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電動車用電池充電器的原理與維修（一）

www.middletowncarescoalition.com 來源：中國電動車信息網(wǎng)　　　電動車商情網(wǎng) 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(guān)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?yàn)檫^充就是因?yàn)檫^放而受到損壞，電池壽命很快終結(jié)。因此，充電器和控制器就像電池的監(jiān)護(hù)人一樣，在充電和放電的過程中對它加以保護(hù)，過放不行，過充不行。同樣，欠充仍然不行。欠充結(jié)果是活性物質(zhì)變得頑固而不再容易產(chǎn)生還原反應(yīng)，出現(xiàn)鈍化現(xiàn)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(zhì)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(xù)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(fù)極板都處于硫酸鉛狀態(tài)，有較大的接受能力，又由于方波的不連續(xù)性，每個波形間又有停止間歇，給極板活性物質(zhì)以充分的反應(yīng)、調(diào)整、內(nèi)外物質(zhì)均衡的機(jī)會，所以初期充電較快。隨著極板物質(zhì)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(zhì)反應(yīng)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(xù)帶電離子到達(dá)活性物質(zhì)。當(dāng)極板電位達(dá)到極限時（接近充電終止電壓），電化作用幾乎停止進(jìn)行。到極化點(diǎn)，轉(zhuǎn)而對極板周圍的水分進(jìn)行分解，表現(xiàn)為大量冒泡和水分蒸發(fā)，正極表面吸附大量氧氣，負(fù)極表面吸附大量氫氣，這時的電壓稱為“產(chǎn)氣點(diǎn)”。解決和消除這種妨礙充電的極化現(xiàn)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(fù)脈沖，對正負(fù)極板施加反方向電壓，清除極板周圍聚集的大量正負(fù)離子和氣體，掃清道路(Strada)。反脈沖實(shí)際就是一種放電措施。將正負(fù)極短暫短路的方法也能消除極化，或停頓一段時間極化現(xiàn)象也能自行消除，但負(fù)脈沖更有力、更快、更節(jié)省時間。（三）開關(guān)電路充電器當(dāng)前的車用充電器和過去傳統(tǒng)充電器完全不同，充電器都采用了開關(guān)電路，并設(shè)置自動調(diào)整、控制和保護(hù)功能，在充電期間，不需有人看守。開關(guān)電路的優(yōu)點(diǎn)是充電快、質(zhì)量好、效率高、不損及電池的壽命。開關(guān)電路是當(dāng)前常用的能夠穩(wěn)壓穩(wěn)流、自動調(diào)節(jié)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(zhì)的高低，對電動自行車的續(xù)駛里程能否保持最佳狀態(tài)，是否會損壞電池和減少電池壽命，使用者能否得到經(jīng)濟(jì)和實(shí)惠，有著極密切的關(guān)系。（一）電動車充電社會化保障是必然趨勢按照電動車的發(fā)展，未來(Futura)電池的充電，在路邊充電站進(jìn)行的次數(shù)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(tài)各異，這使充電工作復(fù)雜化。為此，充電站必須對電池進(jìn)行系統(tǒng)管理，管理的關(guān)鍵在預(yù)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(guī)及涓流各階段充電方案。在進(jìn)行充電過程中應(yīng)當(dāng)具備各種顯示和指示，如電壓、電流、時間、已經(jīng)充入的電量、充電已經(jīng)進(jìn)行到什么階段等。每個電池廠家都應(yīng)當(dāng)對自己生產(chǎn)的電池作充分的試驗(yàn)，確定并掌握充電過程的特點(diǎn)。主要是各個轉(zhuǎn)折點(diǎn)：快充到什么時候最為適宜、什么時候開始極化，發(fā)熱產(chǎn)生的時間、電流大小對極化和發(fā)熱的線性關(guān)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(qiáng)度以及涓流時刻和延續(xù)時間、電池內(nèi)溫的測定和傳送等。根據(jù)這些特點(diǎn)和數(shù)據(jù)，計(jì)算和設(shè)計(jì)充電電路，使電路最適合自己的產(chǎn)品，成為配套專用充電器。如若不是經(jīng)過測定和試驗(yàn)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(chǎn)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(fù)責(zé)的倉庫管理組合體，它可以將雜亂無章的貨物——電能，經(jīng)過精心的整理，存入倉庫——電池的各單元格內(nèi)。搬運(yùn)工們均勻一致地碼放貨物，每個格子不多不少，不偏不倚，機(jī)會相等，永遠(yuǎn)保持均衡狀態(tài)，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(yīng)當(dāng)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(yīng)當(dāng)能夠根據(jù)電池特點(diǎn)，按照電池的要求，達(dá)到如下幾點(diǎn)：（1）對已經(jīng)完全放電的電池，充電初期應(yīng)當(dāng)以大電流充電，以達(dá)到快速的目的。快速充電的前15min內(nèi)，可充入總?cè)萘康?0%～80%。（2）為達(dá)到快速和高效率，充電器應(yīng)采用脈沖電路。（3）充電到一定程度，即電池充到某轉(zhuǎn)折點(diǎn)時，應(yīng)當(dāng)適時地減小電流。（4）為了在充電過程中防止極板發(fā)生極化和產(chǎn)氣，而降低充電效率、分解和濃化電解液、極板發(fā)熱和硫化，應(yīng)適時地加入負(fù)脈沖消除極化。當(dāng)去極化完成、經(jīng)測定產(chǎn)生預(yù)定效果，且電池的極板已經(jīng)恢復(fù)到原來良好的充電狀態(tài)時，應(yīng)自動停止放電并再次自動轉(zhuǎn)入充電狀態(tài)。（5）負(fù)脈沖的產(chǎn)生不僅要及時，而且要強(qiáng)度適中，不過分、不過弱。為此，電路又應(yīng)當(dāng)有檢測功能。當(dāng)去極化不徹底時，還應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充放電，直至極化現(xiàn)象完全消除為止。（6）充電器電路應(yīng)當(dāng)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(guī)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(zhǔn)。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(yīng)當(dāng)十分準(zhǔn)確，只有在最高限以下，才可以使電流逐漸降低。當(dāng)充至該種類電池的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，電流必須立即調(diào)整。在最后的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，充電器應(yīng)能自動轉(zhuǎn)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(diào)制，只是占空比小得多。鉛酸電池的涓流應(yīng)在C/16以下。（8）充電達(dá)到規(guī)定的充終，并完成涓流細(xì)充之后，電池組中各電池極板完全還原，每個單擱互相間達(dá)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(tài)顯示、充入電量顯示等。（10）有反接、短路保護(hù)。（11）溫度漂移小，器件的電壓溫度系數(shù)要低，電壓不因環(huán)境溫度變化而不穩(wěn)，這是保證最終電壓準(zhǔn)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(wǎng)。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(yīng)當(dāng)適時，充電時間長短根據(jù)狀態(tài)而定等。有人說現(xiàn)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(zhì)不同。（一）如何整流如圖4-36所示，圖中最左側(cè)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(jīng)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(dāng)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(dāng)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?yōu)檎较驎r，又有電流。它得出來的實(shí)際整流電路的波形如圖的右側(cè)，橫線上部的有效波是間隔的，并不連續(xù)，下側(cè)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(diǎn)，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(jīng)變壓后的電流，在正方向流動時，竟二極管1進(jìn)入充電電路，給電池充電后，經(jīng)3點(diǎn)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(cè)的形狀，波形是密集的，已經(jīng)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(diǎn)，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(yīng)當(dāng)改進(jìn)。經(jīng)過計(jì)算，給電路加一個大容量的濾波電容和小阻值的電阻構(gòu)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(jīng)過整流輸出的直流電更加平穩(wěn)，其電壓波形如右邊圖中實(shí)線所示，波峰被削掉了、波谷被填平了。