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高可靠高功率智能鉛酸電池充電器的設(shè)計(jì) 研究

作者: 時(shí)間:2012-03-28 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

作者:林木松 李 微  上傳時(shí)間:2008-3-19 14:13:50
摘要:針對(duì)目前國內(nèi)大普遍存在的不足,本文給出了一款采用MCU實(shí)現(xiàn)控制的高性大方案。文中詳細(xì)介紹了這款思路,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理。最后從性預(yù)測(cè)、電子元器件的選用和控制、優(yōu)選電路和邊緣性能、過應(yīng)力防護(hù)設(shè)計(jì)和三防設(shè)計(jì)五個(gè)方面給出了此方案充電器的關(guān)于性方面的設(shè)計(jì)。 敘詞:充電器 充電曲線 可靠性 充電器 高爾夫球車充電器 電動(dòng)車充電器 電動(dòng)游艇充電器 Abstract:According to the limits of the existing high power charger design, in this paper, a new design of high reliability power charger for lead-acid battery with MCU intelligent control is introduced. The design concept, the topology applied and the principle of operation are described in detail. And a good reliability design including reliability forecast, component choose, circuit optimization and critical performance design, over-stress protection design and triple-protection design is discussed mainly. Keyword:Charger Charge Curve Reliability
1 引言

本文引用地址:http://www.butianyuan.cn/article/177661.htm

密封式鉛酸蓄電池具有價(jià)格低廉、供電可靠、電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),因此得到廣泛的應(yīng)用。隨著蓄電池的廣泛應(yīng)用,大高可靠性蓄電池充電器的設(shè)計(jì)也隨之引起了人們的關(guān)注。目前,國內(nèi)大功率蓄電池充電器的整體研發(fā)水平與國外還有相當(dāng)一端的差距,主要表現(xiàn)在可靠性不高,整機(jī)壽命不長等方面。

深圳斯比泰電子有限公司針對(duì)目前國內(nèi)充電器設(shè)計(jì)中存在的普遍不足,開發(fā)出一款大功率鉛酸電池充電器。該充電器采用MCU控制實(shí)現(xiàn)充電,設(shè)計(jì)中從多方面考慮確??煽啃?。本文將詳細(xì)介紹這款充電器的設(shè)計(jì)思路,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理,最后還將針對(duì)此電源的可靠性設(shè)計(jì),從兩個(gè)方面給出具體分析。

2 鉛酸電池充電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理分析

大功率智能鉛酸電池充電器設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩部分。

2.1 充電器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

充電器硬件部分采用PWM控制的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。硬件原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入220V 或 115V 的市電,經(jīng)過整流、全橋高頻逆變,整流濾波后輸出直流電壓給電池充電。




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圖1 硬件原理結(jié)構(gòu)圖

2.2充電器軟件設(shè)計(jì)

2.2.1充電控制

充電器的軟件流程圖如下圖2。通過開機(jī)自檢后,將分別進(jìn)入三個(gè)充電狀態(tài):1)恒流充電;2)恒壓充電;3)浮充。

整個(gè)充電器的控制功能都由MCU來實(shí)現(xiàn)。MCU的控制具有精確、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。通過對(duì)電池的電流、電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣來判斷充電器所處的充電狀態(tài),通過控制PWM來控制充電器的充電狀態(tài)的切換,并將其狀態(tài)顯示在用戶界面。MCU不止實(shí)現(xiàn)輸出短路、過溫、電池反接等保護(hù)功能,還可實(shí)現(xiàn)線性溫度補(bǔ)償。

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圖2 軟件流程圖

2.2.2 溫度補(bǔ)償

鉛酸電池的電壓與溫度有很大關(guān)系,溫度每升高1℃,單格電池的電壓將下降4mV。即鉛酸電池的電壓具有負(fù)溫度系數(shù),其值為–4mV/℃。因此,在環(huán)境溫度為25℃時(shí)工作理想的充電器,當(dāng)環(huán)境溫度降到0℃時(shí),電池就不能充足電,當(dāng)環(huán)境溫度升到50℃時(shí),電池將因嚴(yán)重過充電而縮短壽命。因此,為了保證在很寬的溫度范圍內(nèi),都能使電池剛好充足電,充電器的各種轉(zhuǎn)換電壓必須隨電池電壓的溫度系數(shù)而變,即加入溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償方式有線性溫度補(bǔ)償和階梯溫度補(bǔ)償。圖3 為加入線性溫度補(bǔ)償與無溫度補(bǔ)償蓄電池容量與溫度的關(guān)系。(設(shè)置溫度補(bǔ)償系數(shù)為–4mV/℃)

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圖 3 線性溫度補(bǔ)償與無溫度補(bǔ)償蓄電池容量與溫度的關(guān)系

2.2.3 充電曲線

本充電器采用三段式充電。起充電曲線如圖4 所示。1恒流充電,當(dāng)電池電壓較低時(shí),較大電流的充電有利與加快充電速度;2恒壓充電,電池電壓在58V左右時(shí),以恒壓充電的方式使電池電壓保持不變,充電電流開始下降,進(jìn)入第三狀態(tài);3浮充,當(dāng)電池已被充到額定能力以后,保持電池電壓不變以較小的電流充電。

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圖4 電流、電壓充電曲線圖

3 可靠性設(shè)計(jì)

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),規(guī)定的條件下,完成規(guī)定的功能。為了取得鉛酸電池充電器的高可靠性,必須從設(shè)計(jì)階段開始就要考慮這個(gè)問題。

3.1 可靠性預(yù)測(cè)

可靠性預(yù)測(cè)是根據(jù)電源中所使用的元器件的性能及工作環(huán)境等已掌握的資料來推測(cè)電源的無故障工作時(shí)間的。可靠性預(yù)測(cè)是指導(dǎo)電源設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工作之一。

根據(jù)鉛酸電池充電器的工作方式,把它歸于可靠性串聯(lián)系統(tǒng)。它共由8個(gè)單元組成,其可靠性預(yù)測(cè)模型如圖5所示。

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3.2 電子元器件的選用和控制

從鉛酸電池充電器的可靠性分析中可以看出,電子元器件的工作失效率是充電器可靠性重要影響因素。要想提高充電器整機(jī)的可靠性,必須控制整機(jī)的電子元器件的工作失效率,可以說鉛酸電池充電器整機(jī)是否可靠地工作的基礎(chǔ)是電子元器件能否可靠的工作。所以,為了保證充電器的可靠性,必須對(duì)上機(jī)的電子元器件進(jìn)行優(yōu)選。通常電子元器件的選用必須遵守以下原則:

1)選用能滿足整機(jī)電氣性能指標(biāo)和可靠性要求的元器件;

2)選用被選入優(yōu)選手冊(cè)的元器件或被實(shí)踐證明產(chǎn)品質(zhì)量過硬的廠家的產(chǎn)品;

3)盡量壓縮品種規(guī)格,提高同類元器件的重復(fù)率,使其品種規(guī)格比率達(dá)到設(shè)計(jì)要求;

4)在滿足整機(jī)電氣性能指標(biāo)和可靠性要求的前提下,選用廉價(jià)的元器件和庫存元器件;

5)盡量優(yōu)先選用國標(biāo)和部標(biāo)元器件,再選用廠標(biāo)元器件。

充電器的所有部件受到的的電流應(yīng)力大,發(fā)熱量高,充電器內(nèi)部溫度上升快。因此在充電器的設(shè)計(jì)中必須重點(diǎn)考慮的部件如下:

①電解電容器

電解電容器的封口部位會(huì)漏出氣化的電解液,這種現(xiàn)象會(huì)隨著溫度的升高而加速,一般認(rèn)為溫度每上升10℃,泄漏速度會(huì)提高至2倍。因此可以說電解電容器決定了電源裝置的壽命。

② 開關(guān)晶體管、高速功率二極管

此類部件在性能界限內(nèi)使用時(shí),基本上可以維持7~10年的壽命,但電源通斷(能量循環(huán))時(shí)產(chǎn)生的物理應(yīng)力、熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致元件劣化,提前損壞。

③ 風(fēng)扇

球形軸承及軸承的潤滑油枯竭、機(jī)械裝置部件的磨損,會(huì)加速風(fēng)扇的老化。加之近年的DC風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)回路開始使用電解電容器等部件,所以有必要將回路部件壽命等因素也一并考慮進(jìn)去。

④ 光電耦合器

電流傳達(dá)率(CTR;Current Transfer Ratio)隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸減少,結(jié)果發(fā)光二極管的電流不斷增大,有時(shí)會(huì)達(dá)到最大限制電流,致使系統(tǒng)失控。

⑤ 開關(guān)

多數(shù)開關(guān)電源設(shè)有電容器輸入型的整流回路,在通入電源時(shí),會(huì)產(chǎn)生浪涌電流,導(dǎo)致開關(guān)接點(diǎn)疲勞,引發(fā)接觸電阻增大及吸附等問題。理論上認(rèn)為,在電源期望壽命期間,開關(guān)的通斷次數(shù)約有5,000次。

⑥沖擊電流保護(hù)電阻、熱敏功率電阻器

為抵抗電源通入時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流,設(shè)計(jì)者將電阻與SCR等元件并聯(lián)起來使用。電源通入時(shí)的電力峰值高達(dá)額定數(shù)值的數(shù)十倍至數(shù)百倍,結(jié)果導(dǎo)致電阻熱疲勞,引起斷路。處在相同情況下的熱敏功率電阻器也會(huì)發(fā)生熱疲勞現(xiàn)象。

3.3 優(yōu)選電路和邊緣性能設(shè)計(jì)

為了保證鉛酸電池充電器的高可靠性,硬件中的電路大多利用一些標(biāo)準(zhǔn)化電路和經(jīng)過考驗(yàn)的高可靠性電路。在電路設(shè)計(jì)成熟之后,也考慮了元器件參數(shù)的公差、漂移及參數(shù)隨環(huán)境條件變化等因素,使電路設(shè)計(jì)能容許這些變化而不影響其性能指標(biāo)。

3.4 過應(yīng)力防護(hù)設(shè)計(jì)

鉛酸電池充電器在所設(shè)計(jì)的正常工作狀態(tài)下,很少因出現(xiàn)元器件過應(yīng)力而發(fā)生故障。但是,要保證充電器的高可靠性,因瞬變干擾造成的過應(yīng)力對(duì)元器件的損害,就不得不考慮。正是基于此種考慮,本文所介紹的大功率智能鉛酸電池充電器對(duì)眾多關(guān)鍵性元器件進(jìn)行了過應(yīng)力防護(hù)設(shè)計(jì)。

3.5 三防設(shè)計(jì)

三防設(shè)計(jì)包括防潮設(shè)計(jì)、防鹽設(shè)計(jì)和防霉菌設(shè)計(jì)。本充電器主要采用應(yīng)用保護(hù)涂層和灌封進(jìn)行相應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)。

4 整機(jī)測(cè)試

各項(xiàng)可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用后,按照設(shè)計(jì)方案研制出來的樣機(jī),還必須通過加速壽命測(cè)試來驗(yàn)證其可靠性。以下列舉了幾項(xiàng)加速壽命測(cè)試:

① 高溫?cái)嗬m(xù)測(cè)試

機(jī)械性部件如繼電器、開關(guān)和電扇等,以及功率晶體管,功率二極管等部件的升溫現(xiàn)象很嚴(yán)重,因而有必要進(jìn)行高溫?cái)嗬m(xù)測(cè)試。

② 高溫連續(xù)壽命測(cè)試

③ 高溫高濕測(cè)試

針對(duì)金屬部件的腐蝕、塑料部件的分解等造成的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣耐力下降等障,進(jìn)行高溫高濕測(cè)試。

④ 溫度循環(huán)測(cè)試

環(huán)境溫度的高低差產(chǎn)生季節(jié)裂紋等變溫性應(yīng)力,從而導(dǎo)致焊接、塑模部件發(fā)生故障。進(jìn)行本測(cè)試即是為了檢測(cè)出這種故障是否存在。

4 總結(jié)

本文介紹了一款高可靠性大功率智能鉛酸電池充電器,從硬件和軟件兩部分分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理。最后從可靠性預(yù)測(cè)、電子元器件的選用和控制、優(yōu)選電路和邊緣性能設(shè)計(jì)、過應(yīng)力防護(hù)設(shè)計(jì)和三防設(shè)計(jì)五個(gè)方面介紹了鉛酸電池充電器的可靠性設(shè)計(jì)。

本文介紹的大功率鉛酸電池充電器性能可靠,智能化充電,具有數(shù)字顯示,可以滿足在較為嚴(yán)苛的環(huán)境下對(duì)鉛酸電池進(jìn)行充電的要求。同時(shí)具備輸出過壓保護(hù),過熱保護(hù),電池欠壓及過壓保護(hù),電池極性反接保護(hù)等功能,進(jìn)一步提高了充電器的可靠性。該機(jī)已經(jīng)成功廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車,高爾夫球車,電動(dòng)游覽車,電動(dòng)游艇,等采用鉛酸電池的充電場(chǎng)所。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘建。淺談電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)。國外電子元器件。2001,7

[2] 曲學(xué)基等編。穩(wěn)定電源基本原理與工藝設(shè)計(jì)。2004



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