摘 要： 介紹了蓄電池充放電機理,、UCC3809及UC3909的內部結構以及基于UCC3809及UC3909設計的一種高性能充電器的電路原理,、參數確定及整機調試過程,。并提出了一種以絹流充電方式消除電池極板" title="極板">極板硫化現象的方法,。
關鍵詞： 鉛酸蓄電池" title="鉛酸蓄電池">鉛酸蓄電池 充電器 UCC3809 UC3909
目前已商品化的電動自行車絕大多數使用密封式鉛酸蓄電池,。鉛酸蓄電池充電時,，陰陽兩極上的硫酸鉛" title="硫酸鉛">硫酸鉛把固定在其中的硫酸成分釋放到電解液中,，分別變成海綿狀鉛和氧化鉛,，從而使電解液中的硫酸濃度不斷變大,；反之,，放電時陽極上的氧化鉛和陰極板上的海綿狀鉛與電解液中的硫酸發(fā)生反應變成硫酸鉛，而電解液中的硫酸濃度不斷降低,。當鉛酸蓄電池充電不足時,，陰陽兩極板的硫酸鉛不能完全轉化變成海綿狀鉛和氧化鉛,，如果長期充電不足或過放電，則會造成硫酸鉛結晶,，使極板硫化,，造成蓄電池疲勞、休克甚至報廢,；反之,，如果電池過度充電，陽極產生的氧氣量大于陰極的吸附能力,，使得蓄電池內壓增大,，導致氣體外溢，電解液減少,，還可能導致活性物質軟化或脫落,，電池壽命大大縮短。蓄電池設計壽命一般都在8年以上,，但電動自行車蓄電池往往2～3年就會損壞,，其原因主要是因為充電不合理造成其壽命縮短。有鑒于此,，筆者設計制作了一款四階段恒流限壓式密封鉛酸蓄電池充電器,。
1 充電器原理
1.1蓄電池充電曲線
鉛酸蓄電池充放電的過程是電化學反應的過程。充電時,，硫酸鉛形成氧化鉛,；放電時氧化鉛又還原為硫酸鉛。硫酸鉛是一種非常容易結晶的物質,，當電池電解溶液中的硫酸鉛濃度過高或靜態(tài)閑置時間過長時,，就會“抱成”團，結成小晶體,，這些小晶體再吸引周圍的硫酸鉛,，就象滾雪球一樣形成大的惰性結晶，結晶后的硫酸鉛充電時不但不能再還原成氧化鉛,，還會沉淀附著在電極板上,，造成了電極板工作面積下降，這一現象叫硫化,，也就是常說的老化,。這時電池容量會逐漸下降，直至無法使用,。所以,，導致鉛酸蓄電池失效和損壞的主要機理就是極板的硫化。蓄電池如果過放電,，則硫酸鉛濃度變大,很容易造成硫酸鉛結晶,，使極板硫化,，造成蓄電池疲勞、休克甚至報廢,。經過大量試驗證明,，蓄電池極板剛剛出現結晶時，如果能夠及時利用微電流對其進行充電,，可使硫酸鉛結晶溶解,，從而消除極板硫化，而且對電池極板亦無任何損傷,，所以這是一種無損傷修復鉛酸蓄電池極板硫化的有效方法,。修復后的電池容量平均可達額定容量的85％以上，蓄電池壽命可延長3～5倍,。為此本文利用UCC3809和UC3909構成一種四段式充電器，其目的是對48V蓄電池組(4塊串聯的12V20Ah蓄電池)盡可能更快更安全地充電到其額定容量,，同時每次充電時都對蓄電池進行過放電檢測,，如果是過放電則對蓄電池及時進行微電流充電，從而對蓄電池硫化現象起到維護和修復的作用,。為達到快速充電以縮短充電時間,，蓄電池組采用0.2C充電電流(Ibulk＝4A)恒流充電，當恒流充電到Voc＝58.8V時轉為恒壓充電,，這時充電電流開始下降,，當電流下降到Ibulk的10％，即IOCT＝400mA時,，蓄電池充滿(大概需5～6個小時),。然后轉為浮充狀態(tài)，浮充電壓為Vfloat＝55.2V,。當蓄電池組放電到電壓為VCHGENB＝42V時停止放電,，此電壓稱為放電終止電壓，并作為恒流充電的起充門限電壓,。當電池組電壓下降到低于VCHGENB(42V)時,，說明蓄電池被過放電或長期充電不足品質變劣，這時該充電器就會以ITC＝80～120mA(IOCT的20～30％)的涓流對蓄電池組進行微電流充電,，及時消除極板硫化現象,，從而對蓄電池起到維護及修復作用。充電曲線如圖1所示,。
1.2 電路工作原理
充電器原理電路如圖2所示,。該電路由UCC3809及其外圍元件和脈沖變壓器" title="脈沖變壓器">脈沖變壓器組成開關電源，由UC3909及其外圍元件構成充電狀態(tài)控制電路,，以精確實現充電曲線,，完成充電過程,。UCC3809內部包含方波振蕩器、誤差比較器,、5V基準電壓源,、脈寬調制電路、輸出驅動電路以及軟啟動電路等,。允許市電波動范圍為+10%～－25％,；電路開關頻率及最大" title="最大">最大占空比由RT1、RT2和CT決定,，CSS決定軟啟動時間,。RCS、R1,、R2,、R3、CZB以及光耦OI-B構成反饋電路,，C3是芯片內部參考電源的旁路電容,，R4,D1和C2構成UCC3809供電電源，RSN1,、CSN1,、RSN2、CSN2和DSN構成鈴流及dV/dt抑制電路,。UC3909內部包含欠壓保護電路,、充電狀態(tài)邏輯控制電路、電流檢測放大器,、電壓誤差放大器,、電流誤差放大器、方波振蕩器,、脈寬調制比較器,、溫度補償放大器以及可提供100mA電流集電極開路輸出驅動電路等。D4和C4為UC3909提供工作電源,。RCS為電流取樣電阻,，UC3909內部電流檢測放大器沒有足夠的帶寬去處理100kHz信號。為突破這個局限性,，電流檢測電阻出來的信號可經過一個簡單的RC電路(RSF1和CSF)給電流檢測放大器使其拓展大約20kHz的頻帶,。其插入損耗為-3dB。RSF2為電流檢測放大器提供一個2.3V的偏置電壓,。UCC3909內部的電流檢測放大器是個能提供增益為5倍偏置電壓為2.3V的微分放大器,。為防止放大器進入飽和區(qū)，CS-和CS+的電壓不得高于400mV,。據此,，RCS選20mΩ,、1.5W的電阻；最大電流時提供80mV的電壓,。當充電器失電時,，Q2、Q3,、R6和R7將斷開與電池相連的充電回路,。充電器與電池連接后，UC3909的8腳處于低阻態(tài),，由RS1,、RS2、RS3和RS4組成電壓取樣回路,，當UC3909檢測到10腳電壓低于2.3V時,，充電器進入絹流充電狀態(tài)，涓流充電電流ITC的大小由RSET腳外接電阻RS確定,；當10腳電壓上升到2.3V時,，電路由涓流充電轉為恒流充電，恒流充電電流Ibulk的值由RG1和RG2確定,；當恒流充電到使UC3909 12腳的電壓上升為2.3V時，電路由恒流充電狀態(tài)轉為恒壓充電狀態(tài),；當UC3909的9腳電壓上升到2.3V時,，電路由恒壓充電狀態(tài)轉為浮充電狀態(tài)，ROVC1和ROVC2兩個電阻設置從恒壓充電狀態(tài)轉到浮充狀態(tài)的電流門限IOCT,，同時UC3909的8腳轉為高阻狀態(tài),。由此可見,UC3909可精確控制電路完成四段充電曲線。
2 脈沖變壓器參數確定
2.1 脈沖變壓器變比的確定
脈沖變壓器變比由下式確定：
式中,，Vps max是最大的開關峰值電壓(開關管選用擊穿電壓為900V50A的NMOS功率開關管,，為安全起見，限定開關峰值電壓為700V),；Vdc max是輸入濾波器C1電容端最大直流電壓(340V),；Vis max是最大的次級繞組導通電壓(58.8V電池電壓+1V二極管導通壓降)；Np/Ns是脈沖變壓器變比,；Vspike是反射電壓(Vdc max的30%),。根據這些數值，取Np/Ns＝3時,，將得到一個最大為621V的開關峰值電壓,。這對擊穿電壓為900V的功率開關管是安全的。
2.2 功率計算
脈沖變壓器最大輸出功率要求為：
Pout max=Iout max(Vbatt max+Vdiode)
式中,，Pout max是最大輸出功率,；Iout max是最大輸出直流電流(4A),；Vbatt max是電池組的最高電壓(常溫時為58.8V)；Vdiode是整流二極管的導通電壓(1V),。
脈沖變壓器輸入功率是輸出功率加上損耗功率,，保守估計為
(整流管效率可達80%)。在此應用中,，輸出功率為240W,，輸入功率為300W。
2.3 最大“導通”時間和最大“復位”時間的確定
對于UCC3809,，開關頻率取100kHz為最佳選擇,。確定電路工作在不連續(xù)狀態(tài)，最大的導通時間和最大復位時間之和不得超過轉換周期的90%,?？筛鶕韵鹿竭M行計算確定：
式中，τon max是最大導通時間,；τrst max是最大復位時間,；FS是開關頻率；Vbatt min是電池最低電壓,；Vdiode為二極管導通電壓,。由此可得，τon max將小于2.53μs,，τrst max將小于6.47μs,。
2.4 線圈電感量的確定
線圈初級電感量可根據以下公式進行計算確定：
式中： Ip max是初級線圈的峰值電流；Lp是初級電感量,；Vdc min是輸入濾波器C1電容端最小直流電壓,。由此可計算出Lp大約是42μH。
線圈次級電感量可根據以下公式進行計算確定：
式中,，LS是次級電感量,，由此可計算出LS大約是4.7μH。
2.5 初級和次級峰值電流的計算
初級線圈峰值電流可根據上面給出的Ip max公式計算得11.93A,。次級線圈峰值電流可根據下式計算：
由此式可得Is max電流為35.78A,。
2.6 磁芯及繞線的選擇和計算
高頻變壓器磁芯采用北京798廠生產的R2KB磁芯PQ50/50，其有效中心柱截面積Ae＝3.1416cm2,，磁芯窗口面積AQ＝4.18cm2,因此其功率容量AP＝Ae×AQ＝13.2,，磁通密度Bm＝1 500GS。
如果B限制在150mT(接近滾降曲線B-H),，Np必須大于等于18匝,。如果Np設為24匝，則NS為8匝。
實際繞制脈沖變壓器時,，初級選用0.5英寸寬和0.007英寸厚的銅箔帶,次級選用0.44mm高強漆包線繞制,。經過大量試驗，磁芯開2.8cm氣隙時,，電源工作穩(wěn)定,。為了滿足絕緣的要求，在初級電路和次級電路繞組間使用三層的絕緣帶,。
電路設計好后,，進行了制作。在調試過程中,，主要是脈沖變壓器對電路工作影響較大,，原邊電感過大時輸出電流會下降，過小時又會使開關管損耗增加,?？赏ㄟ^調節(jié)磁芯氣隙及原邊繞組數來修正，經過大量試驗,，磁芯氣隙為2.8cm時電路工作達到最佳,。另外，啟動電阻R4過大時電路啟動不了,，過小又會使UCC3809燒毀,，一般控制啟動電流在300μA以內即可。NMOS功率開關管可用兩只管子并聯使用,，擊穿電壓要大于800V,，散熱器面積要大，以保證開關管安全,。試驗時要先連接電池再接220V交流電壓，否則充電器輸出電壓會急劇升高損壞開關管,。經過大量試驗,，該充電器性能穩(wěn)定，充電時間大約5～6小時即可將蓄電池充滿,，對性能較差的電池具有明顯的修復作用,，能將此類型電池容量恢復到85％以上。
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