ANDTAKESAIMATMONITORINGTHETERMINALVOLTAGEANDCONTROLLINGTHECHARGEOFTHESINGLEBATTERYTOENSURG80G81G82G83G84G85G86G87G88G89G8AG8BG8CG8DG8EG8FG90G91G92G93G94G95G96G97G98G99G9AG9BG9CG9DG9EG9FGA0GA1GA2GA3VOLTAGE,ANDTHUSPROLONGINGTHESERVICELIFEOFTHEBATTERIESKEYWARDSELECTRICBICYCLEBATTERY;SIMULTANEOUSHOMOGENEOUSCHARGEINGTECHNOLOGYFORTHESEPARATEBATGA4GA5GA6GA7GA8GA9GAAGABGACGADGAEGAFGB0GB1GB2GB3GB4GB5GB6GB7GB8GB9GBAGBBGBCGBDGBEGBFGC0GC1GC2GC3GC4收稿日期20080826电动自行车用蓄电池充电方式的探讨交流与探讨80蓄电池2009年第2期图1普遍采用的蓄电池组充电管理方式环之后,使各单只蓄电池之间的端电压不一致,在充放电过程中易发生过充、欠充、过放电等现象。过充电会引起蓄电池正极析氧,增大壳体内压,并易使活性物质脱落。如果长期过充电,正极因析氧而被腐蚀,同时电解液中的水损耗加剧,蓄电池有干涸的危险。长期欠充电易使蓄电池荷电不足,严重影响蓄电池的容量,也会导致电池损坏。过放电易使极板表面生成难以恢复的大颗粒PBSO4结晶,进而造成极板硫酸化,大大降低极板活性物质的孔率。使得处于异常状态的单只蓄电池性能下降,由于蓄电池采用串联方式,从而导致整组蓄电池的性能大大下降,影响直流电源系统的正常运行,不能很好地满足电动自行车对蓄电池的使用要求,而且极大的缩短蓄电池组的寿命4。据资料显示,因充/放电控制不合理而损坏的蓄电池占总损坏的蓄电池数的80,本来应该工作10~20年的铅酸蓄电池,大部分都在3~5年内损坏5,这样带来蓄电池更换资金的极大浪费。另外,废旧的蓄电池还会对环境造成较大的污染。2解决问题的方案针对上述存在的问题,我们采用了蓄电池组分只同时均充管理方法(BSMS),以达到均匀、高效对蓄电池组充电的目的,其原理如图2所示。这种管理方法是由主充单元模块和为各单只蓄电池设计的均充模块(包括监测和充电两部分)组成。该均充模块能够实时监测各单只蓄电池充/放电过程中的端电压,并根据这些数据进行主充和均充电切换。BSMS的具体工作过程是首先主充单元模块对整组蓄电池进行充电,管理系统对各单只蓄电池进行实时的检测,若发现蓄电池组中某单只蓄电池达到充电阈值电压时,即停止主充,进而转入对其余单只蓄电池均充电。主充模块满足电动自行车对蓄电池组大功率输出的要求;均充模块是整个系统的关键,它主要是针对由于单只蓄电池容量不一致性导致的能量分散这一问题而对单只蓄电池进行充电管理,延长蓄电池使用寿命,提高蓄电池的容量利用率。3系统设计基于上述的蓄电池组分只同时均充管理方法,研发了36V电动自行车用蓄电池充电机,其电路原理如图3所示6。31主充单元模块主充电机对整组蓄电池进行主充电,主充模块是为了满足电动自行车对蓄电池组大功率输出的要求。它将220V交流电通过变压器降压,整流器整流,转变成直流电,滤波后,再经过L4960单片图2蓄电池组分只同时均充管理原理框图图336V电动自行车用蓄电池充电机电路原理图电动自行车用蓄电池充电方式的探讨交流与探讨81CHINESELABATMANNO2,2009集成开关电源为蓄电池充电提供电能,电路图如图4所示。将充电电压调节至约40V,进行主充。32均充模块蓄电池系统是一个非线性、时变系统,建立准确的数学模型比较困难。对蓄电池充电状,况的了解,主要是通过蓄电池两端的电压、温度变化等情况来确定的。均充模块主要由均充电路LM339型电压比较器、DLS20型双位置继电器、分压器以及1N4007型二极管等组成。其主要功能一是给对应的单只蓄电池进行均充电,充电电压约28V,电流1A;二是对每一单只蓄电池的端电压进行实时监测,当发现蓄电池组中某一只蓄电池的端电压达到充电阈值电压时,即停止主充及对该只蓄电池的均充电,而对其余尚未达到充电阈值电压的单只蓄电池继续进行均充电,直至每一单只蓄电池都充满电为止。三是根据各单只蓄电池所处的环境温度自动进行温度补偿。321均匀充电均充电路7如图5所示。该电路可以输出0~15V的连续可调电压和最大为1A的电流。调压是通过变阻器RP实现的。322蓄电池组的分只监测与控制这个过程主要由LM339型电压比较器、DLS20型双位置继电器和分压器完成。其分只监测与控制的流程图如图6所示。323蓄电池组的温度补偿蓄电池对温度十分敏感,过低的工作温度会使电池的浓差极化变得十分严重,导致放电容量骤减和再充电效率的降低。过高的工作温度会使浮充电流成倍增大,导致正极板析气速率骤增和负极板去极化速率的降低。所以工作在低温区的蓄电池应适当提高浮充电压,工作在高温区的蓄电池应当适时地降低浮充电压,为此在电池浮充的过程中,要求按温度对充电阈值电压进行补偿8。温度补偿系数取3~5MV/℃9。假使温度发生变化时比较器门槛电压值也能相应发生变化,并呈现某种关系,则可以通过自动调节比较器门槛电压值来达到补偿温度的目的,因此考虑设置自动调节比较器门槛电压值是实现温度补偿的关键。经过多方面实验,发现热电偶温度范围宽,但其热电势较低;热敏电阻灵敏度高,但工作温度范围窄,且输出非线性。PN结温度传感器同它们相比的最大优点是输出特性呈线性,且测温精确度高。根据晶体管原理可知,PN结的正向电压U与正向电流ID的关系为IDISEQU/KT1≈ISEQU/KT1式中K波尔兹曼常数;TPN结绝对温度;Q电子电荷;ISPN结反向饱和电流图4主充单元模块的电路原理图5均充单元模块的电路原理图6蓄电池组分只监测与控制流程图电动自行车用蓄电池充电方式的探讨交流与探讨82蓄电池2009年第2期ISAJS2式中APN结面积;JS反向饱和电流密度。在一定温度范围内,PN结的正向电压U与温度T呈现近似线性关系式中C与PN结内部结构和制造工艺有关的电流常数;UGO由PN结禁带宽度决定的外插值(约12V)。上式表明,若ID恒定,在一定温度范围内,PN结的正向电压U随温度T的增加而线性减少。通常在0~250℃温度范围内温度每升高1℃,单个PN结的正向电压降低2MV一般热电偶灵敏度仅为3~25ΜV/℃10。据此我们采用二极管1N4007作温度补偿器,将其置于电压比较器的同相输入端,作为参考电压自动调节比较器门槛电压值。因为一个PN结通常在0~250℃范围内,正向电压随温度的变化量为2MV/℃,因此在电压比较器的同相输入端串联两个1N4007型二极管。这里仅以给其中某一单只蓄电池充电时的温度补偿为例,其示意图如图7所示。该方法有两个特点一是利用1N4007正向导通电压的温度特性,即其正向导通电压随温度变化而变化,温度升高,正向导通电压降低。在电路中利用该特点起到钳位作用,常温下1N4007正向导通电压为07V,随着温度升高,其正向导通电压下降,从而达到自动调节电压比较器的门槛电压值,以达到温度补偿的目的。二是1N4007是常用的二极管,用起来简单、方便,而且电路也较简单,调试方便。该方法起到了真正意义上的温度补偿作用11。3结束语这种36V电动自行车用蓄电池充电机可以应用于用36V整装蓄电池组作为直流电源的系统的场合;并且整体式蓄电池组分只同时均充的管理方法可以用于阀控密封铅酸蓄电池、普通铅酸蓄电池、锂离子蓄电池等多种蓄电池的管理,也可以扩展应用为6V、12V、24V、48V等多种额定电压值的蓄电池组的管理。参考文献1骆骄基于AVR单片机的电动自行车控制系统研究D学位论文大连理工大学,20052韩伟,等电动自行车铅酸蓄电池组管理系统J,电源技术,2003,43943963邱望标,邱志远蓄电池组均充管理系统的关键技术J,会议期刊,2006,64周志敏,周纪海,等充电器电路设计与应用M北京人民邮电出版社,20055夏南军,雷卫清影响阀控铅酸蓄电池使用寿命的因素及维护建议J,江苏电信科技,2006,146486刘全忠电子技术M北京高等教育出版社,19997周志敏,周纪海,等电子电工实用电路M北京电子工业出版社,20068徐曼珍现代通信电源系统智能监控模块对蓄电池的管理J,交流与探讨,2004,110159王鹤,杨宏,等延长阀控密封铅酸蓄电池寿命研究过充电保护与温度补偿特性J,电源技术,2001,320620710孙传友,孙晓斌,等感测技术与系统设计M北京科学出版社,200411王金辉温度补偿在自然伽马仪中的应用J,中国仪器仪表,2006,105860UUGO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