摘 要： 提出了一种采用先恒流后恒压的两段式充电方法的蓄电池智能充电器。该充电器以B u c k 变换器为核心， 利用 U C 3 8 8 6芯片实现平均电流模式P WM控制， 并且通过一定的控制电路实现智 能化充电。阐述了该充电器的充电方式、 控制方法的设计以及整个电路的分析。

关键词： 蓄电池；充电器；恒流；恒压； P WM控制

引言

目前， 电动自行车因其具有使用方便 、 省力、快速和环保等优点，已经成为越来越多的上班族 的交通工具。 无疑， 大家会很关心电动自行车的使 用寿命问题。电动自行车的使用寿命主要与所使用的蓄电池的使用寿命有关 ，而蓄电池的使用寿命决定于蓄电池本身的质量和使用维护方法。若 使用维护方法得当，则能大大延长蓄电他的使用寿命，其中正确的充电方法不仅能使蓄电池的寿命得以延长， 而且又可使它的容量得以充分利用。本文提出的 3 6 V蓄电池智能充电器是采用先恒 流后恒压的两段式充电方法，并能实现智能化控制， 适用于电动自行车常用的 3 6 V ／ 1 2 A· h 铅酸蓄电池充电。

1 充电方法设计

对于铅酸蓄电池，若采用恒压充电方法进行充电，则在充电开始充电电流很大，会引起高温 ， 且恒压充电不能调整充电电流的大小 ， 不宜于蓄电池的初期充电。 若采用恒流充电， 充电时间太长，且易引起过充，过充电由于剧烈的放出气泡， 会在极板内部造成压力 ， 加剧活性物质的脱落， 使极板过早损坏， 不宜于蓄电池后期充电。鉴于此，充电器采用先恒流后恒压的充电方式， 如图1 所示。充电初期， 充电电流较大， 电流值限制在 0.1 c ～ 0.2 c ( c指的是蓄电池容量， 此处容量为24V ／ 1 2 A· h ) ， 取 1.8 A， 对蓄电池进行恒流充电确保蓄电池充电时安全快速。当蓄电池容量达到8 0 ％左右， 电压达到 1 3 ． 8 V 惮 体( 单体电压 1 2 V)即 27.6 V时，充电器保持该电压对蓄电池进行恒压充电，充电电流减小，直到接近 C ／ 5 0即0 ． 2 4A 左右， 认为充电结束， 通过一定的方法控制蓄电池停充， 这样可以尽可能地使蓄电池充得更足。

2 控制方法设计

鉴于充电过程分恒流和恒压两个阶段，采用平均电流模式 P WM控制方法， 如图2所示。此控制方法是利用电压外环和电流内环的双环负反馈控制， 对输出电压和输出电流分别进行跟踪采样，与基准值进行比较， 将误差放大后送人 P WM控制器， 控制变换器开关管的占空比， 从而调整输出电压或输出电流的大小， 使其稳定。当s打向 2时，通过闭环控制， 将使输出电流稳定， 而当s打向 1 时， 通过闭环控制 ， 将使输出电压稳定， s的动作将随充电的进行自动控制切换。 另外， 通过对闭环 控制网络进行增益和相位补偿设计，以提高控制的稳定性， 降低输出的稳定误差 ， 改善响应特性 ，提高抗干扰能力。

3 总电路分析

充电器总电路原理图如图3所示，具体电路如图4所示。从图3中可以看出，总电路分主电路、 控制电路和辅助电路等三大部分 ， 其中辅助电路包括输入电源、 辅助电源、 保护电路、 显示电路和充满 自停电路。下面分别给予详细分析。

3 .1 主电路的分析

主电路采用B u c k型 D C ／ D C变换器，主要由 MO S F E T管 s1 和肖特基二极管 D 两个组合开关 管以及 。L1 、C2 组成的滤波器构成， 它是一种降压斩 波电路， 开关频率为 1 0 0 k H z ， 在输入电压 基本 不变的情况下，通过控制 MO S F E T开关管导通时间的占空比D， 可以在 0 ～ Ud之间控制输出电压和 相应的输出电流。连续工作模式下的输出电压和输入电压之间满足以下关系， 即V0 =DVd ( 1 ) 这样的可控电压和电流很适合对蓄电池的充电， 而且通过脉冲宽度调制( P wM) 方法， 可以较容易地将输出端的谐波含量滤除，得到更接近直流的输出电压和电流。

3 .2 控制电路的分析

如前所述，该充电器的控制主要分恒流充电 和恒压充电控制， 采用平均电流模式 P WM控制方法。平均电流模式控制方法有其显著的优点：

( 1 ) 具有高增益的电流放大器， 平均电流能精确地跟踪电流设定值和电压设定值；

( 2 ) 噪声抑制能力强；

( 3 ) 无需斜波补偿。

电路中，该控制方法主要由芯片 U C 3 8 8 6完成。该芯片是一种平均电流控制型 D C ／ D C变换器 P WM控制器， 具有低失调、 高频带电流和电压放 大器， 可满足高性能系统的要求； 具有低失调电流取样放大器， 可使用低阻值取样电阻R1， 以降低功耗， 并允许用户设置电阻( 如 R16～ R19) 选择增益； 工作频率有外部电阻R15和电容 C8 设定，这里设定工作频率为 1 0 0 k H z ； 另外， 它具有最大 1.5 A峰值 推拉电流输出， 因此， 本电路无需另设驱动电路，直接由G A T E端输出驱动 MO S F E T管工作。

电路恒流充电期间， 采样电感 L1 电流， 输入芯片的脚 1 4和脚 1 5 ，经过差分形式的取样放大器放大， 由脚 1 6输出， 与脚 3提供的电流给定值比较， 所得误差经由R20,R21,C9 和内部电流放大器组成的P I 调节器运算，再通过内部 P WM比较器比较产生 P WM开关信号，去控制 MO S F E T开关管工作。 通过这样的电流单闭环控制， 控制电感上的平均电流保持恒定值为 1.8 A，以实现恒流充电。电路恒压充电期间， 分压电阻 巧采样输出电压， 与脚 4提供的电压给定值比较， 所得误差经由 R22,R23,C10 和内部电压放大器组成的 P I 调节器运算， 作为电流误差放大器的给定， 再与电感电流采样值进行比较、 P I 运算， 最后通过 P WM比较器比较产生 P WM开关信号，去控制 MO S F E T开关管工作。 通过这样的电流内环、 电压外环组成的双闭环控制，控制输出电压平均值保持恒定值为4 1 ． 4 V， 以实现恒压充电。 上述的P I 调节器的参数( 对应电阻和电容的取值) 均根据系统的稳定性和动态特性的要求， 通过闭环系统补偿网络的设计来选择。 恒流和恒压充电的切换控制电路主要由迟滞比较器 U 4 B 和芯片 C D 4 0 5 3 B构成。C D 4 0 5 3 B芯片是三路单刀双掷双向模拟开关，在脚 6为低电平 的前提下， 当脚 A为低电平时， a x ／ a y脚与 a x 脚连 接 ， 反之， a x ／ a y脚与 ay 脚连接， 脚 B 、 C的控制类似 ， 这里将脚 A、 B、 C共接， 实现三路开关同步控 制。当恒流充电进行到蓄电池端压上升到4 1 ． 4 V 时， 需要将恒流充电切换到恒压充电， 为了避免来 回频繁切换， 利用了迟滞比较器的特性， 将其高阈 值电压 Vth 与 4 1 ． 4 V电压对应。 分压( R26R27 ) 采样 蓄电池端电压， 输入迟滞比较器 U4b， 当蓄电池端 电压未达到4 1 ． 4V时， U4b输出高电平给脚 A、B、C， 使电压外环断开， 只有电流内环起作用， 实现恒 流充电，而当蓄电池端电压达到 4 1 ． 4 V时， U4b 输出低电平给脚 A、 B、 C ， 使电压外环连接， 双环均起作用， 实现恒流充电到恒压充电的切换。3 - 3 辅助电路的分析辅助电路包括输入电源、辅助电源、保护电路、 显示电路和充满自停电路。 输入电源和辅助电源均由降压、 整流、 滤波和稳压电路组成， 属于一般设计， 无需分析。保护电路包括过流保护、 过压保护、 短路保护和电池反接提示等。过流保护：由平均电流模式控制自动快速实现过流保护， 无需另设电路。过压保护： 通过采样输出电压， 一旦高于5 0 ． 4 V时认为过压， 由U5b和 外围电路组成的正向迟滞比较器送出过压信号( 高电平 ) ， 使开关管 S2饱和导通， 强制将 U1 的 脚1 ( P WM比较端) 电平拉低， 迅速减小占控比D，从而可以调整降低输出电压， 起到过压保护。 短路保护：通过采样输出电压，一旦发生短路， 输出电压为零 ， 使开关管 s 4 截止， s 3 导通， 继电器J1 线圈得电， 使常闭触点J 1-1 断开， 迅速切断 输入电源， 起到短路保护。 电池反接提示：当电池反接时，发光二极管 L E D1 亮( 红光) ， 以示提醒。充满自停电路和显示电路 ： 采样电感电流， 当 电流下降到0 ． 2 4 A时，通过由u 5a 和外围电路组 成的差分放大器放大，经迟滞比较器 u4a她输出高 电平， 使开关管 s 3 导通， 继电器 J 1 线圈得电， 一方面， 使常闭触点 J 1-1断开， 切断输入电源， 停止充电； 另一方面， 使常闭触点 J l 断开， 发光二极管 L E D2 熄灭( 绿光) ， 而常开触点J L 3 闭合， 发光二极 管L E D3 亮( 黄光) ， 表示充电完毕。 若充电未结束， 将受到上述相反的控制， 发光二极管 L ED2 亮( 绿光) ， 表示充电正在进行。

4 总结

本文提出的24V电动 自行车蓄电池智能充电器， 以B u c k型 D C ／ D C变换器为核心， 采用了平均电流模式 P WM控制， 实现了先恒流后恒压的两 段式充电，可以达到快速且较满容量的充电。另 外， 该充电器能实现两段式充电的自动切换， 以及 具备充满 自停功能、多种保护作用和充电状态显 示功能等， 充分显示了智能化的特点。不过， 若想 实现更智能化的充电，不妨尝试采用单片机来控制。