摘要： 介紹了一種新型的正負(fù)脈沖充電器電路,提出了充電器的硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)方案。該電路由功率因數(shù)校正電路,雙正激變換電路和放電電路及能量反饋電路組成。功率因數(shù)校正電路能夠顯著提高功率因數(shù),改善用電質(zhì)量。回饋電路將負(fù)脈沖放電能量回饋到前級(jí)電路中,避免了電阻放電造成的電能浪費(fèi)。而正負(fù)脈沖充電方式對(duì)縮短充電時(shí)間和延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命有重要意義。近年來(lái),鉛酸蓄電池由于其制造成本低、容量大,價(jià)格低廉而受到了廣泛的使用。但若使用不當(dāng),其壽命將大大縮短,影響鉛酸蓄電池壽命的因素很多,充電方式就是其中一個(gè)主要因素。隨著人們對(duì)快速充電理論的研究不斷深入,電力電子技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛,鉛酸蓄電池快速充電技術(shù)也有了進(jìn)一步改進(jìn)及進(jìn)入實(shí)用階段的條件和可能。這里所介紹的鉛酸蓄電池快速充電電路以馬斯三定律為理論基礎(chǔ),一方面加快了蓄電池的化學(xué)反應(yīng)速度,縮短蓄電池達(dá)到滿充狀態(tài)的時(shí)間,提高了充電速度;另一方面保證了蓄電池負(fù)極能及時(shí)的吸收正極所產(chǎn)生的氧氣,避免了電池的極化現(xiàn)象。較好地實(shí)現(xiàn)了鉛酸蓄電池的快速充電與去除極化,延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

圖1

快速充電原理理論和實(shí)踐證明蓄電池的充放電是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)過(guò)程,一般來(lái)說(shuō)充電電流在充電過(guò)程中隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降,不可能自動(dòng)按恒流或者恒壓充電。而且充電過(guò)程中影響充電的因素很多,電解液濃度、極板活性物的濃度和環(huán)境溫度等的不同都會(huì)使充電產(chǎn)生很大的差異。而且隨著放電狀態(tài)、使用和保存期的不同,即使相同型號(hào)容量的同類電池的充電也大不一樣。1972年,美國(guó)科學(xué)家馬斯在第二屆世界電動(dòng)汽車年會(huì)上提出了著名的馬斯三定律,根據(jù)馬斯三定律,如圖1所示,我們可以知道在充電過(guò)程中,當(dāng)充電電流接近蓄電池固有的微量析氣充電曲線時(shí),適時(shí)地對(duì)電池進(jìn)行反向大電流瞬間放電,能夠除去正極板上的氣體,并使氧氣在負(fù)極板上被吸收,從而解決了電池在快速充電過(guò)程中的極化問(wèn)題,這個(gè)過(guò)程還可以降低電池內(nèi)部壓力、溫度、阻抗,減少能量的損耗,使電能更有效地轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并存儲(chǔ)起來(lái),提高了充電效率和蓄電池的充電接受能力,從而大大提高充電速度,縮短充電時(shí)間。

主電路設(shè)計(jì)電路的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示,可分為四個(gè)部分：功率因數(shù)校正部分(PFC)、雙正激變換充電部分、放電部分以及能量回饋部分。功率因數(shù)校正部分由L1、Q1、C1、D1組成;雙正激變換充電部分由C1、Q3、Q4、D3、D4、D5、D6、T1以及T2組成;放電部分則由Q2、T2組成;T2、D2和C1構(gòu)成了能量反饋部分。

圖2

傳統(tǒng)DC－DC充電電路一般由交流市電整流和大電容濾波后得到較為平滑的直流電壓,由于濾波電容的儲(chǔ)能作用使得輸入電流為一個(gè)時(shí)間很短、峰值很高的周期性尖峰電流,含有豐富的高次諧波分量,嚴(yán)重污染了電網(wǎng)。電路引入Boost型功率因數(shù)有源校正電路使得輸入電流和輸入電壓為同頻同相正弦波,大大提高了功率因數(shù)。Boost有源功率因數(shù)校正電路輸入電流連續(xù),EMI小,RFI低,輸入電感可以減小對(duì)輸入濾波器的要求,并可防止電網(wǎng)對(duì)主電路高頻瞬態(tài)沖擊。充電部分采用的是雙正激變換電路,電路中Q3和Q4同時(shí)導(dǎo)通或同時(shí)截至,每個(gè)mos管承受的電壓均為輸入電壓的一半。

圖3

充放電波形如圖3所示,脈沖充電時(shí)工作狀態(tài)分析如下：(1)t1－t2時(shí)刻,此時(shí)處于充電狀態(tài)下,當(dāng)Q3、Q4導(dǎo)通時(shí)電容電壓加到變壓器兩端,變壓器T1產(chǎn)生電流并儲(chǔ)存能量,由于變壓器初次級(jí)同相所以T1次級(jí)感應(yīng)的電壓通過(guò)正偏的D5給電池充電并把部分能量?jī)?chǔ)存到T2中,此時(shí)充電電流逐漸上升。當(dāng)Q3、Q4截止時(shí)變壓器T1的儲(chǔ)能由D3和D4反饋至C1,T2中儲(chǔ)存的能量通過(guò)D6繼續(xù)向電池釋放,充電電流下降。(2)t2－t3時(shí)刻,Q3和Q4保持截止,T2中儲(chǔ)存的能量向蓄電池放電,直到充電電流下降為零。(3)t3－t4時(shí)刻,在t3時(shí)刻Q2導(dǎo)通,電池開(kāi)始向T2放電,并在T2中儲(chǔ)存能量,放電電流快速上升,當(dāng)Q2截止時(shí),T2儲(chǔ)能通過(guò)D2向電容C1釋放,這樣就實(shí)現(xiàn)了能量的回饋,節(jié)約了能源。(4)t4－t5時(shí)刻,Q2保持關(guān)斷,放電電流下降至零,在這個(gè)階段電池既不充電也不放電,直到t5時(shí)間開(kāi)始下一個(gè)充放電周期。

控制電路設(shè)計(jì)控制電路分為功率因數(shù)校正部分控制電路和充放電部分控制電路兩個(gè)部分：(1)功率因數(shù)校正部分控制芯片采用UC3854A/B,UC3854A/B是一種新的高功率因數(shù)校正集成控制電路芯片,它是在UC3854芯片基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)設(shè)計(jì)。采用平均電流控制方法,恒頻控制,電流放大器的頻帶較寬。它可以完成升壓變換器校正功率因數(shù)所需的全部控制功能,使功率因數(shù)接近于1,輸入電流波形失真小于3 %。控制精度很高,開(kāi)關(guān)噪聲較低,芯片內(nèi)部包括了軟啟動(dòng)、輸入電壓前饋、輸入電壓鉗位、過(guò)流保護(hù)的比較器等。當(dāng)輸入電壓在85~260V 之間變化時(shí),輸出電壓還可保持穩(wěn)定。采用推拉輸出級(jí),具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。芯片的控制原理是：電容C1兩端電壓輸入到芯片11腳與內(nèi)部7.5V電壓源比較后經(jīng)放大器放大輸入到內(nèi)部乘法器中。整流器輸出電壓經(jīng)電阻分壓后通過(guò)8腳經(jīng)平方運(yùn)算后輸入到芯片的內(nèi)部乘法器中。整流器輸出電流取樣信號(hào)經(jīng)芯片的6腳輸入到內(nèi)部乘法器中。電流采樣信號(hào)輸入到4腳和5腳。乘法器的輸出和電流采樣信號(hào)比較后經(jīng)芯片內(nèi)部的電流誤差放大器加到觸發(fā)器的復(fù)位端,控制Q3和Q4的開(kāi)通關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)電壓和電流的同步,提高了功率因數(shù)。校正后的電壓V1和電流IL1波形如圖4所示。(2)充放電控制電路系統(tǒng)采用的是PIC16C72芯片,PIC 8位微控制器系列采用精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu),具有速度高、工作電壓低、功耗低、輸入輸出直接驅(qū)動(dòng)能力大、一次性編程等優(yōu)點(diǎn)。指令系統(tǒng)除程序分支指令是單字節(jié)雙周期指令外,其他均為單周期、單字節(jié)指令,在這些指令中沒(méi)有功能交叉的指令,使所有指令具有簡(jiǎn)潔性,單寬字指令提高了軟件編碼效率和減少了所需要的程序存儲(chǔ)單元,使系統(tǒng)具有最高處理效率和突出性能。由于所用指令數(shù)較少和較簡(jiǎn)潔,編程和調(diào)試任務(wù)更加容易。原理圖如圖5所示,因?yàn)镻IC16C72芯片的RA口可做A/D口使用,所以充電電壓由分壓精密電阻取得,經(jīng)過(guò)相應(yīng)的放大直接送至單片機(jī)的RA1口,充電電流也經(jīng)過(guò)精密電阻采樣后經(jīng)運(yùn)算放大器放大,然后直接送至單片機(jī)的RA2口,蓄電池溫度經(jīng)過(guò)溫度傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后,也將相應(yīng)的電壓量送至單片機(jī)的RA3口。RB0－RB2口外接驅(qū)動(dòng)電路并經(jīng)過(guò)光耦隔離接到mos管門極驅(qū)動(dòng)Q2、Q3和Q4,控制充放電脈沖。RB2－RB7口外接鍵盤電路,接收控制指令。RC口用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光二極管顯示不同的充電狀態(tài)。                                           圖4                          圖5  PIC控制電路PIC單片機(jī)軟件部分的功能是通過(guò)對(duì)蓄電池狀態(tài)的檢測(cè),使充電轉(zhuǎn)入不同的充電階段。實(shí)現(xiàn)各個(gè)不同階段的充電或暫停充電和終止充電的控制,并顯示充電器當(dāng)前狀態(tài)。充電分為三個(gè)階段：第一階段,通過(guò)采集電池電壓,判斷電池電壓低于快充門檻電壓Vg時(shí)采用小電流恒流充電,這樣可以避免電池深度放電時(shí)馬上開(kāi)始快充對(duì)電池造成的損害;第二階段,當(dāng)采集到的電池端電壓大于Vg時(shí)采用正負(fù)脈沖充電方式,短時(shí)間充入大量電能,電池絕大部分能量都是在這個(gè)階段充入的;第三階段,當(dāng)電池電壓升至補(bǔ)足充電電壓閾值時(shí),轉(zhuǎn)入補(bǔ)充階段,此階段采用恒壓充電方式,充電電流逐漸減小,直到充電結(jié)束。

結(jié)語(yǔ)此文介紹的正負(fù)脈沖充電電路,采用先進(jìn)的正負(fù)脈沖快速充電技術(shù),縮短了充電時(shí)間,采用的功率因數(shù)校正電路大大改善了充電器的功率因數(shù),主電路采用雙正激變換器的形式,有MOS管分壓低,驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),PIC單片機(jī)控制電路也具有良好的響應(yīng)速度和控制精度。試驗(yàn)表明,這種新型的快速充電電路性能好,功率因數(shù)得到明顯改善,大大縮短了蓄電池的充電時(shí)間,提高了蓄電池的實(shí)時(shí)應(yīng)用性能,采用負(fù)脈沖去極化消除蓄電池過(guò)充電,有效地保證了蓄電池的使用壽命,應(yīng)用前景非常廣闊。

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