关于电动自行车用充电器充电制式检测方法的研究.pdf

2024 No.2 V试验研究实验研究收稿日期：2023-09-09*通信作者关于电动自行车用充电器充电制式检测方法的研究余杰，钱欢，彭超，徐志伟，谢爽*（超威电源集团有限公司，浙江 湖州 313100）摘要：电池的多样性导致了充电制式的多样性。对一款未知充电器的充电制式，特别是当充电制式有多个充电阶段，且每个阶段有多个跳转条件的智能型充电器，需测试其充电曲线，了解该充电器的充电制式分为几个阶段，且每个阶段是什么模式，然后对每个阶段的具体参数进行针对性的检测。经过对多种不同充电器的各个阶段的参数及跳转条件的研究，笔者找到了一种检测方法。使用直流电子负载模拟电池，通过恒流工作模式、恒压工作模式、恒阻工作模式、恒功率工作模式，对不同的充电条件进行设置，能任意控制电流、电压的时长，从而在检测出所需的参数的同时，大幅度缩短检测周期。关键词：蓄电池；智能型；充电器；充电制式；跳转条件；直流电子负载；恒流；恒压；恒阻；恒功率；温度补偿中图分类号：TM 912.1文献标识码：B文章编号：1006-0847(2024)02-81-05Research on the testing method of charging system for electric bicycle chargersYU Jie,QIAN Huan,PENG Chao,XU Zhiwei,XIE Shuang*(Chilwee Power Group Co.,Ltd.,Huzhou Zhejiang 313100,China)Abstract:The diversity of batteries leads to the diversity of charging systems.For an unknown charger charging system,especially when the charging system has multiple charging stages,and each stage has multiple jump conditions of the intelligent charger,it is necessary to test its charging curve,understand the charging system of the charger is divided into several stages,and what is the mode of each stage,and then the specific parameters of each stage are targeted detection.After studying the parameters and jump conditions of various stages of different chargers,the authors found a detection method.DC electronic load is used to simulate battery.Various charging conditions are set through constant current working mode,constant voltage working mode,constant resistance working mode,and constant power working mode.And the duration of current and voltage are controlled arbitrarily.So as to the required parameters are detected,and the detection cycle is shorten greatly.Keywords:battery;intelligent type;charger;charging system;jump condition;DC electronic load;constant current;constant voltage;constant resistance;constant power;temperature compensation2024 No.2 Vol.6182Chinese LABAT Man蓄 电 池充电模式、限压吸收模式、均衡模式和涓流模式3-4。充电器的充电工艺可以用以上模式根据需求组合搭配。所以，当拿到一款未知制式的充电器时，首先需测试其充电曲线，只有知晓充电曲线，才能了解该充电器的充电制式分为几个阶段，且每个阶段是什么模式，然后对每个阶段的具体参数进行针对性的检测。对充电曲线的测试，可以通过一台具有记录功能的电流电压采集仪完成。给充电器连接匹配的电池（测试前电池须经 100%DoD 放电），进行一次完整的充电，得到该充电器的大致充电曲线及部分充电参数。具体连接方法见图 1。使用电池进行充电制式的测试，能真实地反应该充电制式下充电电池的实际数据，准确地得到恒流段的电流、恒压段的最高电压或者仅有限时条件跳转条件的充电时长。当制式设置的阶段跳转条件不唯一时，使用电池进行检测是费时费力的。比如：在恒压充电阶段，只要满足跳转电流或者限时这两个条件其中之一就可跳转至下一阶段。因为两个条件属于“或”的逻辑关系，所以在电池检测时，必然是只能测试到一种跳转条件。如果采用不同容量的电池分别进行测试，势必将增大检测成本。而且依靠电池的电化学反应进行测试，同时就增加了检测周期。此时，需要使用直流电子负载模拟不同的电池状态，对每个跳转参数进行单独测试。3 充电器各阶段参数测试使用直流电子负载模拟电池，通过它的 4 种工作模式，即恒流工作模式、恒压工作模式、恒阻0 引言市场上蓄电池的种类型号繁多，对应的充电器型号和功能也与日俱增。最初充电器的充电模式大多以恒流充电和恒压充电为主。随着电子技术的发展，对充电模式进行优化，市场上陆续出现了如高压限时1、温度补偿、分段恒流、三段式充电2等多种充电模式，进而使蓄电池在充电时更加安全、高效、去极化。对于最初以恒流充电和恒压充电为主的充电器充电制式参数的检测，通常情况下是按照充电器的型号，或给定一个常规的参数进行检测。例如：检测恒流充电阶段的电流值时，可以对充电器施加一个低电压。此时充电器会按照其内部既定制式，反馈该电压值所对应的电流值。如此，便能较容易地得到所需的参数。但是，当充电器的充电制式为多段式，且每阶段的跳转参数不唯一时，检测其参数就需要考虑互斥性问题，再使用以往的检测方法较难实现。针对制式复杂的充电器，笔者探索了一种快速、准确、有效地检测出各阶段的充电参数及跳转条件的检测方法。1 检测所需设备可根据充电器的检测需求调整检测设备的型号。笔者主要选择以下设备：（1）直流稳压电源：输出 0100 V，05 A电流，且精度为 0.1%。（2）直流电子负载：输出 0100 V，030 A电流，且分辨率为 0.1%。（3）具有采集电流电压时间等数据并带记录功能的记录仪：电压范围 100 V；电流范围 30 A；精度为 0.3%。（4）小型环境试验箱：容积不小于 0.5 m3；温度范围是-3050；温度均匀度不大于 2；温度波动度是（0 0.5）；温度偏差是（0 2）。2 充电器充电曲线测试一个充电工艺包括 4 个基本模式：主体恒流图 1 数据记录仪连接示意图2024 No.2 V试验研究实验研究工作模式、恒功率工作模式5，控制输出电流、电压、时间，可模拟充电器在不同充电状态下的电性能状态，从而检测出所需参数。恒流充电阶段的主要充电参数有电流、跳转条件。恒压充电阶段的主要参数有恒定电压、阶段跳转条件和温度补偿值（电压、时间）。3.1 恒流充电阶段电流通过直流电子负载的电压模式（简称 CV 模式），测得恒流阶段的充电电流（简称 CC）5。将充电器与直流稳压电源并联，然后与直流电子负载串联。打开直流稳压电源，将电压值调整至略低于充电器的型号（如检测 48 V 充电器，可将稳压电源调整至 46 V）。然后，打开充电器电源，让充电器开始工作，并按照当前获取的电压值进行电流反馈。通过不断提高电压值就能得到恒流段的充电电流。当电流出现变化时测试结束。3.2 恒流充电阶段跳转条件恒流充电阶段的跳转条件可分为限压条件、限时条件。3.2.1 限压条件蓄电池前期电压会随着充电的进行而上升，所以充电器厂家会将某个电压值作为进入下一阶段的跳转条件，即限压条件。有些厂家会让充电器检测在蓄电池电压达到限压值时，改变充电电流，作为进入下一阶段的信号（参见图 2）。在进行检测时，只要让电压逐渐上升至电流改变时刻，记录电流改变点的电压作为跳转电压值即可。其检测方法与第 3.1 节中所述相同，所以此处不做重复描述。如果下一阶段的初始充电电流、电压与恒流充电阶段的参数一致，那么单从数据和曲线上无法判断真实的跳转点（参如图 3）。可能在图 3 中时刻 a 时电压已到达设定的限压值，但是由于恒流阶段的电流与下一阶段的初始电流一致，就算进入下一阶段，电流也不会发生变化，电压仍保持上升趋势。所以从测试数据和充电曲线上看，没有明显的特征可以指示恒流充电阶段中限制电压的准确位置。那么，可以考虑从充电器下一阶段的某些条件入手，通过反向推导检测出此参数。这种充电模式在此阶段之后往往跟随恒压充电阶段。如果其后跟随的仍是恒流充电，不改变电流，则此阶段将毫无意义。那么只要能检测出恒压阶段的某些参数，就可以反向检测出恒压段的限压条件。如果恒压阶段不具备限时功能，那么充电器大概率仅通过电流跳转。依据图 3 的曲线，恒流充电阶段之后是恒流恒压充电阶段，且恒流恒压充电阶段的电流与恒流段相同，但恒压值高于恒流段，那么不论恒流充电阶段的限压设置为多少，都在其后恒流恒压充电阶段的范围内，所以此处的限压值没有实际的意义。如果恒压阶段具备限时功能，可以先将恒压充电阶段的限时检测出来，记录时间为 t1，然后使用直流电子负载将输出电压值从低电压上升到充电器最高电压，并设定测试时间为 t2（应低于恒压段限时），然后紧跟着让蓄电池快速到达恒压（设置直流电子负载为 CC 模式（恒流模式），充电器电压会达到最大值，即恒压值3），并保持充电电流高于充电器转灯电流，使之仅通过恒压段的限时跳转至下一阶段终止，记录整个测试的时间 t3。检测结束后，将整个测试时间 t3 减去恒压阶段的时间 t1，就能找到充电器在何时进入恒压阶段的时间点，也图 2 恒压阶段通过电流骤变作为跳转信号的充电曲线图 3 恒流阶段与恒压阶段无明显跳转信号的充电曲线2024 No.2 Vol.6184Chinese LABAT Man蓄 电 池就是恒流阶段结束的时间点，然后根据此时间点找到对应的电压。具体检测方法如下（如充电器型号为 48 V 3 A，充电器最高电压为 59.0 V）：（1）将充电器与开关电源并联后，再与直流电子负载串联，并将稳压电源的电压调整为 48 V（试验前准备工作，稳压电源给充电器一个启动电压）；（2）启动充电器，调整直流电子负载的输出电压为 4859.0 V（低于限压值），设置测试时间 t2 为 30 min；（3）根据恒压阶段限时条件检测，测得恒压阶段的限时 t1。（4）当电压变化时，结束计时，记录 t3。3.2.2 限时条件恒流充电阶段限时的检测，须根据不同的情况做相应调整。充电器厂家会根据自身的实际情况，自行选择相应的转换条件。例如：厂家为了明确划分恒流充电阶段和恒压充电阶段，会使恒压阶段的充电电流与恒流阶段的充电电流不一致。充电器在恒流充电阶段之时，电流会保持恒定或相对恒定。当跳转进入下一阶段后，充电电流随之改变。所以，电流的改变可以作为恒流充电阶段结束的一个明显的信号（如图 2 所示）。此类充电器转换条件信号明显，容易分辨恒流段与恒压段，可使用直流电子负载模拟电压低于限制电压并保持足够长时间。当充电时间达到充电器设置的限值时，充电会自动跳转至下一阶段。此时只要看到充电电流改变，就可以认为充电器进行了阶段跳转。跳转前的时间即为恒流段的限时。具体检测方法如下（如充电器型号为 48 V 3 A，理论限制电压为 57.6 V0.1 V）：（1）将充电器与开关电源并联后，再与直流电子负载串联，并将稳压电源的电压调整为 48 V。（2）启动充电器，调整直流电子负载的输出电压为 4855 V，设置测试时间为 10 h（须高于理论限时），并开始计时。（3）当直流电子负载显示电流改变时，试验结束。记录计时结果作为恒流阶段的限时 t1。另一种情况下，充电器仍以电流作为阶段跳转的信号，但是考虑充电器的硬件问题，当蓄电池电压即将达到限制电压时，某些充电器的充电电流会随着电压的升高而降低，直到电流下降至某点时才跳转至下一阶段（如图 4 所示）。此类充电器的恒流阶段转换为恒压阶段的条件信号不明显。并且，因为此阶段的恒压值与恒流阶段的限制电压值相同，电流也没有明显的转换，所以很难从充电过程的数据进行判定。可以先测得恒流阶段限时加上恒压阶段的限时，然后减去恒压阶段的限时得到恒流阶段的限时。具体检测方法如下（如充电器型号为 48 V 3 A）：（1）将充电器与开关电源并联后，再与直流电子负载串联，并将稳压电源的电压调整为 48 V。（2）启动充电器，调整直流电子负载的输出电压为 4855 V，设置测试时间为 20 h（须高于恒流阶段和恒压阶段的理论总时间），并开始计时。（3）当直流电子负载显示电流改变时（此为恒压阶段的跳转条件），试验结束。记录计时结果作为恒流阶段与恒压阶段的总限时 t；（4）根据恒压阶段限时检测，测得恒压阶段的限时 t2。恒流阶段的限制时间 t1=t-t2。3.3 恒压充电阶段恒电压值检测鉴于部分充电器设有温度补偿功能，温度的变化会对恒压值的结果造成影响，所以统一将充电器放置于环境箱内。当充电器表面温度达到 25 2 后进行试验。将直流电子负载设定 CC 模式，然后将电流从充电器的最大电流（可查看充电器型号或按照第 3.1 节测试得到）调节至 0 A，可以得到充电器的恒压值。具体检测方法如下（如充电器型号 48 V 3 A）：（1）将充电器与开关电源并联后，再与直流图 4 恒压阶段通过电流降低作为跳转信号的充电曲线2024 No.2 V试验研究实验研究电子负载串联，并将稳压电源的电压调整为 48 V。（2）启动充电器，调整直流电子负载为 CC 模式。输出电流为 30 A，设置测试时间为 30 s。（3）测试过程中，电压会保持恒定值不变。当电流下降至某个值后，电流电压将突然发生变化。则此变化前的电压值为恒压电压值，即转灯电压值。3.4 恒压充电阶段跳转条件此恒压阶段的跳转条件可分为限流条件和限时条件。3.4.1 限流条件可使用电子直流负载的 CC 模式进行检测。CC 模式下，充电器会马上进入恒压阶段。此时控制电流不断减小。当电流减小至某个值时，电压会发生明显的变化，那么就可以取电压变化之前最后一个数据作为跳转数据。测试方法同第 3.1 节，取电压跳变前的恒定电压所对应的电流值，即跳转电流。3.4.2 限时条件对于恒压阶段限时条件的测试，同样需要考虑什么时候开始和什么时候结束。要保证试验开始时，或者在很短的时间内，充电器就进入恒压段，以避免将恒流阶段的时间误计入恒压时间内。既然知道限流是此阶段的跳转条件之一，并可以测得跳转电流值，那么在检测限时条件时，只需要控制此阶段的电流高于跳转电流值，充电器就会一直处于恒压充电阶段，直至达到限时条件转下一阶段。具体试验方法如下（如充电器型号为 48 V 3 A，测得跳转电流为 0.5 A）：（1）将充电器与开关电源并联后，再与直流电子负载串联，并将稳压电源的电压调整为 48 V。（2）启动充电器，调整直流电子负载的输出电压为 4858 V，设置测试时间为 10 s，同时开始计时。（3）继续调整直流电子负载的输出电流在 2.81.5 A 范围内，设置测试时间为 5 s。（4）继续调整直流电子负载的输出电流在 1.51 A 范围内，设置测试时间为 10 h。（5）当电流发生明显减小时，实验结束，结束计时。从上述实验步骤（2）和（3）中，可以看到所用时间都比较短。因为这两步能确保充电器在步骤（4）之前能进入恒压阶段，然后再使用 CC 模式使充电器保持恒压模式足够长时间（大于理论恒压阶段时间），从而得到实际恒压阶段的限时。3.5 恒压充电阶段温度补偿值温度补偿值可分为电压补偿与时间补偿。充电器的温度补偿多出现在此阶段，根据降温增压增时、升温减压减时的原则进行补偿。具体的补偿值会根据不同厂家要求、生产情况存在差异，但是都可以通过相同的检测方案进行检测。限时补偿的检测方法与第 3.4.2 节中限时条件检测方法相同，只是在试验前，需要将充电器静置于规定的环境温度中 0.5 h 以上，以使充电器内温感探头能准确测得环境温度。在铅酸蓄电池中，一般以每摄氏度 24 mV 的单格电压进行补偿，可以用公式 U补=n (25-)计算得出不同温度下的理论温度补偿值。式中：U 补 为充电器在某温度下的电压补偿值，单位 V；为温度补偿系数，单位 V/，一般由充电器厂家给定；n 为充电器对应蓄电池的单格数量。为环境温度，单位 。理论温度补偿值与常温状态下测得的最高电压相加，即为该温度下的充电器输出最高电压。如果无法得到 值时，可将充电器置于环境试验箱内，静置一定时间后，按照第 3.3 节中恒电压值检测方法进行检测。具体检测方法如下（如充电器型号为 48 V 3 A，试验环境温度为-10，温度系数 为 3 mV/，常温最高输出电压 59 V）：（1）将充电器放入环境试验箱，开启环境试验箱并设定试验温度为-10。将充电器的输出线与直流稳压电源并联后，与直流电子负载串联，并打开直流稳压电源及直流电子负载（设备预热）。（2）充电器在试验温度下静置 0.51.0 h，待充电器的温度传感器温度达到 10 1 后，开始进行测试。具体输出电流和时间可根据实际需要进行调整。（3）启动充电器，调整直流电子负载的输出电流在 02.8 A 范围内，设置测试时间为 60 s；（4）当电流明显减小时，实验结束。(下转至第 100 页)Chinese LABAT Man蓄 电 池2024 No.2 Vol.61100计过大，不仅会加大极群入槽的难度，不利于生产制造的效率，而且容易出现下槽不良。装配压力设计过小时，极群占用电池壳空间较小，不利于化成后对电池余酸进行处理。电池内余酸过多也会影响到电池的循环寿命。结合动力电池的使用环境，车辆在行驶时会产生震动。如果装配压力过小，电池内部就会产生活动，不利于电池的循环寿命。3 结论装配压力过大会影响电池的储液量，严重的还会影响的电池的化成效果，从而影响到电池的容量和寿命，而且也不利于生产制造过程。装配压力过小会导致余酸抽不净，以及电池的抗震动能力下降。经过实验验证，装配压力在 4555 kPa 这一范围内时，初期性能、电池储液量、开路电压、一次放电合格率和耐振动性能都有很好的表现。参考文献：1 朱松然.蓄电池手册M.天津:天津大学出版社,1998.2 德切柯巴普洛夫.铅酸蓄电池科学与技术M.段喜春,苑松,译.北京:机械工业出版社,2015.3 国外铅酸蓄电池文献选编（三）C.王琰,译.沈阳:沈阳蓄电池研究所,2007.4 陈红雨,熊正林,李中奇.先进铅酸蓄电池制造工艺M.北京:化学工业出版社,2010.5 刘广林.铅酸蓄电池工艺学概论M.北京:机械工业出版社,2008.6 柴树松,吴淳.压力对密封铅酸蓄电池性能的影响J.电池,1998(3):120122.7 陈体衔,郑君铣,张瑞恩.电池装配压力对玻璃纤维隔膜的影响J.蓄电池,1996(2):1012.8 曲经滨.电动车用阀控密闭铅酸蓄电池极群装配压力的研究J.电动自行车,2009(11):2628.9 倪君,周夏,宋德华,等.铅酸蓄电池 AGM 隔板研究综述J.蓄电池,2020,57(6):295298.DOI:10.16679/ki.21-1121.2020.06.012.10 孙廷猛,郭志刚,吴伟,等.装配压力对电动自行车用铅酸蓄电池的影响J.蓄电池,2018,55(6):261263.表 4 循环过程中极板厚度变化循环序次正板厚度/mm中板厚度/mm边板厚度/mm02.391.521.07502.581.440.931002.641.551.061502.941.471.142003.381.581.174 结束语对一款未知制式的充电器进行评估时,首先需获得其大致的充电曲线，从而分析出该制式的充电阶段与模式，然后再使用直流电子负载，通过模拟电池不同荷电状态、电流的输入信号和测试时间，让测试结果在最优的测试范围和最短时间内得到。测试时需要注意的是，充电器的特殊保护措施，如断电保护、开机保护、温度保护等。在检测中如果遇到类似情况，可通过复检、延长开机测试时间、降级检测等方法重新测试。特别是当充电器是依照某个标准制式进行测试时，每一个充电参数都须通过试验测得，不能以标准的参数值作为检测时的依据参数。参考文献：1 刘孝伟,周明明,周龙瑞.电动助力车用蓄电池充电器的改良J.蓄电池,2005(4):180182.2 肖莉,陈雪锋.蓄电池的种类与充电方法J.江西化工,2014(1):250252.3 WONG Y S,HURLEY W G,WOLFLE W H.Charge regimes for valve-regulated lead-acid batteries:Performance overview inclusive of temperature compensationJ.Journal of Power Sources,2008,783791.4 COLEMAN M,HURLEY W G,LEE C K.An improved battery characterization method using a two-pulse load testJ.IEEE Transaction On Energy Conversion,2008,23(2):708713.5 张毅,丁鼎.直流电子负载的工作原理及使用方法J.上海计量测试,2018,45(2):5455.(上接第 85 页)