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，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，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，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，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轉為恒壓充電狀態；當UC3909的9腳電壓上升到2.3V時，電路由恒壓充電狀態轉為浮充電狀態，ROVC1和ROVC2兩個電阻設置從恒壓充電狀態轉到浮充狀態的電流門限IOCT，同時UC3909的8腳轉為高阻狀態。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狀態，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%。可根據以下公式進行計算確定：
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。可通過調節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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