航空航天器供电系统大作业.doc

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南京航空航天大学
铅蓄电池充电电路
071040108 杜文彬
071040117孟慧中
071040109胡鑫科

[2013.6.14]

开关型铅酸蓄电池充电电路
采用UC3906和UC3823充电电路，由于充电器电路为开关型电路结构，所以具有工作效率高、体积小，和充电精度高的一系列优点。此电路可应用于大、中、小功率铅酸电池的充电电路应用场合，铅酸蓄电池在直接供电和备用供电的应用场合得到了广泛的应用。
为了充分发挥铅酸蓄电池的作用，充电器电路在给电池充电的过程中，应给电池充足电，尽量避免过充电，从而延长其使用寿命，由于铅酸蓄电池的电量和温度有关，所以在设计充电器电路时应考虑到温度对充电量大小的影响，从而使电池充足电并延长其使用寿命。
要保证铅酸蓄电池的使用寿命，正确充电方法是非常重要的，温度对充电有很重要的影响。要制作出一个性能优良的充电器，仅用分立元件来实现难度较大，而采用集成电路组成的充电器电路在电路性能、工作可靠性和体积等方面都有很好的表现。

l 铅酸蓄电池充电特性介绍
铅酸蓄电池在充电过程中需注意两个问题，首先应使电池尽快充足电，其次应补充由于电池的自放电而减少的电量。这样在电池的充电过程中需要准确地检测充电电压和充电温度。
在铅酸蓄电池的充电过程中，硫酸铅被转换成了负极板上的铅和正极板上的二氧化铅，当电池内的大部分硫酸铅被转变成铅和二氧化铅后，随之就出现了电池的过充电现象，导致氢气和氧气的产生。如果电池的充电速率选得适当，则大部分的氢气和氧气在密封电池内部再结合，但是在非密封电池中则会产生脱水现象。
通过检测电池充电电压的办法可以检测过充电的出现，图l表示铅酸蓄电池以不同充电速率的电压和放电速率的电压和电量恢复的关系曲线，从图中所示的关系曲线中可以看出充电电压的突然上升点就是电池过充电的起始点，并且当充电率上升时，过充电现象就出现得早些。
当电池的电压突然急剧上升时，则表示可能出现了过充电现象，而过充电点的出现位置和充电速率有关．当充电速率增加和出现过充电时，电池的充电电量减少，出现过充电点正好和它充足电的时刻相对应，这时电池的充电速率必须少于c／l(相对铅酸蓄电池1Ah电量的1／IOOA)。在大充电速率的应用场合，应注意它的过充电问题， 以确保充足电。从图l所示的曲线可以看出，当充电率上升时，过充电现象就会出现得早些，从其曲线急剧上升点可以看出。
在铅酸蓄电池的充电过程中，为了确保它充足电，可以采用恒电压充电的方法，可以适当地提高它的充电电压，但是又不能太高，以避免出现过充电，但是又足以补偿由于电池的自放电而引起的电量下降，但是要保持其充电电压不变相对是比较容易的。一般而言，考虑到诸多对充电因素的影响，可以对每节电池取一3．9mv／cc的温度补偿系数。如果不对充电温度做补偿，则有可能使电池充不足电，并且在充电温度过高时，会出现过充电现象，而在充电温度过低时，电池又充不足电。

2 铅酸蓄电池的充电方法
为了满足电池对充电电路的有关要求和延长使用寿命，应选用适当的充电方法，对铅酸蓄电池而言，其充电过程应按4步进行，如用图2所示的电池的4个充电工作状态图所示，假定电池被放完了电，并要再被充足电，则电池的充电应经历以下4个步骤。

2．1铅酸蓄电池的涓流充电
如果电池的电压低于预定的阈值电压，则表明电池已经历深度放电或内部有短路的单元，这时可采用一个小的涓流电流充电，使电压上升到和电池零容量相对应的电压值(典型值为1．7v／1节电池／25.C)

涓电流充电可以避免由于大的充电电流而引起有短路的单元而致使有过量气体溢出的现象。但需注意的是，经过涓电流后，电池的电压已上升，这时如果要检测被充电电池中的短路单元就显得十分困难了。
2．2 铅酸蓄电池的大电流充电阶段
电池一旦经过涓流充电，其电压超过了涓流充电的阈值电压，这时充电器电路转人大电流充电工作状态，在这个充电状态，电池的主要电量被恢复。

2．3 铅酸蓄电池的过充电
电池在经历了大电流充电工作状态后，使充电器转入过充电状态，以确保存在较短时间内使电池充足电，而过充电电压的大小取决于图1所示的大电流充电电流速率的大小。需注意的是，对非密封式电池而言，应控制其过充电的时间，应使其过充电时间应尽量短，以避免出现气体外溢和脱水现象。在过充电期开始的时间，过充电电流和大电流充电电流一样大，一旦达到了电池的过充电电压（28.4V），则应减小过充电电流，当过充电电流减小到一个比较低的值后，过充电状态结束。一般而言，电池过充状态中止的过充电流为大充电电流的1／10。
2．4 铅酸蓄电池的浮充电
为了保持电池的电量充足，在经历了过充阶段后，电池进入浮充工作状态，此时电池的充电电压为一个恒定值，这时充电器为维持电池电压不变所需一个充电电流，并且可以利用这个充电电流补偿由电池的漏电流而引起的电池电量减少。当有负载加到蓄电池后，充电器电路将提供所需的大部分大电流充电电流，这时电池充电电流被维持在浮充电电流的水平，直至电池电压下降至充电电压的90％ ，在电池电压低于浮充电电压的90％以后，就又进人大电流充电状态。

充电电路的选择 （主电路与控制电路）
1、常规充电方式
铅酸蓄电池的常规充电方式有两种：浮充（ 又称恒压充电）和循环充电。
1、浮充时要严格掌握充电电压， 如额定电压为12V的蓄电池，其充电电压应在13.5～13.8V之间。浮充电压过低，蓄电池会充不满，过高则会造成过量充电。电压的调定，应以初期充电电流不超过0.3C（C为蓄电池的额定容量）为原则。
2、循环充电，其初期充电电流也不宜超过0.3C，充电的安培小时数要略大于放电安培小时数。也可先以0.1C的充电速率恒流充电数小时，当充电安培小时数达到放电安培小时数的90%时， 再改用浮充电压充电，直至充满。

2、智能型充电器的充电过程分析
充电器采用单片机控制，充电过程分为快充、慢充及涓流充三个阶段，充电效果更佳。

从图1 可以看出：在快充阶段（0～t1），充电器以恒定电流 1C 对蓄电池充电， 由单片机控制快充时间，避免过量充电；在慢充阶段（t1～t2），单片机输出PWM控制信号，控制斩波开关通断，以恒定电压对蓄电池进行充电，此时充电电流按指数规律下降，当电池电压上升到规定值时，结束慢充，进入涓流充阶段；在涓流充阶段（ t2～t3）， 单片机输出的PWM控制信号， 使充电器以约0.09C的充电电流对蓄电池充电，在这种状态下，可长时间对蓄电池充电，从而能最大限度地延长蓄电池寿命。

3、智能型充电器的工作原理
根据上述分析而设计的智能型铅酸蓄电池充电器，主要由开关稳压电源、斩波开关、控制器和辅助电源等四个部分组成，并具有过流保护、过压保护和超温保护功能。图2 为充电器原理框图，图3为充电器电路原理图。

3.1开关稳压电源
图3 所示电路中，开关稳压电源采用半桥式PWM变换电路。其工作原理是：由IC1（TL494）开关电源集成控制器的8脚和11脚输出反相的PWM信号，经三极管Q3、Q4互补放大，通过驱动变压器T2，为三极管Q1和Q2基极提供驱动信号。使Q1和Q2交替通断， 高频变压器T1的初级绕组N1就会产生约320V峰峰值方波，在T1的次级绕组N2、N3中就有感应电压产生，这个电压经D9(MUR1620)整流，C22滤波后，变为直流电压，通过斩波开关对蓄电池充电。T1次级绕组N4、N5为辅助绕组，其感应电压经D10、D11整流，C21滤波后，接至IC1的12脚，作为其工作电压(?)。
图3中， 电阻R28串接在T1次级绕组N2和N3的中间抽头与输出地之间，作用是监控快充充电电流和过流保护。恒流控制过程为：当充电电流超过恒定值1C时，R28上的压降增大， 该压降经并联电阻R24 、R25 反馈到IC1的15 脚（ 内部电流误差放大器反相输入端），使其电位变负，低于IC1的16脚（ 内部电流误差放大器同相输入端）， 则内部电流误差放大
器输出电压升高， 使IC1的 8脚和11 脚输出的PWM信号的脉冲变窄，从而缩短Q1 和Q2 的导通时间，使输出电压下降，维持充电电流恒定；随着充电时间的延长，电池电压逐渐升高，充电电流按指数规律下降，IC1 的15 脚电位按指数规律上升， 则IC1 的8 脚和11 脚输出的PWM 信号脉冲变宽，从而延长Q1 和Q2的导通时间，使输出电压升高，充电电流保持恒定。
在慢充阶段， 通过电阻R15 、R16 、R17 、R18 、C16 、C17组成电压取样电路和IC1内部电压误差放大器，使输出电压恒定。其恒压控制过程为： 取样电压输入到IC1 的1 脚（ 内部电压误差放大器同相输入端），与IC1 的2 脚（ 内部电压误差放大器反相输入端）的基
准电压比较，其误差信号放大后，经内部电路处理，使IC1的8 脚和11 脚输出的PWM 信号的脉宽改变，从而使Q1 、Q2 的导通时间改变，维持输出电压恒定。
图3 中交流220 进线端， 电容C1 、C2 、C3 、C4和电感LF组成一个LC 滤波器，用于差模——— 共模方式的RFI（ 无线频率干扰）的抑制，防止电源产生的噪声泄漏到电网，造成电网污染。
3.2斩波开关
斩波开关电路由三极管Q5 、Q6 、Q7 和电阻R29 、R30 、R31 、R32 等组成。工作过程为：IC3（PIC16C54）的6 脚输出的PWM控制信号经电阻R32 接至Q7 的基极，控制Q7 通断，从而使Q5 和Q6 亦导通或截止，充电电流流过Q6 对蓄电池（BAT）充电。改变PWM 控制信号的脉宽，使得充电电压可调。
3.3控制器
如图3 所示，控制器是由IC2（LM358 ）和IC3（PIC16C54）以及电阻电容等组成。其中IC3 采用Microchip公司生产的PIC16C54单片机。它是18 引脚封装的8 位单片机，有12 条I/O（输入= 输出）线，每条I/O 线吸收电流为25mA，驱动电流为20mA，内部EPROM 为512×12，RAM为25×8， 有可编程代码保护。
控制过程为： 快充阶段，IC3 的6 脚输出高电平，经电阻R32 接至Q7 的基极，使斩波开关导通，通过电流监控电路，以恒定电流对蓄电池充电。到达快充时间时，IC3 的6 脚输出低电平，关断斩波开关，停止充电，快充阶段结束。
慢充阶段，IC3 的6 脚输出PWM控制信号，使斩波开关以固定的占空比导通，充电器以恒定电压对蓄电池充电，此时充电电流随着蓄电池电压的上升，按指数规律下降。当蓄电池电压上升到规定值时， 由电阻R33 、R34 、R35 对蓄电池电压取样后， 送至比较器IC2 的3 脚（ 同相输入端）， 与2 脚（ 反相输入端）的基准电压比较，则1 脚输出高电平，
IC3 的17 脚输入高电平，经软件滤波和延时，判断检测无误后， 结束慢充。
涓流充阶段，IC3 的6 脚输出PWM 控制信号，使斩波开关以较小的占空比导通，将充电电流维持在0.09C 左右，对蓄电池充电。
超温保护是通过附加在蓄电池上的正温度特性热敏电阻RT2 、R36 、R37 实现的。当电池温度升高时，热敏电阻RT2 的阻值增大，则IC2 的5 脚（ 同相输入端）电位上升；若电池温度升高到规定值时，5 脚电位高于6 脚（ 反相输入端）电位，则7 脚输出高电平，IC3 的18 脚输入高电平，则IC3 的6 脚输出PWM 信号，使充电器以浮充电压对蓄电池充电，有效地保护了蓄电池。
本充电器用发光二极管表示充电状态。即快充和慢充阶段， 绿色发光二极管G 点亮； 涓流充阶段，黄色发光二极管Y 点亮。图4 所示为程序流程。
3.4 辅助电源
辅助电源由工频变压器T3 、整流元件B2 、滤波元件C27 、C28 和三端稳压集成电路IC4（ 7805 ）组成，为单片机提供（+5V ）电源电压。采用这种为单片机单独供电方式，可以增强抗干扰能力，提高可靠性。同时为单片机提供50Hz 计时脉冲信号。
3.5半桥式变换器

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