小型电动车蓄电池保护器

徐 康，王 峥，杨新新，曹 浩，刘子瑞

（中国矿业大学徐海学院，江苏 徐州 221008）

0 引 言

铅酸蓄电池是市场占有量最大、使用范围最广的化学电池，但是也存在很多缺点。例如，铅酸蓄电池在使用过程中停电次数多、停电时间过长以及停电时间没有规律性，导致铅酸蓄电池充放电频率升高。以上是铅酸电池的缺点，也是造成蓄电池容量下降过快和使用寿命缩短的最主要原因。

1 基于法拉电容的蓄电池保护器的整体方案设计

1.1 基于法拉电容的蓄电池保护器的功能分析

本文设计的基于法拉电容的蓄电池保护器是电动车电量储能的一部分，主要用于电动车的助力电瓶的保护和维护。

根据以上设计目的，基于法拉电容的蓄电池保护器应具备以下功能：

（1）与电瓶构成辅助储能系统，给电瓶提供缓冲保护；

（2）当电动车负载突增时，可给电机瞬时提供大功率；

（3）当电动车助力电瓶长时间使用时，降低铅酸蓄电池内阻增加的程度。

1.2 基于法拉电容的蓄电池保护器工作原理

铅酸蓄电池与法拉电容器在外电路的并联使用构成外部并联，但在整体上表现为整体的内部并联。法拉电容的反复使用率高，使用寿命长，内部比能量高。这些优点与铅酸蓄电池相互补，可为电动车提供高效的储能供电系统[1]。

1.3 实验模拟方案

传统电动车电池通常由4 个单体电池构成一个电池组。目前，普遍采用的是48 V/12 Ah 电池组。试验中采用一个单体电池12 V/12 Ah 作为实验对象，模拟真实生活中电动车真实的运行状态，研究单个电瓶在有无法拉电容保护器的情况下的工作状态并记录实验数据：

（1）铅酸电池在启动、爬坡、平稳运行、制动时电流、电压以及功率；

（2）对铅酸蓄电池进行反复充放电对比测试，记录最终电池的内阻。

根据法拉电容器的特性，它的主要应用之一是与蓄电池并联，在负载突然增大时提供大电流。典型的并联方式如图1 所示。

图1 实验模拟接线图

在电动车正常工作时，铅酸蓄电池为电机提供工作电流，此时电流由电机所承受的负载决定。负载大，电流变大；负载小，与之相反。系统接通电源后，电池通过充电电路对法拉电容器进行充电。控制电机的开关启动或者电机瞬间承受一个大的负载，电机会超负荷运行，其电流值会达到其额定电流的3～4 倍。此时，铅酸蓄电池瞬间输出一个较大电流，会使其电压快速下降，导致电池受到冲击损伤，同时电机的工作状态会发生异常。但是，当法拉电容器充满电后，在需要大功率时可以替代电池输出功率，避免电池受到冲击损害[2]。

2 基于法拉电容的蓄电池保护器的电路设计

设计中，设计方案的预期结果是单体电容端电压相同且不超过额定工作电压。为了保持各个电容的充电和放电能力一致，尽量减小出现影响储存电能的漏电流。设计中的均压电路满足的条件：

（1）法拉电容两端的电压为额定值；

（2）能承受法拉电容两端电流的变化；

（3）不受外界条件（温度等）的影响。

图2 法拉电容器单体电容均压电路

根据此原理图，法拉电容器的均压电路工作流程为：C11为法拉电容器，其两端的输入电压在电阻R5和R6作用下进行分压后，输送到可控精密稳压源U1的R 端；如果此时所分电压小于2.5 V，可控稳压源U1的K 端相当于断路，R1不产生电压降落，电阻R1、R2、R3只对电路端电压进行分压，但功率三极管Q1基极上电压不能够驱动功率三极管Q1导通，所以此时功率三极管Q2处于不导通状态，功率三极管Q2所处电路类似断路；如果此时所分电压大于2.5 V，可控精密稳压源U1通过内部运放，会降低U1的K 端电压，电阻R1上会有一个法拉电容端电压减去2 V 的电压差值，此时功率三极管Q1进入导通状态，进一步驱动功率三极管Q2导通，电阻R5与功率三极管Q2的集电极上的电阻R9在一条线路上，此时组成的电路就像一个大的稳压芯片，使电容两端的电压不超过额定值。

在进行电路设计时，电路中出现的电阻特性的电流大约在900 mA，但是将电阻R9的参数换成2.2 Ω/3 W，会将电流增加到1.2～1.3 A。实际上，功率三极管Q1的驱动能力不仅仅驱动一个功率三极管Q2，可以驱动多组功率三极管组成的单元电路[3]。

3 均压效果

本设计采用6 个2.7 V/50 F 法拉电容器通过串联构成8.3 F/16.2 V 法拉电容器，使用12 V 铅酸蓄电池对其进行充电，电流为20 A，约15 s 后电容充满约16.2 V。此时，测量法拉电容的端电压为最高达到2.8 V，最低有2.4 V，个别的电容电压已经超过了2.7 V 额定电压。在使用本文设计的电压均压电路后，采用同样的方式进行检测，各个电容均压后的电压都达到了2.7 V[4]。基于法拉电容的蓄电池保护器由6 个单体电容组成，需对每个单体电容进行均压。

4 结 论

针对我国庞大的家用电动车的占有量，需提高资源利用率，减少资源浪费，有效提高电动车铅酸电池的使用寿命和工作效率。因此，设计了一款基于法拉电容的蓄电池保护器。该设计可以直接与铅酸蓄电池结合，组成铅酸电池和法拉电容共同储能系统。不仅可以改善小型电动车的瞬时功率特性，而且可以避免因电动车启动时铅酸蓄电池放电电流过大的问题，延长铅酸蓄电池的使用寿命，增加电动车的行驶里程[5]。