BUSpro系列变电流脉冲充电器的设计
2006-01-17 09:11:55
来源：《国际电子变压器》2006年2月刊
点击：1342
1引言
密封免维护铅酸蓄电池由于具有密封好、无泄漏、无污染等优点，近年来在国内外尤其是电动自行车中得到了广泛应用。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。 研究发现：电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。由此可见，一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。我们通过对该蓄电池特性分析，设计了BUSpro系列智能脉冲充电器，该充电器采用变电流间歇脉冲充电法，这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，如图1所示。
其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到减少或消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。
2产品特点
该充电器是我们与美国Precision和Auto Meter公司的合作，历时三年经过大量的实验研究和数据采集，开发出的具有完全知识产权的产品，其充电算法已获国家专利。控制芯片采用的是美国Microchip公司的PIC12C672单片机，该单片机具4路有8位高速A/D转换功能，能够将采样到的电池充电数据进行实时分析，从而精确控制充电状态。电源部分采用的是非常成熟的以UC3842为控制芯片的单端反激式开关电源，这样既能保证电源的可靠性又降低了成本。并通过优化设计，使整机电源工作频率为150kHZ，最大输出功率300W，保证了脉冲大电流充电时的功率输出。实践证明该充电器具有如下特点：
(1)自动调整充电波形；
(2)实时跟踪电池的当前状态；
(3)自动在充电停歇期测定电池的电压值及其变化；
(4)采用多种充满判定规则；
(5)充满判定依据采用模糊数学原理提高芯片的可靠快速充电终止；
(6)高效可靠的终止充满判据保证了电池在任何情况下的充满度，有效避免了过压/过充，从而提高电池的使用寿命；
(7)有效避免了铅酸蓄电池的硫化问题，延长蓄电池寿命；
(8)可靠的涓充模式保证了铅酸蓄电池的浮充寿命等。
BUSpro系列智能快速充电器内部设计有两个控制环路，能很好地解决充电电压、电流曲线的转折。不会造成蓄电池过充导致蓄电池失水，而早期寿命剧减；也不会造成蓄电池欠充导致蓄电池容量下降、内阻增加，早期损坏。
为了解决在电源接通瞬间，大电流对充电器的冲击，该充电器设计了防止大电流冲击的软启动电路，使得该充电器正常工作，而更加可靠的运行。
温度是影响电子设备可靠性最重要的因素，温升将导致元器件的失效，当温度超过一定值时，失效率将呈指数规律增加。为了有效地限制充电器的温升，减少发热量，选用低功耗，热稳定性高的元器件，利用强迫风冷将热量转移。
在生产过程中，采用了以下提高可靠性的措施：
(1)严格按照要求，直接向元器件生产厂订货，进厂的元器件检验合格后，方能入库。
(2)PCB板采用优质的环氧阻燃板材。
(3)充电器出厂前逐支进行老化，剔除那些因元器件制造过程的缺陷，PCB板不完善的连接，早期故障的充电器，使问题暴露在出厂前的产品老化阶段。
3实际电路及原理说明
图2为48V/20AH电动自行车蓄电池充电器的实际应用电路。最大充电电流5A，最大脉冲工作频率5Hz，最大占空比97%。为防止蓄电池电流倒流入充电器，在串联调整管与输出端之间串入了一只二极管。如前所述，PIC12C6XX是世界上第一种8脚带A/D的超小型单片机系列，体积虽小却集成了很多功能特点，节省了很多别的单片机应用中必须外接的元器件，是性价比极高的8位OTP单片机，只需很少的外部元器件就可以实现电池的精确快速充电，它的采用进一步简化了蓄电池充电器的设计过程及外围电路，提高了产品的可靠性。
3.1电源电路
使用开关电源作为充电器的供电设备。开关电源采用PWM和MOSFET等电子器件设计。控制芯片采用的是UC3842，由该集成电路构成的开关稳压电源和电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有以下特点：
(1)管脚数量少，外围电路简单，价格低廉；
(2)电压调整率很好；
(3)负载调整率明显改善；
(4)频响特性好，稳定幅度大；
(5)具有过流限制、过压保护和欠压锁定功能。
因此是目前比较理想的新型的脉宽调制器，其内部原理框图如图3所示。
设计中为了减小电流的脉动，降低输出纹波，在体积和成本允许的情况下设计选用饱和电流比较大的电感，因为当磁心接近饱和时损耗增大，会降低转换效率。电感的饱和电流至 少应大于充电回路中的峰值电流。同时，电感的直流电阻会消耗一定的功率，在体积和成本许可的情况下设计选用直流电阻尽量小的电感。
为了保证电源输出的一定精度及调整率，采用了TL431作为基准控制电压。考虑到电路工作时的输出电压已超过L431的最大工作电压，因此不能将TL431的K极直接连接到电源输出端，在实际电路中是先通电阻R13、R14分压，然后再通过电阻R16给TL431提供偏流。电容C14可以为开机时可能产生的瞬时高压脉冲提供旁路，保护TL431，另一方面，也作为开机软启动电容。上述改进，在实践应用中，证明效果非常好。也为以后TL431在更高输出电压电路中的应用提供了一个思路。
该电路另一个比较新颖之处是，采用线性光耦改变误差放大器的增益 如图2所示，该电压采样及反馈电路由R13，R14，R15，R16，R18，R19，R20，C9，光电耦合器U2、三端稳压U3组成。当输出电压升高时，输出电压经R18，R19及R20分压得到的采样电压（即U3的参考电压）也升高，U3的稳压值也升高，流过光耦中发光二极管中的电流减小，导致流过光电三极管中的电流减小相当于C9并联的可变电阻的阻值变大（该等效电阻的阻值受流过发光二极管电流的控制），误差放大器的增益变大，导致UC3842脚6输出驱动信号的占空比变小，输出电压下降，达到稳压的目的。当输出电压降低时，误差放大器的增益变小，输出的开关信号占空比变大，最终使输出电压稳定在设定的值。因为，UC3842的电压反馈输入端脚2接地，所以，误差放大器的输入误差总是固定的，改变的是误差放大器的增益（可将线性光耦中的光电三极管视为一可变电阻），该电路通过调节误差放大器的增益而不是调节误差放大器的输入误差来改变误差放器的输出，从而改变开关信号的占空比。这种拓扑结构不仅外接元器件较少，而且在电压采样电路中采用了三端可调稳压管，使得输出电压在负载发生较大的变化时，输出电压基本上没有变化。实验证明与其他形式的反馈电路相比，该电路的电源部分具有很好的稳压效果。
3.2 变电流充电电路
变电流充电电路是该智能充电器的关键，从图2中可以看出，该电路是由MOSFET管V2，单片机U5，快恢复二极管VD8，NTC电阻RC2等组成。图4是PIC12C6XX单片机的内部框图。
由于它自带4路8位A/D转换器，可直接检测电阻分压网络R28，29，30，31上的取样电压，并根据检测到的信号，与参考电压相比较，确定输出脉宽，调整充电电流。每个I/O脚最大拉/灌电流为25mA，因此可直接驱动数码管VD9，VD10。在充电开始前的预处理阶段，根据检测到的电池的不同状态，软件选择相应的充电算法，将通道选择控制字写入PIC12C672单片机的寄存器中。充电开始后，软件定时采集采样电阻上的电压值，经过计算，设置PIC12C672单片机PWM的输出参数。实现限压变电流的充电控制。
4软件设计
本智能快速充电器的软件设计思想是：各个功能组件实现模块化编程，软件流程采用中断工作方式。目的是使应用软件流程清晰，可读性强，易于功能调试以及产品的维护和升级。 本软件主要由初始化、预处理、快速充电和涓流充电四个部分组成。
4.1 初始化
在程序的初始阶段应首先对 PIC12C672单片机进行初始化操作，包括设置 I/O 端口的输入输出状态，设置 PLL 锁相环电路参数，设置 TIM 定时器参数等等。
4.2预处理
预处理阶段是进入快速充电前的准备工作。
程序初始化后，首先设置 A/D 转换参数和通道，检测电池的端电压。将检测数据同理论经验值比较， 判断电池的类别以及是否连接正确。对端电压低的电池，采用短时间的脉动电流充电，这样有利于激活电池内的化学反应物质，部分恢复受损的电池单元。对端电压在标称范围内的电 池选择相应的充电控制模块和算法，对端电压不在标称范围内的电池，软件自动将其剔除，停止充电。
4.3快速充电
按预定的充电控制模块和算法设置PIC12C672单片机，打开中断势能位，开始快速充电。
快速充电时，PIC12C672单片机必须不断检测以下几项关键技术指标：电池是否出现断路、电池是否达到规定的安全电压、电池是否满足-△V条件。
其中电池的断路主要通过检测采样电阻上的电压的大小来判断。而且为了避免误判断， 应该反复检测。当出现断路时，应重新返回预处理阶段。断路的判断时机应该在电池端电压已经达到预定值的情况下进行，否则在电池端电压没有达到预定值的情况下，充电电流比较小，可能出现误判断。
电池的端电压检测使用PIC12C672单片机的片上8位高精度 A/D 模块，采用中 断控制方式，这样可节省 PIC12C672 单片机在 A/D 转换期间的等待时间。端电压检测的数据，通过充电算法计算电池的电压负增长-△V是否满足快速充电终止条件，实时修改PIC12C672单片机PWM的输出参数，控制充电电流的大小。
4.4涓流充电
快速充电结束后，PIC12C672单片机自动转入涓流充电模式，补偿电池因自放电而损失的电量，这样可使电池总处于充足电的状态。
5结束语
实践证明，以PIC12C672单片机为控制核心的BUSpro系列智能快速充电器， 设计是满意的。产品工作稳定，充电效率高、快充特点明显、保护功能完善，可靠性强，加之公司良好的售后服务，批量投放市场以后，深受用户欢迎。
密封免维护铅酸蓄电池由于具有密封好、无泄漏、无污染等优点，近年来在国内外尤其是电动自行车中得到了广泛应用。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。 研究发现：电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。由此可见，一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。我们通过对该蓄电池特性分析，设计了BUSpro系列智能脉冲充电器，该充电器采用变电流间歇脉冲充电法，这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，如图1所示。
其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到减少或消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。
2产品特点
该充电器是我们与美国Precision和Auto Meter公司的合作，历时三年经过大量的实验研究和数据采集，开发出的具有完全知识产权的产品，其充电算法已获国家专利。控制芯片采用的是美国Microchip公司的PIC12C672单片机，该单片机具4路有8位高速A/D转换功能，能够将采样到的电池充电数据进行实时分析，从而精确控制充电状态。电源部分采用的是非常成熟的以UC3842为控制芯片的单端反激式开关电源，这样既能保证电源的可靠性又降低了成本。并通过优化设计，使整机电源工作频率为150kHZ，最大输出功率300W，保证了脉冲大电流充电时的功率输出。实践证明该充电器具有如下特点：
(1)自动调整充电波形；
(2)实时跟踪电池的当前状态；
(3)自动在充电停歇期测定电池的电压值及其变化；
(4)采用多种充满判定规则；
(5)充满判定依据采用模糊数学原理提高芯片的可靠快速充电终止；
(6)高效可靠的终止充满判据保证了电池在任何情况下的充满度，有效避免了过压/过充，从而提高电池的使用寿命；
(7)有效避免了铅酸蓄电池的硫化问题，延长蓄电池寿命；
(8)可靠的涓充模式保证了铅酸蓄电池的浮充寿命等。
BUSpro系列智能快速充电器内部设计有两个控制环路，能很好地解决充电电压、电流曲线的转折。不会造成蓄电池过充导致蓄电池失水，而早期寿命剧减；也不会造成蓄电池欠充导致蓄电池容量下降、内阻增加，早期损坏。
为了解决在电源接通瞬间，大电流对充电器的冲击，该充电器设计了防止大电流冲击的软启动电路，使得该充电器正常工作，而更加可靠的运行。
温度是影响电子设备可靠性最重要的因素，温升将导致元器件的失效，当温度超过一定值时，失效率将呈指数规律增加。为了有效地限制充电器的温升，减少发热量，选用低功耗，热稳定性高的元器件，利用强迫风冷将热量转移。
在生产过程中，采用了以下提高可靠性的措施：
(1)严格按照要求，直接向元器件生产厂订货，进厂的元器件检验合格后，方能入库。
(2)PCB板采用优质的环氧阻燃板材。
(3)充电器出厂前逐支进行老化，剔除那些因元器件制造过程的缺陷，PCB板不完善的连接，早期故障的充电器，使问题暴露在出厂前的产品老化阶段。
3实际电路及原理说明
图2为48V/20AH电动自行车蓄电池充电器的实际应用电路。最大充电电流5A，最大脉冲工作频率5Hz，最大占空比97%。为防止蓄电池电流倒流入充电器，在串联调整管与输出端之间串入了一只二极管。如前所述，PIC12C6XX是世界上第一种8脚带A/D的超小型单片机系列，体积虽小却集成了很多功能特点，节省了很多别的单片机应用中必须外接的元器件，是性价比极高的8位OTP单片机，只需很少的外部元器件就可以实现电池的精确快速充电，它的采用进一步简化了蓄电池充电器的设计过程及外围电路，提高了产品的可靠性。
3.1电源电路
使用开关电源作为充电器的供电设备。开关电源采用PWM和MOSFET等电子器件设计。控制芯片采用的是UC3842，由该集成电路构成的开关稳压电源和电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有以下特点：
(1)管脚数量少，外围电路简单，价格低廉；
(2)电压调整率很好；
(3)负载调整率明显改善；
(4)频响特性好，稳定幅度大；
(5)具有过流限制、过压保护和欠压锁定功能。
因此是目前比较理想的新型的脉宽调制器，其内部原理框图如图3所示。
设计中为了减小电流的脉动，降低输出纹波，在体积和成本允许的情况下设计选用饱和电流比较大的电感，因为当磁心接近饱和时损耗增大，会降低转换效率。电感的饱和电流至 少应大于充电回路中的峰值电流。同时，电感的直流电阻会消耗一定的功率，在体积和成本许可的情况下设计选用直流电阻尽量小的电感。
为了保证电源输出的一定精度及调整率，采用了TL431作为基准控制电压。考虑到电路工作时的输出电压已超过L431的最大工作电压，因此不能将TL431的K极直接连接到电源输出端，在实际电路中是先通电阻R13、R14分压，然后再通过电阻R16给TL431提供偏流。电容C14可以为开机时可能产生的瞬时高压脉冲提供旁路，保护TL431，另一方面，也作为开机软启动电容。上述改进，在实践应用中，证明效果非常好。也为以后TL431在更高输出电压电路中的应用提供了一个思路。
该电路另一个比较新颖之处是，采用线性光耦改变误差放大器的增益 如图2所示，该电压采样及反馈电路由R13，R14，R15，R16，R18，R19，R20，C9，光电耦合器U2、三端稳压U3组成。当输出电压升高时，输出电压经R18，R19及R20分压得到的采样电压（即U3的参考电压）也升高，U3的稳压值也升高，流过光耦中发光二极管中的电流减小，导致流过光电三极管中的电流减小相当于C9并联的可变电阻的阻值变大（该等效电阻的阻值受流过发光二极管电流的控制），误差放大器的增益变大，导致UC3842脚6输出驱动信号的占空比变小，输出电压下降，达到稳压的目的。当输出电压降低时，误差放大器的增益变小，输出的开关信号占空比变大，最终使输出电压稳定在设定的值。因为，UC3842的电压反馈输入端脚2接地，所以，误差放大器的输入误差总是固定的，改变的是误差放大器的增益（可将线性光耦中的光电三极管视为一可变电阻），该电路通过调节误差放大器的增益而不是调节误差放大器的输入误差来改变误差放器的输出，从而改变开关信号的占空比。这种拓扑结构不仅外接元器件较少，而且在电压采样电路中采用了三端可调稳压管，使得输出电压在负载发生较大的变化时，输出电压基本上没有变化。实验证明与其他形式的反馈电路相比，该电路的电源部分具有很好的稳压效果。
3.2 变电流充电电路
变电流充电电路是该智能充电器的关键，从图2中可以看出，该电路是由MOSFET管V2，单片机U5，快恢复二极管VD8，NTC电阻RC2等组成。图4是PIC12C6XX单片机的内部框图。
由于它自带4路8位A/D转换器，可直接检测电阻分压网络R28，29，30，31上的取样电压，并根据检测到的信号，与参考电压相比较，确定输出脉宽，调整充电电流。每个I/O脚最大拉/灌电流为25mA，因此可直接驱动数码管VD9，VD10。在充电开始前的预处理阶段，根据检测到的电池的不同状态，软件选择相应的充电算法，将通道选择控制字写入PIC12C672单片机的寄存器中。充电开始后，软件定时采集采样电阻上的电压值，经过计算，设置PIC12C672单片机PWM的输出参数。实现限压变电流的充电控制。
4软件设计
本智能快速充电器的软件设计思想是：各个功能组件实现模块化编程，软件流程采用中断工作方式。目的是使应用软件流程清晰，可读性强，易于功能调试以及产品的维护和升级。 本软件主要由初始化、预处理、快速充电和涓流充电四个部分组成。
4.1 初始化
在程序的初始阶段应首先对 PIC12C672单片机进行初始化操作，包括设置 I/O 端口的输入输出状态，设置 PLL 锁相环电路参数，设置 TIM 定时器参数等等。
4.2预处理
预处理阶段是进入快速充电前的准备工作。
程序初始化后，首先设置 A/D 转换参数和通道，检测电池的端电压。将检测数据同理论经验值比较， 判断电池的类别以及是否连接正确。对端电压低的电池，采用短时间的脉动电流充电，这样有利于激活电池内的化学反应物质，部分恢复受损的电池单元。对端电压在标称范围内的电 池选择相应的充电控制模块和算法，对端电压不在标称范围内的电池，软件自动将其剔除，停止充电。
4.3快速充电
按预定的充电控制模块和算法设置PIC12C672单片机，打开中断势能位，开始快速充电。
快速充电时，PIC12C672单片机必须不断检测以下几项关键技术指标：电池是否出现断路、电池是否达到规定的安全电压、电池是否满足-△V条件。
其中电池的断路主要通过检测采样电阻上的电压的大小来判断。而且为了避免误判断， 应该反复检测。当出现断路时，应重新返回预处理阶段。断路的判断时机应该在电池端电压已经达到预定值的情况下进行，否则在电池端电压没有达到预定值的情况下，充电电流比较小，可能出现误判断。
电池的端电压检测使用PIC12C672单片机的片上8位高精度 A/D 模块，采用中 断控制方式，这样可节省 PIC12C672 单片机在 A/D 转换期间的等待时间。端电压检测的数据，通过充电算法计算电池的电压负增长-△V是否满足快速充电终止条件，实时修改PIC12C672单片机PWM的输出参数，控制充电电流的大小。
4.4涓流充电
快速充电结束后，PIC12C672单片机自动转入涓流充电模式，补偿电池因自放电而损失的电量，这样可使电池总处于充足电的状态。
5结束语
实践证明，以PIC12C672单片机为控制核心的BUSpro系列智能快速充电器， 设计是满意的。产品工作稳定，充电效率高、快充特点明显、保护功能完善，可靠性强，加之公司良好的售后服务，批量投放市场以后，深受用户欢迎。
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