電動腳踏車蓄電池智慧型充電器

提出了一種採用先恆流後恆壓的兩段式充電方法的蓄電池智慧型充電器。該充電器以B u c k 變換器為核心， 利用 U C 3 8 8 6晶片實現平均電流模式P WM控制， 並且通過一定的控制電路實現智 能化充電。闡述了該充電器的充電方式、 控制方法的設計以及整個電路的分析。

基本介紹

• 中文名：電動腳踏車蓄電池智慧型充電器
• 類型：智慧型充電器
• 核心：B u c k  變換器
• 關鍵字：蓄電池；充電器；恆流；恆壓； P WM控制

現實狀況

目前， 電動腳踏車因其具有使用方便 、 省力、快速和環保等優點，已經成為越來越多的上班族 的交通工具。 無疑， 大家會很關心電動腳踏車的使 用壽命問題。電動腳踏車的使用壽命主要與所使用的蓄電池的使用壽命有關 ，而蓄電池的使用壽命決定於蓄電池本身的質量和使用維護方法。若 使用維護方法得當，則能大大延長蓄電他的使用壽命，其中正確的充電方法不僅能使蓄電池的壽命得以延長， 而且又可使它的容量得以充分利用。本文提出的 3 6 V蓄電池智慧型充電器是採用先恆 流後恆壓的兩段式充電方法，並能實現智慧型化控制， 適用於電動腳踏車常用的 3 6 V / 1 2 A· h 鉛酸蓄電池充電。

充電方法

對於鉛酸蓄電池，若採用恆壓充電方法進行充電，則在充電開始充電電流很大，會引起高溫 ， 且恆壓充電不能調整充電電流的大小 ， 不宜於蓄電池的初期充電。 若採用恆流充電， 充電時間太長，且易引起過充，過充電由於劇烈的放出氣泡， 會在極板內部造成壓力 ， 加劇活性物質的脫落， 使極板過早損壞， 不宜於蓄電池後期充電。鑒於此，充電器採用先恆流後恆壓的充電方式， 如圖1 所示。充電初期， 充電電流較大， 電流值限制在 0.1 c ～ 0.2 c ( c指的是蓄電池容量， 此處容量為24V / 1 2 A· h ) ， 取 1.8 A， 對蓄電池進行恆流充電確保蓄電池充電時安全快速。當蓄電池容量達到8 0 %左右， 電壓達到 1 3 ． 8 V 憚 體( 單體電壓 1 2 V)即 27.6 V時，充電器保持該電壓對蓄電池進行恆壓充電，充電電流減小，直到接近 C / 5 0即0 ． 2 4A 左右， 認為充電結束， 通過一定的方法控制蓄電池停充， 這樣可以儘可能地使蓄電池充得更足。

控制方法

鑒於充電過程分恆流和恆壓兩個階段，採用平均電流模式 P WM控制方法， 如圖2所示。此控制方法是利用電壓外環和電流內環的雙環負反饋控制， 對輸出電壓和輸出電流分別進行跟蹤採樣，與基準值進行比較， 將誤差放大後送人 P WM控制器， 控制變換器開關管的占空比， 從而調整輸出電壓或輸出電流的大小， 使其穩定。當s打向 2時，通過閉環控制， 將使輸出電流穩定， 而當s打向 1 時， 通過閉環控制 ， 將使輸出電壓穩定， s的動作將隨充電的進行自動控制切換。 另外， 通過對閉環 控制網路進行增益和相位補償設計，以提高控制的穩定性， 降低輸出的穩定誤差 ， 改善回響特性 ，提高抗干擾能力。

電路分析

充電器總電路原理圖如圖3所示，具體電路如圖4所示。從圖3中可以看出，總電路分主電路、 控制電路和輔助電路等三大部分 ， 其中輔助電路包括輸入電源、 輔助電源、 保護電路、 顯示電路和充滿 自停電路。下面分別給予詳細分析。

主電路的分析

主電路採用B u c k型 D C / D C變換器，主要由 MO S F E T管 s1 和肖特基二極體 D 兩個組合開關 管以及 。L1 、C2 組成的濾波器構成， 它是一種降壓斬 波電路， 開關頻率為 1 0 0 k H z ， 在輸入電壓 基本 不變的情況下，通過控制 MO S F E T開關管導通時間的占空比D， 可以在 0 ～ Ud之間控制輸出電壓和 相應的輸出電流。連續工作模式下的輸出電壓和輸入電壓之間滿足以下關係， 即V0 =DVd ( 1 ) 這樣的可控電壓和電流很適合對蓄電池的充電， 而且通過脈衝寬度調製( P wM) 方法， 可以較容易地將輸出端的諧波含量濾除，得到更接近直流的輸出電壓和電流。

控制電路的分析

如前所述，該充電器的控制主要分恆流充電 和恆壓充電控制， 採用平均電流模式 P WM控制方法。平均電流模式控制方法有其顯著的優點：

( 1 ) 具有高增益的電流放大器， 平均電流能精確地跟蹤電流設定值和電壓設定值；

( 2 ) 噪聲抑制能力強；

( 3 ) 無需斜波補償。

電路中，該控制方法主要由晶片 U C 3 8 8 6完成。該晶片是一種平均電流控制型 D C / D C變換器 P WM控制器， 具有低失調、 高頻帶電流和電壓放 大器， 可滿足高性能系統的要求； 具有低失調電流取樣放大器， 可使用低阻值取樣電阻R1， 以降低功耗， 並允許用戶設定電阻( 如 R16～ R19) 選擇增益； 工作頻率有外部電阻R15和電容 C8 設定，這裡設定工作頻率為 1 0 0 k H z ； 另外， 它具有最大 1.5 A峰值 推拉電流輸出， 因此， 本電路無需另設驅動電路，直接由G A T E端輸出驅動 MO S F E T管工作。

電路恆流充電期間， 採樣電感 L1 電流， 輸入晶片的腳 1 4和腳 1 5 ，經過差分形式的取樣放大器放大， 由腳 1 6輸出， 與腳 3提供的電流給定值比較， 所得誤差經由R20,R21,C9 和內部電流放大器組成的P I 調節器運算，再通過內部 P WM比較器比較產生 P WM開關信號，去控制 MO S F E T開關管工作。 通過這樣的電流單閉環控制， 控制電感上的平均電流保持恆定值為 1.8 A，以實現恆流充電。電路恆壓充電期間， 分壓電阻 巧採樣輸出電壓， 與腳 4提供的電壓給定值比較， 所得誤差經由 R22,R23,C10 和內部電壓放大器組成的 P I 調節器運算， 作為電流誤差放大器的給定， 再與電感電流採樣值進行比較、 P I 運算， 最後通過 P WM比較器比較產生 P WM開關信號，去控制 MO S F E T開關管工作。 通過這樣的電流內環、 電壓外環組成的雙閉環控制，控制輸出電壓平均值保持恆定值為4 1 ． 4 V， 以實現恆壓充電。 上述的P I 調節器的參數( 對應電阻和電容的取值) 均根據系統的穩定性和動態特性的要求， 通過閉環系統補償網路的設計來選擇。 恆流和恆壓充電的切換控制電路主要由遲滯比較器 U 4 B 和晶片 C D 4 0 5 3 B構成。C D 4 0 5 3 B晶片是三路單刀雙擲雙向模擬開關，在腳 6為低電平 的前提下， 當腳 A為低電平時， a x / a y腳與 a x 腳連 接 ， 反之， a x / a y腳與 ay 腳連線， 腳 B 、 C的控制類似 ， 這裡將腳 A、 B、 C共接， 實現三路開關同步控 制。當恆流充電進行到蓄電池端壓上升到4 1 ． 4 V 時， 需要將恆流充電切換到恆壓充電， 為了避免來 回頻繁切換， 利用了遲滯比較器的特性， 將其高閾 值電壓 Vth 與 4 1 ． 4 V電壓對應。 分壓( R26R27 ) 採樣 蓄電池端電壓， 輸入遲滯比較器 U4b， 當蓄電池端 電壓未達到4 1 ． 4V時， U4b輸出高電平給腳 A、B、C， 使電壓外環斷開， 只有電流內環起作用， 實現恆 流充電，而當蓄電池端電壓達到 4 1 ． 4 V時， U4b 輸出低電平給腳 A、 B、 C ， 使電壓外環連線， 雙環均起作用， 實現恆流充電到恆壓充電的切換。3 - 3 輔助電路的分析輔助電路包括輸入電源、輔助電源、保護電路、 顯示電路和充滿自停電路。 輸入電源和輔助電源均由降壓、 整流、 濾波和穩壓電路組成， 屬於一般設計， 無需分析。保護電路包括過流保護、 過壓保護、 短路保護和電池反接提示等。過流保護：由平均電流模式控制自動快速實現過流保護， 無需另設電路。過壓保護： 通過採樣輸出電壓， 一旦高於5 0 ． 4 V時認為過壓， 由U5b和 外圍電路組成的正向遲滯比較器送出過壓信號( 高電平 ) ， 使開關管 S2飽和導通， 強制將 U1 的 腳1 ( P WM比較端) 電平拉低， 迅速減小占控比D，從而可以調整降低輸出電壓， 起到過壓保護。 短路保護：通過採樣輸出電壓，一旦發生短路， 輸出電壓為零 ， 使開關管 s 4 截止， s 3 導通， 繼電器J1 線圈得電， 使常閉觸點J 1-1 斷開， 迅速切斷 輸入電源， 起到短路保護。 電池反接提示：當電池反接時，發光二極體 L E D1 亮( 紅光) ， 以示提醒。充滿自停電路和顯示電路 ： 採樣電感電流， 當 電流下降到0 ． 2 4 A時，通過由u 5a 和外圍電路組 成的差分放大器放大，經遲滯比較器 u4a她輸出高 電平， 使開關管 s 3 導通， 繼電器 J 1 線圈得電， 一方面， 使常閉觸點 J 1-1斷開， 切斷輸入電源， 停止充電； 另一方面， 使常閉觸點 J l 斷開， 發光二極體 L E D2 熄滅( 綠光) ， 而常開觸點J L 3 閉合， 發光二極 管L E D3 亮( 黃光) ， 表示充電完畢。 若充電未結束， 將受到上述相反的控制， 發光二極體 L ED2 亮( 綠光) ， 表示充電正在進行。

總結實現

本文提出的24V電動 腳踏車蓄電池智慧型充電器， 以B u c k型 D C / D C變換器為核心， 採用了平均電流模式 P WM控制， 實現了先恆流後恆壓的兩 段式充電，可以達到快速且較滿容量的充電。另 外， 該充電器能實現兩段式充電的自動切換， 以及 具備充滿 自停功能、多種保護作用和充電狀態顯 示功能等， 充分顯示了智慧型化的特點。不過， 若想 實現更智慧型化的充電，不妨嘗試採用單片機來控制。