肖青，周秀珍
（长江工程工作技能学院，湖北 武汉 430200）
摘要：铅酸蓄电池作为现在电动自行车动力源，其充电进程中析氢现象是发生爆炸的原因之一。经研讨标明：铅酸蓄电池充电进程中，其容量到达80%以上才发生析氢现象，可见监控蓄电池容量是必要的。本文根据铅酸蓄电池开路电压SOC预算法，以12V 2AH铅酸蓄电池作为研讨目标，规划电动自行车用铅酸蓄电池SOC显现电路，终究验证了其可行性。
关键词：电动自行车；12 V 2 AH 铅酸蓄电池，SOC显现电路
基金项目：湖北省教育厅科研方案一般项目（B2017565）
0 导言
铅酸蓄电池是现在电动自行车的动力源之一，其功能的好坏直接影响电动自行车自身的功能。有试验证明铅酸蓄电池在过充电的状况下，不会由于蓄电池内部温度升高导致起火或许电池内部压强较高而发生爆炸。可是充电进程中跟着蓄电池容量到达80%时，电解液中的水将被电解，氢气会释放出来。一旦氢气的浓度到达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况（SOC , State of Charge），对电动自行车安全充电技能是必要的。
1 铅酸电池析氢原理
现在电动自行车用铅酸蓄电池多为阀控式铅酸蓄电池，该类电池在充电进程中发生的气体将经过氧循环反响转化为水，故不需求向电解液参加耗费的水。氧循环原理如式（1）、（2）、（3），在正极板，水电解发生氧气。经过扩散效果，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。氧气由发生到复合，到达较好的密封效果。
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，若待机运用，最大充电电压为2.275±0.025 V/单体；若循环运用，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联系。C为蓄电池额外容量2 AH。丈量办法为：（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，使其容量为额外容量；（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分钟后丈量开路电压；（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联系
3 铅酸蓄电池SOC预算办法
影响蓄电池SOC预算的要素较多：环境温度、充放电电流、电解液浓度等。现在常用的预算办法有：开路电压法、内阻法、卡尔曼滤波法和神经网络法。开路电压法需求电池长时间静置而无法在线预算，内阻法要求为蓄电池注入沟通信号，经过丈量其发生的呼应核算电池内阻 [1] ，且SOC与电池内阻联系杂乱，很难树立准确的模型。卡尔曼滤波法对电池模型的要求较高，是一种估量值迫临实在值的办法。神经网络法归于智能算法，需求很多的练习数据。
3.1 蓄电池SOC与开路电压联系
在蓄电池充放电进程中其开路电压不能直接丈量，但开路电压法中铅酸蓄电池开路电压与SOC满意线性联系 [2] 即：
U OC =U 0 -K E (273+t)(1-SOC) （4）
其间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。经过必定的试验条件，可获得在SOC规模为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联系
为确认端电压于蓄电池SOC联系，需求凭借蓄电池模型。本规划选用蓄电池抱负模型，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，其间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，将内阻的效果疏忽，结合式（5）（6）可得铅酸蓄电池的端电压与SOC联系为：
V O =1.27×SOC+11.61 （6）
4 铅酸蓄电池SOC显现电路规划
一般电动自行车充电电路中主电路选用单端反激式规划，操控电路选用电流型UC3842为中心，合作LM324、光耦和TL431来完结蓄电池的充电操控。其蓄电池的状况指示为：红灯显现充电进程，绿灯显现充电完结 [5] 。为了更好显现蓄电池的荷电状况，本次电路规划考虑到显现蓄电池SOC为25%、50%、75%和100%。当蓄电池SOC低于75%，主张用户充电；而蓄电池SOC挨近25%，归于蓄电池深度放电状况，长时间出于此状况将影响蓄电池的运用寿命。蓄电池SOC挨近100%，为安全充电防止严峻析氢，可规划相应电路堵截蓄电池的充电主回路。
LM339 内部有四路集成比较器，且每个比较器包括两个输入端和一个输出端。两个输入端别离为同相输入端( 即 为“ + ”) 、 反 相 输 入 端 ( 即 为“－ ”) 。当参阅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阅电压信号，则输出饱满，输出端为低电平; 若比较的信号低于参阅电压信号，则输出到，输出端为高电平。LM339的两个输入端电压差超越 10mV时，即可改动输出状况。因而，用于弱信号检测的场合是比较抱负的 [6] 。
图3为电动自行车蓄电池荷电状况显现电路规划，蓄电池SOC为25%、50%、75%和100%的四种状况的参阅电压别离为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的参阅电压U 1 。四路LM339比较器别离命名为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，显现蓄电池荷电状况为25%；当U 4 > U1 时，LM339C输出低电平，则发光二极管D 3 点亮，显现蓄电池荷电状况为50%；当U 3 >U 1 时，LM339B输出低电平，则发光二极管D 2 点亮，显现蓄电池荷电状况为75%；当U 2 >U 1 时，LM339A输出低电平，则发光二极管D 1 点亮，显现蓄电池荷电状况为100%。
电阻R 2 、R 3 、R 4 、R 5 的阻值核算进程如下：
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则使用电阻分压有R 15 =308 Ω R 6 =315 R 4 =329 Ω R 2 =342 Ω。
5 试验
成果建立由四电压比较器LM339 N芯片构成的蓄电池荷电状况显现电路，其间蓄电池电压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 也别离为1 K可调电阻，使用串联电阻分压联系，当基准电压U 5 、U 4 、U 3 、U 2 别离为1.18 V、1.21 V、1.24 V和1.275V时，丈量出R 15 =482 Ω、R 6 =312 Ω、R 4 =320Ω、R 2 =337 Ω。调理10 K电阻，可模仿SOC为25 %、50 %、75 %和100 %的状况。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 定论
本系统根据现有电动自行车充电器结构和剖析铅酸蓄电池充电析氢原理、蓄电池荷电量预算办法等，规划出能显现蓄电池荷电状况的电路。该电路可以显现蓄电池SOC为25 %、50 %、75 %和100 %，提示用户在充电前了解蓄电池的状况，关于电动自行车安全充电有必定含义。后续将持续规划蓄电池SOC为100 %时，怎么主动堵截蓄电池充电电路。
参阅文献
[1] 王超.铅酸蓄电池充放电监测操控系统[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.轿车铅酸蓄电池SOC的实时估量办法[J].规划.研讨，2015（5）：17-18.
[4] 曹永红，电动自行车智能充电器规划[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规划[J]. 电子与封装，2011（5）：38-39.
[6] 巩银苗，鲁西坤等. 根据LM339电压比较器的沟经过零监测电路规划[J].煤矿机电，2018（5）：33-36.
作者简介
肖青（1984-），女，湖北随州人，讲师，首要研讨方向：电气主动化技能教学工作。
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第6期第38页，欢迎您写论文时引证，并注明出处
