电瓶车用铅酸蓄电池SOC显示电路设计

时间: 2024-07-26 05:10:43 |   作者: 安博体育平台app

　　动力源，其充电过程中析氢现象是发生爆炸的原因之一。经研究表明：铅酸蓄电池充电过程中，其容量达到80%以上才发生析氢现象，可见监控蓄电池容量是必要的。本文基于铅酸蓄电池开路电压SOC估算法，以12V 2AH铅酸蓄电池作为研究对象，设计

　　铅酸蓄电池是目前电瓶车的动力源之一，其性能的好坏直接影响电瓶车本身的性能。有实验证明铅酸蓄电池在过充电的情况下，不会因为蓄电池内部温度上升导致起火或者电池里面压强较高而发生爆炸。但是充电过程中随着蓄电池容量达到80%时，电解液中的水将被电解，氢气会释放开来。一旦氢气的浓度达到4%~74.2%，遇到明火则极易发生爆炸。可见监测铅酸蓄电池的荷电状态（SOC , State of Charge），对电瓶车安全充电技术是必要的。

　　目前电瓶车用铅酸蓄电池多为阀控式铅酸蓄电池，该类电池在充电过程中产生的气体将通过氧循环反应转化为水，故不需要向电解液加入消耗的水。氧循环原理如式（1）、（2）、（3），在正极板，水电解产生氧气。通过扩散作用，氧气透过间歇和负极板的铅结合转化为氧化铅，而氧化铅将和电解液中的硫酸生成硫酸铅和水。氧气由产生到复合，达到较好的密封效果。

　　2 铅酸蓄电池特性曲线 Ah)蓄电池，数据手册可知：环境和温度25 ℃时，若待机使用，最大充电电压为2.275±0.025 V/单体；若循环使用，最大充电电压为2.45±0.05 V/单体。电池内阻63.7 mΩ,最大初始充电电流为3.6 A。

　　图1为不一样的温度时，蓄电池开路电压与SOC关系。C为蓄电池额定容量2 AH。测量方法为：（1）对蓄电池进行放电，使其容量为0；（2）从零开始对蓄电池充电，使其容量为额定容量；（3）静置24小时；（4）以0.05C电流对蓄电池进行放电2小时, 静置10分钟后测量开路电压；（5）重复第3、4步，直至荷电量为0。

　　表1为不一样的温度时6FMD-12V 2AH 铅酸蓄电池开路电压OCV-荷电量SOC关系

　　影响蓄电池SOC估算的因素较多：环境和温度、充放电电流、电解液浓度等。目前常用的估算方法有：开路电压法、内阻法、卡尔曼滤波法和神经网络法。开路电压法需要电池长时间静置而无法在线估算，内阻法要求为蓄电池注入交流信号，经过测量其产生的响应计算电池内阻

　　，且SOC与电池内阻关系复杂，很难建立精确的模型。卡尔曼滤波法对电池模型的要求比较高，是一种估计值逼近真实值的方法。神经网络法属于智能算法，需要大量的训练数据。3.1 蓄电池SOC与开路电压关系

　　在蓄电池充放电过程中其开路电压不能直接测量，但开路电压法中铅酸蓄电池开路电压与SOC满足线]

　　池内容R=63.7 mΩ和 充 电 电 流 较小，将内阻的作用忽略，结合式（5）（6）可得铅酸蓄电池的端电压与SOC关系为：

　　一般电瓶车充电电路中主电路采取单端反激式设计，控制电路采取电流型UC3842为核心，配合LM324、光耦和TL431来实现蓄电池的充电控制。其蓄电池的状态指示为：红灯显示充电过程，绿灯显示充电完成[5]

　　。为了更好显示蓄电池的荷电状态，本次电路设计考虑到显示蓄电池SOC为25%、50%、75%和100%。当蓄电池SOC低于75%，建议用户充电；而蓄电池SOC接近25%，属于蓄电池深度放电状态，长期出于此状态将影响蓄电池的常规使用的寿命。蓄电池SOC接近100%，为安全充电避免严重析氢，可设计相应电路切断蓄电池的充电主回路。

　　LM339 内部有四路集成比较器，且每个比较器包含两个输入端和一个输出端。两个输入端分别为同相输入端( 即 为“ + ”) 、 反 相 输 入 端 ( 即 为“－ ”) 。当参考电压信号接同相输入端“ + ”，待比较的信号接反相输入端“－ ”，两个电压信号作比较时，若比较的信号高于参考电压信号，则输出饱和，输出端为低电平; 若比较的信号低于参考电压信号，则输出截至，输出端为高电平。LM339的两个输入端电压差超过 10mV时，即可改变输出状态。因此，用于弱信号检测的场合是比较理想的[6]

　　图3为电瓶车蓄电池荷电状态显示电路设计，蓄电池SOC为25%、50%、75%和100%的四种状态的参考电压分别为U 5 、U 4 、U 3 、U 2 。蓄电池端电压经分压电阻R 11 、R 12 可获得LM339的参考电压U 1 。四路LM339比较器分别命名为LM339A、LM339B、LM339C、LM339D。当U 5 U 1 时，LM339D输出低电平，则发光二极管D 4 点亮，显示蓄电池荷电状态为25%；当U 4 U1 时，LM339C输出低电平，则发光二极管D 3 点亮，显示蓄电池荷电状态为50%；当U 3 U 1 时，LM339B输出低电平，则发光二极管D 2 点亮，显示蓄电池荷电状态为75%；当U 2 U 1 时，LM339A输出低电平，则发光二极管D 1 点亮，显示蓄电池荷电状态为100%。

　　当SOC=0.25时，U 1 =1.18 V，LED D 4 亮，；当SOC=0.5时,U 1 =1.21 V， LED D 3 和LED D 4 亮，；当SOC=0.75时,，LED D 2 、 LED D 3 和LED D 4 亮；当SOC=1时,U 1 =1.275 V，LED D 1 、LED D 2 、 LED D 3 和LED D 4 亮。若取 R 1 =R 3 =R 5 =R 15 =1000 K则利用电阻分压有R 15 =308 Ω R 6 =315 R 4 =329 Ω R 2 =342 Ω。

　　本系统基于现有电瓶车充电器结构和分析铅酸蓄电池充电析氢原理、蓄电池荷电量估算方法等，设计出能显示蓄电池荷电状态的电路。该电路能够显示蓄电池SOC为25 %、50 %、75 %和100 %，提示用户在充电前了解蓄电池的状态，对于电瓶车安全充电有一定意义。后续将继续设计蓄电池SOC为100 %时，如何自动切断蓄电池充电电路。