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漫談電動車鉛酸電池充電器

電動車鉛酸電池充電器是電動車的必配件之一,也是電動車的關鍵配件之一.如何判斷電動車充電器的好壞是人們十分關心但又很難正確識別的話題(只討論鉛酸電池充電器).

電動車鉛酸電池充電器到底是個什么東西?也許有人要笑了,這么簡單的問題誰不知道.嘿!你先別笑,還真很難回答呢!

充電器顧名思義是給電池充電用的,是電池的電能補充器.那么就電池的電能補充為前提來討論一下電動車充電器.現在充電器的花樣繁多,有恒功率充電器,有三段式充電器,有負脈沖充電器,有電池修復型充電器,還有多段多功能的微電腦控制的智能充電器. 也許你會問,那么多品種的充電器到底選哪種好?你先不管那么多,但有一點是明確的,充電器是給電池充電的.

那么,充電器的好壞怎么來區分呢?聽我慢慢導來.

實際上,從本質上講,充電器由電源變換部分(開關電源部分)和充電控制部分兩大塊組合而成的.充電器的可靠性主要是電源變換部分決定的,如果一個充電器的電源變換部分沒過關,以后有最多的功能也沒意義,就是用64位微電腦控制,電池能越充越好都失去意義了.

所以要識別充電器的好壞的第一個前提條件是電源變換部分是否可靠.

開關電源的可靠性是充電器的好壞的必要條件.在充電器使用的開關電源來看,不外乎幾種線路結構,對PWM控制方式分類有單端反激式,單端正激式,半橋式,雙管正激式,對QR-PWM準諧振式方式分類有單端反激準諧振式,單端正激準諧振式,不對稱半橋準諧振式.另外,全橋式,全橋準諧振式,還有LLC式在小功率電動車充電器上基本沒什么應用不作討論.

說了那么多你也許不明白,沒關系,現在市場上做的充電器基本上只有單端反激式和半橋式兩種線路結構,現在來分析一下這兩種線路的特點.

單端反激式分析:由PWM控制芯片和功率場效應管及變壓器組成.具有代表性的PWM控制芯片是UC3842,

由UC3842設計的單端反激式開關電源的優點是:電壓范圍比較寬,控制簡單,成本相對較低.缺點是:屬硬開關開關電源類,控制方式有電流連續和不連續兩種,如果線路參數按電流連續方式設計,流過場效應管的峰值電流相對小點,但有一個致命的不可靠因素是,在輸入交流低時,變壓器很容易飽和,莫名其妙地造成開關電源損壞.如果線路參數按電流不連續方式設計,流過場效應管的峰值電流相對變大,變壓器不容易飽和,但大的峰值電流會使場效應管的熱量增加.但實際上電流連續和不連續是不能完全按照設計者的意愿的,輸入交流電壓的變化,輸出負載的輕重是不確定的,會引起開關電源在電流連續和不連續間整端移動,由于在電流連續和不連續方式下的控制特性的不同,使單端反激式開關電源的控制穩定性大打折扣.另外由于場效應管的輸出電容Coss和變壓器的分布電容不可避免,開關管的動態損耗較大,而且不可避免.場效應管發熱比較厲害,所以在小于100W的開關電源上還可以使用,總體的可靠性不高.

對應的用UC3842設計的單端反激式開關電源組成的充電器,只能用于小功率的,也即48V/1.8A以下,現在可以計算一下48V/1.8A充電器的最大輸出功率是56.5V*1.8A=101.7W.已經到了UC3842設計的單端反激式開關電源的極限.只能用于小于48V/12AH的電池充電.但是市場是殘酷的,用UC3842設計的單端反激式開關電源做充電器的成本因素還是很誘人的,17AH的充電電流一般要求是2.5A,如果按2.5A恒流的話充電器的最大輸出功率需要2.5A*56V=140W.這樣的功率是用UC3842設計的單端反激式開關電源無法勝任的.那么廠家要求48V/17AH怎么辦呢?就有變通辦法了,采用恒功率方式是一種選擇.由于采用恒功率方式本身比恒流方式效率高點,再加上在電池電壓低是看起來電流也可以做到2.5A.可以計算一下,在輸出48V/2.5A時的功率是45V*2.5A=112W.雖然看來有112W功率,但鉛酸電池的特性是在小于等于單格2.0V時的電壓上升很快,實際上很快就到50V,此時的充電電流已經是2A了.哈哈,在廠家充電器測試儀上輸出45V時確有2.5A.但實際的功率與恒流48V/1.8A的充12AH的充電器不相上下.最終的充電效果就可想而知了...我在這里不是說用UC3842設計的單端反激式恒功率充電器不好用,只是充電時間長點.8小時率充飽是做不到的.相當與用48V/1.8A的12AH恒流充電器給17AH電池充電罷了.

從上所述可知,用UC3842設計的單端反激式開關電源組成的充電器,適合于做小于48V/1.8A以下的充電器.不管你在其他方面有怎么優異的功能,沒這個前提是沒意義的.

半橋式分析:由PWM控制芯片和功率場效應管或晶體管及變壓器組成.具有代表性的PWM控制芯片是TL494

用TL494設計的半橋式開關電源的優點是:

用TL494設計的半橋式開關電源的優點是:如果輸出濾波電感的電感量適當設計得大點(做穩壓電源要考慮響應時間問題,做充電器可以基本不考慮響應時間問題),使輸出電流連續(即電感的儲能充足),流過功率晶體管的電流是方波電流+變壓器勵磁電流,而且占空比可以做得較大,并且功率晶體管的最高電壓箝位與DC母線電壓,所以功率晶體管的電壓應率低,利用率相對較高.半橋式開關變壓器是雙向勵磁,不用考慮磁復位問題,因此變壓器的利用率也比單端的高得多.同時,由于流過功率晶體管的電流的波峰比較低,對應的輸出二極管的利用率也較高.也就是說,半橋式開關電源適合做較大功率的開關電源.缺點是:屬硬開關開關電源類,變壓器初級的設計電壓只有DC母線電壓的一半.這就意味著流過晶體管的電流比全橋式大一半.功率晶體管的驅動比較麻煩(用場效應管做功率管的驅動更麻煩),所用的器件比較多,成本相對較高.特別是TL494控制芯片沒有逐周電流限制功能,如果電源不使用緩啟動,在負載變化強烈及電源啟動時容易損壞功率管,在AC220V輸入時,適合與做小于500W的開關電源.

對應的用TL494設計的半橋式開關電源組成的充電器,適合于制作大于17AH以上的充電器,如果是一個24AH的充電器,按8小時率充電,用3.5A以能勝任,其最大輸出功率是56.5V*3.5A=197W.應該說在設計合理的前提下電源是安全的.但用半橋式開關電源的成本相對較高,殘酷的市場競爭是制約半橋式開關電源的主要因素.

實際上單管正激在做小于200W的充電器也是一種不錯的選擇.只是功率管上的電壓應力大點,占空比及變壓器磁復位是制約單管正激線路功率的主要技術瓶頸.但成本可以介于反激式和半橋式之間.

總上所述的幾種線路結構,是現今充電器上較常見的幾種線路拓樸.除了以上介紹的幾種各自的優缺點外,還有一個共同的不可否認的缺陷,都是硬開關PWM控制線路.電源的總體效率都不高,也就是說用上述線路做的充電器的自身發熱都比較厲害.是制約上述幾種線路的可靠消息的主要因素.同時,EMI問題也是硬開關PWM控制線路很難解決的問題.功率開關管是高頻開關電源的比較脆弱的部件,要案提高開關電源的可靠性,關鍵是要降低功率開關管的發熱.

高頻開關電源功率開關管的損耗主要是開關管在開關時的損耗,開關的導通損耗次之.要根本性提高開關電源的可靠性,就是要提高開關電源的總體效率,ZVS諧振式開關電源是提高開關電源可靠性的方向.ZVS諧振式開關電源由于是零電壓導通,零電壓關斷,在理論上開關管的開關損耗為零(損耗功率三角很小).可大大減小開關管上的損耗.同時,由于開關是在過零點進行,簡稱軟開關,晶體管的反向恢復時間引起的EMI可大大降低.所以ZVS諧振式開關電源的可靠性是以上介紹的幾種電路無法比擬的.

但遺憾的是,在電動車充電器領域很少見到有ZVS諧振式開關電源制作的充電器,本人僅見過一個品牌的充電器用的是ZVS諧振式開關電源,希望有識之士也能適應時代需要,開發出高可靠性的優質開關電源線路.使電動車充電器行業有一個質的飛躍.不要老局限與拿來主義.要有自己的創新.

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