鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2019年11月19日
高可靠高功率智能鉛酸電池充電器的設計與分析
1引言
密封式鉛酸蓄電池具有價格低廉、供電可靠、電壓穩定等優點，因此得到廣泛的應用。隨著蓄電池的廣泛應用，大功率高可靠性蓄電池充電器的設計也隨之引起了人們的關注。目前，國內大功率蓄電池充電器的整體研發水平與國外還有相當一端的差距，主要表現在可靠性不高，整機壽命不長等方面。
深圳斯比泰電子有限公司針對目前國內充電器設計中存在的普遍不足，開發出一款大功率智能鉛酸電池充電器。該充電器采用MCU控制實現智能充電，設計中從多方面考慮確?？煽啃?。本文將詳細介紹這款充電器的設計思路，拓撲結構及工作原理，最后還將針對此電源的可靠性設計，從兩個方面給出具體分析。
2鉛酸電池充電器系統設計及工作原理分析
大功率智能鉛酸電池充電器設計分為硬件和軟件兩部分。
2.1充電器硬件結構設計
充電器硬件部分采用pWM控制的全橋拓撲結構。硬件原理結構如圖1所示。輸入220V或115V的市電，經過整流、全橋高頻逆變，整流濾波后輸出直流電壓給電池充電。
2.2充電器軟件設計
2.2.1充電控制
充電器的軟件流程圖如下圖2。通過開機自檢后，將分別進入三個充電狀態：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來實現。MCU的控制具有精確、功能強等特點。通過對電池的電流、電壓進行實時采樣來判斷充電器所處的充電狀態，通過控制pWM來控制充電器的充電狀態的切換，并將其狀態顯示在用戶界面。MCU不止實現輸出短路、過溫、電池反接等保護功能，還可實現線性溫度補償。
2.2.2溫度補償
鉛酸電池的電壓與溫度有很大關系，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溫度系數，其值為–4mV/℃。因此，在環境溫度為25℃時工作理想的充電器，當環境溫度降到0℃時，電池就不能充足電，當環境溫度升到50℃時，電池將因嚴重過充電而縮短壽命。因此，為了保證在很寬的溫度范圍內，都能使電池剛好充足電，充電器的各種轉換電壓必須隨電池電壓的溫度系數而變，即加入溫度補償。溫度補償方式有線性溫度補償和階梯溫度補償。圖3為加入線性溫度補償與無溫度補償蓄電池容量與溫度的關系。（設置溫度補償系數為–4mV/℃）
圖3線性溫度補償與無溫度補償蓄電池容量與溫度的關系
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，進入第三狀態；3浮充，當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。
3可靠性設計
可靠性是指產品在規定的時間內，規定的條件下，完成規定的功能。為了取得鉛酸電池充電器的高可靠性，必須從設計階段開始就要考慮這個問題。
3.1可靠性預測
可靠性預測是根據電源中所使用的元器件的性能及工作環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測是指導電源設計的基礎工作之一。
根據鉛酸電池充電器的工作方式，把它歸于可靠性串聯系統。它共由8個單元組成，其可靠性預測模型如圖5所示。
圖5鉛酸電池充電器的可靠性預測模型
圖中：輸入整流濾波電路單元；變換器單元
推動級；控制電路單元
保護電路單元；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。
根據元器件失效率統計表[1]可查出和計算每個單元的元件失效率，然后根據式（3-1）可計算出鉛酸電池充電器總的失效率為。
（3-1）
式中為補充系數，用來補充未被統計進去的失效因素，。
最后，即可計算出鉛酸電池充電器的平均無故障工作時間：
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的可靠性，必須控制整機的電子元器件的工作失效率，可以說鉛酸電池充電器整機是否可靠地工作的基礎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，必須對上機的電子元器件進行優選。通常電子元器件的選用必須遵守以下原則：
1）選用能滿足整機電氣性能指標和可靠性要求的元器件；
2）選用被選入優選手冊的元器件或被實踐證明產品質量過硬的廠家的產品；
3）盡量壓縮品種規格，提高同類元器件的重復率，使其品種規格比率達到設計要求；
4）在滿足整機電氣性能指標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）盡量優先選用國標和部標元器件，再選用廠標元器件。
充電器的所有部件受到的的電流應力大，發熱量高，充電器內部溫度上升快。因此在充電器的設計中必須重點考慮的部件如下：
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，這種現象會隨著溫度的升高而加速，一般認為溫度每上升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開關晶體管、高速功率二極管
此類部件在性能界限內使用時，基本上可以維持7~10年的壽命，但電源通斷（能量循環）時產生的物理應力、熱應力會導致元件劣化，提前損壞。
③風扇
球形軸承及軸承的潤滑油枯竭、機械裝置部件的磨損，會加速風扇的老化。加之近年的DC風扇的驅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去。
④光電耦合器
電流傳達率（CTR；CurrentTransferRatio）隨著時間的推移會逐漸減少，結果發光二極管的電流不斷增大，有時會達到最大限制電流，致使系統失控。
⑤開關
多數開關電源設有電容器輸入型的整流回路，在通入電源時，會產生浪涌電流，導致開關接點疲勞，引發接觸電阻增大及吸附等問題。理論上認為，在電源期望壽命期間，開關的通斷次數約有5,000次。
⑥沖擊電流保護電阻、熱敏功率電阻器
為抵抗電源通入時產生的沖擊電流，設計者將電阻與SCR等元件并聯起來使用。電源通入時的電力峰值高達額定數值的數十倍至數百倍，結果導致電阻熱疲勞，引起斷路。處在相同情況下的熱敏功率電阻器也會發生熱疲勞現象。
3.3優選電路和邊緣性能設計
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準化電路和經過考驗的高可靠性電路。在電路設計成熟之后，也考慮了元器件參數的公差、漂移及參數隨環境條件變化等因素，使電路設計能容許這些變化而不影響其性能指標。
3.4過應力防護設計
鉛酸電池充電器在所設計的正常工作狀態下，很少因出現元器件過應力而發生故障。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鍵性元器件進行了過應力防護設計。
3.5三防設計
三防設計包括防潮設計、防鹽設計和防霉菌設計。本充電器主要采用應用保護涂層和灌封進行相應的防護設計。
4整機測試
各項可靠性設計技術應用后，按照設計方案研制出來的樣機，還必須通過加速壽命測試來驗證其可靠性。以下列舉了幾項加速壽命測試：
①高溫斷續測試
機械性部件如繼電器、開關和電扇等，以及功率晶體管，功率二極管等部件的升溫現象很嚴重，因而有必要進行高溫斷續測試。
②高溫連續壽命測試
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械強度和絕緣耐力下降等障，進行高溫高濕測試。
④溫度循環測試
環境溫度的高低差產生季節裂紋等變溫性應力，從而導致焊接、塑模部件發生故障。進行本測試即是為了檢測出這種故障是否存在。
4總結
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結構和工作原理。最后從可靠性預測、電子元器件的選用和控制、優選電路和邊緣性能設計、過應力防護設計和三防設計五個方面介紹了鉛酸電池充電器的可靠性設計。
本文介紹的大功率鉛酸電池充電器性能可靠，智能化充電，具有數字顯示，可以滿足在較為嚴苛的環境下對鉛酸電池進行充電的要求。同時具備輸出過壓保護，過熱保護，電池欠壓及過壓保護，電池極性反接保護等功能，進一步提高了充電器的可靠性。該機已經成功廣泛應用于電動汽車，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。
[1]潘建。淺談電子產品的可靠性設計。國外電子元器件。2001，7
[2]曲學基等編。穩定電源基本原理與工藝設計。2004
