电动自行车用铅酸蓄电池SOC显示电路设计
肖青，周秀珍
本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/201905/401017.htm（长江工程职业技术学院，湖北 武汉 430200）
摘要：铅酸蓄电池作为目前电动自行车动力源，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，设计电动自行车用铅酸蓄电池SOC显示电路，最终验证了其可行性。
关键词：电动自行车；12 V 2 AH 铅酸蓄电池，SOC显示电路
基金项目：湖北省教育厅科研计划一般项目（B2017565）
0 引言
铅酸蓄电池是目前电动自行车的动力源之一，其性能的好坏直接影响电动自行车本身的性能。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升高导致起火或者电池内部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，氢气会释放出来。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），对电动自行车安全充电技术是必要的。
1 铅酸电池析氢原理
目前电动自行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。
H 2 O→1/2O 2 +2H + +2e - （1）
Pb+1/2O 2 →Pbo （2）
PbO+H 2 SO 4 →PbSO 4 +H 2 O （3）
2 铅酸蓄电池特性曲线
本课题选用6-FMD-12.0(12 V 2.0 Ah)蓄电池，数据手册可知：环境温度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为不同温度时，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为不同温度时6FMD-12V 2AH 铅酸蓄电池开路电压OCV-荷电量SOC关系
3 铅酸蓄电池SOC估算方法
影响蓄电池SOC估算的因素较多：环境温度、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，通过测量其产生的响应计算电池内阻[1]，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满足线性关系[2]即：
U OC =U 0 -K E (273+t)(1-SOC) （4）
其中U OC 为铅酸蓄电池开路电压，U O 为铅酸蓄电池初始开路电压，K E 是个常数，单位为V/℃，t为蓄电池内部工作温度。通过一定的实验条件，可获得在SOC范围为0.2至0.8有如下公式[3]：
U OC =1.27×SOC+11.61 （5）
3.2 蓄电池开路电压与端电压关系
为确定端电压于蓄电池SOC关系，需要借助蓄电池模型。本设计选用蓄电池理想模型，如图2所示，该模型由等效串联内阻R和开路电压V dc 组成，其中V 0 为蓄电池端电压，I为充电电流，内阻为R。考虑到蓄电
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：
V O =1.27×SOC+11.61 （6）
4 铅酸蓄电池SOC显示电路设计
一般电动自行车充电电路中主电路采用单端反激式设计，控制电路采用电流型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使用寿命。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“－ ”，两个电压信号进行比较时，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为电动自行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%。
电阻R 2 、R 3 、R 4 、R 5 的阻值计算过程如下：
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。
5 实验
结果搭建由四电压比较器LM339 N芯片构成的蓄电池荷电状态显示电路，其中蓄电池电压U 0直接接入5 V。将R12 3.3 K电阻替换为10 k可调电阻，R 15 、R 6 、R 4 、R 2 也分别为1 K可调电阻，利用串联电阻分压关系，当基准电压U 5 、U 4 、U 3 、U 2 分别为1.18 V、1.21 V、1.24 V和1.275V时，测量出R 15 =482 Ω、R 6 =312 Ω、R 4 =320Ω、R 2 =337 Ω。调节10 K电阻，可模拟SOC为25 %、50 %、75 %和100 %的情况。当电压U 1高于1.18V时，LED4点亮；
当电压U 1 高于1.21 V时，LED3、LED4点亮；当电压U 1 高于1.24 V时，LED2、LED3、LED4点亮；当电压U 1 高于1.275V时，LED1、LED2、LED3、LED4、点亮。
6 结论
本系统基于现有电动自行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，对于电动自行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。
参考文献
[1] 王超.铅酸蓄电池充放电监测控制系统[D] 杭州电子科技大学2017.6：14.
[2] MASSIMO C. New dynamical models of lead-acid batteries[J]. IEEE Transactions on PowerSystems, 2000,15(4):1184-1190.
[3] 王跃飞，方海涛等.汽车铅酸蓄电池SOC的实时估计方法[J].设计.研究，2015（5）：17-18.
[4] 曹永红，电动自行车智能充电器设计[D].河北科技大学，2014（12）：5-8.
[5] 张波，一种36V电动自行车充电器的设计[J]. 电子与封装，2011（5）：38-39.
[6] 巩银苗，鲁西坤等. 基于LM339电压比较器的交流过零监测电路设计[J].煤矿机电，2018（5）：33-36.
作者简介
肖青（1984-），女，湖北随州人，讲师，主要研究方向：电气自动化技术教学工作。
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第6期第38页，欢迎您写论文时引用，并注明出处
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