電動車用電池充電器的原理與維修（一）

www.sail-shipping.com 來源：中國電動車信息網　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2005-10-15

一、概述（一）控制器、充電器與車用電池控制器和充電器對車用電池的使用壽命是至關重要的。控制器在從電池取用電能的同時，要防止過放電；充電器在向電池充電的同時要防止過充電。否則，電池極板不是因為過充就是因為過放而受到損壞，電池壽命很快終結。因此，充電器和控制器就像電池的監護人一樣，在充電和放電的過程中對它加以保護，過放不行，過充不行。同樣，欠充仍然不行。欠充結果是活性物質變得頑固而不再容易產生還原反應，出現鈍化現象，這部分極板則只占空間和重量，而不再貯存能量。這部分無效物質越多、電池容量越低。過充、過放、欠放是危害電池壽命的三大因素。（二）脈沖充電脈沖充電是以不連續的、固定電壓的方波形向電池充電，充電電流較大。充電初期由于正負極板都處于硫酸鉛狀態，有較大的接受能力，又由于方波的不連續性，每個波形間又有停止間歇，給極板活性物質以充分的反應、調整、內外物質均衡的機會，所以初期充電較快。隨著極板物質不斷得到還原，電壓不斷升高，充電速度(Tempo)不斷減慢，活性物質反應速度(Tempo)逐漸降低，極板周圍也逐漸積聚大量帶電離子，包圍住極板，使極板被隔離，阻止后續帶電離子到達活性物質。當極板電位達到極限時（接近充電終止電壓），電化作用幾乎停止進行。到極化點，轉而對極板周圍的水分進行分解，表現為大量冒泡和水分蒸發，正極表面吸附大量氧氣，負極表面吸附大量氫氣，這時的電壓稱為“產氣點”。解決和消除這種妨礙充電的極化現象，方法是先短暫地停充，然后用較大的、反方向的、時間極短的電流——負脈沖，對正負極板施加反方向電壓，清除極板周圍聚集的大量正負離子和氣體，掃清道路(Strada)。反脈沖實際就是一種放電措施。將正負極短暫短路的方法也能消除極化，或停頓一段時間極化現象也能自行消除，但負脈沖更有力、更快、更節省時間。（三）開關電路充電器當前的車用充電器和過去傳統充電器完全不同，充電器都采用了開關電路，并設置自動調整、控制和保護功能，在充電期間，不需有人看守。開關電路的優點是充電快、質量好、效率高、不損及電池的壽命。開關電路是當前常用的能夠穩壓穩流、自動調節的裝置，并且采用脈沖裝置的電路。充電器電路和控制器電路與家用音響、彩電等同屬一個類型。只要稍加改造、增加或減少一些元器件，幾乎可以代用。二、對充電器的要求這里所要講的充電器，以鉛酸電池為主，其他電池品種可以參考。充電器品質的高低，對電動自行車的續駛里程能否保持最佳狀態，是否會損壞電池和減少電池壽命，使用者能否得到經濟和實惠，有著極密切的關系。（一）電動車充電社會化保障是必然趨勢按照電動車的發展，未來(Futura)電池的充電，在路邊充電站進行的次數會越來越多，充電站要同時對多種電池充電，而這些電池，品類繁多、狀態各異，這使充電工作復雜化。為此，充電站必須對電池進行系統管理，管理的關鍵在預測和充電，充電器性能必須完善。充電站接到放了電的電池，繼而定制快充、常規及涓流各階段充電方案。在進行充電過程中應當具備各種顯示和指示，如電壓、電流、時間、已經充入的電量、充電已經進行到什么階段等。每個電池廠家都應當對自己生產的電池作充分的試驗，確定并掌握充電過程的特點。主要是各個轉折點：快充到什么時候最為適宜、什么時候開始極化，發熱產生的時間、電流大小對極化和發熱的線性關系、單格電池的放電和充電終止電壓、脈沖的幅度和占空比、反脈沖的強度以及涓流時刻和延續時間、電池內溫的測定和傳送等。根據這些特點和數據，計算和設計充電電路，使電路最適合自己的產品，成為配套專用充電器。如若不是經過測定和試驗確定的充電電路，而是從市場(Rialto)任意選購來的，不可能完全適合產品特性，多少存在一些不利因素，最好不這樣做。對電池來講，充電器就像一個負責的倉庫管理組合體，它可以將雜亂無章的貨物——電能，經過精心的整理，存入倉庫——電池的各單元格內。搬運工們均勻一致地碼放貨物，每個格子不多不少，不偏不倚，機會相等，永遠保持均衡狀態，直到裝滿為止，不能將庫中的格子擠壞，也不能因碼放不整造成倒塌損壞庫房，還應當能夠充分利用庫容。（二）對未來(Futura)充電站的要求未來(Futura)充電站應當能夠根據電池特點，按照電池的要求，達到如下幾點：（1）對已經完全放電的電池，充電初期應當以大電流充電，以達到快速的目的。快速充電的前15min內，可充入總容量的50%～80%。（2）為達到快速和高效率，充電器應采用脈沖電路。（3）充電到一定程度，即電池充到某轉折點時，應當適時地減小電流。（4）為了在充電過程中防止極板發生極化和產氣，而降低充電效率、分解和濃化電解液、極板發熱和硫化，應適時地加入負脈沖消除極化。當去極化完成、經測定產生預定效果，且電池的極板已經恢復到原來良好的充電狀態時，應自動停止放電并再次自動轉入充電狀態。（5）負脈沖的產生不僅要及時，而且要強度適中，不過分、不過弱。為此，電路又應當有檢測功能。當去極化不徹底時，還應當補充放電，直至極化現象完全消除為止。（6）充電器電路應當具有自動檢測和控制充電電壓的功能，其最終電壓不能超過電池規定的充電終止電壓。（7）恒流是相對的，恒壓是絕對的。這不僅描述充電過程，也是充電最后階段的絕對要求。電壓必須以電池的充放電終止電壓為準。充電的最后階段，由于充電器電壓和電池電壓之間差距越來越小，最后充電電流終止。所以，充電器的最高電壓限，應當十分準確，只有在最高限以下，才可以使電流逐漸降低。當充至該種類電池的轉折點，電流必須立即調整。在最后的轉折點，充電器應能自動轉入極小電流充電，也就是通常講的涓流方式。涓流仍然是脈寬調制，只是占空比小得多。鉛酸電池的涓流應在C/16以下。（8）充電達到規定的充終，并完成涓流細充之后，電池組中各電池極板完全還原，每個單擱互相間達到彼此均衡，充電器能自動切斷電源停止充電。（9）在顯示方面：有電源、充電、各階段狀態顯示、充入電量顯示等。（10）有反接、短路保護。（11）溫度漂移小，器件的電壓溫度系數要低，電壓不因環境溫度變化而不穩，這是保證最終電壓準確的條件。（12）充電器電路雜波、諧波要符合要求，不允許雜、諧波回饋電網。三、充電器基本知識電池的充電并不是隨意接上電源就能充的，如：交流電不變成直流電不能充，電壓不對不能充，電流大小應當適時，充電時間長短根據狀態而定等。有人說現在充電要脈沖電流，我將交流電半波整流后也是脈沖電流，充電不是一樣嗎！道理對也能充，但效果不佳。交流電的頻率是50HZ，并且波形軟、間歇不能完全回零，而真正的脈沖需要20～50kHZ，頻率相差了一千倍，脈沖的方形間有間歇，從有到無都是突變的，所以性質不同。（一）如何整流如圖4-36所示，圖中最左側是變壓器，只畫出鐵芯和次級線圈，沒有初級線圈，為了簡化，以后在沒有必要時均不加初級線圈。電源經變壓器將市電變壓至充電要求的電壓值，變壓后在電路上串接一個只允許電流單方向流動的二極管。當交流電正方向流動時，電流通過，電路有電流并對電池充電；當交流電反方向流動時，二極管截止電流通過，電路沒有電流，等交流電再次變為正方向時，又有電流。它得出來的實際整流電路的波形如圖的右側，橫線上部的有效波是間隔的，并不連續，下側波被二極管截止不能流過，只有上半部波形是有效的，稱之為“半波整流”。這種整流電路的充電效果不佳且效率很低，約為45%以下，是最簡陋的充電器。（二）全波整流電路為了克服半波電路的缺點，采用全波整流。圖4-37是全波整流電路的典型畫法，還有其他畫法，作用和意義是相同的。本電路經變壓后的電流，在正方向流動時，竟二極管1進入充電電路，給電池充電后，經3點返回變壓器形成反方向的回路。這樣，不管電流是什么方向，充電電路都有電流通過。由于正反方向電流都被有效利用，它的波形變成本圖右側的形狀，波形是密集的，已經不再是間隔的，全波整流效率接近90%，比半波整流效率提高了一倍。但這種電路仍有缺點，效率仍低。電壓波動不能控制。（三）濾波半波、全波整流出來的波形波動較大，而且還帶有一定比例的交流成分。這給充電造成一定麻煩，它的脈動并不是脈沖，它的交流成分也不是反脈沖，影響充電效果，應當改進。經過計算，給電路加一個大容量的濾波電容和小阻值的電阻構成的阻容濾波器（圖4-38）。本圖已將全波整流簡化，這個濾波器使經過整流輸出的直流電更加平穩，其電壓波形如右邊圖中實線所示，波峰被削掉了、波谷被填平了。