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到的的电流应力大，发热量高，充电器内部温度上升快。因此在充电器的设计中必须重点考虑的部件如下：

①电解电容器

电解电容器的封口部位会漏出气化的电解液，这种现象会随着温度的升高而加速，一般认为温度每上升10℃，泄漏速度会提高至2倍。因此可以说电解电容器决定了电源装置的寿命。

② 开关晶体管、高速功率二极管

此类部件在性能界限内使用时，基本上可以维持7~10年的寿命，但电源通断（能量循环）时产生的物理应力、热应力会导致元件劣化，提前损坏。

③ 风扇

球形轴承及轴承的润滑油枯竭、机械装置部件的磨损，会加速风扇的老化。加之近年的DC风扇的驱动回路开始使用电解电容器等部件，所以有必要将回路部件寿命等因素也一并考虑进去。

④ 光电耦合器

电流传达率（CTR；Current Transfer Ratio）随着时间的推移会逐渐减少，结果发光二极管的电流不断增大，有时会达到最大限制电流，致使系统失控。

⑤ 开关

多数开关电源设有电容器输入型的整流回路，在通入电源时，会产生浪涌电流，导致开关接点疲劳，引发接触电阻增大及吸附等问题。理论上认为，在电源期望寿命期间，开关的通断次数约有5,000次。

⑥冲击电流保护电阻、热敏功率电阻器

为抵抗电源通入时产生的冲击电流，设计者将电阻与SCR等元件并联起来使用。电源通入时的电力峰值高达额定数值的数十倍至数百倍，结果导致电阻热疲劳，引起断路。处在相同情况下的热敏功率电阻器也会发生热疲劳现象。

3.3 优选电路和边缘性能设计

为了保证铅酸电池充电器的高可靠性，硬件中的电路大多利用一些标准化电路和经过考验的高可靠性电路。在电路设计成熟之后，也考虑了元器件参数的公差、漂移及参数随环境条件变化等因素，使电路设计能容许这些变化而不影响其性能指标。

3.4 过应力防护设计

铅酸电池充电器在所设计的正常工作状态下，很少因出现元器件过应力而发生故障。但是，要保证充电器的高可靠性，因瞬变干扰造成的过应力对元器件的损害，就不得不考虑。正是基于此种考虑，本文所介绍的大功率智能铅酸电池充电器对众多关键性元器件进行了过应力防护设计。

3.5 三防设计

三防设计包括防潮设计、防盐设计和防霉菌设计。本充电器主要采用应用保护涂层和灌封进行相应的防护设计。

4 整机测试

各项可靠性设计技术应用后，按照设计方案研制出来的样机，还必须通过加速寿命测试来验证其可靠性。以下列举了几项加速寿命测试：

① 高温断续测试

机械性部件如继电器、开关和电扇等，以及功率晶体管，功率二极管等部件的升温现象很严重，因而有必要进行高温断续测试。

② 高温连续寿命测试

③ 高温高湿测试

针对金属部件的腐蚀、塑料部件的分解等造成的机械强度和绝缘耐力下降等障，进行高温高湿测试。

④ 温度循环测试

环境温度的高低差产生季节裂纹等变温性应力，从而导致焊接、塑模部件发生故障。进行本测试即是为了检测出这种故障是否存在。

4总结

本文介绍了一款高可靠性大功率智能铅酸电池充电器，从硬件和软件两部分分析系统结构和工作原理。最后从可靠性预测、电子元器件的选用和控制、优选电路和边缘性能设计、过应力防护设计和三防设计五个方面介绍了铅酸电池充电器的可靠性设计。

本文介绍的大功率铅酸电池充电器性能可靠，智能化充电，具有数字显示，可以满足在较为严苛的环境下对铅酸电池进行充电的要求。同时具备输出过压保护，过热保护，电池欠压及过压保护，电池极性反接保护等功能，进一步提高了充电器的可靠性。该机已经成功广泛应用于电动汽车，高尔夫球车，电动游览车，电动游艇，等采用铅酸电池的充电场所。

参考文献

[1] 潘建。浅谈电子产品的可靠性设计。国外电子元器件。2001，7

[2] 曲学基等编。稳定电源基本原理与工艺设计。2004