电动自行车的均衡充电应用研究

郝超 戴飞 代荆轲

摘 要：串联电池组有主动均衡和被动均衡两种的充电模式，主动均衡充电可以有效的延迟电池组的寿命。对于24v以上的铅酸蓄电池组，被动均衡充电不能有效的控制每一只电池，尽可能导致实际容量早衰，循环寿命的缩短。为了解决传统的方法存在充电相应时间长的难题，提出电动自行车快速充电均衡控制方法，对电动自行车充电数据的存储和解析以及传输都进行了设计，设计了电动自行车快速充电均衡控制系统架构，本文详细的介绍了电动自行车电源系统的改进，电池能量利用率得到提高。

关键词：电动自行车;均衡控制;循环寿命;充电器

电动自行车电源系统目前大多采用24～36v串联充电，如选用铅酸、镍氢蓄电池，电池组因单个电池的容量和内阻不可能做的完全一致，在串联状态的时候，36v充电器在进入恒压充电阶段的时候，电池的电压都不相同，串联充电会有可能引起爆炸的危险，个别电池因为充电电压过低而欠充，电池因充电电压过高而过充，随着经济的快速发展，交通行业也呈现了较高的发展状态趋势。电动自行车由于自身的便利环保性，越来越多的人成为出行的首选，电动自行车充电控制方法对电池的实用性能有决定的作用。找寻合理的方法完成电动自行车充电的智能控制，进行充电均衡控制而达到优越性。

1 电动自行车改进办法

1）电池组的均衡充电控制。电动自行车为了提高电机效率和减少电流，绝大多数电动车辆和便携的电动工具都使用串联电池组，但结果是它的寿命不是多让人满意的，控制系统可对电动自行车运行数据进行检测，我们要将通用的36v1.5～1.8A三段式充电器改为12v5.4A三段式充电器，三个电池的平均充电电流为1.8A。要购买1套TENABLE牌A1型均衡充电转换器带插头、连接线，增加此装置时，需在电池箱内增加长58mm×宽70mm×17mm高的尺寸。充电完毕后需压紧防雨水盖，雨水进入将会进行充放电触点之间电解并会长出铜绿，电池组放不出电，同时避免儿童插入其它异物而发生短路。电动自行车的电子控制模块当自行车运动时，这些电子控制模块通过CAN网络实现数据通信，采集自行车的运行数据，用WIFI网络实现数据传递，对软件施行编制。

2）终端结构设计。终端是电动自行车实现信息监测的部件，可以获取和保存电动自行车的运行数据，对获取数据进行解析以及呈现出来，其中处理器是Android信息终端结构的核心由CAN总模块、USB总行模块以及LCD接口模块等构成，可通过总模块能够获取电池管理系统的子网和电机管理系统子网还有总车控制系统子网传递的数据，接口模块对触摸屏进行管理，处理器解析后通过自行车运行数据跟电流数据来进行触摸显示，USB线模块与USB-WiFi模块实现信息的交互，将获取电动自行车的数据传到无线局域网中。采用CAN总线获取电机、电池信息。对自行车运行数据和电量数据进行了保存和解析，通过USB-WiFi模块向外传输自行车电机电池信息，采用模糊控制的方法實现电动自行车快速充电均衡控制，电动自行车的电能提高了使用效率。

3）串联电池组均衡充电。电池组的平均循环寿命低于单值蓄电池的循环寿命。从上世纪90年代开始国外就开始研究延长串联的电池组，特别是阀控铅酸蓄电池的寿命问题。经研究发现表明，串联蓄电池的各个电池的性能差异越大，就会随着充电次数的增加，继续发展导致串联电池组容量快速下降，寿命终结。这一类的研究主要侧重于串联电池组的充电方法，能保证各个电池具有相同电量、同时被充满电的充电方法，被称为均衡充电方法，串联电池组的各个电池旁并联电阻和电容变压器以及其它电路，来实现均衡充电，这个方法就称之为主动均衡充电，主动均衡充电可以让串联的电池组的各个电池电量同步增长，避免过充和过放电的发生，有效的防止容量下降来延长电池组的寿命。

2 均衡充电下电动自行车的电池组

1）电动自行车的铅酸电池组。充电电压的差异存在导致容量早衰，被动均衡充的方式每一只蓄电池都会有相同的电压和电量变化，仅仅需要监控电压和电流。实际上蓄电池组使用初期电池的电压和电流量变化可能是一致的。电动自行车铅酸电池组出厂4个月，使用两个多月，容量就早衰跌至11.5Ah。整租的蓄电池电压始终未超过4.7v充电限压值，充电电压差异的持续将导致严重过充电，由于被动均衡充电方式不能直接控制蓄电池组中每一个电池的电压，充电时电池之间电压的差异会随着充电次数的增加而扩大，导致个别电池的严重过充现象发生。过充电导致过放电，形成恶性循环，均衡充电时电池组里的所有电池的电流都是同样的，电池组中过充电的电池上的充电电压最高，会承受最大的电功率，有可能排气和失水，容量下降。多充放电之后，过充电电池在充电时将严重过充电，放电时则又严重过放电。因此这是一个恶性循环过程。

2）锂离子电池实现均衡充电模式。锂电池从使用状态可分为两大类：纯电动型和助力型。纯电动型采用36v/10Ah电池组：助力型则可根据助力比例选定不通的电池组。单体锂离子电池通过串联组成电池组，来满足锂电池的电压和功率。对电池组两端加电压充电，就像目前普遍采用的铅酸电池组一样。充电过程中，串联的单体电池所流过的电流相同，内部结构和各种材料，数量等不能完全一致，电池内阻也不相同，电池充电采用平行式充电方式，串联电池充电时，采用的是对各单体独立进行充电，实践将会证明这种充电模式非常可靠，当单体电压达到4.20±0.05v时，可开始限压充电，充电达到一定的时间，电池会自行充满电。不管以多大电流充电， 因为都是实行限压充电，所以无论充电多长时间， 都是安全的。

3 锂电池的优越性和锂离子特性

在限速20km/h的前提下有一定的载重能力和爬坡能力，起动快，且行驶平稳，电池质量要轻，便于使用者搬运充电轻便，保证电池安全可靠，要实现久压保护，温度保护，刹车断电等功能。锂离子电池的标准电压为3.6v，接近铅酸电池的2倍。串联的单体电池越多从而可靠性越低。锂离子电池体积小质量轻，对电动自行车的使用很重要。国内外电动自行车的质量在18kg一下，除了在车架和电机上采用外，锂离子电池质量在4kg，充电很方便，性价比较高。

锂离子动力电池与任何密封式可充电池一样，要对充电进行控制不能滥充，在工艺技术，电池结构上采取了许多安全措施，且重视充电过程的控制。在恒流充电过程中电压迅速上升，由于是电池极化造成的，充电电压过高，在严重过充过程中，负极可能发生锂沉积，溶剂也可能发生分解，导致电池发热或短路。恒流限压充电的方法对单体锂离子电池来讲，是比较容易实现的，如果要对电池组进行充电，就要考虑每个电池的充电状态，当恒流充电至电池电压达到限压值时，立刻转为恒压充电，充电电流开始下降，来实现均衡充电的目的。

4 结论

电动自行车配用了均衡充电转换器后，电池组不会出现个别电 池的过充或欠充只要充电电压选择正确的电池组实际寿命有所提高。本文讨论了电动自行车的均衡充电应用研究可满足了电动自行车的使用要求，发挥锂电池电动车轻便、使用寿命长等优势。能充入额定容量达到95%以上的电量，充电器红灯变绿灯的设置有2种：以电压控制以0.2C充电为宜，全充电时间约为5.5h;以电流控制，以0.3c充电为宜，全充电时间约为4.5h。寿命决定于选取的大功率小型继电器制造品质，电动自行车均衡控制方法，分析了实现过程实现电动自行车的均衡控制。

参考文献

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[4]李孝禄，王东平，李娟等.利用太阳能实现电动自行车供电的研究[J].太阳能学报，2016，37（4）：884-890.

作者简介

郝超（1998-），男，汉，山东省邹城市，在读本科，研究方向：机械工程。

戴飞（2000-），男，汉，江苏省无锡市，在读本科，研究方向：机械工程。

代荆轲（2000-），男，汉，河南省许昌市，在读本科，研究方向：机械工程。