一種電動自行車用鋰電池充電器方案設計

李燕 程鵬 彭濤

【摘 ?要】隨著能源及環境污染問題越來越受到人們的重視，近些年，以鋰電池為動力的電動車發展越來越快。在我們國家，電動自行車以其極為親民的價格，受到廣大民眾的青睞。鋰電池電動自行車用的電池價格是總車價格的近30%，而鋰電池的充電性能好壞將直接影響鋰電池的使用壽命，因此一款性能更好的充電裝置對鋰電池的使用壽命有著至關重要的作用。本文設計了一種電動自行車用的鋰電池組充電裝置，能提高鋰電池組在充電過程的安全性，延長鋰電池組的使用壽命，且具有功率因數較正功能。

【關鍵詞】鋰電池;電動自行車;充電裝置

0 前言

當今世界，各個國家的經濟發展日新月異，隨著經濟的發展人們出行的工具也發生了翻天覆地的變化，由最初的馬拉車，到火車，到汽車等等。人們的出行越來越方便，但也因此產生了很多問題，比如環境污染問題，比如能源問題。電動車是以蓄電池為原動力，與普通的燃油汽車相比，對大氣污染小，成為近些年很多國家研究的熱點。鋰電池電動自行車又以其親民的價格，超高的性價比，成為許多工薪族日常出行的首選交通工具。其使用的鋰電池充電器對鋰電池的使用壽命起著至關重要的作用。

本文中的鋰電池充電裝置采用的充電方式是恒流、恒壓兩個階段的充電方式。在剛開始恒流充電階段，采用恒定不變的4A電流對鋰電池進行充電，當鋰電池的電壓達到36V時，進入第二個階段即恒壓充電，此時電流開始減小，但是鋰電池的電壓持續增高，當鋰電池的電壓達到42V時，充電電流為0.5A時，系統判斷充電結束。

1 系統的結構

整個系統由三個功能模塊組成：功率因數校正（PFC）模塊，主要作用是提高電量的利用率;電源模塊，一方面給鋰電池充電提供充電電壓和充電電流，另一方面給電路中使用的芯片提供工作電壓;控制模塊，一是控制電路中的開關器件，再就是單片機的控制。

PFC模塊主要是用來提高電路的功率因數，從而提高電能的效率，減少電能的損耗，此模塊主電路運用的是主動式有源升壓型變換電路。電源模塊選用開關電源電路，PFC模塊輸出400V高壓直流電，通過濾波，采用脈寬控制的場效應管，完成直流-直流的變換后，輸出充電電路需要的直流充電電壓及直流充電電流。電源模塊還包括PFC電路及電源主電路中開關器件的觸發電路。

1.1功率因數校正電路

功率因數是有功功率與視在功率的比值，功率因數的值表示電能的有效利用率，功率因數越高，電能的有效利用率越高[1][2]。PFC指的是功率因數校正電路，現在有被動式和主動式兩種。主動式的功率因數校正電路比被動式的功率因數校正電路校準因數更高，可以達到0.9以上，因此主動式功率因數校正電路能節約更多的電能。本文選用主動式的PFC電路。開關管的驅動電路主要采用L4981芯片實現對開關管的控制。

1.2電源電路

電源模塊由主電源及輔助電源組成。通常我們見得較多的電源有線性電源，有開關電源。線性電源電路較簡單，但體積大，重量大，性能不穩定。現下使用較多的是開關電源，開關電源由于使用了電力電子器件作為開關管，體積更小，重量更輕，本文中的電源模塊電路選用的是開關電源。

開關電源電路的設計重點：

A）首先是電路拓撲的選擇

開關電源的轉換效率由電路的拓撲結構決定的。功率因數校正電路的拓撲結構能決定電能節約的數量，對使用者而言，適當的PFC拓撲結構能為他們節約使用電能的費用。

常見的開關電源的拓撲電路有以下3種：半橋拓撲電路、正激拓撲電路和全橋拓撲電路。

半橋拓撲電路實際應用中使用最多，因此技術比較成熟，不過半橋拓撲電路轉換效率低，所以一般用于功率較低的電路。正激拓撲電路又分單管正激及雙管正激，在一定的功率下，其電路的轉換效率比半橋電路高，可是當功率提高時，其轉換效率會隨之降低。所以一般情況下，半橋拓撲和正激拓撲用在400W以下的電源電路。400W以上的電源電路用全橋拓撲，全橋拓撲電路結構復雜，一般需要2個變壓器，4個開關管，電路功率在千瓦級以上仍能保證電路PF在0.8以上。

B）變壓器的設計

在設計變壓器時，首先選取合適的磁芯材料，我們選用的材料是鐵氧體。再就是設定磁芯形狀，本設計最終選用E型磁芯。最后根據理論設計的輸入輸出電壓及電流計算一次線圈和二次線圈匝數，根據輸入輸出電壓電流選取線圈的線徑。

C）電路中的閉環的設計

閉環電路設計在整個充電器電路的設計中是最關鍵的一個環節，可以說環路的性能決定了充電器的性能。帶負反饋的放大器電路，電路的通頻帶更寬，增益更大，因而能降低系統的干擾及線性、非線性失真，然而開關電源的反饋電路除了以上所述的原因，還要考慮以下因素：一、由于其電路中存在開關管，且動作頻率很高，會產生很嚴重的內部干擾;二、其電路輸入端的關系在變化，負載會變化，因此會產生很嚴重的外部干擾。閉環設計就是為了抑制電路的內部干擾及外部干擾，可以通過計算設計系統的傳遞函數及伯德圖，獲得理想的系統靜態精度及動態響應值。

D）PWM芯片的選擇

開關管的控制采用PWM控制方式，采用電流模式工作的UC3846芯片實現。

1.3保護電路

本系統設計了電路過電壓保護，過電流保護，短路保護，電源反接保護;同時采用溫度傳感器設計了電池溫度保護功能，多種保護電路保證充電器安全工作。

1.4充電均衡

本設計針對36V電動自行車用的鋰電池組充電裝置。電池組由10個單體串聯組成，由于各個單體電池基本參數不可能完全一樣，所以充電時，電池組中各個單體所充得的容量也不相同，但是電池組中單體電池最小容量將決定電池組的總容量。所以盡可能保證各單體在相同的充電條件下所充的容量基本一致就非常重要。即做到均衡充電，從而使單體電池的性能一致。不僅如此，如果如電不均衡，會導致單體電池間電量差越來越多，電池組的壽命就也會因此大打折扣。所以補充充電均衡電路能為提高鋰電池使用壽命起到積極作用。

1.5顯示部分

電池剩余電量的顯示通過4個紅色發光二極管表示。四個發光二極管都亮表明電量為100%，亮三個則電量是75%，亮兩個電量是50%，只有一個亮電量是25%。原理是把電池的電壓分為35V、37V、39V和42V四個值分別對應1個二極管亮、2個二極管亮、3個二極管亮和4個二極管亮。

2 軟件設計分析

軟件控制采用的是單片機，同時實現電路的控制及電池剩余電量的顯示兩個功能。

具體實現方法：單片機通過循環檢測電池兩端電壓及電路的溫度，當連續三次檢測到電池兩端的電壓小于24V大于0V，同時電路的溫度沒有超出設定值，即發出充電電路工作命令，開始充電。當電池充滿，充電器會繼續對電池進行浮充，浮充2H后，才會發出停止命令。在整個過程中檢測電路一旦檢測到電路中的溫度超過設定值，會立即發出命令中止充電。

3 總結

本文設計的電路使用恒流恒壓充電方式。充電器的輸出電壓42V，輸出電流是 4A，可以用于額定電壓為36V，額定容量為18AH以上的鋰電池組充電。此充電器自帶均衡充電裝置，實時監控功能，能有效保護鋰電池，延長鋰電池的使用命。且PF值在0.8以上，提高了電能的利用率。

參考文獻：

[1]張廷鵬，吳鐵軍，徐明，等.通信用高頻開關電源[M].北京：人們郵電出版社，1997：70-72.

[2]桂麗.基于MC33260的CUK型有源功率因數校正的研究與設計[D].合肥：合肥工業大學，2010.

（作者單位：湖南鐵道職業技術學院）