谈谈电动自行车充电器的充电模式和参数设置(精)

谈谈电动自行车充电器的充电模式和参数设置

摘要：分析了铅酸蓄电池用三段式充电模式及其充电器忽略了电池的负温度特性的缺陷，从充电器充电的波形和频率出发，提出应采用兼有常规性充电功能和修补性充电功能的多功能充电器，并给出了常规性充电阶段和补充性充电阶段的技术参数。

电动自行车（以下简称“EB”）产业的兴起，对充电器提出了高要求。目前EB所配置的充电器，多属于传统的三段式充电器，三段式充电器的充电模式是将充电过程分为恒流、恒压、浮充三个充电阶段，以我国EB采用较多的36V12Ah铅酸蓄电池组为例，第一阶段以1.8A的恒定电流将电池充到约44.4V；第二阶段将充电电流减小至约0.3A，再次将电池电压充到44.4V；第三阶段将电压降至约41.4V，电流减至约50MA 对电池进行浮充。

从几年来的使用情况看，三段式充电器暴露了一些问题。以下仍以36V12Ah铅酸蓄电池组为例，谈谈三段式充电器的缺陷和解决方案。

1、三段式充电器忽略了电池的负温度特性

三段式充电器充电参数的设定除受所配电池单体极板面积大小、电极特性、电解液密度等因素影响外，还受蓄电池的环境温度的影响，以36V蓄电池组为例，具体充电电压与温度的关系见表1。

温度/(℃)恒压充电电压N浮充充电电压N

046.2042.48

10 45.36 41.58

20 44.40 40.86

25 44.25 40.50

30 43.74 40.14

35 43.20 39.78

虽然一直以来，人们都明白电化学的温度效应是不能回避的，但却在充电器问题上忽略了。原因可以有很多，但特别应在此指出的是：过去人们对蓄电池容量、寿命与温度之间关系的感触和认识从来没有象今天这样直接和具体，须知，这是千万个EB用户参与了“实验”的结果。

在我国几乎所有的地区，使用无温度补偿的充电器，都会对电池造成损害。夏季过充，冬季欠充，过充和欠充容易造成电池失水和硫酸盐化，电池失水后，硫酸浓度提高，加剧了板极腐蚀，就更容易产生硫酸盐化，硫酸盐化的电池表现为更容易失水。这是一种连锁反应。铅酸电池硫酸盐化是影响EB续驶里程和电池寿命的重要因素。

无温度补尝的充电器究竟对电池的损害有多大，目前还缺少实验数据，对蓄电池进行定量分析要比定性分析复杂困难得多，但以下的数据可以参考：EB标准规定，铅酸蓄电池的循环次数不得不少于350次，但实际上有相当多的电池使用时间不到8个月，即循还次数不足240次。

充电器增加温度补偿功能并不困难，如只要将原基准电压改为具有负温度系数特性的基准电压，一般就可以了。

2、三段式充电模式缺少修补性充电环节

三段式充电模式的恒流——恒压——浮充三个充电阶段，都是围绕怎样充满电池来设计的，因此，这三个充电阶段占用了全部充电时间，如36V12Ah电池组的充电电流通常被设定为1.8A，有公式：12(安时）×1.2（效率）÷8（小时）=1.8A。恰好能在标准规定的8h内将电池充满，设计时就没打算留出修补电池的时间，更何况三段式充电器一般也不具备修补电池的功能。

产业界向来有人认为：我国的EB以采用铅酸蓄电池为主，并且采取的是全动力模式，如电池长期不能达标，我国的EB产业将可能有再次夭折的危险。但技术界对此问题的认识是：要想铅酸蓄电池达标，除有待于电池本身的技术进步外，采用充电与修补功能兼备的多功能充电器是解决问题的有效途径。因此，我们建议立即从以下两方面入手对EB充电器进行技术改造。一是将36V12Ah电池组的充电电流从1.8A提高到3A以上，用约4h的时间对电池进行常规性充电，留出4h以上时间对电池进行修补性充电；二是给充电器增加对电池进行修补性充电的功能。

3、关于充电的波形和频率

充电器赖以对电池产生影响的是充电电压、电流及其波形和频率，其中，充电电压主要与电池充得满不满有关，充电电流主要与充电充得快不快有关，而充电的波形和频率则主要与充电充得好好不好有关，这里的“好不好”指得是电池的容量和寿命。实践证明，以上三者虽各有侧重，但其关系是相辅相成、不可忽略的。

充电器属于电源技术领域，在充电过程中强调波形和频率的作用是开关电源出现以后的事，而三段式充电模式出现在线性电源时期，因此，三段式充电模式偏重于充电电压和电流，缺少充电波形和频率方面的内容是情有可原的。现在，EB配置的充电器全都是用开关电源技术设计的，但却仍采用三段式充电模式，这显然是不相宜的，据我们调查和检测，目前的EB充电器还不同程度地存在以下问题：

（1）输出纹波太小。有的竟只有50mV，显然这是将充电器当成稳压电源来做了，也许这种纹波可以用来给锂离子电池充电，但对于36V铅酸蓄电池来说，充电脉冲的幅值应以1-2V为好。

（2）输出连续三角波。这通常是正激式开关电源充电器才有的波形，由于极化现象的存在，蓄电池忌讳用直流充电，包括连续三角波。常规性充电的最好波形是单端反激式开关电源通常所输出的下降型脉冲，尤其是紧接脉冲之后存在的一段休止时间，还可以消除铅酸蓄电池因充电而产生的电化学极化；比较而言，正激式开关电源充电器的温升虽然可以做得低一些，但其输出波形不如反激式电源，不过这可以通过调整其输出三角波的占空比来加以弥补。

（3）在充电器与电池之间串联有一二极管。其目的可能是为了防止电池通过充电器放电，但这样做是错误的。充电就是需要又充电又放，边充边放，充多放少，哪怕放电只有充电的百分之一，也将会对抑制电池气化和抬高气化电压等产生不可替代的作用。应该认识到，如能在每一常规性充电周期留出几微秒和在修补性充电周期留出几秒钟用来放电，对消除铅酸蓄电池在充电时产生的电化学极化和浓差极化，从而增加和延长电池的容量和寿命将会有决定性意义。

（4）充电频率单调。一个优秀的充电器必须具有多种充电模式：脉冲充电、负脉冲激活、变频充电等模式，只有具备这些技术的充电器才能有效地去除电解液浓度极差、板栅硫酸盐化和极化现象。脉冲充电、高频充电以及变频充电等充电技术，正在被越来越多地应用在充电器上，可以预期，一种兼有常规性充电功能和修补性充电功能的多功能充电器必将替代功能单一的三段式充电器而成为EB的主流。

4、一种实用的EB多功能充电器的充电模式和参数

如将凡包含常规性充电功能和修补性充电功能的充电器统称为多功能充电器，那么根据以两种充电功能结合方式的不同，可以设计出多种模式的多功能充电器，但从EB的适用角度考虑，还是将以上两种充电功能分开来设计好，即将有限的充电时间划分为两个充电时间段，前段时间用来完成常规性充电，后段时间用来进行修补性充电。以下仍以36V 12Ah铅酸蓄电池组为例，介绍一种实用的多功能充电器的充电模式和参数。

4、1常规性充电阶段

（1）电源类型：单端反激式开关电源；

（2）满输出充电频率：25kHz，即充电电源3A时的电源工作频率；

（3）充电波形：下降型三角脉冲；

（4）脉冲幅度：约1.6V；

（5）脉冲最大宽度：约25μs；

（6）充电休止时间：约15μs；

（7）放电电流：约50mA；

（8）充电平均电流：3A；

（9）充电峰值电流：约10A；

（10）充电时间：约4h，即充电4h后，电池电压应上升到43.2V（常温），容量已达75%以上；

（11）减流转折电压：常温下43.2V，该电压为“气化点电压”，即在用直流充电的情况下，此时铅酸电池的电解液已开始大量气化。以下转入修补性充电阶段。

4.2修补性充电阶段

（1）线性减流及范围：电池电压上升到43.2V（常温）时，充电电流开始减小，减小的速率呈线性，平均充电电流从3A最终减为不小于0.3A，或峰值充电电流从约10A减为1A；

（2）充电频率变化范围：线性减流时，随着充电电流的减小，充电频率开始上升，其变化范围为25-100kHz；