一种大功率智能充电电源的研制

韩朋乐，徐张英，马尚行，胡 晶

(1.国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州450001；2.中国电子科技集团公司第36研究所，浙江嘉兴314001)

一种大功率智能充电电源的研制

韩朋乐1,2，徐张英2，马尚行2，胡 晶2

(1.国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州450001；2.中国电子科技集团公司第36研究所，浙江嘉兴314001)

介绍了一种大功率智能充电电源及其实现方法。采用UC3909智能管理芯片实现对铅酸蓄电池的四阶段充电管理，分析了主电路、控制电路和限幅保护电路的工作原理。采用该方案制成了2 kW智能充电系统，实际应用表明该系统动态性能良好，运行可靠。

蓄电池；四段式充电；UC3909

铅酸蓄电池广泛地运用在交通运输、电力、通信等部门的设备中，成为最重要的关键系统部件之一。然而，由于充电方法不正确，充电技术不能适应免维护蓄电池的特殊需求，造成电池很难达到规定的循环寿命。本文研制了一款基于UC3909的铅酸蓄电池智能充电电源，采用双管正激拓扑，充电电流可达60 A，最大充电功率可达2 kW，并具有完善的保护措施，可以安全有效地对蓄电池进行充电[1]。

1 铅酸蓄电池充电理论

20世纪60年代，美国的Mas经过大量实验，提出了以最低析气率为前提的电池充电可接受电流定律：

式中：I是任意时刻可接受的充电电流；In是t=0时的最大起始电流；a是衰减率常数。

蓄电池可接受充电曲线如图1所示。从图1中可以看出，当充电电流大于该时刻可接受电流时，会出现“过充析气”现象。充电可接受电流定律是蓄电池科学充电的理论基础。

在实际的电池充电物理过程中，要使蓄电池的充电过程完全吻合该充电特性曲线存在较大困难。目前铅酸蓄电池常用的充电方法包括恒流充电、恒压充电、两阶段和三阶段充电等方法。本设计采用智能控制芯片UC3909实现对铅酸蓄电池的四阶段充电，大大提升了充电效率，并有效保障了蓄电池使用寿命。

2 基于UC3909的四阶段充电方法

UC3909是一款专用于蓄电池充电管理的智能控制芯片，内部具有电流取样放大器CS、电压误差放大器VEA、电流误差放大器CA，共同构成电压、电流双闭环控制，可以精确地控制铅酸电池的充电速率。UC3909芯片可以根据蓄电池的状态实现涓流充电、恒流充电、恒压充电和浮充充电四个阶段，如图2所示。

状态1：涓流充电

当蓄电池电压低于充电使能电压UT，充电器提供很小的涓流IT进行充电，IT一般约为0.01C(C为蓄电池容量)。

状态2：恒流充电

图2 UC3909的四阶段充电曲线

充电器提供一个恒定的充电电流IBULK给蓄电池。在这个阶段，蓄电池的电量快速增加，直到蓄电池的电压上升到过压充电电压UOC，蓄电池进入恒压充电。

状态3：恒压充电

在恒压充电状态，充电器提供一个略高于蓄电池额定电压的恒定电压VOC给蓄电池，以使蓄电池能量最后达到饱和。这个阶段充电电流逐渐减小直到IOCT，表明蓄电池已被充满，进入浮充状态。

状态4：浮充充电

充电器提供一个恒定的电压UF给蓄电池，来维持蓄电池容量不变，同时会提供很小的浮充电流，弥补蓄电池自身放电造成的容量损失。

3 充电电源设计

基于UC3909的充电电源系统原理框图如图3所示。

图3 充电电源系统原理框图

系统输入交流电经EMI滤波和整流后，得到输入直流电压；系统主功率拓扑选用双管正激电路，输出与蓄电池相连，实现充电。

控制芯片选用UC3909，实时采集输出的电压和电流，经UC3909处理后，转换为不同脉宽的PWM信号，驱动双管正激电路，使输出恒流或恒压。

系统供电从交流输入取电，经一个交流变压器变压并整流后，变成约24 V直流电，供芯片和散热器风扇。系统显示分两部分：一是工作状态的显示，由发光二级管完成；二是输出电压电流显示，由三位半LED显示AD转换器完成。

3.1 DC/DC功率电路设计

本系统最大输出功率可以达到2 160 W（考虑过载），并且要求输入输出隔离，只有桥式或正激结构才满足要求。同时，系统最大输入直流电压可以达到600 V，这么高的系统容量如选用单管正激，则必须用IGBT模块才能满足耐压要求。因此，最终选择用双管正激电路。这样，使用两只IGBT单管IKW40N120H3就能满足要求，驱动器选用具有磁隔离的KD202型双管正激专用驱动芯片，工作频率选用25 kHz，IGBT吸收电路使用RCD型。在双管正激电路中：

变压器原、副边匝比要满足：

滤波电感L要满足：

计算后，取L=150 mH。

3.2 控制电路参数计算

基于UC3909的充电电源，控制部分电路如图4所示。

图4 基于UC3909的充电电路

本设计采用24 V、400 Ah密封铅酸蓄电池，根据厂家提供的蓄电池充电参数，浮充电压UF取26.7 V，充电使能电压UT取19.8 V；恒压充电电压UOC=28.2 V；涓流充电电流ITC取2 A；恒流充电电流IBULK取系统最大充电电流60 A；过充终止电流IOCT取7 A。根据以上参数，参照UC3909芯片资料，计算UC3909外围元件参数，计算公式如下：

式中：uref为基准电压2.3 V，代入式 (4)可得：Rs1=10.2 kΩ，Rs2=400 Ω，Rs3=1 kΩ，Rs4=16.2 kΩ。

3.3 占空比限幅电路设计

在双管正激电路中，为了避免变压器饱和，所要求的最大驱动占空比不能高于0.5，而UC3909芯片的最大输出占空比为1。虽然我们在设计双管正激变压器时，计算出系统最大功率输出时占空比小于0.45，但这是理论情况。为了使设计更加可靠稳定，我们在驱动信号上加入一个占空比限幅保护电路，保证双管正激的可靠工作，电路如图5所示。

图5 占空比限幅电路

该电路中，通过设置RC的充电时间常数，能够保证D触发器的输出是一个固定占空比的方波；原驱动信号与这个信号相“与”后，再作为驱动信号，从而保证了占空比一定小于0.45。二极管用于对电容进行周期性放电。

4 实验结果

当充电器处于恒压状态，充电电压为28.2 V，充电电流为60 A时，IGBT开关管的CE波形和输出滤波电感上的纹波电流波形如图6所示。可以看到双管正激电路的占空比接近0.45，与理论符合，IGBT在关断时的毛刺较小，证明所设计的吸收电路比较合理；同时看到，在输出直流电流为60 A时，电感纹波电流有20 A，据此可以设计合适的电流保护阈值。

双管正激变压器的原边电压和电流波形如图7所示。变压器工作时无明显尖峰电压，电流波形也与理论一致。

图6 IGBTVCE和电感纹波电流波形

图7 正激变压器原边电压和电流波形

经过反复老化实验证明，该充电电源较好地实现了对大容量蓄电池的智能可靠充电。

5 结束语

本文研制了一种以UC3909作为智能控制芯片，以双管正激电路作为功率拓扑的智能充电电源，采用四阶段充电方法，实验结果表明该电源工作稳定可靠，使蓄电池发挥了最大效率，较好地实现了对大容量铅酸蓄电池的充电。该产品目前已批量投放市场，受到顾客好评。

[1]徐德鸿，马皓.电力电子技术[M].北京：科学出版社，2007：72-93.

Development of intelligent high-power charger

HAN Peng-le1,2,XU Zhang-ying2,MA Shang-xing2,HU Jing2
(1.Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office,SIPO,Zhengzhou Henan 450001,China;2.The 36th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Jiaxing Zhejiang 314001,China)

A high-power intelligent charging system for storage battery was introduced.Lead acid battery's four-stage changing management was realized by using UC3909 chip.The operation principles of main circuit,control circuit and pulse width constraint circuit were analyzed.A 2 kW intelligent charging system designed with the solution has good dynamic response and operation reliability.

battery;four-stage charging;UC3909

TM 91

A

1002-087 X(2015)08-1699-03

2015-01-12

韩朋乐(1982—)，男，河南省人，硕士，主要研究方向为电力电子领域专利审查。