一種大功率智能充電電源的研制

韓朋樂，徐張英，馬尚行，胡 晶

(1.國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南鄭州450001；2.中國電子科技集團公司第36研究所，浙江嘉興314001)

一種大功率智能充電電源的研制

韓朋樂1,2，徐張英2，馬尚行2，胡 晶2

(1.國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南鄭州450001；2.中國電子科技集團公司第36研究所，浙江嘉興314001)

介紹了一種大功率智能充電電源及其實現方法。采用UC3909智能管理芯片實現對鉛酸蓄電池的四階段充電管理，分析了主電路、控制電路和限幅保護電路的工作原理。采用該方案制成了2 kW智能充電系統，實際應用表明該系統動態性能良好，運行可靠。

蓄電池；四段式充電；UC3909

鉛酸蓄電池廣泛地運用在交通運輸、電力、通信等部門的設備中，成為最重要的關鍵系統部件之一。然而，由于充電方法不正確，充電技術不能適應免維護蓄電池的特殊需求，造成電池很難達到規定的循環壽命。本文研制了一款基于UC3909的鉛酸蓄電池智能充電電源，采用雙管正激拓撲，充電電流可達60 A，最大充電功率可達2 kW，并具有完善的保護措施，可以安全有效地對蓄電池進行充電[1]。

1 鉛酸蓄電池充電理論

20世紀60年代，美國的Mas經過大量實驗，提出了以最低析氣率為前提的電池充電可接受電流定律：

式中：I是任意時刻可接受的充電電流；In是t=0時的最大起始電流；a是衰減率常數。

蓄電池可接受充電曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，當充電電流大于該時刻可接受電流時，會出現“過充析氣”現象。充電可接受電流定律是蓄電池科學充電的理論基礎。

在實際的電池充電物理過程中，要使蓄電池的充電過程完全吻合該充電特性曲線存在較大困難。目前鉛酸蓄電池常用的充電方法包括恒流充電、恒壓充電、兩階段和三階段充電等方法。本設計采用智能控制芯片UC3909實現對鉛酸蓄電池的四階段充電，大大提升了充電效率，并有效保障了蓄電池使用壽命。

2 基于UC3909的四階段充電方法

UC3909是一款專用于蓄電池充電管理的智能控制芯片，內部具有電流取樣放大器CS、電壓誤差放大器VEA、電流誤差放大器CA，共同構成電壓、電流雙閉環控制，可以精確地控制鉛酸電池的充電速率。UC3909芯片可以根據蓄電池的狀態實現涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮充充電四個階段，如圖2所示。

狀態1：涓流充電

當蓄電池電壓低于充電使能電壓UT，充電器提供很小的涓流IT進行充電，IT一般約為0.01C(C為蓄電池容量)。

狀態2：恒流充電

圖2 UC3909的四階段充電曲線

充電器提供一個恒定的充電電流IBULK給蓄電池。在這個階段，蓄電池的電量快速增加，直到蓄電池的電壓上升到過壓充電電壓UOC，蓄電池進入恒壓充電。

狀態3：恒壓充電

在恒壓充電狀態，充電器提供一個略高于蓄電池額定電壓的恒定電壓VOC給蓄電池，以使蓄電池能量最后達到飽和。這個階段充電電流逐漸減小直到IOCT，表明蓄電池已被充滿，進入浮充狀態。

狀態4：浮充充電

充電器提供一個恒定的電壓UF給蓄電池，來維持蓄電池容量不變，同時會提供很小的浮充電流，彌補蓄電池自身放電造成的容量損失。

3 充電電源設計

基于UC3909的充電電源系統原理框圖如圖3所示。

圖3 充電電源系統原理框圖

系統輸入交流電經EMI濾波和整流后，得到輸入直流電壓；系統主功率拓撲選用雙管正激電路，輸出與蓄電池相連，實現充電。

控制芯片選用UC3909，實時采集輸出的電壓和電流，經UC3909處理后，轉換為不同脈寬的PWM信號，驅動雙管正激電路，使輸出恒流或恒壓。

系統供電從交流輸入取電，經一個交流變壓器變壓并整流后，變成約24 V直流電，供芯片和散熱器風扇。系統顯示分兩部分：一是工作狀態的顯示，由發光二級管完成；二是輸出電壓電流顯示，由三位半LED顯示AD轉換器完成。

3.1 DC/DC功率電路設計

本系統最大輸出功率可以達到2 160 W（考慮過載），并且要求輸入輸出隔離，只有橋式或正激結構才滿足要求。同時，系統最大輸入直流電壓可以達到600 V，這么高的系統容量如選用單管正激，則必須用IGBT模塊才能滿足耐壓要求。因此，最終選擇用雙管正激電路。這樣，使用兩只IGBT單管IKW40N120H3就能滿足要求，驅動器選用具有磁隔離的KD202型雙管正激專用驅動芯片，工作頻率選用25 kHz，IGBT吸收電路使用RCD型。在雙管正激電路中：

變壓器原、副邊匝比要滿足：

濾波電感L要滿足：

計算后，取L=150 mH。

3.2 控制電路參數計算

基于UC3909的充電電源，控制部分電路如圖4所示。

圖4 基于UC3909的充電電路

本設計采用24 V、400 Ah密封鉛酸蓄電池，根據廠家提供的蓄電池充電參數，浮充電壓UF取26.7 V，充電使能電壓UT取19.8 V；恒壓充電電壓UOC=28.2 V；涓流充電電流ITC取2 A；恒流充電電流IBULK取系統最大充電電流60 A；過充終止電流IOCT取7 A。根據以上參數，參照UC3909芯片資料，計算UC3909外圍元件參數，計算公式如下：

式中：uref為基準電壓2.3 V，代入式 (4)可得：Rs1=10.2 kΩ，Rs2=400 Ω，Rs3=1 kΩ，Rs4=16.2 kΩ。

3.3 占空比限幅電路設計

在雙管正激電路中，為了避免變壓器飽和，所要求的最大驅動占空比不能高于0.5，而UC3909芯片的最大輸出占空比為1。雖然我們在設計雙管正激變壓器時，計算出系統最大功率輸出時占空比小于0.45，但這是理論情況。為了使設計更加可靠穩定，我們在驅動信號上加入一個占空比限幅保護電路，保證雙管正激的可靠工作，電路如圖5所示。

圖5 占空比限幅電路

該電路中，通過設置RC的充電時間常數，能夠保證D觸發器的輸出是一個固定占空比的方波；原驅動信號與這個信號相“與”后，再作為驅動信號，從而保證了占空比一定小于0.45。二極管用于對電容進行周期性放電。

4 實驗結果

當充電器處于恒壓狀態，充電電壓為28.2 V，充電電流為60 A時，IGBT開關管的CE波形和輸出濾波電感上的紋波電流波形如圖6所示?？梢钥吹诫p管正激電路的占空比接近0.45，與理論符合，IGBT在關斷時的毛刺較小，證明所設計的吸收電路比較合理；同時看到，在輸出直流電流為60 A時，電感紋波電流有20 A，據此可以設計合適的電流保護閾值。

雙管正激變壓器的原邊電壓和電流波形如圖7所示。變壓器工作時無明顯尖峰電壓，電流波形也與理論一致。

圖6 IGBTVCE和電感紋波電流波形

圖7 正激變壓器原邊電壓和電流波形

經過反復老化實驗證明，該充電電源較好地實現了對大容量蓄電池的智能可靠充電。

5 結束語

本文研制了一種以UC3909作為智能控制芯片，以雙管正激電路作為功率拓撲的智能充電電源，采用四階段充電方法，實驗結果表明該電源工作穩定可靠，使蓄電池發揮了最大效率，較好地實現了對大容量鉛酸蓄電池的充電。該產品目前已批量投放市場，受到顧客好評。

[1]徐德鴻，馬皓.電力電子技術[M].北京：科學出版社，2007：72-93.

Development of intelligent high-power charger

HAN Peng-le1,2,XU Zhang-ying2,MA Shang-xing2,HU Jing2
(1.Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office,SIPO,Zhengzhou Henan 450001,China;2.The 36th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Jiaxing Zhejiang 314001,China)

A high-power intelligent charging system for storage battery was introduced.Lead acid battery's four-stage changing management was realized by using UC3909 chip.The operation principles of main circuit,control circuit and pulse width constraint circuit were analyzed.A 2 kW intelligent charging system designed with the solution has good dynamic response and operation reliability.

battery;four-stage charging;UC3909

TM 91

A

1002-087 X(2015)08-1699-03

2015-01-12

韓朋樂(1982—)，男，河南省人，碩士，主要研究方向為電力電子領域專利審查。