高可靠高功率智能铅酸电池充电器的设计与分析

1 引言

密封式铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，因此得到广泛的应用。随着蓄电池的广泛应用，大功率高可靠性蓄电池充电器的设计也随之引起了人们的关注。目前，国内大功率蓄电池充电器的整体研发水平与国外还有相当一端的差距，主要表现在可靠性不高，整机寿命不长等方面。

深圳斯比泰电子有限公司针对目前国内充电器设计中存在的普遍不足，开发出一款大功率智能铅酸电池充电器。该充电器采用MCU控制实现智能充电，设计中从多方面考虑确保可靠性。本文将详细介绍这款充电器的设计思路，拓扑结构及工作原理，最后还将针对此电源的可靠性设计，从两个方面给出具体分析。

2 铅酸电池充电器系统设计及工作原理分析

大功率智能铅酸电池充电器设计分为硬件和软件两部分。

2.1 充电器硬件结构设计

充电器硬件部分采用PWM控制的全桥拓扑结构。硬件原理结构如图1所示。输入220V 或 115V 的市电，经过整流、全桥高频逆变，整流滤波后输出直流电压给电池充电。

图1 硬件原理结构图

2.2充电器软件设计

2.2.1充电控制

充电器的软件流程图如下图2。通过开机自检后，将分别进入三个充电状态：1）恒流充电；2）恒压充电；3）浮充。

整个充电器的控制功能都由MCU来实现。MCU的控制具有精确、功能强等特点。通过对电池的电流、电压进行实时采样来判断充电器所处的充电状态，通过控制PWM来控制充电器的充电状态的切换，并将其状态显示在用户界面。MCU不止实现输出短路、过温、电池反接等保护功能，还可实现线性温度补偿。

图2 软件流程图

2.2.2 温度补偿

铅酸电池的电压与温度有很大关系，温度每升高1℃，单格电池的电压将下降4mV。即铅酸电池的电压具有负温度系数，其值为–4mV/℃。因此，在环境温度为25℃时工作理想的充电器，当环境温度降到0℃时，电池就不能充足电，当环境温度升到50℃时，电池将因严重过充电而缩短寿命。因此，为了保证在很宽的温度范围内，都能使电池刚好充足电，充电器的各种转换电压必须随电池电压的温度系数而变，即加入温度补偿。温度补偿方式有线性温度补偿和阶梯温度补偿。图3 为加入线性温度补偿与无温度补偿蓄电池容量与温度的关系。（设置温度补偿系数为–4mV/℃）

图 3 线性温度补偿与无温度补偿蓄电池容量与温度的关系

2.2.3 充电曲线

本充电器采用三段式充电。起充电曲线如图4 所示。1恒流充电，当电池电压较低时，较大电流的充电有利与加快充电速度；2恒压充电，电池电压在58V左右时，以恒压充电的方式使电池电压保持不变，充电电流开始下降，进入第三状态；3浮充，当电池已被充到额定能力以后，保持电池电压不变以较小的电流充电。

图4 电流、电压充电曲线图

3 可靠性设计

可靠性是指产品在规定的时间内，规定的条件下，完成规定的功能。为了取得铅酸电池充电器的高可靠性，必须从设计阶段开始就要考虑这个问题。

3.1 可靠性预测

可靠性预测是根据电源中所使用的元器件的性能及工作环境等已掌握的资料来推测电源的无故障工作时间的。可靠性预测是指导电源设计的基础工作之一。

根据铅酸电池充电器的工作方式，把它归于可靠性串联系统。它共由8个单元组成，其可靠性预测模型如图5所示。

图5 铅酸电池充电器的可靠性预测模型

图中：输入整流滤波电路单元；变换器单元

推动级；控制电路单元

保护电路单元；输出整流滤波电路单元；

辅助电源单元；工艺单元

分别为的单元失效率。

根据元器件失效率统计表^[1]可查出和计算每个单元的元件失效率，然后根据式（3-1）可计算出铅酸电池充电器总的失效率为。

（3-1）

式中为补充系数，用来补充未被统计进去的失效因素，。

最后，即可计算出铅酸电池充电器的平均无故障工作时间：

3.2 电子元器件的选用和控制

从铅酸电池充电器的可靠性分析中可以看出，电子元器件的工作失效率是充电器可靠性重要影响因素。要想提高充电器整机的可靠性，必须控制整机的电子元器件的工作失效率，可以说铅酸电池充电器整机是否可靠地工作的基础是电子元器件能否可靠的工作。所以，为了保证充电器的可靠性，必须对上机的电子元器件进行优选。通常电子元器件的选用必须遵守以下原则：

1）选用能满足整机电气性能指标和可靠性要求的元器件；

2）选用被选入优选手册的元器件或被实践证明产品质量过硬的厂家的产品；

3）尽量压缩品种规格，提高同类元器件的重复率，使其品种规格比率达到设计要求；

4）在满足整机电气性能指标和可靠性要求的前提下，选用廉价的元器件和库存元器件；

5）尽量优先选用国标和部标元器件，再选用厂标元器件。

充电器的所有部件受