陆地寿命最长的动物:车用电池充电器原理与维修(

一、概述
（一）控制器、充电器与车用电池
控制器和充电器对车用电池的使用寿命是至关重要的。控制器在从电池取用电能的同时，要防止过放电；充电器在向电池充电的同时要防止过充电。否则，电池极板不是因为过充就是因为过放而受到损坏，电池寿命很快终结。因此，充电器和控制器就像电池的监护人一样，在充电和放电的过程中对它加以保护，过放不行，过充不行。同样，欠充仍然不行。欠充结果是活性物质变得顽固而不再容易产生还原反应，出现钝化现象，这部分极板则只占空间和重量，而不再贮存能量。这部分无效物质越多、电池容量越低。过充、过放、欠放是危害电池寿命的三大因素。
（二）脉冲充电
脉冲充电是以不连续的、固定电压的方波形向电池充电，充电电流较大。充电初期由于正负极板都处于硫酸铅状态，有较大的接受能力，又由于方波的不连续性，每个波形间又有停止间歇，给极板活性物质以充分的反应、调整、内外物质均衡的机会，所以初期充电较快。随着极板物质不断得到还原，电压不断升高，充电速度不断减慢，活性物质反应速度逐渐降低，极板周围也逐渐积聚大量带电离子，包围住极板，使极板被隔离，阻止后续带电离子到达活性物质。当极板电位达到极限时（接近充电终止电压），电化作用几乎停止进行。到极化点，转而对极板周围的水分进行分解，表现为大量冒泡和水分蒸发，正极表面吸附大量氧气，负极表面吸附大量氢气，这时的电压称为“产气点”。
解决和消除这种妨碍充电的极化现象，方法是先短暂地停充，然后用较大的、反方向的、时间极短的电流——负脉冲，对正负极板施加反方向电压，清除极板周围聚集的大量正负离子和气体，扫清道路。反脉冲实际就是一种放电措施。将正负极短暂短路的方法也能消除极化，或停顿一段时间极化现象也能自行消除，但负脉冲更有力、更快、更节省时间。
（三）开关电路充电器
当前的车用充电器和过去传统充电器完全不同，充电器都采用了开关电路，并设置自动调整、控制和保护功能，在充电期间，不需有人看守。开关电路的优点是充电快、质量好、效率高、不损及电池的寿命。
开关电路是当前常用的能够稳压稳流、自动调节的装置，并且采用脉冲装置的电路。充电器电路和控制器电路与家用音响、彩电等同属一个类型。只要稍加改造、增加或减少一些元器件，几乎可以代用。
二、对充电器的要求
这里所要讲的充电器，以铅酸电池为主，其他电池品种可以参考。
充电器品质的高低，对电动自行车的续驶里程能否保持最佳状态，是否会损坏电池和减少电池寿命，使用者能否得到经济和实惠，有着极密切的关系。
（一） 电动车充电社会化保障是必然趋势
按照电动车的发展，未来电池的充电，在路边充电站进行的次数会越来越多，充电站要同时对多种电池充电，而这些电池，品类繁多、状态各异，这使充电工作复杂化。为此，充电站必须对电池进行系统管理，管理的关键在预测和充电，充电器性能必须完善。充电站接到放了电的电池，继而定制快充、常规及涓流各阶段充电方案。在进行充电过程中应当具备各种显示和指示，如电压、电流、时间、已经充入的电量、充电已经进行到什么阶段等。
每个电池厂家都应当对自己生产的电池作充分的试验，确定并掌握充电过程的特点。主要是各个转折点：快充到什么时候最为适宜、什么时候开始极化，发热产生的时间、电流大小对极化和发热的线性关系、单格电池的放电和充电终止电压、脉冲的幅度和占空比、反脉冲的强度以及涓流时刻和延续时间、电池内温的测定和传送等。
根据这些特点和数据，计算和设计充电电路，使电路最适合自己的产品，成为配套专用充电器。如若不是经过测定和试验确定的充电电路，而是从市场任意选购来的，不可能完全适合产品特性，多少存在一些不利因素，最好不这样做。
对电池来讲，充电器就像一个负责的仓库管理组合体，它可以将杂乱无章的货物——电能，经过精心的整理，存入仓库——电池的各单元格内。搬运工们均匀一致地码放货物，每个格子不多不少，不偏不倚，机会相等，永远保持均衡状态，直到装满为止，不能将库中的格子挤坏，也不能因码放不整造成倒塌损坏库房，还应当能够充分利用库容。
（二）对未来充电站的要求
未来充电站应当能够根据电池特点，按照电池的要求，达到如下几点：
（1）对已经完全放电的电池，充电初期应当以大电流充电，以达到快速的目的。快速充电的前15min内，可充入总容量的50%～80%。
（2）为达到快速和高效率，充电器应采用脉冲电路。
（3）充电到一定程度，即电池充到某转折点时，应当适时地减小电流。
（4）为了在充电过程中防止极板发生极化和产气，而降低充电效率、分解和浓化电解液、极板发热和硫化，应适时地加入负脉冲消除极化。当去极化完成、经测定产生预定效果，且电池的极板已经恢复到原来良好的充电状态时，应自动停止放电并再次自动转入充电状态。
（5）负脉冲的产生不仅要及时，而且要强度适中，不过分、不过弱。为此，电路又应当有检测功能。当去极化不彻底时，还应当补充放电，直至极化现象完全消除为止。
（6）充电器电路应当具有自动检测和控制充电电压的功能，其最终电压不能超过电池规定的充电终止电压。
（7）恒流是相对的，恒压是绝对的。这不仅描述充电过程，也是充电最后阶段的绝对要求。电压必须以电池的充放电终止电压为准。充电的最后阶段，由于充电器电压和电池电压之间差距越来越小，最后充电电流终止。所以，充电器的最高电压限，应当十分准确，只有在最高限以下，才可以使电流逐渐降低。当充至该种类电池的转折点，电流必须立即调整。在最后的转折点，充电器应能自动转入极小电流充电，也就是通常讲的涓流方式。涓流仍然是脉宽调制，只是占空比小得多。铅酸电池的涓流应在c/16以下。
（8）充电达到规定的充终，并完成涓流细充之后，电池组中各电池极板完全还原，每个单搁互相间达到彼此均衡，充电器能自动切断电源停止充电。
（9）在显示方面：有电源、充电、各阶段状态显示、充入电量显示等。
（10）有反接、短路保护。
（11）温度漂移小，器件的电压温度系数要低，电压不因环境温度变化而不稳，这是保证最终电压准确的条件。
（12）充电器电路杂波、谐波要符合要求，不允许杂、谐波回馈电网。
三、充电器基本知识
电池的充电并不是随意接上电源就能充的，如：交流电不变成直流电不能充，电压不对不能充，电流大小应当适时，充电时间长短根据状态而定等。
有人说现在充电要脉冲电流，我将交流电半波整流后也是脉冲电流，充电不是一样吗！道理对也能充，但效果不佳。交流电的频率是50hz，并且波形软、间歇不能完全回零，而真正的脉冲需要20～50khz，频率相差了一千倍，脉冲的方形间有间歇，从有到无都是突变的，所以性质不同。
（一）如何整流
如图4-36所示，图中最左侧是变压器，只画出铁芯和次级线圈，没有初级线圈，为了简化，以后在没有必要时均不加初级线圈。
电源经变压器将市电变压至充电要求的电压值，变压后在电路上串接一个只允许电流单方向流动的二极管。当交流电正方向流动时，电流通过，电路有电流并对电池充电；当交流电反方向流动时，二极管截止电流通过，电路没有电流，等交流电再次变为正方向时，又有电流。它得出来的实际整流电路的波形如图的右侧，横线上部的有效波是间隔的，并不连续，下侧波被二极管截止不能流过，只有上半部波形是有效的，称之为“半波整流”。
这种整流电路的充电效果不佳且效率很低，约为45%以下，是最简陋的充电器。
（二）全波整流电路
为了克服半波电路的缺点，采用全波整流。图4-37是全波整流电路的典型画法，还有其他画法，作用和意义是相同的。本电路经变压后的电流，在正方向流动时，竟二极管1进入充电电路，给电池充电后，经3点返回变压器形成反方向的回路。这样，不管电流是什么方向，充电电路都有电流通过。由于正反方向电流都被有效利用，它的波形变成本图右侧的形状，波形是密集的，已经不再是间隔的，全波整流效率接近90%，比半波整流效率提高了一倍。但这种电路仍有缺点，效率仍低。电压波动不能控制。
（三）滤波
半波、全波整流出来的波形波动较大，而且还带有一定比例的交流成分。这给充电造成一定麻烦，它的脉动并不是脉冲，它的交流成分也不是反脉冲，影响充电效果，应当改进。经过计算，给电路加一个大容量的滤波电容和小阻值的电阻构成的阻容滤波器（图4-38）。本图已将全波整流简化，这个滤波器使经过整流输出的直流电更加平稳，其电压波形如右边图中实线所示，波峰被削掉了、波谷被填平了。
（四）稳压
由于市电经常有波动，电压不稳；电路的负载也有变化，造成充电电路电压不稳。这对负载是有害的，尤其是最后阶段超过电池的充终值，电池一定因受损而影响其寿命。在图4-39中，加入一个稳压管，相当于把超过部分——“波顶”削掉，电路的电压则保持在设定点上，保护了电池和向负载提供稳定的电源，但这个电压是固定的，不能随情况的变化和需要而调整电压。
（五）自动调压电路
稳压管虽然可以保持电路电压不超过规定值，但它并不能满足今天的要求。市电由于用电不均衡，电网电压上下波动较大，就暴露了稳压管的不足。当电路电压超过要求时，它能将超过部分削掉，然而电路电压低于要求值时，却不能补足，结果电路工作仍然会出现不正常；另一方面，电路在设计时，一般比要求电压高出30%～50%，这样市电电压降低时虽然可以保证，但在市电经常保持在平稳值期间，超出的部分势必经常流过稳压管，稳压管经常有电流通过不仅是不经济的，稳压管本身也不允许。实际上，电路稳压并不使用稳压管，而是采用由分离元器件组成的稳压电路，或选用现成的稳压集成块，随时调整因外界电压不稳造成的电路工作不稳定。不管电压升高还是降低，电路始终工作在理想状态。而稳压管只用在充电电路的某个单元部分内，满足单元稳定工作的需要。
集成电路的稳压工作实际是调压，高了可以调低、低了又可以调高，使电压总稳定在设定值范围内。图4-40中采用的是可调式三端稳压集成电路w317（lm317），1脚为输入端vin、3脚为输出端vout、2脚为控制端adj。稳压电路w317右边有一个并联电路，其中电阻r可以为发光管vd2提供分流电压。图4-40a，电路是固定不可调，当电压达到预定值时，稳压电路停止输出。4-40b是可调典型局部电路，按照这个电路的原理，可以运用到开关电路和充电器等电路中，以达到稳压的目的。图4-40b中，r为取样电阻，1.25v为虚拟电源，实际是w317的基准电压，w317的adj和vout间电压大于或小于此值，内部电路都要做相应的调整，使之稳定在1.25v。这是输出电流io稳定的关键。输出电流值io=（1.25-uab）/r，式中uab是a、b两点间的压差。
调整方法和原理：当rp滑点移向a点时，uab降低，输出电流io增大；当向下移动时，uab增大，相应地io变小。若因某种原因造成电流不稳，io增大或减小，则取样电阻r上的电压也随之增大或减小。这时，vout和adj间的变化促使电路内部做相应调整，使输出电流稳定。
（六）如何显示充电状态
充电电路工作在什么状态，电路是否有电，是否在进行充电，充满了没有，凭眼睛在电路上是看不出来的。为此，只有在电路中设置显示功能，发光管就是最好的元件。在图4-41中最左侧的发光管亮，表示插上电源后市电有通过变压器。但变压器次级有没有电？如果接入电池后，图中最上侧的发光管亮，表示电路有电流通过，充电正在进行。电池充满后，由于电压升高，导致图中最右侧发光管亮，说明充电达到终止点，应当停止充电。
（七）自动调整电流的电路
1、电路组成及原理   电路由整流、充电通路3ct和c1、r1、bt33a等组成的张弛震荡器、稳压管导通自动关断电路和电池接口等组成（图4-42）。当电池接入电路后，电路才能接通并开始工作，其顺序是：电池电压通过d1、r1到单结晶体管bt33a控制极，单结晶体管导通；电流通过震荡变压器触发可控管3ct，使之导通；电路形成充电通路，对电池充电。
2、可调整电流功能    调整图中可变电阻r1，通过改变晶闸管3ct没有导通，电路不能通过电流。
3、自动保护    当电阻没有电池接入，即使接通电源，由于可控管3ct没有导通，电路不能通过电流。
4、自动断电    当被充电电池已经充满，达到充电终止电压时，电流即通过二极管d1、r1，击穿稳压管2dw，电流被旁路，小环路失电，单结晶体管bt33a因控制极失去电压而停振。通过bt33a控制的晶闸管3ct失去出发电压而电流倒流。
四、充电器电路实例
下面介绍的是利用三极管、集成电路为开关器件组成的开关充电电路。
（一）恒流部分    整个充电通路是：电流从整流校正极出发首先经r3，然后经3dg4、vd、被充电池、r1，最后回到整流桥负极形成回路。
由于电流的流通，在电阻r1两端形成压差，三极管3dg2的基极电位高于发射极到一定值时，3dg2导通；若电池初充电时电压较低，充电电流就大，r1两端压差也大，基极电位提高，3dg2进一步导通，拉低了三极管3dg3基极电位，继而又导致了三极管3dg4导通降低，通过3dg4的电流被控而减少，达到恒流的目的。
2、保护部分   三极管3dg1原处于截止状态，经充电后电池电压升高，3dg1基极电压跟随升高，直至3dg1导通，造成3dg3基极电压被拉低，相继使3dg4被截止，电路被关断而停止充电。电路停止充电电压值由调节rp2设定。设定时应带负荷（即电池充电状态），当达到该电池充电终止电压时，调节rp2使电路关闭，设定即完成，使关闭电压固定在该品种电池的充电终止电压上，防止过充。
（二）可调电流、自动关断、自动保护充电器电路
图4-44和图4-42相似，也只有将电池接入电路之后，才能使晶闸管导通进行充电。电池接入后，电流经r2使单结晶体管bt35d的e极得到电压，bt35开始振荡，射极b2电流流入变压器，次极得到耦合电压，触发晶闸管3ct导通，进入充电状态。
1、自动停止充电   经过一定时间充电，电池电压逐渐升高。当电压达到充电终止电压值时，稳压管wd被击穿，单结晶体管bt35因e极失压而停振，变压器无震荡信号，次极无输出，晶闸管3ct截止，电路被关闭而停止充电。
2、充电电流的调节   图中有两个电位器rp1、rp2。
（1）调节rp1可改变3dd基极控制电压，改变三极管的放大倍数，调整充电电压和电流，以适应不同类型电池的要求。由于整个电路及充电电流都通过3dd，它流过的电流较大，开始时可达3～5a，容易发热，为了防止过热烧毁，应为该管设大面积散热片。
（2）调节rp2可改变晶闸管3ct的导通角，控制充电电流的大小。
3、自动保护   电源无电时，3dd基极无电压，自动截止或不能导通，即使3ct仍然处于导通状态，电路也是关闭的，电池的电流不能倒流，只能在张弛振荡器范围内小量消耗。
4、电路优点   当已经被充满的电池接入电路，电路不会起动也不充电，这是因为稳压管处于击穿状态，单结晶体管不能导通，晶闸管3ct得不到触发电压的缘故。
（三）适合于铅酸电池、镍系列电池使用的充电电路
根据车用电池电压和电路结构，调整电路元器件型号即可改变成适合的电路。
1、电路工作原理   开关稳压电路：整流后的电源，经开关稳压电路稳压在预定点上，也就是电池的充电终止电压。电路由三极管、二极管、电阻、电容和电位器w1组成自激振荡式开关稳压电路，电路工作频率为12khz，频率大小由1000p电容决定，容量减小，频率就会提高，但以不超过16 khz为宜，频率高则损耗大。电路也可用稳压管代替，三端式稳压器件效果更好。稳压电路的稳压上限w1调定，调定是在充电电路带负荷状态，50v电压表跨接在电路上。
电压检测：电路采用施密特电路检测电压，对电路的要求是：在电池放电终止电压点上，继电器km闭合接通电源：在电池充电终止电压点之下，继电器km释放，切断电路。交流电源电路的开关由km控制。它的调定与上述方法相同，但要调整的是w2。
2、电路工作状态
（1）充电起始电流较大，达4.6a，对饥饿电池快速充电，短时间内即可充入容量的30%～50%。
（2）很快即转入3.5a电流，约相当于0.4c速率，并自动维持相当一段时间。
（3）随着充电电池电压不断上升，电流强度也不断减低。
（4）当电池电压达到充电终止电压前，电流在750ma上逐渐再降低。
（5）达到充电终止电压时，继电器km释放，切断交流电输入电路，停止充电。
（四）脉冲反脉冲充电电路
用散件组成的电路繁琐复杂，调制费时、漂移较大不稳定，故障率高不易查找。采用集成电路不仅电路简单，周边散件少，调试简单，性能稳定，还具有各种保护功能、自动调节和控制功能。
图4-46是用两个时基电路555及周边器件组成的脉冲反脉冲充电电路。电路中的555-1是充电脉冲发生ic、555-2是放电反脉冲发生ic。充电脉冲占空比决定于555-1的2、6脚r2和c3，输出脚为3，输出脉冲通过r5、c7给3dd1基极偏压，当555-1的3脚输出高压电平时，触发3dd1导通，充电电池由全波整流电路出发，经过r7、3dd1给电池充电，电流又经r9返回整流器；输出低电平时，3dd1被截止。555-1的3脚输出信号经c5耦合从555-2的2脚输入，触发555-2的3脚发出短暂的间歇阶段。3dd2基极电位被触发而导通，造成电池通过3dd2d、r8、r9形成的小回路放电。反脉冲占空比由555-2的6脚电容c6、电阻r4决定。反脉冲过后有一个小间隙，之后又开始充电脉冲，如此反复，脉冲反脉冲直至充电结束。
时基电路555是充电器经常使用的，另外还有tl494也是常用的集成电路