一种基于Flyback拓扑的智能充电技术

严会会+孙立萌+刘国美

摘 要： 基于Flyback拓扑，提出一种低成本、可靠的调压电路，实现对铅酸电池均浮充充电的控制。利用PWM信号，通过二级RC滤波电路，产生一个与占空比有关的直流电压。将此直流电压加在反馈基准芯片TL431的Vref管脚，通过改变反馈电压实现输出电压的可调。经过多次的电路测试，验证了在PWM控制下实现对铅酸电池的均浮充充电控制。研究结果表明，设计的PWM调压电路可以实现对电池的智能充电，具有一定的工程价值。

关键词： Flyback； PWM； 均充； 浮充； 智能充电

中图分类号： TM923.34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）14?0153?03

Intelligent charging technology based on Flyback topology

YAN Hui?hui， SUN Li?meng， LIU Guo?mei

（Xian Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC， Xian 710065， China）

Abstract： Based on the Flyback topology， a low?cost and reliable voltage regulator circuit which can implementation intelligent charging of the lead?acid battery is proposed. By using PWM signal， DC voltage related to the duty ratio is generated through secondary RC filtering circuit. This DC voltage is applied to the Vref pin in the feedback reference chip TL431 to achieve an adjustable output voltage by varying the feedback voltage. The circuit testing results prove that the intelligent charging control of lead?acid battery can be realized by means of PWM control. The research results show that the designed PWM voltage regulator circuit can realize intelligent charging， and has a certain engineering value.

Keywords： Flyback； PWM； equalized charging； float charging； intelligent charging

0 引 言

阀控铅酸蓄电池（Valve Regulated Lead?acid battery）采用硫酸做电解液，用二氧化铅和绒状铅分别作为电池的正极和负极。因其制造成本低、性能可靠、容量大、价格低廉等优点，已成为世界上产量最大、用途最广泛的电池蓄电池品种。铅酸电池经过一百多年的发展，技术不断更新，现已被广泛应用于汽车、通信、电力、铁路等各领域。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。影响电池寿命的因素很多，其中充电的好坏也是一个重要因素[1?2]。目前对电池常用的充电方式是均充和浮充。开始时以均充方式，即恒流充电，在此过程中电池容量快速上升，当电池电压接近浮充电池时，转入浮充，即恒压充电，此过程保持充电电压不变，电流随着电池电压的上升不断减小，直至电池充满[3?4]。本文基于反激电源拓扑，利用改变TL431反馈电压值实现电源输出电压的可调，进而对VRLA电池实现均充和浮充，即智能充电。

1 系统硬件设计

图1是整个系统的硬件电路图，主要由EMI滤波、整流、反激变换、反馈、PWM调压等几部分组成。电路实现输出电压可调的原理是：PWM信号经过两级RC滤波后，产生一个直流电压，此电压加在TL431 Vref参考端，由于Vref是固定不变的，而PWM信号经过滤波后的电压是可以变化的，因此通过改变PWM占空比的大小即可以改变输出电压，实现对VRLA电池的智能充电。

整个电路的设计过程如下所述[5?7]。

1.1 确定系统规格

参数输入最低电压[Vminin]和最高电压[Vmaxin]；输入电压频率fin；最大输出功率Po；系统效率Ef；采用DCM模式。有了上述参数后，可求出输入功率Pn、最大输入电流[Imaxin]、整流后电容纹波电压[ΔVDC]， 便于选择合适的NTC和Fuse。

1.2 确定最大占空比Dmax

输入AC经过桥式整流后，最小DC电压为：

[VminDC=2Vminin-ΔVDC] （1）

根据变压器的伏秒法则，有：

[VRO=Dmax1-Dmax·VminDC] （2）

式中：[VRO]是变压器次级反射到初级的电压，如果输出电压为Vo，则[VRO=nVo]。

1.3 确定变压器初级侧电感Lm

初级侧线圈感量Lm可由以下公式得到：

[V=LΔIΔt] （3）

[Iav=PinVminDC?Dmax] （4）

[ΔI=k×2Iav] （5）

由式（3）～式（5）可得：

[Lm=VminDCDmax22kfsPin] （6）

式中：[fs]为开关频率；k为纹波电流系数，对于DCM而言，纹波系数k通常取0.3～0.5之间。

1.4 确定变压器磁芯和线圈匝数

由于磁芯计算的变量太多，因此只能近似估计。通常采用AP法估算：

[Ap=AwAe=PT×1082fsBmJKw] （7）

式中：[Ap]是变压器设计输出能力（单位：cm4）；[J]是电流密度（A/cm2）；[PT]是计算功率，[PT=Po（1Ef+1）]；Kw窗口使用系数；Bm磁感性强度，Bm=0.16～0.3 T。

确定磁芯后，查磁芯规格书可得Ae，即由式（8）得出变压器初级侧为避免发生磁芯饱和而应具有的最少匝数：

[Nminp=LmIpeakdsAeΔB] （8）

式中：[Ipeakds]为初级绕组电流峰值；[ΔB]为磁通变化密度；对于铁氧体磁芯[ΔB]可选0.25 T，取[Np]为整数。

1.5 确定每个绕组输出匝数

初级与次级绕组匝比：

[n=NpNs=VROVo+VF] （9）

式中：[Vo]为输出电压；[VF]为次级输出二极管正向压降。将式（2）和整数倍的[Np]代入式（9），得到次级绕组匝数[Ns]。

PWM芯片UC2845的供电绕组Vcc匝数为：

[NVcc=Vcc+VFVo+VF?Ns] （10）

1.6 确定每个绕组的线圈直径

在确定各个绕组匝数后，需要选择合适的导线直径。电流有效值计算公式：

[Irms=t1t2I2（t）dtT] （11）

原边电流[Ip]，有：

[Ip（t）=Ipeakds·tTs，0

副边电流[Is]，有：

[Is（t）=nIpeakds·Ts-tTs，DmaxT≤t

导线直径计算：

[WD=IrmsJ] （14）

式中：J为导线载流密度，单位为A/mm2。对于散热较好的线圈，载流密度J=8 A/mm2。

1.7 PWM调压电路

在上述步骤中，已初步确定主功率电路参数。为了实现对VRLA电池的均浮充转换，必须加入PWM调压电路，即Rp1，Rp2，Cp1，Cp2和PWM信号组成。

对图2节点1进行KCL分析有：

[Vbat-VrefR1+VPWM-VrefRp3=VrefR2] （15）

化简，可得输出电压[Vbat]：

[Vbat=Vref（1+R1R2+R1Rp3）-R1Rp3VPWM]

当[VPWM=Vref=2.5 V]时，电源输出电压[Vbat]达到最大值，[Vmaxbat=Vref（1+R1R2）]；当[VPWM>Vref=2.5 V，][Vbat

图2 PWM调压电路

2 系统工作原理

图1所示电路不但可实现电池的智能充电，而且具备电池在位检测与输出短路保护功能。充电时，可将电池当做一个内阻为R的负载，充电电流[I=Vbat1-Vbat2R]，其中[Vbat1]为电路输出电压；[Vbat2]为电池电压。

2.1 智能充电工作原理

市电输入时，通过Rstart1和Rstart2构成的分压电路为UC2845提供启动电压，S1开始开关工作，初级绕组，次级绕组，Vcc绕组之间有能量进行传递。均充阶段，电路对电池实现恒流充电，随着充电时间的延长，电池电压不断上升，为了继续恒流充电，这时就需要提高输出电压Vbta，通过减小VPWM即降低PWM占空比实现。当电池电压上升到浮充电压时（此电压可由电池规格书中得到，通常为13.6 V/节），电路以恒压输出，输出电流逐渐减小，此过程为浮充。电路的恒流输出，则是通过输出采样电阻Rs实现。

2.2 电池在位检测

电池在位检测顾名思义是判断充电器是否与电池连接，可以通过检测充电器输出口电压实现。根据电池厂家反馈的数据，通常将12 V的铅酸电池放电截止电压设定为9.6 V。如果检测到的输出电压高于9.6 V则说明已连接电池，否则未连接电池。具体实现方式：PWM占空比为0～100%变化，VPWM变化范围为2.5～5 V，当VPWM=5 V时，充电器输出电压Vbat最低。通过选择合适的参数，可保证当VPWM=5 V时，充电器输出Vbat<9.6 V。

2.3 输出短路保护

输出短路保护的实现方法：当输出短路时，即次级绕组电压为0，由于UC2845 VCC绕组与输出次级绕组存在一定的比例关系，当次级绕组电压为0时，Vcc绕组电压也会快速将为0，当Vcc电压降低到小于UC2845最低工作电压时，芯片即停止工作，实现输出短路保护。

3 实验结果与结论

测试用电池为某品牌2节12 V/7 A·h串联，均充过程2 A充电，当充电3.5 h后进入浮充阶段，浮充电压27.6 V。4 h后，充电电流为100 mA，说明电池已接近充满。PWM占空比大小与输出电压的关系如表1所示。

表1 PWM占空比与充电器输出电压关系

通过上述实验证明，本文所论述的这种低成本、可靠的PWM调压方式，在Flyback电源中具有较好的调压效果，利用这种调压功能可以实现对铅酸电池的均浮充充电控制，以实现智能充电。

参考文献

[1] 宋雷鸣，牟晓卉.浅析影响铅酸蓄电池使用寿命的主要因素和注意事项[J].电源世界，2009（1）：55?56.

[2] 董权.影响铅酸蓄电池寿命的几个因素及对策[J].蓄电池，2010（1）：236?238.

[3] 肖献保，冯根生.铅酸蓄电池快速充电技术研究[J].重庆科技学院学报：自然科学版，2010，12（1）：134?135.

[4] 李俊.蓄电池快速充电技术研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[5] 路秋生，赵红，唐继芳.采用UC3906的开关型铅酸蓄电池充电电路[J].UPS应用，2006（5）：31?36.

[6] 陈小敏，黄声华，万山明.基于UC3843的反激式开关电源反馈电路的设计[J].通信电源技术，2006，23（5）：38?39.

[7] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

式中：[fs]为开关频率；k为纹波电流系数，对于DCM而言，纹波系数k通常取0.3～0.5之间。

1.4 确定变压器磁芯和线圈匝数

由于磁芯计算的变量太多，因此只能近似估计。通常采用AP法估算：

[Ap=AwAe=PT×1082fsBmJKw] （7）

式中：[Ap]是变压器设计输出能力（单位：cm4）；[J]是电流密度（A/cm2）；[PT]是计算功率，[PT=Po（1Ef+1）]；Kw窗口使用系数；Bm磁感性强度，Bm=0.16～0.3 T。

确定磁芯后，查磁芯规格书可得Ae，即由式（8）得出变压器初级侧为避免发生磁芯饱和而应具有的最少匝数：

[Nminp=LmIpeakdsAeΔB] （8）

式中：[Ipeakds]为初级绕组电流峰值；[ΔB]为磁通变化密度；对于铁氧体磁芯[ΔB]可选0.25 T，取[Np]为整数。

1.5 确定每个绕组输出匝数

初级与次级绕组匝比：

[n=NpNs=VROVo+VF] （9）

式中：[Vo]为输出电压；[VF]为次级输出二极管正向压降。将式（2）和整数倍的[Np]代入式（9），得到次级绕组匝数[Ns]。

PWM芯片UC2845的供电绕组Vcc匝数为：

[NVcc=Vcc+VFVo+VF?Ns] （10）

1.6 确定每个绕组的线圈直径

在确定各个绕组匝数后，需要选择合适的导线直径。电流有效值计算公式：

[Irms=t1t2I2（t）dtT] （11）

原边电流[Ip]，有：

[Ip（t）=Ipeakds·tTs，0

副边电流[Is]，有：

[Is（t）=nIpeakds·Ts-tTs，DmaxT≤t

导线直径计算：

[WD=IrmsJ] （14）

式中：J为导线载流密度，单位为A/mm2。对于散热较好的线圈，载流密度J=8 A/mm2。

1.7 PWM调压电路

在上述步骤中，已初步确定主功率电路参数。为了实现对VRLA电池的均浮充转换，必须加入PWM调压电路，即Rp1，Rp2，Cp1，Cp2和PWM信号组成。

对图2节点1进行KCL分析有：

[Vbat-VrefR1+VPWM-VrefRp3=VrefR2] （15）

化简，可得输出电压[Vbat]：

[Vbat=Vref（1+R1R2+R1Rp3）-R1Rp3VPWM]

当[VPWM=Vref=2.5 V]时，电源输出电压[Vbat]达到最大值，[Vmaxbat=Vref（1+R1R2）]；当[VPWM>Vref=2.5 V，][Vbat

图2 PWM调压电路

2 系统工作原理

图1所示电路不但可实现电池的智能充电，而且具备电池在位检测与输出短路保护功能。充电时，可将电池当做一个内阻为R的负载，充电电流[I=Vbat1-Vbat2R]，其中[Vbat1]为电路输出电压；[Vbat2]为电池电压。

2.1 智能充电工作原理

市电输入时，通过Rstart1和Rstart2构成的分压电路为UC2845提供启动电压，S1开始开关工作，初级绕组，次级绕组，Vcc绕组之间有能量进行传递。均充阶段，电路对电池实现恒流充电，随着充电时间的延长，电池电压不断上升，为了继续恒流充电，这时就需要提高输出电压Vbta，通过减小VPWM即降低PWM占空比实现。当电池电压上升到浮充电压时（此电压可由电池规格书中得到，通常为13.6 V/节），电路以恒压输出，输出电流逐渐减小，此过程为浮充。电路的恒流输出，则是通过输出采样电阻Rs实现。

2.2 电池在位检测

电池在位检测顾名思义是判断充电器是否与电池连接，可以通过检测充电器输出口电压实现。根据电池厂家反馈的数据，通常将12 V的铅酸电池放电截止电压设定为9.6 V。如果检测到的输出电压高于9.6 V则说明已连接电池，否则未连接电池。具体实现方式：PWM占空比为0～100%变化，VPWM变化范围为2.5～5 V，当VPWM=5 V时，充电器输出电压Vbat最低。通过选择合适的参数，可保证当VPWM=5 V时，充电器输出Vbat<9.6 V。

2.3 输出短路保护

输出短路保护的实现方法：当输出短路时，即次级绕组电压为0，由于UC2845 VCC绕组与输出次级绕组存在一定的比例关系，当次级绕组电压为0时，Vcc绕组电压也会快速将为0，当Vcc电压降低到小于UC2845最低工作电压时，芯片即停止工作，实现输出短路保护。

3 实验结果与结论

测试用电池为某品牌2节12 V/7 A·h串联，均充过程2 A充电，当充电3.5 h后进入浮充阶段，浮充电压27.6 V。4 h后，充电电流为100 mA，说明电池已接近充满。PWM占空比大小与输出电压的关系如表1所示。

表1 PWM占空比与充电器输出电压关系

通过上述实验证明，本文所论述的这种低成本、可靠的PWM调压方式，在Flyback电源中具有较好的调压效果，利用这种调压功能可以实现对铅酸电池的均浮充充电控制，以实现智能充电。

参考文献

[1] 宋雷鸣，牟晓卉.浅析影响铅酸蓄电池使用寿命的主要因素和注意事项[J].电源世界，2009（1）：55?56.

[2] 董权.影响铅酸蓄电池寿命的几个因素及对策[J].蓄电池，2010（1）：236?238.

[3] 肖献保，冯根生.铅酸蓄电池快速充电技术研究[J].重庆科技学院学报：自然科学版，2010，12（1）：134?135.

[4] 李俊.蓄电池快速充电技术研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[5] 路秋生，赵红，唐继芳.采用UC3906的开关型铅酸蓄电池充电电路[J].UPS应用，2006（5）：31?36.

[6] 陈小敏，黄声华，万山明.基于UC3843的反激式开关电源反馈电路的设计[J].通信电源技术，2006，23（5）：38?39.

[7] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

式中：[fs]为开关频率；k为纹波电流系数，对于DCM而言，纹波系数k通常取0.3～0.5之间。

1.4 确定变压器磁芯和线圈匝数

由于磁芯计算的变量太多，因此只能近似估计。通常采用AP法估算：

[Ap=AwAe=PT×1082fsBmJKw] （7）

式中：[Ap]是变压器设计输出能力（单位：cm4）；[J]是电流密度（A/cm2）；[PT]是计算功率，[PT=Po（1Ef+1）]；Kw窗口使用系数；Bm磁感性强度，Bm=0.16～0.3 T。

确定磁芯后，查磁芯规格书可得Ae，即由式（8）得出变压器初级侧为避免发生磁芯饱和而应具有的最少匝数：

[Nminp=LmIpeakdsAeΔB] （8）

式中：[Ipeakds]为初级绕组电流峰值；[ΔB]为磁通变化密度；对于铁氧体磁芯[ΔB]可选0.25 T，取[Np]为整数。

1.5 确定每个绕组输出匝数

初级与次级绕组匝比：

[n=NpNs=VROVo+VF] （9）

式中：[Vo]为输出电压；[VF]为次级输出二极管正向压降。将式（2）和整数倍的[Np]代入式（9），得到次级绕组匝数[Ns]。

PWM芯片UC2845的供电绕组Vcc匝数为：

[NVcc=Vcc+VFVo+VF?Ns] （10）

1.6 确定每个绕组的线圈直径

在确定各个绕组匝数后，需要选择合适的导线直径。电流有效值计算公式：

[Irms=t1t2I2（t）dtT] （11）

原边电流[Ip]，有：

[Ip（t）=Ipeakds·tTs，0

副边电流[Is]，有：

[Is（t）=nIpeakds·Ts-tTs，DmaxT≤t

导线直径计算：

[WD=IrmsJ] （14）

式中：J为导线载流密度，单位为A/mm2。对于散热较好的线圈，载流密度J=8 A/mm2。

1.7 PWM调压电路

在上述步骤中，已初步确定主功率电路参数。为了实现对VRLA电池的均浮充转换，必须加入PWM调压电路，即Rp1，Rp2，Cp1，Cp2和PWM信号组成。

对图2节点1进行KCL分析有：

[Vbat-VrefR1+VPWM-VrefRp3=VrefR2] （15）

化简，可得输出电压[Vbat]：

[Vbat=Vref（1+R1R2+R1Rp3）-R1Rp3VPWM]

当[VPWM=Vref=2.5 V]时，电源输出电压[Vbat]达到最大值，[Vmaxbat=Vref（1+R1R2）]；当[VPWM>Vref=2.5 V，][Vbat

图2 PWM调压电路

2 系统工作原理

图1所示电路不但可实现电池的智能充电，而且具备电池在位检测与输出短路保护功能。充电时，可将电池当做一个内阻为R的负载，充电电流[I=Vbat1-Vbat2R]，其中[Vbat1]为电路输出电压；[Vbat2]为电池电压。

2.1 智能充电工作原理

市电输入时，通过Rstart1和Rstart2构成的分压电路为UC2845提供启动电压，S1开始开关工作，初级绕组，次级绕组，Vcc绕组之间有能量进行传递。均充阶段，电路对电池实现恒流充电，随着充电时间的延长，电池电压不断上升，为了继续恒流充电，这时就需要提高输出电压Vbta，通过减小VPWM即降低PWM占空比实现。当电池电压上升到浮充电压时（此电压可由电池规格书中得到，通常为13.6 V/节），电路以恒压输出，输出电流逐渐减小，此过程为浮充。电路的恒流输出，则是通过输出采样电阻Rs实现。

2.2 电池在位检测

电池在位检测顾名思义是判断充电器是否与电池连接，可以通过检测充电器输出口电压实现。根据电池厂家反馈的数据，通常将12 V的铅酸电池放电截止电压设定为9.6 V。如果检测到的输出电压高于9.6 V则说明已连接电池，否则未连接电池。具体实现方式：PWM占空比为0～100%变化，VPWM变化范围为2.5～5 V，当VPWM=5 V时，充电器输出电压Vbat最低。通过选择合适的参数，可保证当VPWM=5 V时，充电器输出Vbat<9.6 V。

2.3 输出短路保护

输出短路保护的实现方法：当输出短路时，即次级绕组电压为0，由于UC2845 VCC绕组与输出次级绕组存在一定的比例关系，当次级绕组电压为0时，Vcc绕组电压也会快速将为0，当Vcc电压降低到小于UC2845最低工作电压时，芯片即停止工作，实现输出短路保护。

3 实验结果与结论

测试用电池为某品牌2节12 V/7 A·h串联，均充过程2 A充电，当充电3.5 h后进入浮充阶段，浮充电压27.6 V。4 h后，充电电流为100 mA，说明电池已接近充满。PWM占空比大小与输出电压的关系如表1所示。

表1 PWM占空比与充电器输出电压关系

通过上述实验证明，本文所论述的这种低成本、可靠的PWM调压方式，在Flyback电源中具有较好的调压效果，利用这种调压功能可以实现对铅酸电池的均浮充充电控制，以实现智能充电。

参考文献

[1] 宋雷鸣，牟晓卉.浅析影响铅酸蓄电池使用寿命的主要因素和注意事项[J].电源世界，2009（1）：55?56.

[2] 董权.影响铅酸蓄电池寿命的几个因素及对策[J].蓄电池，2010（1）：236?238.

[3] 肖献保，冯根生.铅酸蓄电池快速充电技术研究[J].重庆科技学院学报：自然科学版，2010，12（1）：134?135.

[4] 李俊.蓄电池快速充电技术研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[5] 路秋生，赵红，唐继芳.采用UC3906的开关型铅酸蓄电池充电电路[J].UPS应用，2006（5）：31?36.

[6] 陈小敏，黄声华，万山明.基于UC3843的反激式开关电源反馈电路的设计[J].通信电源技术，2006，23（5）：38?39.

[7] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.