一种新型的蓄电池充电技术研究

摘要：通过分析铅酸蓄电池组串联充电不均衡的产生原因，采用不对称半桥和Buck两级主电路结构，结合三段式充电法，提出了一种新型的充电器设计方案，解决了充电不均衡的难题。实验结果表明，该方案能实现蓄电池组的并联均衡充电，避免电池性能差别的扩大，不对称半桥的零电压软开关也提高了充电器的效率。
关键词：三段式充电；两级主电路；不对称半桥；充电不均衡

    目前铅酸蓄电池在各种供电场合得到广泛的应用，为了充分发挥铅酸蓄电池的作用，充电器在给电池充电的过程中，应给蓄电池充足电，应尽量避免过充电，从而其使其延长寿命。实践证明，要保证铅酸蓄电池的使用寿命，采用正确的充电方法是非常重要的，蓄电池常常被采用串联的方式组成电池组来提高输出电压，相应的就可以采用串联方式进行充电。但是因其蓄电池的单个容量、端电压和内阻在制造和使用过程中会不可避免地产生不一致的问题，从而形成蓄电池组在充电过程中往往会不均衡，结果会使蓄电池组的使用寿命严重缩短。本文提出了一种新型的充电器设计方案，隔离的三路输出分别对单个蓄电池进行充电，同时采用新型的三段式充电控制方法。

1 充电理论
    蓄电池在工作工程中主要具有3种工作状态：放电状态、充电状态和浮充状态。处于放电状态时，蓄电池将储蓄的化学能转化为电能供给负载；充电状态是在蓄电池放电之后进行能量储蓄的状态，此种状态下电能转化为化学能存储起来；浮充状态则是蓄电池维持一定化学能存储量所要保持的工作状态，浮充状态下的蓄电池的储能不会因为自放电而损失。放电、充电、浮充电3个状态构成蓄电池的一个完整的工作循环。传统的充电器采用串联充电方式，通过各个电池的电流都是一样的。尽管采用了三段式的充电方法，但是充电时能控制的电压只是电池组的串联电压，仍然伴有电池组充电不均衡并且扩大的现象。蓄电池工作状态曲线如图1所示。因此在此基础上采用一种新的解决方法。

2 改进设计方案
2．1 主电路
    改进的新型充电器主电路，如图2所示。前级采用软开关不对称半桥实现了多路的隔离输出，并且利用自身产生的寄生参数，实现谐振式零电压软开关以此减小开关的损耗，同时也避免了因变压器漏感而带来的电压尖峰。后级采用成熟简单的Buck电路拓扑，实现降压并用此来满足三段式充电的要求。

[!--empirenews.page--]
    要实现不对称半桥的软开关，不对称半桥的参数设计需要满足以下2个条件，即：
 
    式中：Zn为特性阻抗，；D为开关管Q1的占空比；C为开关管Q1和Q2的寄生电容；ωk为谐振角频率；Lk为变压器初级漏感；I0为负载总电流；td为死区时间；n为变压器初、次级匝比。
2．2 驱动电路
    不对称半桥驱动电路，如图3所示。驱动集成芯片采用IR公司的IR2103，其输出级作为推挽驱动输出，以直接耦合的方式与主电路的开关管相连接，由HO和LO的输出分别作为驱动桥式电路的上、下桥臂。为了实现上桥臂驱动电路的地电位与主电路的同步浮动，采用由DB和CB组成的外接自举电路。

    二极管DB的耐压决定式为：
   
    式中：Uc为驱动电源的电压；Ud为不控整流输出的电压。DB的电流容量，JDm的决定式为：
   
    式中：fs为器件开关频率；Qg为MOSFET栅荷。[!--empirenews.page--]
    自举电容应能保证器件开通具有足够的栅荷，则其容量需满足：
   
    式中：KB为安全系数，KB>1；UR为沿CB放电回路外压降的总和。
    为了减小DB的反向恢复电流，进一步减少存储进驱动电源的电荷量，本文中的DB采用快速恢复二极管。Buck电路开关管的驱动电路，如图4所示。

    当驱动门极的输出为高电平时，隔离变压器驱动侧电容能够防止直流分量流过变压器的初级，而另一侧电容和二极管能够把电压变为单极性。同时两个电容的取值至少是MOSFET器件本身的门极电容的10倍。
2．3 控制电路
    Buck控制采用了最大占空比为100％的UC3842芯片，不对称桥控制采用了最大占空比为50％的UC3844芯片。同时两级电路都采用电压型的控制。不对称桥采用的是前馈控制，当输入的电压有波动时，占空比能够相应调整，以保证前级的输出基本不变，如图5所示。

    UC3844内部误差放大器的输出为：
   
    后级Buck控制电路能满足三段式充电的要求，Buck控制电路，如图6所示。
[!--empirenews.page--]
3 实验结果
    充电过程进行了180 min，每隔5 min记录充电电压、电流1次，并用Matlab拟合。实验结果表明，该方案可以实现蓄电池组的并联均衡充电，从而避免了充电过程中产生的不均衡对蓄电池造成的伤害，有效保护了电池，延长其使用寿命。蓄电池充电曲线如图7所示。实验波形如图8和图9所示。

4 结语
    本文分析了传统的串联三段式充电器充电不均衡的产生及其扩大的原因，并且据此改进了充电器的主电路结构，优化了控制方案。设计了一种新型的可对铅酸蓄电池实现三段式充电的方案，大大提高了蓄电池组的充电效率，有效地保护了电池，并且延长了电池组的使用寿命。