高可靠高功率智能鉛酸電池充電器的設(shè)計(jì)與分析

1 引言

密封式鉛酸蓄電池具有價(jià)格低廉、供電可靠、電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛的應(yīng)用。隨著蓄電池的廣泛應(yīng)用，大功率高可靠性蓄電池充電器的設(shè)計(jì)也隨之引起了人們的關(guān)注。目前，國內(nèi)大功率蓄電池充電器的整體研發(fā)水平與國外還有相當(dāng)一端的差距，主要表現(xiàn)在可靠性不高，整機(jī)壽命不長等方面。

深圳斯比泰電子有限公司針對目前國內(nèi)充電器設(shè)計(jì)中存在的普遍不足，開發(fā)出一款大功率智能鉛酸電池充電器。該充電器采用MCU控制實(shí)現(xiàn)智能充電，設(shè)計(jì)中從多方面考慮確保可靠性。本文將詳細(xì)介紹這款充電器的設(shè)計(jì)思路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理，最后還將針對此電源的可靠性設(shè)計(jì)，從兩個(gè)方面給出具體分析。

2 鉛酸電池充電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理分析

大功率智能鉛酸電池充電器設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩部分。

2.1 充電器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

充電器硬件部分采用PWM控制的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。硬件原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入220V 或 115V 的市電，經(jīng)過整流、全橋高頻逆變，整流濾波后輸出直流電壓給電池充電。

圖1 硬件原理結(jié)構(gòu)圖

2.2充電器軟件設(shè)計(jì)

2.2.1充電控制

充電器的軟件流程圖如下圖2。通過開機(jī)自檢后，將分別進(jìn)入三個(gè)充電狀態(tài)：1）恒流充電；2）恒壓充電；3）浮充。

整個(gè)充電器的控制功能都由MCU來實(shí)現(xiàn)。MCU的控制具有精確、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。通過對電池的電流、電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣來判斷充電器所處的充電狀態(tài)，通過控制PWM來控制充電器的充電狀態(tài)的切換，并將其狀態(tài)顯示在用戶界面。MCU不止實(shí)現(xiàn)輸出短路、過溫、電池反接等保護(hù)功能，還可實(shí)現(xiàn)線性溫度補(bǔ)償。

圖2 軟件流程圖

2.2.2 溫度補(bǔ)償

鉛酸電池的電壓與溫度有很大關(guān)系，溫度每升高1℃，單格電池的電壓將下降4mV。即鉛酸電池的電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，其值為–4mV/℃。因此，在環(huán)境溫度為25℃時(shí)工作理想的充電器，當(dāng)環(huán)境溫度降到0℃時(shí)，電池就不能充足電，當(dāng)環(huán)境溫度升到50℃時(shí)，電池將因嚴(yán)重過充電而縮短壽命。因此，為了保證在很寬的溫度范圍內(nèi)，都能使電池剛好充足電，充電器的各種轉(zhuǎn)換電壓必須隨電池電壓的溫度系數(shù)而變，即加入溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償方式有線性溫度補(bǔ)償和階梯溫度補(bǔ)償。圖3 為加入線性溫度補(bǔ)償與無溫度補(bǔ)償蓄電池容量與溫度的關(guān)系。（設(shè)置溫度補(bǔ)償系數(shù)為–4mV/℃）

圖 3 線性溫度補(bǔ)償與無溫度補(bǔ)償蓄電池容量與溫度的關(guān)系

2.2.3 充電曲線

本充電器采用三段式充電。起充電曲線如圖4 所示。1恒流充電，當(dāng)電池電壓較低時(shí)，較大電流的充電有利與加快充電速度；2恒壓充電，電池電壓在58V左右時(shí)，以恒壓充電的方式使電池電壓保持不變，充電電流開始下降，進(jìn)入第三狀態(tài)；3浮充，當(dāng)電池已被充到額定能力以后，保持電池電壓不變以較小的電流充電。

圖4 電流、電壓充電曲線圖

3 可靠性設(shè)計(jì)

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，規(guī)定的條件下，完成規(guī)定的功能。為了取得鉛酸電池充電器的高可靠性，必須從設(shè)計(jì)階段開始就要考慮這個(gè)問題。

3.1 可靠性預(yù)測

可靠性預(yù)測是根據(jù)電源中所使用的元器件的性能及工作環(huán)境等已掌握的資料來推測電源的無故障工作時(shí)間的?？煽啃灶A(yù)測是指導(dǎo)電源設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工作之一。

根據(jù)鉛酸電池充電器的工作方式，把它歸于可靠性串聯(lián)系統(tǒng)。它共由8個(gè)單元組成，其可靠性預(yù)測模型如圖5所示。

圖5 鉛酸電池充電器的可靠性預(yù)測模型

圖中：輸入整流濾波電路單元；變換器單元

推動(dòng)級；控制電路單元

保護(hù)電路單元；輸出整流濾波電路單元；

輔助電源單元；工藝單元

分別為的單元失效率。

根據(jù)元器件失效率統(tǒng)計(jì)表^[1]可查出和計(jì)算每個(gè)單元的元件失效率，然后根據(jù)式（3-1）可計(jì)算出鉛酸電池充電器總的失效率為。

（3-1）

式中為補(bǔ)充系數(shù)，用來補(bǔ)充未被統(tǒng)計(jì)進(jìn)去的失效因素，。

最后，即可計(jì)算出鉛酸電池充電器的平均無故障工作時(shí)間：

3.2 電子元器件的選用和控制

從鉛酸電池充電器的可靠性分析中可以看出，電子元器件的工作失效率是充電器可靠性重要影響因素。要想提高充電器整機(jī)的可靠性，必須控制整機(jī)的電子元器件的工作失效率，可以說鉛酸電池充電器整機(jī)是否可靠地工作的基礎(chǔ)是電子元器件能否可靠的工作。所以，為了保證充電器的可靠性，必須對上機(jī)的電子元器件進(jìn)行優(yōu)選。通常電子元器件的選用必須遵守以下原則：

1）選用能滿足整機(jī)電氣性能指標(biāo)和可靠性要求的元器件；

2）選用被選入優(yōu)選手冊的元器件或被實(shí)踐證明產(chǎn)品質(zhì)量過硬的廠家的產(chǎn)品；

3）盡量壓縮品種規(guī)格，提高同類元器件的重復(fù)率，使其品種規(guī)格比率達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

4）在滿足整機(jī)電氣性能指標(biāo)和可靠性要求的前提下，選用廉價(jià)的元器件和庫存元器件；

5）盡量優(yōu)先選用國標(biāo)和部標(biāo)元器件，再選用廠標(biāo)元器件。

充電器的所有部件受到的的電流應(yīng)力大，發(fā)熱量高，充電器內(nèi)部溫度上升快。因此在充電器的設(shè)計(jì)中必須重點(diǎn)考慮的部件如下：

①電解電容器

電解電容器的封口部位會漏出氣化的電解液，這種現(xiàn)象會隨著溫度的升高而加速，一般認(rèn)為溫度每上升10℃，泄漏速度會提高至2倍。因此可以說電解電容器決定了電源裝置的壽命。

② 開關(guān)晶體管、高速功率二極管

此類部件在性能界限內(nèi)使用時(shí)，基本上可以維持7~10年的壽命，但電源通斷（能量循環(huán)）時(shí)產(chǎn)生的物理應(yīng)力、熱應(yīng)力會導(dǎo)致元件劣化，提前損壞。

③ 風(fēng)扇

球形軸承及軸承的潤滑油枯竭、機(jī)械裝置部件的磨損，會加速風(fēng)扇的老化。加之近年的DC風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)回路開始使用電解電容器等部件，所以有必要將回路部件壽命等因素也一并考慮進(jìn)去。

④ 光電耦合器

電流傳達(dá)率（CTR；Current Transfer Ratio）隨著時(shí)間的推移會逐漸減少，結(jié)果發(fā)光二極管的電流不斷增大，有時(shí)會達(dá)到最大限制電流，致使系統(tǒng)失控。

⑤ 開關(guān)

多數(shù)開關(guān)電源設(shè)有電容器輸入型的整流回路，在通入電源時(shí)，會產(chǎn)生浪涌電流，導(dǎo)致開關(guān)接點(diǎn)疲勞，引發(fā)接觸電阻增大及吸附等問題。理論上認(rèn)為，在電源期望壽命期間，開關(guān)的通斷次數(shù)約有5,000次。

⑥沖擊電流保護(hù)電阻、熱敏功率電阻器

為抵抗電源通入時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流，設(shè)計(jì)者將電阻與SCR等元件并聯(lián)起來使用。電源通入時(shí)的電力峰值高達(dá)額定數(shù)值的數(shù)十倍至數(shù)百倍，結(jié)果導(dǎo)致電阻熱疲勞，引起斷路。處在相同情況下的熱敏功率電阻器也會發(fā)生熱疲勞現(xiàn)象。

3.3 優(yōu)選電路和邊緣性能設(shè)計(jì)

為了保證鉛酸電池充電器的高可靠性，硬件中的電路大多利用一些標(biāo)準(zhǔn)化電路和經(jīng)過考驗(yàn)的高可靠性電路。在電路設(shè)計(jì)成熟之后，也考慮了元器件參數(shù)的公差、漂移及參數(shù)隨環(huán)境條件變化等因素，使電路設(shè)計(jì)能容許這些變化而不影響其性能指標(biāo)。

3.4 過應(yīng)力防護(hù)設(shè)計(jì)

鉛酸電池充電器在所設(shè)計(jì)的正常工作狀態(tài)下，很少因出現(xiàn)元器件過應(yīng)力而發(fā)生故障。但是，要保證充電器的高可靠性，因瞬變干擾造成的過應(yīng)力對元器件的損害，就不得不考慮。正是基于此種考慮，本文所介紹的大功率智能鉛酸電池充電器對眾多關(guān)鍵性元器件進(jìn)行了過應(yīng)力防護(hù)設(shè)計(jì)。

3.5 三防設(shè)計(jì)

三防設(shè)計(jì)包括防潮設(shè)計(jì)、防鹽設(shè)計(jì)和防霉菌設(shè)計(jì)。本充電器主要采用應(yīng)用保護(hù)涂層和灌封進(jìn)行相應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)。

4 整機(jī)測試

各項(xiàng)可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用后，按照設(shè)計(jì)方案研制出來的樣機(jī)，還必須通過加速壽命測試來驗(yàn)證其可靠性。以下列舉了幾項(xiàng)加速壽命測試：

① 高溫?cái)嗬m(xù)測試

機(jī)械性部件如繼電器、開關(guān)和電扇等，以及功率晶體管，功率二極管等部件的升溫現(xiàn)象很嚴(yán)重，因而有必要進(jìn)行高溫?cái)嗬m(xù)測試。

② 高溫連續(xù)壽命測試

③ 高溫高濕測試

針對金屬部件的腐蝕、塑料部件的分解等造成的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣耐力下降等障，進(jìn)行高溫高濕測試。

④ 溫度循環(huán)測試

環(huán)境溫度的高低差產(chǎn)生季節(jié)裂紋等變溫性應(yīng)力，從而導(dǎo)致焊接、塑模部件發(fā)生故障。進(jìn)行本測試即是為了檢測出這種故障是否存在。

4總結(jié)

本文介紹了一款高可靠性大功率智能鉛酸電池充電器，從硬件和軟件兩部分分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理。最后從可靠性預(yù)測、電子元器件的選用和控制、優(yōu)選電路和邊緣性能設(shè)計(jì)、過應(yīng)力防護(hù)設(shè)計(jì)和三防設(shè)計(jì)五個(gè)方面介紹了鉛酸電池充電器的可靠性設(shè)計(jì)。

本文介紹的大功率鉛酸電池充電器性能可靠，智能化充電，具有數(shù)字顯示，可以滿足在較為嚴(yán)苛的環(huán)境下對鉛酸電池進(jìn)行充電的要求。同時(shí)具備輸出過壓保護(hù)，過熱保護(hù)，電池欠壓及過壓保護(hù)，電池極性反接保護(hù)等功能，進(jìn)一步提高了充電器的可靠性。該機(jī)已經(jīng)成功廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車，高爾夫球車，電動(dòng)游覽車，電動(dòng)游艇，等采用鉛酸電池的充電場所。

參考文獻(xiàn)

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