郁百超
　　
　　(湖北省电力信息通信公司,湖北武汉430077)

　　
　　摘要:介绍蓄电池的无损充电及自行车、汽车、火车的微功耗电驱动系统。“整体串联恒流、单体并联恒压”的充电方法,实现了无损耗充电。无损的含意有两层,一是充电功率基本无损耗,二是电池本身在充放电过程中完全无损害,该无损充电机仅由简单电路实现,无过充、过热、过放、过流、短路现象,充电终了时所有单体电池的端电压完全相等;“只需把输入功率中的极小部分进行传统功率变换,就可以全部转换成输出功率”,实现了微功耗电驱动,即输入功率中绝大部分既不必进行实际的功率变换,也不必通过磁芯变压器或电感传递,直接到达输出端而成为输出功率,该微功耗电驱动系统的主功率器件不采用脉宽调制(PWM),电路简单,功耗极小而寿命极长,其成本、体积、重量、功耗都是传统电驱动系统的十分之一。

1．4、铅酸蓄电池无损充电
　　
　　充电电路与锂离子动力电池无损充电机相同，不同之处是：
　　
　　1) 并联稳压电路中的齐纳二极管的击穿电压要与铅酸蓄电池端电压12V相对应；
　　
　　2) 串联恒流充电电流要与铅酸蓄电池的充电特性曲线相对应；
　　
　　3) 串联恒流充电电压要与铅酸蓄电池组的端电路相对应。

　　　　
　　图10是铅酸蓄电池无损充电机充电曲线的仿真波形，可以看到，当蓄电池端电压从8到10.6V不等时开始充电后，端电压高的单体电池先行到达充电终了值，然后成直线并保持到最后，端电压低的单体电池最后到达充电终了值，无论是最低端电压还是最高端电压，也无论是其间的任意端电压，它们最后均到达充电终了值，并保持到最后。
　　
　　并联充电在实际应用中几乎是无法实现的，其效果可望不可及，而均衡充电必须有专门电路，在增加功率损耗和成本的同时，伴有电池荷电能力的下降；无损充电机采用简单的串联充电，不但达到了并联充电的效果，而且还达到了均衡充电的效果，不但没有荷电能力的下降，而且大大提升了电池的荷电能力。
　　
　　1．5、无损充电的特点
　　
　　1) 无损充电机采用整体串联恒流、单体并联恒压的充电方法，实现了对锂离子动力电池的无损充电，实际进行的是串联充电，却产生了并联充电的效果，充电全过程无过充、过热，同时使均衡充电成为多余；
　　
　　2) 无损充电机同时包括了放电电路，用弱电小开关，取代强电大电流，高电压开关的通断，使得放电电路安全可靠，当过放、过流或外部短路发生时，无延时地切断锂离子动力电池；
　　
　　3) 无损充电机电路简单，免除电池管理系统和各种复杂的控制芯片及软件，而充放电性能却大幅提升；
　　
　　4) 无损充电机采用百超功率变换器中的恒流恒压电源和电压切割原理进行串联充电，充电功率直接取自市电，不必进行传统功率变换，使得充电效率接近100%；
　　
　　5) 单体电池充电终了时的端电压，等于与其并联的并联稳压电路输出电压的设定值，此设定值可以人为调整，因此，无损充电机适合对任意端电压的各类蓄电池进行充放电；
　　
　　6) 无损充电机解决了制约锂离子蓄电池产业发展的主要问题，打破了当前节能与新能源汽车产业发展的瓶颈，使得锂离子蓄电池真正集成为一个动力总成不再成为问题，同时也解决了有关这方面的一个世界难题[2]；
　　
　　7) 无损充电机也解决了清洁能源和智能电网的输入瓶颈。
　　
　　二、自行车微功耗电驱动
　　
　　2．1、传统电动自行车控制器
　　
　　图11左边电路是有刷直流电机控制器，其核心是PWM脉宽调制，采用控制芯片TL494，另外包括了电瓶欠压保护、电机过流保护、刹车断电、电量显示等。H是高变低型霍尔速度控制转把，由松开到旋紧时，其输出端可得到4V—1V的电压。该电压加到TL494的②脚，与①脚电压进行比较，在⑧脚得到调宽脉冲。②脚电压越低，⑧脚输出的调宽脉冲的低电平部分越宽，电机转速越高，电位器VR2用于零速调节，调节VR2使转把松开时电机停转再过一点。

　　　　
　　图11右边电路是无刷直流电机控制器[6]，其核心也是PWM脉宽调制，采用控制芯片MC33035。主处理芯片根据无刷电机的霍耳信号对上三路和下三路的MOS管驱动电路给出有选择性的打开与关闭，完成电机换向。同时，根据转把的输入电压大小将相应脉冲宽度的载波信号与下三路MOS管导通信号混合，以达到控制电机速度的目的。
　　
　　输出脉冲的幅值就是蓄电池单边下降的端电压，正常工作时，MOS管IRF3205在一个换向周期内，输出一串脉冲波，此脉冲波的个数，由工作频决定。蓄电池端电压越低，或速度要求越高时，输出脉冲越宽，占空比越大，这是因为直流电机的转速是由输入直流电压值决定的，电压越高，速度越大，当蓄电池端电压下降到一定值时，或速度提高到一定值时，脉冲宽度，或占空比为100%，即输出的是直流电压，不再是一串脉冲波。
　　
　　传统电动自行车控制器一般采用Buck电路拓朴，无论是有刷还是无刷直流电机，调速的方法都是调节输入直流电压的幅值，在上述两种控制器中，速度的控制，即直流电压幅值的调节，是靠改变调宽脉冲方波的占空比完成的，其工作方法是，首先把输入的一种直流电压全部变成高频率方波，然后用大电容滤波，变成另一种直流电压，这种方法有以下毛病：
　　
　　1) 采用脉宽调制的方法，高频率、大功率方波的产生过程，也就是强烈EMI干扰产生的过程，直流变换器相当于一个高频功率发射台，可以想见，所产生的干扰何其严重。
　　
　　2) 功率变换过程中，输入功率的全部必须进行实际的功率变换，所有变换的功率必须通过磁芯变压器或电感传递才能到达输出端，损耗大，效率低。
　　
　　2．2、微功耗电动自行车控制器[8]
　　
　　微功耗电动自行车控制器首先根据霍尔速度控制转把的位置产生一个稳定的直流电压，然后将此直流电压直接引入电机。对于有刷直流电机，用一个直流开关即可，对于无刷直流电机，采用三相桥式开关，这里的开关，仅仅只是开关，无任何意义的高频损耗。因为在一个换向周期内，开关管IRF3205输出的永远是直流电压，而非一串脉中波。
　　
　　图12是变幅器原理框图，当输入电压在额定范围（由霍尔速度控制转把的位置决定）之内时，不必进行任何功率变换，输入电压直接到达输出端，成为输出电压。
　　
　　当输入电压大于额定电压时，经过电压切割电路，把大于额定电压的那部份电压切下来，进行传统功率变换，变换成额定输出的直流电压，连同切割剩下来的那部份直流电压并行输出。
　　
　　当输入电压小于额定电压时，经过电压补偿电路，把输入电压中小于额定电压的那部份直流电压补偿起来，即由补偿电路产生一个补偿电压，此电压恰好是额定电压和输入电压之差，叠加在输入电压之上，即输出电压是输入电压和补偿电压之和。

　　　　
　　上述变幅器输出的直流电压Vo的幅值是根据霍尔速度控制转把的位置决定的，Vo的幅值决定了电机的转速。与采用改变输入电压频率的方法调节电机速度的变频器相类似，此处采用改变输入电压幅值的方法调节电机速度，故称变幅器。

（未完待续）

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