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
• 三段式充電設計方案和實驗結果

解決方案：

• 三段式充電主電路設計
• 三段式充電驅動電路設計
• 三段式充電控制電路設計

實踐證明，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的方式組成電池組來提高輸出電壓，相應的就可以采用串聯方式進行充電。但是因其蓄電池的單個容量、端電壓和內阻在制造和使用過程中會不可避免地產生不一致的問題，從而形成蓄電池組在充電過程中往往會不均衡，結果會使蓄電池組的使用壽命嚴重縮短。本文提出了一種新型的充電器設計方案，隔離的三路輸出分別對單個蓄電池進行充電，同時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：放電狀態、充電狀態和浮充狀態。處于放電狀態時，蓄電池將儲蓄的化學能轉化為電能供給負載；充電狀態是在蓄電池放電之后進行能量儲蓄的狀態，此種狀態下電能轉化為化學能存儲起來；浮充狀態則是蓄電池維持一定化學能存儲量所要保持的工作狀態，浮充狀態下的蓄電池的儲能不會因為自放電而損失。放電、充電、浮充電3個狀態構成蓄電池的一個完整的工作循環。傳統的充電器采用串聯充電方式，通過各個電池的電流都是一樣的。盡管采用了三段式的充電方法，但是充電時能控制的電壓只是電池組的串聯電壓，仍然伴有電池組充電不均衡并且擴大的現象。蓄電池工作狀態曲線如圖1所示。因此在此基礎上采用一種新的解決方法。

2 改進設計方案

2.1 主電路
改進的新型充電器主電路，如圖2所示。前級采用軟開關不對稱半橋實現了多路的隔離輸出，并且利用自身產生的寄生參數，實現諧振式零電壓軟開關以此減小開關的損耗，同時也避免了因變壓器漏感而帶來的電壓尖峰。后級采用成熟簡單的Buck電路拓撲，實現降壓并用此來滿足三段式充電的要求。

要實現不對稱半橋的軟開關，不對稱半橋的參數設計需要滿足以下2個條件，即：

中：Zn為特性阻抗，；D為開關管Q1的占空比；C為開關管Q1和Q2的寄生電容；ωk為諧振角頻率；Lk為變壓器初級漏感；I0為負載總電流；td為死區時間；n為變壓器初、次級匝比。

2.2 驅動電路
不對稱半橋驅動電路，如圖3所示。驅動集成芯片采用IR公司的IR2103，其輸出級作為推挽驅動輸出，以直接耦合的方式與主電路的開關管相連接，由HO和LO的輸出分別作為驅動橋式電路的上、下橋臂。為了實現上橋臂驅動電路的地電位與主電路的同步浮動，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為驅動電源的電壓；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為器件開關頻率；Qg為MOSFET柵荷。

自舉電容應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，KB>1；UR為沿CB放電回路外壓降的總和。

為了減小DB的反向恢復電流，進一步減少存儲進驅動電源的電荷量，本文中的DB采用快速恢復二極管。Buck電路開關管的驅動電路，如圖4所示。

當驅動門極的輸出為高電平時，隔離變壓器驅動側電容能夠防止直流分量流過變壓器的初級，而另一側電容和二極管能夠把電壓變為單極性。同時兩個電容的取值至少是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。同時兩級電路都采用電壓型的控制。不對稱橋采用的是前饋控制，當輸入的電壓有波動時，占空比能夠相應調整，以保證前級的輸出基本不變，如圖5所示。

后級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 實驗結果

充電過程進行了180 min，每隔5 min記錄充電電壓、電流1次，并用Matlab擬合。實驗結果表明，該方案可以實現蓄電池組的并聯均衡充電，從而避免了充電過程中產生的不均衡對蓄電池造成的傷害，有效保護了電池，延長其使用壽命。蓄電池充電曲線如圖7所示。實驗波形如圖8和圖9所示。

4 結語

本文分析了傳統的串聯三段式充電器充電不均衡的產生及其擴大的原因，并且據此改進了充電器的主電路結構，優化了控制方案。設計了一種新型的可對鉛酸蓄電池實現三段式充電的方案，大大提高了蓄電池組的充電效率，有效地保護了電池，并且延長了電池組的使用壽命。