一種電動(dòng)自行車用鋰電池充電器方案設(shè)計(jì)

李燕 程鵬 彭濤

【摘 ?要】隨著能源及環(huán)境污染問題越來越受到人們的重視，近些年，以鋰電池為動(dòng)力的電動(dòng)車發(fā)展越來越快。在我們國(guó)家，電動(dòng)自行車以其極為親民的價(jià)格，受到廣大民眾的青睞。鋰電池電動(dòng)自行車用的電池價(jià)格是總車價(jià)格的近30%，而鋰電池的充電性能好壞將直接影響鋰電池的使用壽命，因此一款性能更好的充電裝置對(duì)鋰電池的使用壽命有著至關(guān)重要的作用。本文設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)自行車用的鋰電池組充電裝置，能提高鋰電池組在充電過程的安全性，延長(zhǎng)鋰電池組的使用壽命，且具有功率因數(shù)較正功能。

【關(guān)鍵詞】鋰電池;電動(dòng)自行車;充電裝置

0 前言

當(dāng)今世界，各個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展日新月異，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展人們出行的工具也發(fā)生了翻天覆地的變化，由最初的馬拉車，到火車，到汽車等等。人們的出行越來越方便，但也因此產(chǎn)生了很多問題，比如環(huán)境污染問題，比如能源問題。電動(dòng)車是以蓄電池為原動(dòng)力，與普通的燃油汽車相比，對(duì)大氣污染小，成為近些年很多國(guó)家研究的熱點(diǎn)。鋰電池電動(dòng)自行車又以其親民的價(jià)格，超高的性價(jià)比，成為許多工薪族日常出行的首選交通工具。其使用的鋰電池充電器對(duì)鋰電池的使用壽命起著至關(guān)重要的作用。

本文中的鋰電池充電裝置采用的充電方式是恒流、恒壓兩個(gè)階段的充電方式。在剛開始恒流充電階段，采用恒定不變的4A電流對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，當(dāng)鋰電池的電壓達(dá)到36V時(shí)，進(jìn)入第二個(gè)階段即恒壓充電，此時(shí)電流開始減小，但是鋰電池的電壓持續(xù)增高，當(dāng)鋰電池的電壓達(dá)到42V時(shí)，充電電流為0.5A時(shí)，系統(tǒng)判斷充電結(jié)束。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)功能模塊組成：功率因數(shù)校正（PFC）模塊，主要作用是提高電量的利用率;電源模塊，一方面給鋰電池充電提供充電電壓和充電電流，另一方面給電路中使用的芯片提供工作電壓;控制模塊，一是控制電路中的開關(guān)器件，再就是單片機(jī)的控制。

PFC模塊主要是用來提高電路的功率因數(shù)，從而提高電能的效率，減少電能的損耗，此模塊主電路運(yùn)用的是主動(dòng)式有源升壓型變換電路。電源模塊選用開關(guān)電源電路，PFC模塊輸出400V高壓直流電，通過濾波，采用脈寬控制的場(chǎng)效應(yīng)管，完成直流-直流的變換后，輸出充電電路需要的直流充電電壓及直流充電電流。電源模塊還包括PFC電路及電源主電路中開關(guān)器件的觸發(fā)電路。

1.1功率因數(shù)校正電路

功率因數(shù)是有功功率與視在功率的比值，功率因數(shù)的值表示電能的有效利用率，功率因數(shù)越高，電能的有效利用率越高[1][2]。PFC指的是功率因數(shù)校正電路，現(xiàn)在有被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。主動(dòng)式的功率因數(shù)校正電路比被動(dòng)式的功率因數(shù)校正電路校準(zhǔn)因數(shù)更高，可以達(dá)到0.9以上，因此主動(dòng)式功率因數(shù)校正電路能節(jié)約更多的電能。本文選用主動(dòng)式的PFC電路。開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路主要采用L4981芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管的控制。

1.2電源電路

電源模塊由主電源及輔助電源組成。通常我們見得較多的電源有線性電源，有開關(guān)電源。線性電源電路較簡(jiǎn)單，但體積大，重量大，性能不穩(wěn)定?，F(xiàn)下使用較多的是開關(guān)電源，開關(guān)電源由于使用了電力電子器件作為開關(guān)管，體積更小，重量更輕，本文中的電源模塊電路選用的是開關(guān)電源。

開關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)：

A）首先是電路拓?fù)涞倪x擇

開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率由電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定的。功率因數(shù)校正電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能決定電能節(jié)約的數(shù)量，對(duì)使用者而言，適當(dāng)?shù)腜FC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能為他們節(jié)約使用電能的費(fèi)用。

常見的開關(guān)電源的拓?fù)潆娐酚幸韵?種：半橋拓?fù)潆娐?、正激拓?fù)潆娐泛腿珮蛲負(fù)潆娐贰?/p>

半橋拓?fù)潆娐穼?shí)際應(yīng)用中使用最多，因此技術(shù)比較成熟，不過半橋拓?fù)潆娐忿D(zhuǎn)換效率低，所以一般用于功率較低的電路。正激拓?fù)潆娐酚址謫喂苷ぜ半p管正激，在一定的功率下，其電路的轉(zhuǎn)換效率比半橋電路高，可是當(dāng)功率提高時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨之降低。所以一般情況下，半橋拓?fù)浜驼ね負(fù)溆迷?00W以下的電源電路。400W以上的電源電路用全橋拓?fù)?，全橋拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般需要2個(gè)變壓器，4個(gè)開關(guān)管，電路功率在千瓦級(jí)以上仍能保證電路PF在0.8以上。

B）變壓器的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，首先選取合適的磁芯材料，我們選用的材料是鐵氧體。再就是設(shè)定磁芯形狀，本設(shè)計(jì)最終選用E型磁芯。最后根據(jù)理論設(shè)計(jì)的輸入輸出電壓及電流計(jì)算一次線圈和二次線圈匝數(shù)，根據(jù)輸入輸出電壓電流選取線圈的線徑。

C）電路中的閉環(huán)的設(shè)計(jì)

閉環(huán)電路設(shè)計(jì)在整個(gè)充電器電路的設(shè)計(jì)中是最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，可以說環(huán)路的性能決定了充電器的性能。帶負(fù)反饋的放大器電路，電路的通頻帶更寬，增益更大，因而能降低系統(tǒng)的干擾及線性、非線性失真，然而開關(guān)電源的反饋電路除了以上所述的原因，還要考慮以下因素：一、由于其電路中存在開關(guān)管，且動(dòng)作頻率很高，會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的內(nèi)部干擾;二、其電路輸入端的關(guān)系在變化，負(fù)載會(huì)變化，因此會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的外部干擾。閉環(huán)設(shè)計(jì)就是為了抑制電路的內(nèi)部干擾及外部干擾，可以通過計(jì)算設(shè)計(jì)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及伯德圖，獲得理想的系統(tǒng)靜態(tài)精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)值。

D）PWM芯片的選擇

開關(guān)管的控制采用PWM控制方式，采用電流模式工作的UC3846芯片實(shí)現(xiàn)。

1.3保護(hù)電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電路過電壓保護(hù)，過電流保護(hù)，短路保護(hù)，電源反接保護(hù);同時(shí)采用溫度傳感器設(shè)計(jì)了電池溫度保護(hù)功能，多種保護(hù)電路保證充電器安全工作。

1.4充電均衡

本設(shè)計(jì)針對(duì)36V電動(dòng)自行車用的鋰電池組充電裝置。電池組由10個(gè)單體串聯(lián)組成，由于各個(gè)單體電池基本參數(shù)不可能完全一樣，所以充電時(shí)，電池組中各個(gè)單體所充得的容量也不相同，但是電池組中單體電池最小容量將決定電池組的總?cè)萘俊Ｋ员M可能保證各單體在相同的充電條件下所充的容量基本一致就非常重要。即做到均衡充電，從而使單體電池的性能一致。不僅如此，如果如電不均衡，會(huì)導(dǎo)致單體電池間電量差越來越多，電池組的壽命就也會(huì)因此大打折扣。所以補(bǔ)充充電均衡電路能為提高鋰電池使用壽命起到積極作用。

1.5顯示部分

電池剩余電量的顯示通過4個(gè)紅色發(fā)光二極管表示。四個(gè)發(fā)光二極管都亮表明電量為100%，亮三個(gè)則電量是75%，亮兩個(gè)電量是50%，只有一個(gè)亮電量是25%。原理是把電池的電壓分為35V、37V、39V和42V四個(gè)值分別對(duì)應(yīng)1個(gè)二極管亮、2個(gè)二極管亮、3個(gè)二極管亮和4個(gè)二極管亮。

2 軟件設(shè)計(jì)分析

軟件控制采用的是單片機(jī)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電路的控制及電池剩余電量的顯示兩個(gè)功能。

具體實(shí)現(xiàn)方法：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過循環(huán)檢測(cè)電池兩端電壓及電路的溫度，當(dāng)連續(xù)三次檢測(cè)到電池兩端的電壓小于24V大于0V，同時(shí)電路的溫度沒有超出設(shè)定值，即發(fā)出充電電路工作命令，開始充電。當(dāng)電池充滿，充電器會(huì)繼續(xù)對(duì)電池進(jìn)行浮充，浮充2H后，才會(huì)發(fā)出停止命令。在整個(gè)過程中檢測(cè)電路一旦檢測(cè)到電路中的溫度超過設(shè)定值，會(huì)立即發(fā)出命令中止充電。

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的電路使用恒流恒壓充電方式。充電器的輸出電壓42V，輸出電流是 4A，可以用于額定電壓為36V，額定容量為18AH以上的鋰電池組充電。此充電器自帶均衡充電裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，能有效保護(hù)鋰電池，延長(zhǎng)鋰電池的使用命。且PF值在0.8以上，提高了電能的利用率。

參考文獻(xiàn)：

[1]張廷鵬，吳鐵軍，徐明，等.通信用高頻開關(guān)電源[M].北京：人們郵電出版社，1997：70-72.

[2]桂麗.基于MC33260的CUK型有源功率因數(shù)校正的研究與設(shè)計(jì)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

（作者單位：湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院）