漫谈电动车铅酸电池充电器

爱你的小平

电动车铅酸电池充电器是电动车的必配件之一,也是电动车的关键配件之一.如何判断电动车充电器的好坏是人们十分关心但又很难正确识别的话题(只讨论铅酸电池充电器).       电动车铅酸电池充电器到底是个什么东西?也许有人要笑了,这么简单的问题谁不知道.嘿!你先别笑,还真很难回答呢!
      充电器顾名思义是给电池充电用的,是电池的电能补充器.那么就电池的电能补充为前提来讨论一下电动车充电器.现在充电器的花样繁多,有恒功率充电器,有三段式充电器,有负脉冲充电器,有电池修复型充电器,还有多段多功能的微电脑控制的智能充电器. 也许你会问,那么多品种的充电器到底选哪种好?你先不管那么多,但有一点是明确的,充电器是给电池充电的.
       那么,充电器的好坏怎么来区分呢?听我慢慢导来.
       实际上,从本质上讲,充电器由电源变换部分(开关电源部分)和充电控制部分两大块组合而成的.充电器的可靠性主要是电源变换部分决定的,如果一个充电器的电源变换部分没过关,以后有最多的功能也没意义,就是用64位微电脑控制,电池能越充越好都失去意义了.
       所以要识别充电器的好坏的第一个前提条件是电源变换部分是否可靠.
       开关电源的可靠性是充电器的好坏的必要条件.在充电器使用的开关电源来看,不外乎几种线路结构,对PWM控制方式分类有单端反激式,单端正激式,半桥式,双管正激式,对QR-PWM准谐振式方式分类有单端反激准谐振式,单端正激准谐振式,不对称半桥准谐振式.另外,全桥式,全桥准谐振式,还有LLC式在小功率电动车充电器上基本没什么应用不作讨论.
       说了那么多你也许不明白,没关系,现在市场上做的充电器基本上只有单端反激式和半桥式两种线路结构,现在来分析一下这两种线路的特点.
       单端反激式分析:由PWM控制芯片和功率场效应管及变压器组成.具有代表性的PWM控制芯片是UC3842,
       由UC3842设计的单端反激式开关电源的优点是:电压范围比较宽,控制简单,成本相对较低.缺点是:属硬开关开关电源类,控制方式有电流连续和不连续两种,如果线路参数按电流连续方式设计,流过场效应管的峰值电流相对小点,但有一个致命的不可靠因素是,在输入交流低时,变压器很容易饱和,莫名其妙地造成开关电源损坏.如果线路参数按电流不连续方式设计,流过场效应管的峰值电流相对变大,变压器不容易饱和,但大的峰值电流会使场效应管的热量增加.但实际上电流连续和不连续是不能完全按照设计者的意愿的,输入交流电压的变化,输出负载的轻重是不确定的,会引起开关电源在电流连续和不连续间整端移动,由于在电流连续和不连续方式下的控制特性的不同,使单端反激式开关电源的控制稳定性大打折扣.另外由于场效应管的输出电容Coss和变压器的分布电容不可避免,开关管的动态损耗较大,而且不可避免.场效应管发热比较厉害,所以在小于100W的开关电源上还可以使用,总体的可靠性不高.
       对应的用UC3842设计的单端反激式开关电源组成的充电器,只能用于小功率的,也即48V/1.8A以下,现在可以计算一下48V/1.8A充电器的最大输出功率是56.5V*1.8A=101.7W.已经到了UC3842设计的单端反激式开关电源的极限.只能用于小于48V/1２AH的电池充电.但是市场是残酷的,用UC3842设计的单端反激式开关电源做充电器的成本因素还是很诱人的,17AH的充电电流一般要求是2.5A,如果按2.5A恒流的话充电器的最大输出功率需要2.5A*56V=140W.这样的功率是用UC3842设计的单端反激式开关电源无法胜任的.那么厂家要求48V/17AH怎么办呢?就有变通办法了,采用恒功率方式是一种选择.由于采用恒功率方式本身比恒流方式效率高点,再加上在电池电压低是看起来电流也可以做到2.5A.可以计算一下，在输出４８V／2.5A时的功率是4５V*2.5A=112W．虽然看来有112W功率，但铅酸电池的特性是在小于等于单格2.0V时的电压上升很快，实际上很快就到50V,此时的充电电流已经是2A了．哈哈，在厂家充电器测试仪上输出４5Ｖ时确有2.5A．但实际的功率与恒流48V/1.8A的充1２AH的充电器不相上下．最终的充电效果就可想而知了．．．我在这里不是说用UC3842设计的单端反激式恒功率充电器不好用，只是充电时间长点．８小时率充饱是做不到的．相当与用48V/1.8A的12AH恒流充电器给17AH电池充电罢了．
       从上所述可知，用UC3842设计的单端反激式开关电源组成的充电器，适合于做小于48V/1.8A以下的充电器．不管你在其他方面有怎么优异的功能，没这个前提是没意义的．
       半桥式分析:由PWM控制芯片和功率场效应管或晶体管及变压器组成.具有代表性的PWM控制芯片是TL494

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用TL494设计的半桥式开关电源的优点是:
  用TL494设计的半桥式开关电源的优点是:如果输出滤波电感的电感量适当设计得大点(做稳压电源要考虑响应时间问题,做充电器可以基本不考虑响应时间问题),使输出电流连续(即电感的储能充足),流过功率晶体管的电流是方波电流+变压器励磁电流,而且占空比可以做得较大,并且功率晶体管的最高电压箝位与DC母线电压,所以功率晶体管的电压应率低,利用率相对较高.半桥式开关变压器是双向励磁,不用考虑磁复位问题,因此变压器的利用率也比单端的高得多.同时,由于流过功率晶体管的电流的波峰比较低,对应的输出二极管的利用率也较高.也就是说,半桥式开关电源适合做较大功率的开关电源.缺点是:属硬开关开关电源类,变压器初级的设计电压只有DC母线电压的一半.这就意味着流过晶体管的电流比全桥式大一半.功率晶体管的驱动比较麻烦(用场效应管做功率管的驱动更麻烦),所用的器件比较多,成本相对较高.特别是TL494控制芯片没有逐周电流限制功能,如果电源不使用缓启动,在负载变化强烈及电源启动时容易损坏功率管,在AC220V输入时,适合与做小于500W的开关电源.

    对应的用TL494设计的半桥式开关电源组成的充电器,适合于制作大于17AH以上的充电器,如果是一个24AH的充电器,按8小时率充电,用3.5A以能胜任,其最大输出功率是56.5V*3.5A=197W.应该说在设计合理的前提下电源是安全的.但用半桥式开关电源的成本相对较高,残酷的市场竞争是制约半桥式开关电源的主要因素.

    实际上单管正激在做小于200W的充电器也是一种不错的选择.只是功率管上的电压应力大点,占空比及变压器磁复位是制约单管正激线路功率的主要技术瓶颈.但成本可以介于反激式和半桥式之间.

    总上所述的几种线路结构,是现今充电器上较常见的几种线路拓朴.除了以上介绍的几种各自的优缺点外,还有一个共同的不可否认的缺陷,都是硬开关PWM控制线路.电源的总体效率都不高,也就是说用上述线路做的充电器的自身发热都比较厉害.是制约上述几种线路的可靠消息的主要因素.同时,EMI问题也是硬开关PWM控制线路很难解决的问题.功率开关管是高频开关电源的比较脆弱的部件,要案提高开关电源的可靠性,关键是要降低功率开关管的发热.

    高频开关电源功率开关管的损耗主要是开关管在开关时的损耗,开关的导通损耗次之.要根本性提高开关电源的可靠性,就是要提高开关电源的总体效率,ZVS谐振式开关电源是提高开关电源可靠性的方向.ZVS谐振式开关电源由于是零电压导通,零电压关断,在理论上开关管的开关损耗为零(损耗功率三角很小).可大大减小开关管上的损耗.同时,由于开关是在过零点进行,简称软开关,晶体管的反向恢复时间引起的EMI可大大降低.所以ZVS谐振式开关电源的可靠性是以上介绍的几种电路无法比拟的.

    但遗憾的是,在电动车充电器领域很少见到有ZVS谐振式开关电源制作的充电器,本人仅见过一个品牌的充电器用的是ZVS谐振式开关电源,希望有识之士也能适应时代需要,开发出高可靠性的优质开关电源线路.使电动车充电器行业有一个质的飞跃.不要老局限与拿来主义.要有自己的创新.

    以上是对当今电动车充电器上使用的开关电源的电源变换部分的性能的一点大致分析,下面再谈谈充电控制部分的一些问题

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    充电控制部分:是对铅酸电池充电的控制方式的控制.要做好一个充电器,有一个好的开关电源是前提;同时,还得有一种优化的对铅酸电池充电的控制方式.

    那么,怎样的控制方式最好呢?这个问题很难回答.但是有一点是可以认可的:就是在最大限度地减小对铅酸电池的损害的前提下,以最高的电能--化学能转换效率,在合适的时间内充足电池电量.

    这涉及铅酸电池的电化学特性的基础研究.国内一般的充电器生产企业是做不到的.但是所有做充电器的企业都认为自己的充电器控制方式是最合理的.这也许是当今市场上各种各样控制方式充电器出现的原因吧.

    先不论控制方式是否合理,我把当今市场上在铅酸电池充电器上使用的几种控制方式列举一下,也许你会有自己的判断.