新型蓄電池充電方案解決充電失衡

中心議題：

• 蓄電池充電理論
• 三段式充電設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

解決方案：

• 三段式充電主電路設(shè)計(jì)
• 三段式充電驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
• 三段式充電控制電路設(shè)計(jì)

實(shí)踐證明，要保證鉛酸蓄電池的使用壽命，采用正確的充電方法是非常重要的，蓄電池常常被采用串聯(lián)的方式組成電池組來提高輸出電壓，相應(yīng)的就可以采用串聯(lián)方式進(jìn)行充電。但是因其蓄電池的單個(gè)容量、端電壓和內(nèi)阻在制造和使用過程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生不一致的問題，從而形成蓄電池組在充電過程中往往會(huì)不均衡，結(jié)果會(huì)使蓄電池組的使用壽命嚴(yán)重縮短。本文提出了一種新型的充電器設(shè)計(jì)方案，隔離的三路輸出分別對單個(gè)蓄電池進(jìn)行充電，同時(shí)采用新型的三段式充電控制方法。

1 充電理論

蓄電池在工作工程中主要具有3種工作狀態(tài)：放電狀態(tài)、充電狀態(tài)和浮充狀態(tài)。處于放電狀態(tài)時(shí)，蓄電池將儲(chǔ)蓄的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能供給負(fù)載；充電狀態(tài)是在蓄電池放電之后進(jìn)行能量儲(chǔ)蓄的狀態(tài)，此種狀態(tài)下電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)起來；浮充狀態(tài)則是蓄電池維持一定化學(xué)能存儲(chǔ)量所要保持的工作狀態(tài)，浮充狀態(tài)下的蓄電池的儲(chǔ)能不會(huì)因?yàn)樽苑烹姸鴵p失。放電、充電、浮充電3個(gè)狀態(tài)構(gòu)成蓄電池的一個(gè)完整的工作循環(huán)。傳統(tǒng)的充電器采用串聯(lián)充電方式，通過各個(gè)電池的電流都是一樣的。盡管采用了三段式的充電方法，但是充電時(shí)能控制的電壓只是電池組的串聯(lián)電壓，仍然伴有電池組充電不均衡并且擴(kuò)大的現(xiàn)象。蓄電池工作狀態(tài)曲線如圖1所示。因此在此基礎(chǔ)上采用一種新的解決方法。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

2.1 主電路
改進(jìn)的新型充電器主電路，如圖2所示。前級(jí)采用軟開關(guān)不對稱半橋?qū)崿F(xiàn)了多路的隔離輸出，并且利用自身產(chǎn)生的寄生參數(shù)，實(shí)現(xiàn)諧振式零電壓軟開關(guān)以此減小開關(guān)的損耗，同時(shí)也避免了因變壓器漏感而帶來的電壓尖峰。后級(jí)采用成熟簡單的Buck電路拓?fù)?，?shí)現(xiàn)降壓并用此來滿足三段式充電的要求。

要實(shí)現(xiàn)不對稱半橋的軟開關(guān)，不對稱半橋的參數(shù)設(shè)計(jì)需要滿足以下2個(gè)條件，即：

中：Zn為特性阻抗，；D為開關(guān)管Q1的占空比；C為開關(guān)管Q1和Q2的寄生電容；ωk為諧振角頻率；Lk為變壓器初級(jí)漏感；I0為負(fù)載總電流；td為死區(qū)時(shí)間；n為變壓器初、次級(jí)匝比。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路
不對稱半橋驅(qū)動(dòng)電路，如圖3所示。驅(qū)動(dòng)集成芯片采用IR公司的IR2103，其輸出級(jí)作為推挽驅(qū)動(dòng)輸出，以直接耦合的方式與主電路的開關(guān)管相連接，由HO和LO的輸出分別作為驅(qū)動(dòng)橋式電路的上、下橋臂。為了實(shí)現(xiàn)上橋臂驅(qū)動(dòng)電路的地電位與主電路的同步浮動(dòng)，采用由DB和CB組成的外接自舉電路。

二極管DB的耐壓決定式為：

式中：Uc為驅(qū)動(dòng)電源的電壓；Ud為不控整流輸出的電壓。DB的電流容量，JDm的決定式為：

式中：fs為器件開關(guān)頻率；Qg為MOSFET柵荷。

自舉電容應(yīng)能保證器件開通具有足夠的柵荷，則其容量需滿足：

式中：KB為安全系數(shù)，KB>1；UR為沿CB放電回路外壓降的總和。

為了減小DB的反向恢復(fù)電流，進(jìn)一步減少存儲(chǔ)進(jìn)驅(qū)動(dòng)電源的電荷量，本文中的DB采用快速恢復(fù)二極管。Buck電路開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路，如圖4所示。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)門極的輸出為高電平時(shí)，隔離變壓器驅(qū)動(dòng)側(cè)電容能夠防止直流分量流過變壓器的初級(jí)，而另一側(cè)電容和二極管能夠把電壓變?yōu)閱螛O性。同時(shí)兩個(gè)電容的取值至少是MOSFET器件本身的門極電容的10倍。

2.3 控制電路
Buck控制采用了最大占空比為100％的UC3842芯片，不對稱橋控制采用了最大占空比為50％的UC3844芯片。同時(shí)兩級(jí)電路都采用電壓型的控制。不對稱橋采用的是前饋控制，當(dāng)輸入的電壓有波動(dòng)時(shí)，占空比能夠相應(yīng)調(diào)整，以保證前級(jí)的輸出基本不變，如圖5所示。

后級(jí)Buck控制電路能滿足三段式充電的要求，Buck控制電路，如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

充電過程進(jìn)行了180 min，每隔5 min記錄充電電壓、電流1次，并用Matlab擬合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案可以實(shí)現(xiàn)蓄電池組的并聯(lián)均衡充電，從而避免了充電過程中產(chǎn)生的不均衡對蓄電池造成的傷害，有效保護(hù)了電池，延長其使用壽命。蓄電池充電曲線如圖7所示。實(shí)驗(yàn)波形如圖8和圖9所示。

4 結(jié)語

本文分析了傳統(tǒng)的串聯(lián)三段式充電器充電不均衡的產(chǎn)生及其擴(kuò)大的原因，并且據(jù)此改進(jìn)了充電器的主電路結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了控制方案。設(shè)計(jì)了一種新型的可對鉛酸蓄電池實(shí)現(xiàn)三段式充電的方案，大大提高了蓄電池組的充電效率，有效地保護(hù)了電池，并且延長了電池組的使用壽命。