一种电动自行车用锂电池充电器方案设计

李燕 程鹏 彭涛

【摘  要】随着能源及环境污染问题越来越受到人们的重视，近些年，以锂电池为动力的电动车发展越来越快。在我们国家，电动自行车以其极为亲民的价格，受到广大民众的青睐。锂电池电动自行车用的电池价格是总车价格的近30%，而锂电池的充电性能好坏将直接影响锂电池的使用寿命，因此一款性能更好的充电装置对锂电池的使用寿命有着至关重要的作用。本文设计了一种电动自行车用的锂电池组充电装置，能提高锂电池组在充电过程的安全性，延长锂电池组的使用寿命，且具有功率因数较正功能。

【关键词】锂电池;电动自行车;充电装置

0 前言

当今世界，各个国家的经济发展日新月异，随着经济的发展人们出行的工具也发生了翻天覆地的变化，由最初的马拉车，到火车，到汽车等等。人们的出行越来越方便，但也因此产生了很多问题，比如环境污染问题，比如能源问题。电动车是以蓄电池为原动力，与普通的燃油汽车相比，对大气污染小，成为近些年很多国家研究的热点。锂电池电动自行车又以其亲民的价格，超高的性价比，成为许多工薪族日常出行的首选交通工具。其使用的锂电池充电器对锂电池的使用寿命起着至关重要的作用。

本文中的锂电池充电装置采用的充电方式是恒流、恒压两个阶段的充电方式。在刚开始恒流充电阶段，采用恒定不变的4A电流对锂电池进行充电，当锂电池的电压达到36V时，进入第二个阶段即恒压充电，此时电流开始减小，但是锂电池的电压持续增高，当锂电池的电压达到42V时，充电电流为0.5A时，系统判断充电结束。

1 系统的结构

整个系统由三个功能模块组成：功率因数校正（PFC）模块，主要作用是提高电量的利用率;电源模块，一方面给锂电池充电提供充电电压和充电电流，另一方面给电路中使用的芯片提供工作电压;控制模块，一是控制电路中的开关器件，再就是单片机的控制。

PFC模块主要是用来提高电路的功率因数，从而提高电能的效率，减少电能的损耗，此模块主电路运用的是主动式有源升压型变换电路。电源模块选用开关电源电路，PFC模块输出400V高压直流电，通过滤波，采用脉宽控制的场效应管，完成直流-直流的变换后，输出充电电路需要的直流充电电压及直流充电电流。电源模块还包括PFC电路及电源主电路中开关器件的触发电路。

1.1功率因数校正电路

功率因数是有功功率与视在功率的比值，功率因数的值表示电能的有效利用率，功率因数越高，电能的有效利用率越高[1][2]。PFC指的是功率因数校正电路，现在有被动式和主动式两种。主动式的功率因数校正电路比被动式的功率因数校正電路校准因数更高，可以达到0.9以上，因此主动式功率因数校正电路能节约更多的电能。本文选用主动式的PFC电路。开关管的驱动电路主要采用L4981芯片实现对开关管的控制。

1.2电源电路

电源模块由主电源及辅助电源组成。通常我们见得较多的电源有线性电源，有开关电源。线性电源电路较简单，但体积大，重量大，性能不稳定。现下使用较多的是开关电源，开关电源由于使用了电力电子器件作为开关管，体积更小，重量更轻，本文中的电源模块电路选用的是开关电源。

开关电源电路的设计重点：

A）首先是电路拓扑的选择

开关电源的转换效率由电路的拓扑结构决定的。功率因数校正电路的拓扑结构能决定电能节约的数量，对使用者而言，适当的PFC拓扑结构能为他们节约使用电能的费用。

常见的开关电源的拓扑电路有以下3种：半桥拓扑电路、正激拓扑电路和全桥拓扑电路。

半桥拓扑电路实际应用中使用最多，因此技术比较成熟，不过半桥拓扑电路转换效率低，所以一般用于功率较低的电路。正激拓扑电路又分单管正激及双管正激，在一定的功率下，其电路的转换效率比半桥电路高，可是当功率提高时，其转换效率会随之降低。所以一般情况下，半桥拓扑和正激拓扑用在400W以下的电源电路。400W以上的电源电路用全桥拓扑，全桥拓扑电路结构复杂，一般需要2个变压器，4个开关管，电路功率在千瓦级以上仍能保证电路PF在0.8以上。

B）变压器的设计

在设计变压器时，首先选取合适的磁芯材料，我们选用的材料是铁氧体。再就是设定磁芯形状，本设计最终选用E型磁芯。最后根据理论设计的输入输出电压及电流计算一次线圈和二次线圈匝数，根据输入输出电压电流选取线圈的线径。

C）电路中的闭环的设计

闭环电路设计在整个充电器电路的设计中是最关键的一个环节，可以说环路的性能决定了充电器的性能。带负反馈的放大器电路，电路的通频带更宽，增益更大，因而能降低系统的干扰及线性、非线性失真，然而开关电源的反馈电路除了以上所述的原因，还要考虑以下因素：一、由于其电路中存在开关管，且动作频率很高，会产生很严重的内部干扰;二、其电路输入端的关系在变化，负载会变化，因此会产生很严重的外部干扰。闭环设计就是为了抑制电路的内部干扰及外部干扰，可以通过计算设计系统的传递函数及伯德图，获得理想的系统静态精度及动态响应值。

D）PWM芯片的选择

开关管的控制采用PWM控制方式，采用电流模式工作的UC3846芯片实现。

1.3保护电路

本系统设计了电路过电压保护，过电流保护，短路保护，电源反接保护;同时采用温度传感器设计了电池温度保护功能，多种保护电路保证充电器安全工作。

1.4充电均衡

本设计针对36V电动自行车用的锂电池组充电装置。电池组由10个单体串联组成，由于各个单体电池基本参数不可能完全一样，所以充电时，电池组中各个单体所充得的容量也不相同，但是电池组中单体电池最小容量将决定电池组的总容量。所以尽可能保证各单体在相同的充电条件下所充的容量基本一致就非常重要。即做到均衡充电，从而使单体电池的性能一致。不仅如此，如果如电不均衡，会导致单体电池间电量差越来越多，电池组的寿命就也会因此大打折扣。所以补充充电均衡电路能为提高锂电池使用寿命起到积极作用。

1.5显示部分

电池剩余电量的显示通过4个红色发光二极管表示。四个发光二极管都亮表明电量为100%，亮三个则电量是75%，亮两个电量是50%，只有一个亮电量是25%。原理是把电池的电压分为35V、37V、39V和42V四个值分别对应1个二极管亮、2个二极管亮、3个二极管亮和4个二极管亮。

2 软件设计分析

软件控制采用的是单片机，同时实现电路的控制及电池剩余电量的显示两个功能。

具体实现方法：单片机通过循环检测电池两端电压及电路的温度，当连续三次检测到电池两端的电压小于24V大于0V，同时电路的温度没有超出设定值，即发出充电电路工作命令，开始充电。当电池充满，充电器会继续对电池进行浮充，浮充2H后，才会发出停止命令。在整个过程中检测电路一旦检测到电路中的温度超过设定值，会立即发出命令中止充电。

3 总结

本文设计的电路使用恒流恒压充电方式。充电器的输出电压42V，输出电流是 4A，可以用于额定电压为36V，额定容量为18AH以上的锂电池组充电。此充电器自带均衡充电装置，实时监控功能，能有效保护锂电池，延长锂电池的使用命。且PF值在0.8以上，提高了电能的利用率。

参考文献：

[1]张廷鹏，吴铁军，徐明，等.通信用高频开关电源[M].北京：人们邮电出版社，1997：70-72.

[2]桂丽.基于MC33260的CUK型有源功率因数校正的研究与设计[D].合肥：合肥工业大学，2010.

（作者单位：湖南铁道职业技术学院）