电动自行车电器系统方案.docx

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电动自行车电器系统方案

职工技术培训讲义

电动自行车电器系统

嘉兴市菲利普车业有限责任公司

2003年7月

电动自行车电器系统配置按以下几个方面介绍：

一．电动自行车电池的一般知识

动力型电池虽然现在种类繁多，有铅酸、镍氢、锌空、锂电池等。

但目前市场上供应的消费者在使用的电动自行车绝大多数还是使用铅酸（pbA）蓄电池。

菲利普公司生产销售的电动自行车到目前为止采用的全都是密封铅酸蓄电池。

型号为6—DZM—10（JB/T10262—2001）其含义：

6—串联单体蓄电池数；DZ—电动助力型；M—密封式；10—2hr额定容量。

也就是12V/10Ah。

1．蓄电池构造主要由正极板、负极板、隔板、蓄电池槽、蓄电池盖、电解液、电极端子等组成。

（1）极板：

正极板栅片上附着物为二氧化铅（pbO2），负极板栅片上的附着物是海绵状纯铅（Pb）。

正极板表面的化学反应比负极板表面的化学反应激烈，为了保证在充放电过程中，正极板两个面上的化学反应较均匀，每片正极板总是夹在两片负极板之间，即电池单格内的正极板总是比负极板少一片。

（2）隔板：

为一多孔的绝缘薄板，夹在正、负极之间。

其作用是防止正、负极板短路，并使电解液在极板间充分渗透。

密封免维护蓄电池隔板大都采用超细玻璃丝纤维隔板。

（3）电解液：

为硫酸与蒸馏水的混合液，在20ºC标准温度下及蓄电池完全充电时，其比重应为1.28。

含有杂质的工业硫酸和非蒸馏水都不许使用。

否则，会因杂质影响蓄电池的性能。

（4）壳体：

密封免维护蓄电池基本上都是采用ABS塑料制成，耐酸、耐热、耐震。

内分单格作电解池。

（6）电池盖及螺纹液孔塞、安全阀、正负极端子。

菲利普公司采用的正负极端子铜接片宽度为6.3mm长度为8mm。

保证了接插或焊接质量。

2．铅酸蓄电池的工作原理

将蓄电池与直流电源连接进行充电时，蓄电池将电源的电能转变为化学能储存起来，这一过程叫做蓄电池的充电。

在蓄电池两端接上负载后，则贮存的化学能又转变为电能，这一过程称为蓄电池的放电。

蓄电池充电后，正极板上的活性物质变成二氧化铅，负极板上的活性物质变成绒状纯铅。

在蓄电池正负极两端接上电阻（负载），电流由正极流向负极。

硫酸在水溶液中，部分分子分解成氢离子（H+）和硫酸根离子（SO42—）。

当蓄电池放电时，氢离子移向正极板，化学反应式为

pbO2＋2H+＋H2SO4pbSO4＋2H2O－2e

硫酸根离子移向负极板，化学反应式为

pb＋SO42—pbSO4＋2e

多余的负电子就从负极流经电阻（负载），返回到正极板。

这样，蓄电池在放电时，硫酸同二氧化铅化合，生成两个水分子，使电解液的浓度和比重一下降，正、负极板上的活性物质变成硫酸铅。

硫酸铅的体积和电阻比极板上的活性铅及二氧化铅大得多。

铅、二氧化铅和硫酸铅的一克分子体积比为18：

26：

49，所以，极板上铅和二氧化铅放电后变成硫酸铅，体积大为增加。

如过量放电，硫酸铅过分膨胀，可使极板损坏。

蓄电池在充电时在电流的作用下，电解液的硫酸根离子移向正极，与水置换反应，从水中取得两个氢离子成为硫酸而析出氧离子，这时，氧离子丢掉2个电子而成为气体，并从正极上析出，即：

2SO42—＋2H2O＝2H2SO4＋O2＋4e

同时，氢离子移向负极，获得电子后中和成为氢，在负极板上析出，即：

pbSO4＋H2＝H2SO4＋pb

在正极板上反应式为

2pbSO4＋O2＋2H2O＝2pbO2＋2H2SO4

在充电过程中，水被吸收生成硫酸，使正极板复原为二氧化铅，负极板复原为绒状铅，结果是，电解液的浓度和比重增加，蓄电池的内阻降低，端电压升高。

放电和充电的循环过程中的可逆化学反应式如下：

pbO2＋2H2SO4＋pb＝＝pbSO4＋2H2O＋pbSO4

正极电解液负极正极电解液负极

3．动力型密封铅酸蓄电池的技术要求

（1）质量（重量）能量比要高；目前一般都能达到30Wh/kg，但比起一些如镍氢、锂电池等新型的电池来讲铅酸电池是最低的，只是与以前来比，有了较大的提高。

其放电容量按行业标准是以两小时放电率来表示。

即时间（小时）与放电电流（安）的乘积数。

（2）充放电循环寿命要长；按JB/T10262—2001电动助力车用密封铅酸蓄电池标准。

在25±5ºC的环境中，以1.0I2（A）电流放电1.40h,然后蓄电池以恒压16.00V限流0.3I2（A）充电5.60h。

以上为一个循环寿命次数。

不应低于350次。

（3）组合一致性；目前电动自行车基本上都是采用12V×3一组，工作电压为36V。

由于是3只电池串联充放电，3只电池的一致性对循环使用寿命影响很大。

标准规定在循环寿命试验的蓄电池进行到第100次、第150次、第200次放电时，分别测记放电1.40h时蓄电池的端电压。

按下式计算出蓄电池端电压差△应不高于0.40V。

△U＝

式中:

△U1—第100次放电1.40h时的端电压平均差,V;

△U2—第150次放电1.40h时的端电压平均差,V;

△U3—第200次放电1.40h时的端电压平均差,V。

在生产厂实际检测中采用的是计算机自动选配。

而在维修中采用的是根据放电容量来进行选配，这在一段使用时间内是有效的。

（4）自放电率要小；在标准中的定义是荷电保持特性，在蓄电池完全充电后，擦净表面，在温度为25±5ºC的环境中开路静置28d，然后按2h率容量试验放电，容量保存率不应低于85%。

由于蓄电池自放电现象的存在，因此在生产周期、销售过程中蓄电池一旦离生产出厂日期一个月以上，要注意及时进行补充电。

使用存放日久的蓄电池，因其极板上产生了氧化层，应先充电消除后方可正常使用。

二．充电器的基本技术要求

为满足电动自行车电池的正常循环使用，必须配置合适的充电器，充电器是把市电（交流电源）220V转变为适合蓄电池电压的直流电源，并能对蓄电池进行既不欠充、又不过充的自动装置。

目前充电器有以下几种型式：

变压器降压充电器、开关电源三阶段式充电器、开关电源脉冲充电器。

1．菲利普公司采用的是开关电源三阶段式充电器。

开关电源充电器通过高频功率管和高频变压器降压，电子元件体积小、重量轻，效率高。

高频开关电源是上个世纪八十年代发展起来的高科技成果，目前广泛应用于彩色电视机的电源。

就其电路原理、电子元件的可靠性，应该讲是比较成熟的。

充电器的充电过程三阶段为恒流、恒压、浮充三个过程。

适用于36V/10Ah蓄电池充电器即开始充电时为≤0.2C（I2）用1.8A电流恒流充电,在这过程中充电器的输出电压逐渐升高,当升至44.1V时（43.8V～44.1V）就转为恒压充电。

在恒压充电过程中随着蓄电池端电压的逐步升高，充电电流为逐步减小，当充电电流减小至500mA时（即为已基本充足电状态），充电器必须将充电电压自动降至41.4V（41V～41.4V）。

这时进入小电流（250mA～300mA）浮充状态。

在这种状态下，即使长时间充电，也不会使电池充坏。

充电参数要求（36V/10Ah）

2．电动自行车充电器是属于无人值守，又较长时间使用的类似家用电器。

它的阻燃性能；着火危险试验要求、电气强度；泄漏电流等项都是需要按国家标准GB4706.18-1999强制执行的一些内容。

菲利普公司采用的充电器外壳是铁壳。

属于I类器具:

其电击防护不仅依靠基本绝缘而且包括一个附加安全防护措施的器具。

其防护措施是以万一基本绝缘失效，易触及的外壳连接到设施固定布线中的接地保护导体。

因此电源线（Y型连接）的三极插头必须插入接有保护地线的家用插座中。

不要擅自更改。

在充电器上有电源开关，可防止用户要末充电器长期挂接在电源上，要末采用插拔电源插头来切断电源。

由于是采用了防护等级较高的铁制外壳，外壳的阻燃性能就母庸置疑。

但是电源线连插头和充电线连插头必须采用的是经国家强制认证（3C认证）的品牌，不可悼以轻心。

插头注塑材料一般采用35P硬质阻燃聚氯乙烯材料（PVC—V）。

3．充电器的原理方框图见下：

4．电路原理图及元件布置图见附图一、附图二：

三．驱动采用的直流电机

电动自行车的驱动型式由2000年以前刚开始采用的三种驱动形式：

后轮摩擦驱动结构、中轴电机链传动结构、后轮毂电机直接驱动。

发展到现在基本上绝大多数都是采用轮毂电机直接驱动。

菲利普公司生产的电动自行车全部是这种型式。

电动自行车额定负荷计算公式：

行驶阻力∑F＝FG＋FQ＋Fi＋Fj

式中：

滚动阻力FG＝K/r·W（式中：

K为滚动磨擦系数、r为车轮半径、W为总重量）

空气阻力FQ＝1/2·ρ·Cd·S·V2（式中：

ρ为空气密度、Cd为空气阻力系数、S为迎风面积、V为车速）

坡道阻力Fi＝W·sinθ（式中：

θ为坡度角度）

加速阻力Fj＝Fj1＋Fj2（式中：

Fj1为平动质量惯性阻碍力、Fj2为旋转质量惯性阻力）

电动自行车在风力小于2～3级；平地行驶；载重75kg；匀速20km/h时，额定输出功率约130W。

因此选用电机额定功率一般为180W。

由于现在实际行驶速度大都超过20km/h，故已接近200W～240W。

考虑整车重量、电机效率、电池放电率等整个驱动系统因素，故选用的是36V电压等级。

轮毂电机一般有以下几种：

有刷电机轮毂（高速有齿电机、中速有齿电机、低速无齿电机），无刷电机轮毂。

以下分别作一些介绍。

1．无刷电机原理图如下：

由于无刷电机系统结构复杂，电机通用性和控制器可靠性都较差。

而人们所担心的有刷电机的电刷和换向器，在实践使用中寿命大都能超过2000小时。

再加上价格成本等原因，故无刷电机的采用越来越少，有逐步退出使用趋势。

目前菲利普公司生产的电动自行车全部是采用有刷电机。

2．有刷电机在前面概述中已经提到有高速有齿、中速有齿、低速无齿三种。

高速电机轮毂是前几年采用得比较多的，它的电机转速高达3000转/分以上，经二级直齿轮减速，最后通过单向离合器输出。

20"轮径一般转速应该在205转/分。

因为它的伺服特性好、重量轻、效率高、负载特性比较硬、骑行轻松比较适合作电动自行车的驱动电机。

但是它存在着噪声大、传动机构齿轮离合器容易磨损、故障率高、维修困难、电机价格高等缺点。

因此在与低速电机的竞争中，所占分额也越来越少。

菲利普公司从2001年10月份以后所生产的电动自行车也就仃止采用高速电机了。

目前生产的电动自行车大都使用低速无齿电机。

由于采用的稀土（钕铁硼）永磁材料最大磁能积（BH）达326～342KJ/m3，磁钢的厚度从3mm已经增加至5mm。

电机工作点的效率η已能达到0.75以上。

尽管它的外负载特性较软，迎风行驶、爬坡、起动性能都较差，但由于噪声低、结构间单、故障率低、维修方便、价格低等优点。

因而在整个电动自行车行业中所占的比例很大。

它的维修主要是调换碳刷，规格是6×10×20；更换轴承6002Z；以及清洁和光洁换向器。

中速电机轮毂结构与高速电机轮毂相似，电机转速为1000多转/分，通过行星齿轮减速、单向离合器输出转矩。

而中速电机轮毂以它与高速电机和低速电机两者优缺点兼顾的特点，目前还是受到一些消费者和生产厂家的欢迎。

因为价格要比低速电机贵，并且由于结构要比低速电机复杂因而故障及维修率也要高一、二个百分点，故在使用总量上不大。

3．无齿低速电机轮毂特性曲线：

四．控制器的技术要求

由于驱动系统的采用电机目前仍有二种形式。

故控制器也有二种型式：

一种是无刷电机控制器，系统较复杂，另一种是有刷电机的控制器相对简单，用得也比较多，菲利普公司是全部采用有刷电机控制器。

控制器的基本作用是调速。

直流电机调速是采用调压调速。

以前都是采用改变串接电阻值来进行，效率比较低。

近年来由于电力电子技术的发展和成熟，采用电子功率器件如场效应晶体管（功率MOSFET）来进行脉宽调制（PWM）调节输出电压。

以下仅对我公司采用的有刷控制器作一些介绍：

1．简易带车头灯控制器：

是集电机调速控制、带电量显示、带车头灯为一体。

所有控制器均应有欠压保护功能（一般为31.5V）、限流保护功能（我公司设定为15A）、制动断电功能（我公司现均为刹车接低电位信号）。

与控制器配合使用的调速器现在几乎全都采用“霍尔”调速转把。

最早是采用电位器容易磨损，后改进为光控但时间一久容易脏污影响光控信号。

“霍尔效应”是采用磁感应原理：

在改变磁场强度时，“霍尔元件”将改变所产生的“霍尔电势”。

所谓“电子刹把”也是采用了“霍尔效应”。

霍尔转把一般是输入工作电压是5V，输出1～4V。

但要注意的是一旦地线不通呈悬空状态，则转把上输出端就是高电位也即控制器对电机有输出，轮子转动！

这在维修中要特别重视，以免造成误判断。

所带电量显示实际是电压指示，采用发光二极管（LED）点亮指示相对应电量：

其控制器外接电路原理如下：

2．配豪华仪表盘的控制器：

现在这样的型式用得较多。

这样在满足上述控制器的一些基本要求外，还要有车速显示等。

仪表盘上车速显示不外乎二种：

一种是机械式的里程及车速表，采用前轮转动带动软轴显示车速及里程，这与控制器无联系。

另一种是采用控制器的输出电位与地电位之间的电位差作为信号来对应车速。

另外供转把工作的5V，转把输出的1～4V，制动时的信号都是保证正常工作的必要条件。

由于目前在电动自行车上采用的电门锁质量参差不齐，一些锁的触点接触不良，容易发热引起故障。

加上电门锁与控制器距离较长，主电路回来回去引起压降增加损耗。

因此我们在这类控制器中统一增加了继电器。

控制器外接电路原理图

我公司的控制器为了维修方便，从原理上讲都是可通用的，并且在出线接插件上采用了统一的规格和形式。

以“新菲利普快艇”控制器为例，见下图：

主要是了解掌握好这六芯接插件中的线序排列和作用。

在维修中一些问题也就迎刃而解。

另外如仪表中速度显示是采用电子式的，则六芯接插件改为：

增加了一个速度信号。

而且这类控制器都与线束配套使用。

3．有刷控制器内部电路原理图见附图三，供参考。

四．整车线束及电器配置

由于款式新颖的电动自行车都配置了仪表盘、前大灯、前后转向灯、后位灯、喇叭、报警器因此都配置了整车线束，使整车装配工艺更规范。

下面介绍一些车型的整车电路及线束。

1．“新奥运快艇”车型，配“轻骑车头”整车电路原理图见附图四。

2．“甲虫王国”“绿舟三号”车型的整车线束图比较典型，见附图五、附图六。

3．一些电器部件的介绍：

1．“绿舟三号”一类车型用的仪表盘，因车速是采用机械式仪表，而电量显示则是采用指针式的，因而仪表盘内存下一些指示灯电路则就比较间单了，见下图：

“甲虫王国”这一类仪表盘因车速显示和电量指示均为电子式的，因而内部电路也就较复杂。

其原理是采用一些四路电压比较器的IC，如LM17358、LM339之类芯片，来进行电压比较而输出信号，依次点亮发光二极管。

2．一些车型中配接报警器比较多，下面作一些介绍。

报警器由于输出转向灯接正极为I型。

有些线路转向灯（含仪表转向指示灯）接电源负极要求有报警功能，就要求有转向灯接负极的报警器为II型。

接线原理如下：

技术参数：

项目

范围

工作电压（V）

30～45

静态电流（mA）

6～8

报警工作电流（mA）

35～55

喇叭工作电流（mA）

20～35

转向控制电流（mA）

120～150

由此可见它的静态电流和工作电流均比较小，待机损耗电能少。

在维修检查中要注意，调换时要分清型号。

五．电动自行车是新兴发展起来的产业，是依托在相关行业很多高科技成果上的结晶。

但由于产生的历史短，还不很成熟，再加上当今现代科学技术的飞速发展。

可以肯定：

电动自行车将会有越来越多的高新技术的应用，业内人员也面临着需要不断学习、不断创新的压力。