電動自行車的均衡充電應用研究

郝超 戴飛 代荊軻

摘 要：串聯電池組有主動均衡和被動均衡兩種的充電模式，主動均衡充電可以有效的延遲電池組的壽命。對于24v以上的鉛酸蓄電池組，被動均衡充電不能有效的控制每一只電池，盡可能導致實際容量早衰，循環壽命的縮短。為了解決傳統的方法存在充電相應時間長的難題，提出電動自行車快速充電均衡控制方法，對電動自行車充電數據的存儲和解析以及傳輸都進行了設計，設計了電動自行車快速充電均衡控制系統架構，本文詳細的介紹了電動自行車電源系統的改進，電池能量利用率得到提高。

關鍵詞：電動自行車;均衡控制;循環壽命;充電器

電動自行車電源系統目前大多采用24～36v串聯充電，如選用鉛酸、鎳氫蓄電池，電池組因單個電池的容量和內阻不可能做的完全一致，在串聯狀態的時候，36v充電器在進入恒壓充電階段的時候，電池的電壓都不相同，串聯充電會有可能引起爆炸的危險，個別電池因為充電電壓過低而欠充，電池因充電電壓過高而過充，隨著經濟的快速發展，交通行業也呈現了較高的發展狀態趨勢。電動自行車由于自身的便利環保性，越來越多的人成為出行的首選，電動自行車充電控制方法對電池的實用性能有決定的作用。找尋合理的方法完成電動自行車充電的智能控制，進行充電均衡控制而達到優越性。

1 電動自行車改進辦法

1）電池組的均衡充電控制。電動自行車為了提高電機效率和減少電流，絕大多數電動車輛和便攜的電動工具都使用串聯電池組，但結果是它的壽命不是多讓人滿意的，控制系統可對電動自行車運行數據進行檢測，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，三個電池的平均充電電流為1.8A。要購買1套TENABLE牌A1型均衡充電轉換器帶插頭、連接線，增加此裝置時，需在電池箱內增加長58mm×寬70mm×17mm高的尺寸。充電完畢后需壓緊防雨水蓋，雨水進入將會進行充放電觸點之間電解并會長出銅綠，電池組放不出電，同時避免兒童插入其它異物而發生短路。電動自行車的電子控制模塊當自行車運動時，這些電子控制模塊通過CAN網絡實現數據通信，采集自行車的運行數據，用WIFI網絡實現數據傳遞，對軟件施行編制。

2）終端結構設計。終端是電動自行車實現信息監測的部件，可以獲取和保存電動自行車的運行數據，對獲取數據進行解析以及呈現出來，其中處理器是Android信息終端結構的核心由CAN總模塊、USB總行模塊以及LCD接口模塊等構成，可通過總模塊能夠獲取電池管理系統的子網和電機管理系統子網還有總車控制系統子網傳遞的數據，接口模塊對觸摸屏進行管理，處理器解析后通過自行車運行數據跟電流數據來進行觸摸顯示，USB線模塊與USB-WiFi模塊實現信息的交互，將獲取電動自行車的數據傳到無線局域網中。采用CAN總線獲取電機、電池信息。對自行車運行數據和電量數據進行了保存和解析，通過USB-WiFi模塊向外傳輸自行車電機電池信息，采用模糊控制的方法實現電動自行車快速充電均衡控制，電動自行車的電能提高了使用效率。

3）串聯電池組均衡充電。電池組的平均循環壽命低于單值蓄電池的循環壽命。從上世紀90年代開始國外就開始研究延長串聯的電池組，特別是閥控鉛酸蓄電池的壽命問題。經研究發現表明，串聯蓄電池的各個電池的性能差異越大，就會隨著充電次數的增加，繼續發展導致串聯電池組容量快速下降，壽命終結。這一類的研究主要側重于串聯電池組的充電方法，能保證各個電池具有相同電量、同時被充滿電的充電方法，被稱為均衡充電方法，串聯電池組的各個電池旁并聯電阻和電容變壓器以及其它電路，來實現均衡充電，這個方法就稱之為主動均衡充電，主動均衡充電可以讓串聯的電池組的各個電池電量同步增長，避免過充和過放電的發生，有效的防止容量下降來延長電池組的壽命。

2 均衡充電下電動自行車的電池組

1）電動自行車的鉛酸電池組。充電電壓的差異存在導致容量早衰，被動均衡充的方式每一只蓄電池都會有相同的電壓和電量變化，僅僅需要監控電壓和電流。實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。電動自行車鉛酸電池組出廠4個月，使用兩個多月，容量就早衰跌至11.5Ah。整租的蓄電池電壓始終未超過4.7v充電限壓值，充電電壓差異的持續將導致嚴重過充電，由于被動均衡充電方式不能直接控制蓄電池組中每一個電池的電壓，充電時電池之間電壓的差異會隨著充電次數的增加而擴大，導致個別電池的嚴重過充現象發生。過充電導致過放電，形成惡性循環，均衡充電時電池組里的所有電池的電流都是同樣的，電池組中過充電的電池上的充電電壓最高，會承受最大的電功率，有可能排氣和失水，容量下降。多充放電之后，過充電電池在充電時將嚴重過充電，放電時則又嚴重過放電。因此這是一個惡性循環過程。

2）鋰離子電池實現均衡充電模式。鋰電池從使用狀態可分為兩大類：純電動型和助力型。純電動型采用36v/10Ah電池組：助力型則可根據助力比例選定不通的電池組。單體鋰離子電池通過串聯組成電池組，來滿足鋰電池的電壓和功率。對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。充電過程中，串聯的單體電池所流過的電流相同，內部結構和各種材料，數量等不能完全一致，電池內阻也不相同，電池充電采用平行式充電方式，串聯電池充電時，采用的是對各單體獨立進行充電，實踐將會證明這種充電模式非常可靠，當單體電壓達到4.20±0.05v時，可開始限壓充電，充電達到一定的時間，電池會自行充滿電。不管以多大電流充電， 因為都是實行限壓充電，所以無論充電多長時間， 都是安全的。

3 鋰電池的優越性和鋰離子特性

在限速20km/h的前提下有一定的載重能力和爬坡能力，起動快，且行駛平穩，電池質量要輕，便于使用者搬運充電輕便，保證電池安全可靠，要實現久壓保護，溫度保護，剎車斷電等功能。鋰離子電池的標準電壓為3.6v，接近鉛酸電池的2倍。串聯的單體電池越多從而可靠性越低。鋰離子電池體積小質量輕，對電動自行車的使用很重要。國內外電動自行車的質量在18kg一下，除了在車架和電機上采用外，鋰離子電池質量在4kg，充電很方便，性價比較高。

鋰離子動力電池與任何密封式可充電池一樣，要對充電進行控制不能濫充，在工藝技術，電池結構上采取了許多安全措施，且重視充電過程的控制。在恒流充電過程中電壓迅速上升，由于是電池極化造成的，充電電壓過高，在嚴重過充過程中，負極可能發生鋰沉積，溶劑也可能發生分解，導致電池發熱或短路。恒流限壓充電的方法對單體鋰離子電池來講，是比較容易實現的，如果要對電池組進行充電，就要考慮每個電池的充電狀態，當恒流充電至電池電壓達到限壓值時，立刻轉為恒壓充電，充電電流開始下降，來實現均衡充電的目的。

4 結論

電動自行車配用了均衡充電轉換器后，電池組不會出現個別電 池的過充或欠充只要充電電壓選擇正確的電池組實際壽命有所提高。本文討論了電動自行車的均衡充電應用研究可滿足了電動自行車的使用要求，發揮鋰電池電動車輕便、使用壽命長等優勢。能充入額定容量達到95%以上的電量，充電器紅燈變綠燈的設置有2種：以電壓控制以0.2C充電為宜，全充電時間約為5.5h;以電流控制，以0.3c充電為宜，全充電時間約為4.5h。壽命決定于選取的大功率小型繼電器制造品質，電動自行車均衡控制方法，分析了實現過程實現電動自行車的均衡控制。

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作者簡介

郝超（1998-），男，漢，山東省鄒城市，在讀本科，研究方向：機械工程。

戴飛（2000-），男，漢，江蘇省無錫市，在讀本科，研究方向：機械工程。

代荊軻（2000-），男，漢，河南省許昌市，在讀本科，研究方向：機械工程。