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新型蓄电池充电方案解决充电失衡

 新型蓄电池充电方案解决充电失衡

蓄电池充电理论 三段式充电设计方案和实验结果

解决方案:

三段式充电主电路设计 三段式充电驱动电路设计 三段式充电控制电路设计

 


实践证明,要保证铅酸蓄电池的使用寿命,采用正确的充电方法是非常重要的,蓄电池常常被采用串联的方式组成电池组来提高输出电压,相应的就可以采用串联方式进行充电。但是因其蓄电池的单个容量、端电压和内阻在制造和使用过程中会不可避免地产生不一致的问题,从而形成蓄电池组在充电过程中往往会不均衡,结果会使蓄电池组的使用寿命严重缩短。本文提出了一种新型的充电器设计方案,隔离的三路输出分别对单个蓄电池进行充电,同时采用新型的三段式充电控制方法。

1 充电理论

蓄电池在工作工程中主要具有3种工作状态:放电状态、充电状态和浮充状态。处于放电状态时,蓄电池将储蓄的化学能转化为电能供给负载;充电状态是在蓄电池放电之后进行能量储蓄的状态,此种状态下电能转化为化学能存储起来;浮充状态则是蓄电池维持一定化学能存储量所要保持的工作状态,浮充状态下的蓄电池的储能不会因为自放电而损失。放电、充电、浮充电3个状态构成蓄电池的一个完整的工作循环。传统的充电器采用串联充电方式,通过各个电池的电流都是一样的。尽管采用了三段式的充电方法,但是充电时能控制的电压只是电池组的串联电压,仍然伴有电池组充电不均衡并且扩大的现象

主电路
改进的新型充电器主电路,如图2所示。前级采用软开关不对称半桥实现了多路的隔离输出,并且利用自身产生的寄生参数,实现谐振式零电压软开关以此减小开关的损耗,同时也避免了因变压器漏感而带来的电压尖峰。后级采用成熟简单的Buck电路拓扑,实现降压并用此来满足三段式充电的要求。

要实现不对称半桥的软开关,不对称半桥的参数设计需要满足以下2个条件,即:

中:Zn为特性阻抗,;D为开关管Q1的占空比;C为开关管Q1和Q2的寄生电容;ωk为谐振角频率;Lk为变压器初级漏感;I0为负载总电流;td为死区时间;n为变压器初、次级匝比。


2.2 驱动电路
不对称半桥驱动电路,如图3所示。驱动集成芯片采用IR公司的IR2103,其输出级作为推挽驱动输出,以直接耦合的方式与主电路的开关管相连接,由HO和LO的输出分别作为驱动桥式电路的上、下桥臂。为了实现上桥臂驱动电路的地电位与主电路的同步浮动,采用由DB和CB组成的外接自举电路。

二极管DB的耐压决定式为:

式中:Uc为驱动电源的电压;Ud为不控整流输出的电压。DB的电流容量,JDm的决定式为:

 

式中:fs为器件开关频率;Qg为MOSFET栅荷。

自举电容应能保证器件开通具有足够的栅荷,则其容量需满足:

 

式中:KB为安全系数,KB>1;UR为沿CB放电回路外压降的总和。

为了减小DB的反向恢复电流,进一步减少存储进驱动电源的电荷量,本文中的DB采用快速恢复二极管。Buck电路开关管的驱动电路,

 

当驱动门极的输出为高电平时,隔离变压器驱动侧电容能够防止直流分量流过变压器的初级,而另一侧电容和二极管能够把电压变为单极性。同时两个电容的取值至少是MOSFET器件本身的门极电容的10倍。

2.3 控制电路
Buck控制采用了最大占空比为100%的UC3842芯片,不对称桥控制采用了最大占空比为50%的UC3844芯片。同时两级电路都采用电压型的控制。不对称桥采用的是前馈控制,当输入的电压有波动时,占空比能够相应调整,以保证前级的输出基本不变

后级Buck控制电路能满足三段式充电的要求,Buck控制电路,。

 

3 实验结果

充电过程进行了180 min,每隔5 min记录充电电压、电流1次,并用Matlab拟合。实验结果表明,该方案可以实现蓄电池组的并联均衡充电,从而避免了充电过程中产生的不均衡对蓄电池造成的伤害,有效保护了电池,延长其使用寿命。

 

 

并且据此改进了充电器的主电路结构,优化了控制方案。设计了一种新型的可对铅酸蓄电池实现三段式充电的方案,大大提高了蓄电池组的充电效率,有效地保护了电池,并且延长了电池组的使用寿命。

 

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