電動(dòng)自行車(chē)的均衡充電應(yīng)用研究

郝超 戴飛 代荊軻

摘 要：串聯(lián)電池組有主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡兩種的充電模式，主動(dòng)均衡充電可以有效的延遲電池組的壽命。對(duì)于24v以上的鉛酸蓄電池組，被動(dòng)均衡充電不能有效的控制每一只電池，盡可能導(dǎo)致實(shí)際容量早衰，循環(huán)壽命的縮短。為了解決傳統(tǒng)的方法存在充電相應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的難題，提出電動(dòng)自行車(chē)快速充電均衡控制方法，對(duì)電動(dòng)自行車(chē)充電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和解析以及傳輸都進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了電動(dòng)自行車(chē)快速充電均衡控制系統(tǒng)架構(gòu)，本文詳細(xì)的介紹了電動(dòng)自行車(chē)電源系統(tǒng)的改進(jìn)，電池能量利用率得到提高。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車(chē);均衡控制;循環(huán)壽命;充電器

電動(dòng)自行車(chē)電源系統(tǒng)目前大多采用24～36v串聯(lián)充電，如選用鉛酸、鎳氫蓄電池，電池組因單個(gè)電池的容量和內(nèi)阻不可能做的完全一致，在串聯(lián)狀態(tài)的時(shí)候，36v充電器在進(jìn)入恒壓充電階段的時(shí)候，電池的電壓都不相同，串聯(lián)充電會(huì)有可能引起爆炸的危險(xiǎn)，個(gè)別電池因?yàn)槌潆婋妷哼^(guò)低而欠充，電池因充電電壓過(guò)高而過(guò)充，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通行業(yè)也呈現(xiàn)了較高的發(fā)展?fàn)顟B(tài)趨勢(shì)。電動(dòng)自行車(chē)由于自身的便利環(huán)保性，越來(lái)越多的人成為出行的首選，電動(dòng)自行車(chē)充電控制方法對(duì)電池的實(shí)用性能有決定的作用。找尋合理的方法完成電動(dòng)自行車(chē)充電的智能控制，進(jìn)行充電均衡控制而達(dá)到優(yōu)越性。

1 電動(dòng)自行車(chē)改進(jìn)辦法

1）電池組的均衡充電控制。電動(dòng)自行車(chē)為了提高電機(jī)效率和減少電流，絕大多數(shù)電動(dòng)車(chē)輛和便攜的電動(dòng)工具都使用串聯(lián)電池組，但結(jié)果是它的壽命不是多讓人滿意的，控制系統(tǒng)可對(duì)電動(dòng)自行車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，我們要將通用的36v1.5～1.8A三段式充電器改為12v5.4A三段式充電器，三個(gè)電池的平均充電電流為1.8A。要購(gòu)買(mǎi)1套TENABLE牌A1型均衡充電轉(zhuǎn)換器帶插頭、連接線，增加此裝置時(shí)，需在電池箱內(nèi)增加長(zhǎng)58mm×寬70mm×17mm高的尺寸。充電完畢后需壓緊防雨水蓋，雨水進(jìn)入將會(huì)進(jìn)行充放電觸點(diǎn)之間電解并會(huì)長(zhǎng)出銅綠，電池組放不出電，同時(shí)避免兒童插入其它異物而發(fā)生短路。電動(dòng)自行車(chē)的電子控制模塊當(dāng)自行車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些電子控制模塊通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，采集自行車(chē)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，用WIFI網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，對(duì)軟件施行編制。

2）終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。終端是電動(dòng)自行車(chē)實(shí)現(xiàn)信息監(jiān)測(cè)的部件，可以獲取和保存電動(dòng)自行車(chē)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行解析以及呈現(xiàn)出來(lái)，其中處理器是Android信息終端結(jié)構(gòu)的核心由CAN總模塊、USB總行模塊以及LCD接口模塊等構(gòu)成，可通過(guò)總模塊能夠獲取電池管理系統(tǒng)的子網(wǎng)和電機(jī)管理系統(tǒng)子網(wǎng)還有總車(chē)控制系統(tǒng)子網(wǎng)傳遞的數(shù)據(jù)，接口模塊對(duì)觸摸屏進(jìn)行管理，處理器解析后通過(guò)自行車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)跟電流數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行觸摸顯示，USB線模塊與USB-WiFi模塊實(shí)現(xiàn)信息的交互，將獲取電動(dòng)自行車(chē)的數(shù)據(jù)傳到無(wú)線局域網(wǎng)中。采用CAN總線獲取電機(jī)、電池信息。對(duì)自行車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)和電量數(shù)據(jù)進(jìn)行了保存和解析，通過(guò)USB-WiFi模塊向外傳輸自行車(chē)電機(jī)電池信息，采用模糊控制的方法實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車(chē)快速充電均衡控制，電動(dòng)自行車(chē)的電能提高了使用效率。

3）串聯(lián)電池組均衡充電。電池組的平均循環(huán)壽命低于單值蓄電池的循環(huán)壽命。從上世紀(jì)90年代開(kāi)始國(guó)外就開(kāi)始研究延長(zhǎng)串聯(lián)的電池組，特別是閥控鉛酸蓄電池的壽命問(wèn)題。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)表明，串聯(lián)蓄電池的各個(gè)電池的性能差異越大，就會(huì)隨著充電次數(shù)的增加，繼續(xù)發(fā)展導(dǎo)致串聯(lián)電池組容量快速下降，壽命終結(jié)。這一類的研究主要側(cè)重于串聯(lián)電池組的充電方法，能保證各個(gè)電池具有相同電量、同時(shí)被充滿電的充電方法，被稱為均衡充電方法，串聯(lián)電池組的各個(gè)電池旁并聯(lián)電阻和電容變壓器以及其它電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)均衡充電，這個(gè)方法就稱之為主動(dòng)均衡充電，主動(dòng)均衡充電可以讓串聯(lián)的電池組的各個(gè)電池電量同步增長(zhǎng)，避免過(guò)充和過(guò)放電的發(fā)生，有效的防止容量下降來(lái)延長(zhǎng)電池組的壽命。

2 均衡充電下電動(dòng)自行車(chē)的電池組

1）電動(dòng)自行車(chē)的鉛酸電池組。充電電壓的差異存在導(dǎo)致容量早衰，被動(dòng)均衡充的方式每一只蓄電池都會(huì)有相同的電壓和電量變化，僅僅需要監(jiān)控電壓和電流。實(shí)際上蓄電池組使用初期電池的電壓和電流量變化可能是一致的。電動(dòng)自行車(chē)鉛酸電池組出廠4個(gè)月，使用兩個(gè)多月，容量就早衰跌至11.5Ah。整租的蓄電池電壓始終未超過(guò)4.7v充電限壓值，充電電壓差異的持續(xù)將導(dǎo)致嚴(yán)重過(guò)充電，由于被動(dòng)均衡充電方式不能直接控制蓄電池組中每一個(gè)電池的電壓，充電時(shí)電池之間電壓的差異會(huì)隨著充電次數(shù)的增加而擴(kuò)大，導(dǎo)致個(gè)別電池的嚴(yán)重過(guò)充現(xiàn)象發(fā)生。過(guò)充電導(dǎo)致過(guò)放電，形成惡性循環(huán)，均衡充電時(shí)電池組里的所有電池的電流都是同樣的，電池組中過(guò)充電的電池上的充電電壓最高，會(huì)承受最大的電功率，有可能排氣和失水，容量下降。多充放電之后，過(guò)充電電池在充電時(shí)將嚴(yán)重過(guò)充電，放電時(shí)則又嚴(yán)重過(guò)放電。因此這是一個(gè)惡性循環(huán)過(guò)程。

2）鋰離子電池實(shí)現(xiàn)均衡充電模式。鋰電池從使用狀態(tài)可分為兩大類：純電動(dòng)型和助力型。純電動(dòng)型采用36v/10Ah電池組：助力型則可根據(jù)助力比例選定不通的電池組。單體鋰離子電池通過(guò)串聯(lián)組成電池組，來(lái)滿足鋰電池的電壓和功率。對(duì)電池組兩端加電壓充電，就像目前普遍采用的鉛酸電池組一樣。充電過(guò)程中，串聯(lián)的單體電池所流過(guò)的電流相同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各種材料，數(shù)量等不能完全一致，電池內(nèi)阻也不相同，電池充電采用平行式充電方式，串聯(lián)電池充電時(shí)，采用的是對(duì)各單體獨(dú)立進(jìn)行充電，實(shí)踐將會(huì)證明這種充電模式非?？煽?，當(dāng)單體電壓達(dá)到4.20±0.05v時(shí)，可開(kāi)始限壓充電，充電達(dá)到一定的時(shí)間，電池會(huì)自行充滿電。不管以多大電流充電， 因?yàn)槎际菍?shí)行限壓充電，所以無(wú)論充電多長(zhǎng)時(shí)間， 都是安全的。

3 鋰電池的優(yōu)越性和鋰離子特性

在限速20km/h的前提下有一定的載重能力和爬坡能力，起動(dòng)快，且行駛平穩(wěn)，電池質(zhì)量要輕，便于使用者搬運(yùn)充電輕便，保證電池安全可靠，要實(shí)現(xiàn)久壓保護(hù)，溫度保護(hù)，剎車(chē)斷電等功能。鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.6v，接近鉛酸電池的2倍。串聯(lián)的單體電池越多從而可靠性越低。鋰離子電池體積小質(zhì)量輕，對(duì)電動(dòng)自行車(chē)的使用很重要。國(guó)內(nèi)外電動(dòng)自行車(chē)的質(zhì)量在18kg一下，除了在車(chē)架和電機(jī)上采用外，鋰離子電池質(zhì)量在4kg，充電很方便，性價(jià)比較高。

鋰離子動(dòng)力電池與任何密封式可充電池一樣，要對(duì)充電進(jìn)行控制不能濫充，在工藝技術(shù)，電池結(jié)構(gòu)上采取了許多安全措施，且重視充電過(guò)程的控制。在恒流充電過(guò)程中電壓迅速上升，由于是電池極化造成的，充電電壓過(guò)高，在嚴(yán)重過(guò)充過(guò)程中，負(fù)極可能發(fā)生鋰沉積，溶劑也可能發(fā)生分解，導(dǎo)致電池發(fā)熱或短路。恒流限壓充電的方法對(duì)單體鋰離子電池來(lái)講，是比較容易實(shí)現(xiàn)的，如果要對(duì)電池組進(jìn)行充電，就要考慮每個(gè)電池的充電狀態(tài)，當(dāng)恒流充電至電池電壓達(dá)到限壓值時(shí)，立刻轉(zhuǎn)為恒壓充電，充電電流開(kāi)始下降，來(lái)實(shí)現(xiàn)均衡充電的目的。

4 結(jié)論

電動(dòng)自行車(chē)配用了均衡充電轉(zhuǎn)換器后，電池組不會(huì)出現(xiàn)個(gè)別電 池的過(guò)充或欠充只要充電電壓選擇正確的電池組實(shí)際壽命有所提高。本文討論了電動(dòng)自行車(chē)的均衡充電應(yīng)用研究可滿足了電動(dòng)自行車(chē)的使用要求，發(fā)揮鋰電池電動(dòng)車(chē)輕便、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。能充入額定容量達(dá)到95%以上的電量，充電器紅燈變綠燈的設(shè)置有2種：以電壓控制以0.2C充電為宜，全充電時(shí)間約為5.5h;以電流控制，以0.3c充電為宜，全充電時(shí)間約為4.5h。壽命決定于選取的大功率小型繼電器制造品質(zhì)，電動(dòng)自行車(chē)均衡控制方法，分析了實(shí)現(xiàn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車(chē)的均衡控制。

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作者簡(jiǎn)介

郝超（1998-），男，漢，山東省鄒城市，在讀本科，研究方向：機(jī)械工程。

戴飛（2000-），男，漢，江蘇省無(wú)錫市，在讀本科，研究方向：機(jī)械工程。

代荊軻（2000-），男，漢，河南省許昌市，在讀本科，研究方向：機(jī)械工程。