開關(guān)型鉛酸蓄電池智能充電器方案

設(shè)計(jì)了一種基于UC3906與UC3823的免維護(hù)鉛酸蓄電池開關(guān)型雙電平智能充電器， 這種充電器可保證蓄電池在很寬的溫度范圍內(nèi)精確充電， 延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命; 可以消除充電過程中的極化現(xiàn)象， 提高充電效率。

1 UC3906的結(jié)構(gòu)及工作原理。

UC3906內(nèi)部框圖如圖1所示，該芯片內(nèi)含有獨(dú)立的電壓控制電路和限流放大器， 它可以控制芯片內(nèi)的驅(qū)動(dòng)器， 驅(qū)動(dòng)器提供的輸出電流達(dá)25 mA, 可直接驅(qū)動(dòng)外部串聯(lián)的調(diào)整管， 從而調(diào)整充電器的輸出電壓與電流。電壓和電流檢測(cè)比較器檢測(cè)蓄電池的充電狀態(tài)， 并控制狀態(tài)邏輯電路的輸入信號(hào)。

圖1 UC3906內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)蓄電池電壓或電流過低時(shí)， 充電起動(dòng)比較器控制充電器進(jìn)入涓流充電狀態(tài)， 當(dāng)驅(qū)動(dòng)器截止時(shí)，該比較器還能輸出25 mA涓流充電電流。這樣， 當(dāng)蓄電池短路或反接時(shí)， 充電器只能以小電流充電，避免了因充電電流過大而損壞蓄電池。

蓄電池的電壓與環(huán)境溫度有關(guān)， 溫度每升高1 ℃， 蓄電池單格電壓下降4 mV, 也就是說蓄電池的浮充電壓有負(fù)的溫度系數(shù)- 4 mV/℃。普通充電器如果在25 ℃處于最佳工作狀態(tài)， 在環(huán)境溫度為0 ℃就會(huì)充電不足， 而在溫度為45 ℃時(shí)可能因嚴(yán)重過充電而縮短蓄電池的使用壽命。而UC3906的最重要的特性是具有精確的基準(zhǔn)電壓， 其基準(zhǔn)電壓的大小隨環(huán)境溫度而變化， 且變化規(guī)律與鉛酸蓄電池的溫度特性一致。同時(shí)芯片只需1.7 mA的輸入電流就可工作， 這樣可以盡量減小芯片的功耗， 實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的準(zhǔn)確檢測(cè)。在0~70 ℃溫度范圍內(nèi)可以保證蓄電池既充足電又不會(huì)出現(xiàn)過充電現(xiàn)象， 完全滿足蓄電池充電需要。

UC3906可構(gòu)成雙電平浮充充電器， 充電過程分為3個(gè)充電狀態(tài)， 如圖2所示： 大電流恒流充電狀態(tài)， 高電壓過充電狀態(tài)和低電壓恒壓浮充狀態(tài)。

圖2 雙電平浮充充電狀態(tài)曲線

充電過程從大電流恒流充電狀態(tài)開始， 在這種狀態(tài)下充電器輸出恒定的充電電流Imax, 同時(shí)充電器連續(xù)監(jiān)控蓄電池組的兩端電壓， 當(dāng)蓄電池的電壓達(dá)到轉(zhuǎn)換電壓U12時(shí)， 其電量已恢復(fù)到放電容量的70%~90%, 充電器轉(zhuǎn)入過充電狀態(tài)。在此狀態(tài)下， 充電器輸出電壓升高到Uoc; 由于充電器輸出電壓保持恒定不變， 所以充電電流連續(xù)下降， 當(dāng)電流下降到Ioct時(shí)， 蓄電池的容量已達(dá)到額定容量的100% ,充電器輸出電壓下降到較低的浮充電壓UF.

2 電路設(shè)計(jì)。

對(duì)于較大容量的鉛酸蓄電池， 為了提高充電效率， 通常選用開關(guān)型充電器。設(shè)計(jì)的24V20Ah鉛酸蓄電池開關(guān)型充電器實(shí)際電路見圖3, 在該電路中，用兩只專用集成電路UC3906與UC3823和一只通用運(yùn)放即可完成全部控制功能。充電器主電路由功率MOSFET ( IRF9503) 、續(xù)流二極管( UES2402) 和濾波電感( 130 μH) 等元件組成。

圖3 24 V 20 Ah鉛酸蓄電池開關(guān)型雙電平浮充智能充電器電路圖

2.1 電壓電流控制回路與電池充電邏輯狀態(tài)電路

對(duì)小容量蓄電池充電器可采用線性串聯(lián)調(diào)整管來控制充電電流， 而對(duì)于開關(guān)型充電器， UC3906鉛酸蓄電池充電控制集成電路具有充電電壓控制和充電邏輯狀態(tài)控制的功能， 并能提供充電的溫度補(bǔ)償控制功能。

蓄電池兩端的分壓電阻監(jiān)控蓄電池電壓， 分壓電阻的阻值確定浮充電壓、過充電壓和涓流充電門限電壓。差動(dòng)電流取樣比較器產(chǎn)生過充電狀態(tài)的轉(zhuǎn)換信號(hào)， 電壓放大器放大補(bǔ)償電壓回路的信號(hào)。

在溫度為25 ℃， Uref值為2.3 V時(shí)：

過充電壓：

浮充電壓：

過充轉(zhuǎn)換電壓：U12=0.95Uoc=28.03 V

浮充轉(zhuǎn)換電壓：U13=0.9UF=24.8 V

最大充電電流：

過充終止電流：

2.2 開關(guān)型電流源控制回路

輸入電壓( 35 /50 V) 經(jīng)10 kΩ電阻與1N4744穩(wěn)壓管組成的穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后， 又經(jīng)TIP31晶體管射隨器輸出+14 V電壓， 作為控制電路的電源電壓。

PWM頻率設(shè)定為100 kHz, 以減小輸出濾波器的體積， 蓄電池充電電流從0.1 Ω/5 W電阻上取樣， 差動(dòng)放大增益為5。

開關(guān)型電流源控制回路的性能對(duì)充電狀態(tài)控制轉(zhuǎn)換有很大的影響， 在大電流快速充電狀態(tài)下， 充電器要能提供最大的充電電流; 在浮充狀態(tài)下， 充電器輸出電流很小。因此， 充電器電流控制回路的增益變化范圍應(yīng)大于60 db, 采用普通的峰值電流反饋很難滿足要求， 24 V20 Ah鉛酸蓄電池開關(guān)型充電器采用平均電流反饋回路見圖4.它比峰值電流反饋控制相對(duì)復(fù)雜， 利用平均電流反饋控制回路可以使充電器電路在以下幾方面有所改進(jìn)： ①由于誤差放大在較低工作頻率范圍內(nèi)的高增益， 從而使閉環(huán)電流的控制精度得到了提高; ②在大電流充電的工作狀態(tài)下， 當(dāng)電感電流不連續(xù)時(shí)， 可以改善大電流輸出級(jí)的非線性; ③可以提高充電器電路在很小的脈沖占空比工作條件下的抗開關(guān)峰值噪聲的能力。

圖4 平均電流反饋電路圖

電流控制回路選用UC3823PWM控制器， 因?yàn)樗诜浅Ｐ〉拿}沖占空比到100%的脈沖占空比的變化范圍內(nèi)能夠線性工作; UC3823PWM控制器的帶寬和電路結(jié)構(gòu)完全滿足平均電流控制回路的要求; UC3823PWM控制器輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)與開關(guān)電流源輸出功率級(jí)連接簡(jiǎn)單。運(yùn)放當(dāng)作差動(dòng)放大器使用，用以檢測(cè)開關(guān)電流源的輸出電流， 并把該電流信號(hào)變換為適當(dāng)?shù)碾妷盒盘?hào)。

2.3 功率輸出級(jí)

功率輸出級(jí)采用降壓式開關(guān)電流源。為了簡(jiǎn)化UC3823的高端驅(qū)動(dòng)電路， 輸出開關(guān)管采用直接耦合P溝道MOSFET.流入MOSFET的開關(guān)電流提供柵極電荷， 使MOSFET導(dǎo)通， 接在柵極與源極的穩(wěn)壓管將柵極電壓限制在12 V.PNP管的作用是釋放柵極電荷， 從而使MOSFET加速關(guān)斷。在續(xù)流二極管兩端加入RC緩沖器， 可以抑制電路寄生參數(shù)引起的高頻自激振蕩。在輸出電路中加入整流管， 可以避免在電源中斷后蓄電池組對(duì)充電器放電。

3 結(jié)論

1) UC3906內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)與鉛酸蓄電池的溫度系數(shù)相同， 從而保證了蓄電池在較寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)蓄電池的精確快速充電， 且不會(huì)過充影響蓄電池壽命。

2) UC3823PWM控制器在非常小的脈沖占空比到100%的脈沖占空比的變化范圍內(nèi)能夠線性工作;UC3823PWM控制器的帶寬和電路結(jié)構(gòu)完全滿足平均電流控制回路的要求。