高可靠高功率智能鉛酸電池充電器的設(shè)計 研究
作者:林木松 李 微 上傳時間:2008-3-19 14:13:50
摘要:針對目前國內(nèi)大功率充電器普遍存在的不足,本文給出了一款采用MCU實(shí)現(xiàn)智能控制的高可靠性大功率鉛酸電池充電器的設(shè)計方案。文中詳細(xì)介紹了這款充電器的設(shè)計思路,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理。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、過應(yīng)力防護(hù)設(shè)計和三防設(shè)計五個方面給出了此方案鉛酸電池充電器的關(guān)于可靠性方面的設(shè)計。 敘詞:充電器 充電曲線 可靠性 鉛酸電池充電器 高爾夫球車充電器 電動車充電器 電動游艇充電器 Abstract:According to the limits of the existing high power charger design, in this paper, a new design of high reliability power charger for lead-acid battery with MCU intelligent control is introduced. The design concept, the topology applied and the principle of operation are described in detail. And a good reliability design including reliability forecast, component choose, circuit optimization and critical performance design, over-stress protection design and triple-protection design is discussed mainly. Keyword:Charger Charge Curve Reliability
1 引言
密封式鉛酸蓄電池具有價格低廉、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,從兩個方面給出具體分析。
2 鉛酸電池充電器系統(tǒng)設(shè)計及工作原理分析
大功率智能鉛酸電池充電器設(shè)計分為硬件和軟件兩部分。
2.1 充電器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
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
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)入三個充電狀態(tài):1)恒流充電;2)恒壓充電;3)浮充。
整個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℃時工作理想的充電器,當(dāng)環(huán)境溫度降到0℃時,電池就不能充足電,當(dāng)環(huán)境溫度升到50℃時,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,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,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
可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的時間內(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)計階段開始就要考慮這個問題。
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間的??煽啃灶A(yù)測是指導(dǎo)電源設(shè)計的基礎(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個單元組成,其可靠性預(yù)測模型如圖5所示。
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,基本上可以維持7~10年的壽命,但電源通斷(能量循環(huán))時產(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,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
為抵抗電源通入時產(chǎn)生的沖擊電流,設(shè)計者將電阻與SCR等元件并聯(lián)起來使用。電源通入時的電力峰值高達(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
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
鉛酸電池充電器在所設(shè)計的正常工作狀態(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。
3.5 三防設(shè)計
三防設(shè)計包括防潮設(shè)計、防鹽設(shè)計和防霉菌設(shè)計。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。
4 整機(jī)測試
各項(xiàng)可靠性設(shè)計技術(shù)應(yīng)用后,按照設(shè)計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 高溫斷續(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)行高溫斷續(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、過應(yīng)力防護(hù)設(shè)計和三防設(shè)計五個方面介紹了鉛酸電池充電器的可靠性設(shè)計。
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)用于電動汽車,高爾夫球車,電動游覽車,電動游艇,等采用鉛酸電池的充電場所。
參考文獻(xiàn)
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