電動自行車充電器的充電模式和參數設置

　　摘要：分析了鉛酸蓄電池用三段式充電模式及其充電器忽略了電池的負溫度特性的缺陷，從充電器充電的波形和頻率出發，提出應采用兼有常規性充電功能和修補性充電功能的多功能充電器，并給出了常規性充電階段和補充性充電階段的技術參數。

　　電動自行車（以下簡稱“EB”）產業的興起，對充電器提出了高要求。目前EB所配置的充電器，多屬于傳統的三段式充電器，三段式充電器的充電模式是將充電過程分為恒流、恒壓、浮充三個充電階段，以我國EB采用較多的36V12Ah鉛酸蓄電池組為例，第一階段以1.8A的恒定電流將電池充到約44.4V；第二階段將充電電流減小至約0.3A，再次將電池電壓充到44.4V；第三階段將電壓降至約41.4V，電流減至約50MA對電池進行浮充。

　　從幾年來的使用情況看，三段式充電器暴露了一些問題。以下仍以36V12Ah鉛酸蓄電池組為例，談談三段式充電器的缺陷和解決方案。

　　1、三段式充電器忽略了電池的負溫度特性

　　三段式充電器充電參數的設定除受所配電池單體極板面積大小、電極特性、電解液密度等因素影響外，還受蓄電池的環境溫度的影響。

　　雖然一直以來，人們都明白電化學的溫度效應是不能回避的，但卻在充電器問題上忽略了。原因可以有很多，但特別應在此指出的是：過去人們對蓄電池容量、壽命與溫度之間關系的感觸和認識從來沒有象今天這樣直接和具體，須知，這是千萬個EB用戶參與了“實驗”的結果。

　　在我國幾乎所有的地區，使用無溫度補償的充電器，都會對電池造成損害。夏季過充，冬季欠充，過充和欠充容易造成電池失水和硫酸鹽化，電池失水后，硫酸濃度提高，加劇了板極腐蝕，就更容易產生硫酸鹽化，硫酸鹽化的電池表現為更容易失水。這是一種連鎖反應。鉛酸電池硫酸鹽化是影響EB續駛里程和電池壽命的重要因素。

　　無溫度補嘗的充電器究竟對電池的損害有多大，目前還缺少實驗數據，對蓄電池進行定量分析要比定性分析復雜困難得多，但以下的數據可以參考：EB標準規定，鉛酸蓄電池的循環次數不得不少于350次，但實際上有相當多的電池使用時間不到8個月，即循還次數不足240次。

　　充電器增加溫度補償功能并不困難，如只要將原基準電壓改為具有負溫度系數特性的基準電壓，一般就可以了。

　　2、三段式充電模式缺少修補性充電環節

　　三段式充電模式的恒流——恒壓——浮充三個充電階段，都是圍繞怎樣充滿電池來設計的，因此，這三個充電階段占用了全部充電時間，如36V12Ah電池組的充電電流通常被設定為18A，有公式：12(安時）×1.2（效率）÷8（小時）=1.8A。恰好能在標準規定的8h內將電池充滿，設計時就沒打算留出修補電池的時間，更何況三段式充電器一般也不具備修補電池的功能。

　　產業界向來有人認為：我國的EB以采用鉛酸蓄電池為主，并且采取的是全動力模式，如電池長期不能達標，我國的EB產業將可能有再次夭折的危險。但技術界對此問題的認識是：要想鉛酸蓄電池達標，除有待于電池本身的技術進步外，采用充電與修補功能兼備的多功能充電器是解決問題的有效途徑。因此，我們建議立即從以下兩方面入手對EB充電器進行技術改造。一是將36V12Ah電池組的充電電流從1.8A提高到3A以上，用約4h的時間對電池進行常規性充電，留出4h以上時間對電池進行修補性充電；二是給充電器增加對電池進行修補性充電的功能。

　　3、關于充電的波形和頻率

　　充電器賴以對電池產生影響的是充電電壓、電流及其波形和頻率，其中，充電電壓主要與電池充得滿不滿有關，充電電流主要與充電充得快不快有關，而充電的波形和頻率則主要與充電充得好好不好有關，這里的“好不好”指得是電池的容量和壽命。實踐證明，以上三者雖各有側重，但其關系是相輔相成、不可忽略的。

　　充電器屬于電源技術領域，在充電過程中強調波形和頻率的作用是開關電源出現以后的事，而三段式充電模式出現在線性電源時期，因此，三段式充電模式偏重于充電電壓和電流，缺少充電波形和頻率方面的內容是情有可原的。現在，EB配置的充電器全都是用開關電源技術設計的，但卻仍采用三段式充電模式，這顯然是不相宜的，據我們調查和檢測，目前的EB充電器還不同程度地存在以下問題：

　　（1）輸出紋波太小。有的竟只有50mV，顯然這是將充電器當成穩壓電源來做了，也許這種紋波可以用來給鋰離子電池充電，但對于36V鉛酸蓄電池來說，充電脈沖的幅值應以1-2V為好。

　　（2）輸出連續三角波。這通常是正激式開關電源充電器才有的波形，由于極化現象的存在，蓄電池忌諱用直流充電，包括連續三角波。常規性充電的最好波形是單端反激式開關電源通常所輸出的下降型脈沖，尤其是緊接脈沖之后存在的一段休止時間，還可以消除鉛酸蓄電池因充電而產生的電化學極化；比較而言，正激式開關電源充電器的溫升雖然可以做得低一些，但其輸出波形不如反激式電源，不過這可以通過調整其輸出三角波的占空比來加以彌補。
　　
　　（3）在充電器與電池之間串聯有一二極管。其目的可能是為了防止電池通過充電器放電，但這樣做是錯誤的。充電就是需要又充電又放，邊充邊放，充多放少，哪怕放電只有充電的百分之一，也將會對抑制電池氣化和抬高氣化電壓等產生不可替代的作用。應該認識到，如能在每一常規性充電周期留出幾微秒和在修補性充電周期留出幾秒鐘用來放電，對消除鉛酸蓄電池在充電時產生的電化學極化和濃差極化，從而增加和延長電池的容量和壽命將會有決定性意義。

　　（4）充電頻率單調。一個優秀的充電器必須具有多種充電模式：脈沖充電、負脈沖激活、變頻充電等模式，只有具備這些技術的充電器才能有效地去除電解液濃度極差、板柵硫酸鹽化和極化現象。脈沖充電、高頻充電以及變頻充電等充電技術，正在被越來越多地應用在充電器上，可以預期，一種兼有常規性充電功能和修補性充電功能的多功能充電器必將替代功能單一的三段式充電器而成為EB的主流。

　　4、一種實用的EB多功能充電器的充電模式和參數

　　如將凡包含常規性充電功能和修補性充電功能的充電器統稱為多功能充電器，那么根據以兩種充電功能結合方式的不同，可以設計出多種模式的多功能充電器，但從EB的適用角度考慮，還是將以上兩種充電功能分開來設計好，即將有限的充電時間劃分為兩個充電時間段，前段時間用來完成常規性充電，后段時間用來進行修補性充電。以下仍以36V 12Ah鉛酸蓄電池組為例，介紹一種實用的多功能充電器的充電模式和參數。

　　4.1常規性充電階段

　　（1）電源類型：單端反激式開關電源；（2）滿輸出充電頻率：25kHz，即充電電源3A時的電源工作頻率；（3）充電波形：下降型三角脈沖；（4）脈沖幅度：約1.6V；（5）脈沖最大寬度：約25μs；（6）充電休止時間：約15μs；（7）放電電流：約50mA；（8）充電平均電流：3A；（9）充電峰值電流：約10A；（10）充電時間：約4h，即充電4h后，電池電壓應上升到43.2V（常溫），容量已達75%以上；（11）減流轉折電壓：常溫下43.2V，該電壓為“氣化點電壓”，即在用直流充電的情況下，此時鉛酸電池的電解液已開始大量氣化。以下轉入修補性充電階段。

　　4.2修補性充電階段

　　（1）線性減流及范圍：電池電壓上升到43.2V（常溫）時，充電電流開始減小，減小的速率呈線性，平均充電電流從3A最終減為不小于0.3A，或峰值充電電流從約10A減為1A；
　
　　（2）充電頻率變化范圍：線性減流時，隨著充電電流的減小，充電頻率開始上升，其變化范圍為25-100kHz；

　　（3）充電終止電壓：參見表1列出的“恒壓充電電壓”，該電壓相當于“氣化點電壓”加約1.2V，當電池電壓上升至該電壓時，充電器終止充電；

　　（4）重起動電壓：參見表1列出的“浮充充電電壓”，終止充電后，電池電壓下降，當降至重起動電壓時，充電器將再次起動將電池充到充電終止電壓，而后充電終止，電池電壓再次下降，充電將循環反重地進行下去；

　　（5）充電終止時間：終止充電后，電池電壓下降的時間起先較快，約幾秒鐘，隨著時間推移，終止充電的時間會越來越長，可達幾分鐘以上；

　　（6）修補性充電的延續時間：4h以上不限。