電動(dòng)自行車充電器的充電模式和參數(shù)設(shè)置

　　摘要：分析了鉛酸蓄電池用三段式充電模式及其充電器忽略了電池的負(fù)溫度特性的缺陷，從充電器充電的波形和頻率出發(fā)，提出應(yīng)采用兼有常規(guī)性充電功能和修補(bǔ)性充電功能的多功能充電器，并給出了常規(guī)性充電階段和補(bǔ)充性充電階段的技術(shù)參數(shù)。

　　電動(dòng)自行車（以下簡稱“EB”）產(chǎn)業(yè)的興起，對(duì)充電器提出了高要求。目前EB所配置的充電器，多屬于傳統(tǒng)的三段式充電器，三段式充電器的充電模式是將充電過程分為恒流、恒壓、浮充三個(gè)充電階段，以我國EB采用較多的36V12Ah鉛酸蓄電池組為例，第一階段以1.8A的恒定電流將電池充到約44.4V；第二階段將充電電流減小至約0.3A，再次將電池電壓充到44.4V；第三階段將電壓降至約41.4V，電流減至約50MA對(duì)電池進(jìn)行浮充。

　　從幾年來的使用情況看，三段式充電器暴露了一些問題。以下仍以36V12Ah鉛酸蓄電池組為例，談?wù)勅�段式充電器的缺陷和解決方案。

　　1、三段式充電器忽略了電池的負(fù)溫度特性

　　三段式充電器充電參數(shù)的設(shè)定除受所配電池單體極板面積大小、電極特性、電解液密度等因素影響外，還受蓄電池的環(huán)境溫度的影響。

　　雖然一直以來，人們都明白電化學(xué)的溫度效應(yīng)是不能回避的，但卻在充電器問題上忽略了。原因可以有很多，但特別應(yīng)在此指出的是：過去人們對(duì)蓄電池容量、壽命與溫度之間關(guān)系的感觸和認(rèn)識(shí)從來沒有象今天這樣直接和具體，須知，這是千萬個(gè)EB用戶參與了“實(shí)驗(yàn)”的結(jié)果。

　　在我國幾乎所有的地區(qū)，使用無溫度補(bǔ)償?shù)某潆娖鳎�都�?huì)對(duì)電池造成損害。夏季過充，冬季欠充，過充和欠充容易造成電池失水和硫酸鹽化，電池失水后，硫酸濃度提高，加劇了板極腐蝕，就更容易產(chǎn)生硫酸鹽化，硫酸鹽化的電池表現(xiàn)為更容易失水。這是一種連鎖反應(yīng)。鉛酸電池硫酸鹽化是影響EB續(xù)駛里程和電池壽命的重要因素。

　　無溫度補(bǔ)嘗的充電器究竟對(duì)電池的損害有多大，目前還缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)蓄電池進(jìn)行定量分析要比定性分析復(fù)雜困難得多，但以下的數(shù)據(jù)可以參考：EB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鉛酸蓄電池的循環(huán)次數(shù)不得不少于350次，但實(shí)際上有相當(dāng)多的電池使用時(shí)間不到8個(gè)月，即循還次數(shù)不足240次。

　　充電器增加溫度補(bǔ)償功能并不困難，如只要將原基準(zhǔn)電壓改為具有負(fù)溫度系數(shù)特性的基準(zhǔn)電壓，一般就可以了。

　　2、三段式充電模式缺少修補(bǔ)性充電環(huán)節(jié)

　　三段式充電模式的恒流——恒壓——浮充三個(gè)充電階段，都是圍繞怎樣充滿電池來設(shè)計(jì)的，因此，這三個(gè)充電階段占用了全部充電時(shí)間，如36V12Ah電池組的充電電流通常被設(shè)定為18A，有公式：12(安時(shí)）×1.2（效率）÷8（小時(shí)）=1.8A。恰好能在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的8h內(nèi)將電池充滿，設(shè)計(jì)時(shí)就沒打算留出修補(bǔ)電池的時(shí)間，更何況三段式充電器一般也不具備修補(bǔ)電池的功能。

　　產(chǎn)業(yè)界向來有人認(rèn)為：我國的EB以采用鉛酸蓄電池為主，并且采取的是全動(dòng)力模式，如電池長期不能達(dá)標(biāo)，我國的EB產(chǎn)業(yè)將可能有再次夭折的危險(xiǎn)。但技術(shù)界對(duì)此問題的認(rèn)識(shí)是：要想鉛酸蓄電池達(dá)標(biāo)，除有待于電池本身的技術(shù)進(jìn)步外，采用充電與修補(bǔ)功能兼?zhèn)涞亩喙δ艹潆娖魇墙鉀Q問題的有效途徑。因此，我們建議立即從以下兩方面入手對(duì)EB充電器進(jìn)行技術(shù)改造。一是將36V12Ah電池組的充電電流從1.8A提高到3A以上，用約4h的時(shí)間對(duì)電池進(jìn)行常規(guī)性充電，留出4h以上時(shí)間對(duì)電池進(jìn)行修補(bǔ)性充電；二是給充電器增加對(duì)電池進(jìn)行修補(bǔ)性充電的功能。

　　3、關(guān)于充電的波形和頻率

　　充電器賴以對(duì)電池產(chǎn)生影響的是充電電壓、電流及其波形和頻率，其中，充電電壓主要與電池充得滿不滿有關(guān)，充電電流主要與充電充得快不快有關(guān)，而充電的波形和頻率則主要與充電充得好好不好有關(guān)，這里的“好不好”指得是電池的容量和壽命。實(shí)踐證明，以上三者雖各有側(cè)重，但其關(guān)系是相輔相成、不可忽略的。

　　充電器屬于電源技術(shù)領(lǐng)域，在充電過程中強(qiáng)調(diào)波形和頻率的作用是開關(guān)電源出現(xiàn)以后的事，而三段式充電模式出現(xiàn)在線性電源時(shí)期，因此，三段式充電模式偏重于充電電壓和電流，缺少充電波形和頻率方面的內(nèi)容是情有可原的。現(xiàn)在，EB配置的充電器全都是用開關(guān)電源技術(shù)設(shè)計(jì)的，但卻仍采用三段式充電模式，這顯然是不相宜的，據(jù)我們調(diào)查和檢測(cè)，目前的EB充電器還不同程度地存在以下問題：

　　（1）輸出紋波太小。有的竟只有50mV，顯然這是將充電器當(dāng)成穩(wěn)壓電源來做了，也許這種紋波可以用來給鋰離子電池充電，但對(duì)于36V鉛酸蓄電池來說，充電脈沖的幅值應(yīng)以1-2V為好。

　　（2）輸出連續(xù)三角波。這通常是正激式開關(guān)電源充電器才有的波形，由于極化現(xiàn)象的存在，蓄電池忌諱用直流充電，包括連續(xù)三角波。常規(guī)性充電的最好波形是單端反激式開關(guān)電源通常所輸出的下降型脈沖，尤其是緊接脈沖之后存在的一段休止時(shí)間，還可以消除鉛酸蓄電池因充電而產(chǎn)生的電化學(xué)極化；比較而言，正激式開關(guān)電源充電器的溫升雖然可以做得低一些，但其輸出波形不如反激式電源，不過這可以通過調(diào)整其輸出三角波的占空比來加以彌補(bǔ)。
　　
　　（3）在充電器與電池之間串聯(lián)有一二極管。其目的可能是為了防止電池通過充電器放電，但這樣做是錯(cuò)誤的。充電就是需要又充電又放，邊充邊放，充多放少，哪怕放電只有充電的百分之一，也將會(huì)對(duì)抑制電池氣化和抬高氣化電壓等產(chǎn)生不可替代的作用。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，如能在每一常規(guī)性充電周期留出幾微秒和在修補(bǔ)性充電周期留出幾秒鐘用來放電，對(duì)消除鉛酸蓄電池在充電時(shí)產(chǎn)生的電化學(xué)極化和濃差極化，從而增加和延長電池的容量和壽命將會(huì)有決定性意義。

　　（4）充電頻率單調(diào)。一個(gè)優(yōu)秀的充電器必須具有多種充電模式：脈沖充電、負(fù)脈沖激活、變頻充電等模式，只有具備這些技術(shù)的充電器才能有效地去除電解液濃度極差、板柵硫酸鹽化和極化現(xiàn)象。脈沖充電、高頻充電以及變頻充電等充電技術(shù)，正在被越來越多地應(yīng)用在充電器上，可以預(yù)期，一種兼有常規(guī)性充電功能和修補(bǔ)性充電功能的多功能充電器必將替代功能單一的三段式充電器而成為EB的主流。

　　4、一種實(shí)用的EB多功能充電器的充電模式和參數(shù)

　　如將凡包含常規(guī)性充電功能和修補(bǔ)性充電功能的充電器統(tǒng)稱為多功能充電器，那么根據(jù)以兩種充電功能結(jié)合方式的不同，可以設(shè)計(jì)出多種模式的多功能充電器，但從EB的適用角度考慮，還是將以上兩種充電功能分開來設(shè)計(jì)好，即將有限的充電時(shí)間劃分為兩個(gè)充電時(shí)間段，前段時(shí)間用來完成常規(guī)性充電，后段時(shí)間用來進(jìn)行修補(bǔ)性充電。以下仍以36V 12Ah鉛酸蓄電池組為例，介紹一種實(shí)用的多功能充電器的充電模式和參數(shù)。

　　4.1常規(guī)性充電階段

　　（1）電源類型：單端反激式開關(guān)電源；（2）滿輸出充電頻率：25kHz，即充電電源3A時(shí)的電源工作頻率；（3）充電波形：下降型三角脈沖；（4）脈沖幅度：約1.6V；（5）脈沖最大寬度：約25μs；（6）充電休止時(shí)間：約15μs；（7）放電電流：約50mA；（8）充電平均電流：3A；（9）充電峰值電流：約10A；（10）充電時(shí)間：約4h，即充電4h后，電池電壓應(yīng)上升到43.2V（常溫），容量已達(dá)75%以上；（11）減流轉(zhuǎn)折電壓：常溫下43.2V，該電壓為“氣化點(diǎn)電壓”，即在用直流充電的情況下，此時(shí)鉛酸電池的電解液已開始大量氣化。以下轉(zhuǎn)入修補(bǔ)性充電階段。

　　4.2修補(bǔ)性充電階段

　　（1）線性減流及范圍：電池電壓上升到43.2V（常溫）時(shí)，充電電流開始減小，減小的速率呈線性，平均充電電流從3A最終減為不小于0.3A，或峰值充電電流從約10A減為1A；
　
　　（2）充電頻率變化范圍：線性減流時(shí)，隨著充電電流的減小，充電頻率開始上升，其變化范圍為25-100kHz；

　　（3）充電終止電壓：參見表1列出的“恒壓充電電壓”，該電壓相當(dāng)于“氣化點(diǎn)電壓”加約1.2V，當(dāng)電池電壓上升至該電壓時(shí)，充電器終止充電；

　　（4）重起動(dòng)電壓：參見表1列出的“浮充充電電壓”，終止充電后，電池電壓下降，當(dāng)降至重起動(dòng)電壓時(shí)，充電器將再次起動(dòng)將電池充到充電終止電壓，而后充電終止，電池電壓再次下降，充電將循環(huán)反重地進(jìn)行下去；

　　（5）充電終止時(shí)間：終止充電后，電池電壓下降的時(shí)間起先較快，約幾秒鐘，隨著時(shí)間推移，終止充電的時(shí)間會(huì)越來越長，可達(dá)幾分鐘以上；

　　（6）修補(bǔ)性充電的延續(xù)時(shí)間：4h以上不限。