浅谈蓄电池可控充电系统

摘要:在简单了解电力电子技术的基础上,介绍充电电路的主要组成部分:DC-DC模块和功率MOSFET,重点分析充电电路的工作原理。

Abstract: On the basis of primary understanding on power electronic technology, the paper introduces the main components of charging circuit: DC-DC module and power capacity MOSFET and mainly analyzes the working principle of charging circuit.

关键词:蓄电池可控充电系统;组成;原理

Key words: storage battery controlled charging system; components; principle

中图分类号:TM21 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)27-0237-01

蓄电池的维护是通过对蓄电池组进行恒流放电测试来检测出落后电池,再对落后单电池作充放电测试(即活化测试),以提升其容量,测试完成后对落后电池补充充电。因此,蓄电池的充电在蓄电池的维护中是非常重要的。下面我就具体介绍一下蓄电池可控充电电路的工作原理。

在介绍充电电路之前我们先来简单了解一下电力电子技术,因为充电电路就是应用了电力电子的某些技术。电力电子技术是研究用于控制(电)能量流动的电子电路,而且这些电路处理功率流的能力要比单个器件的功率定额大得多。所有电力电子都是用来管理某种电源与负载之间电能的流动。电路的作用必须使电能按一定方向流动,而不是阻碍其流动。电力变换器的功能就是用来控制给定电源与给定负载之间的能量流动。

此外,电力变换器是用电力电子电路来实现的。对于整个系统来说,通过电力变换器的能量必有一部分损失。

充电电路是基于电力电子中的电力变流技术而设计出来的。充电电路主要由DC-DC模块和功率MOSFET组成。为了更好的理解充电电路的工作原理,我们还是先来了解一下充电电路的主要组成部分:DC-DC模块和功率MOSFET。

DC-DC模块是直流―直流变换器。DC-DC电力变换器中采用高频电子电力处理器。DC-DC变换器的功能包括:①把直流输入电压VS变换成直流输出电压VO;②根据负载和线电压的扰动调节直流输出电压;③将直流输出电压上的交流脉冲减小到要求的水平;④提供输入电源和负载之间的隔离;⑤防止用电系统和输入电源受到EMI干扰;⑥满足各种国际、国内的安全标准。充电电路所采用的DC-DC变换器模块是Vicor DC-DC电源模块,其输入电压为36～75伏,输出电压为3.3伏,输出功率为264瓦,效率为79.5%。其主要优点:输入端与输出端完全隔离,这样就大大降低了输入到输出的寄生电容和噪声;在高频率ZCS/ZVS(零电流开关/零电压开关)开关条件下,具有先进的功率半导体封装和在低温度剃度下提供高功率密度的热量管理。

功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,金属氧化物半导体场效应晶体管)是单极型电压控制的器件,只需要很小的输入(栅极)电流,因此它所需的驱动功率小,然而它不出现锁定现象,所以栅-源极电压要一直保持,以维持导通。此外,MOSFET只有多数载流子参与导电,并且它的开关速度比所有其它器件都快,可超过几兆赫。功率MOSFET内部有寄生二极管,叫做体二极管。这个体二极管为漏极电流提供了一个反向通路,而使其成为一个双向开关。在功率MOSFET特性曲线中分别标出了三个不同的工作区,即线性区、饱和区和截止区。作为开关模式使用时,它只工作在线性区和截止区两种情况,但作为放大器使用时,就必须工作在饱和区,也就相当于BJT的有源区。为了使MOSFET漏极电流流通,就需在漏―源极之间出现沟道。当栅-源极电压超过器件的阀值电压VTh时,沟道就出现了。当VGS>VTh时,器件就可以工作在线性区(亦称恒阻区)或饱和区,这取决于VDS的值。对于给定的VGS时,当VDS小(VDSVGS-VTh)时,器件就进入饱和区(相当于BJT的有源区)。当VGS

MOSFET主要优点:①具有较高的开关速度;②具有较宽的安全工作区而不会产生热点,容易进行并联使用;③具有较高的可靠性;④具有较强的过载能力;⑤具有较高的开启电压,给电路设计带来了极大地方便;⑥具有很高的输入阻抗,对驱动电路要求较低。

接下来我就介绍一下充电电路的工作原理。DC-DC变换器模块输出端的正极和负极分别接在MOSFET的漏极和电池的负极,其输出电压为3.3V。当对蓄电池进行充电时DC-DC变换器模块的输出电压就向MOSFET的漏―源极提供正向偏置电压,并为充电提供电能。MOSFET的漏―源极电压的计算公式如下:

VDS=V模块-V电池(1)

由于电池电压的变化范围在1.7V到2.2V之间,而DC-DC变换器模块的输出电压为3.3V,因此,MOSFET的漏―源极电压的变化范围就在1.1V到1.6V之间。CD为Q1的控制信号,是用于控制MOSFET的栅―源极电压VGS,从而就控制了MOSFET的漏极电流ID,即充电电流,而CD则是由控制电路中的DAC(Digital-to-Analog Converters,数模转换)来控制,输出为电压。VGS的计算公式为:

VGS≈VDAC-V电池 (2)

充电控制过程如下:增大DAC的输出电压,当VGS>VTh时,MOSFET导通,即ID>0;接着继续增大DAC的输出电压,这时ID随之增大,当采集电流值等于设定的充电电流值时停止增大DAC的输出电压,即保持VGS,从而使充电电流保持在设定值上;随着充电时间的推移电池的容量在不断的增加,这就使得电池电压也会有一定程度的增大,而电池电压的增大就会导致VDS的减小(如公式1所示),因为VGS一直保持不变,所以使得ID减小,这样就导致了充电电流的减小,为了使充电电流能够保持在设定值上就需要增大DAC的输出电压,即增大VGS,当DAC的输出电压调整到某一值时充电电流就又重新回到设定值;当电池电压达到或超过设定的电压上限时,根据“恒流限压―恒压限流―电流减小到程序设定值结束”的充电方式原则,减小DAC的输出电压,即减小VGS,从而减小充电电流,当充电电流小于设定值(0.1A)超过一定时间时停止充电,这时充电完成。从以上充电控制过程的描述我们可以发现,在充电过程中我们需要不断的调整DAC的输出电压,从而使充电电流始终保持在设定值上。在本设计中,一个MOSFET的最大充电电流是12A,最大功率是19W(不同MOSFET的值不同,具体数据请参见相关数据手册),在DC-DC变换器模块输出功率允许的情况下可以根据实际需要增加MOSFET的数量。

希望通过我对蓄电池充电原理的介绍,能使大家对蓄电池充电原理有一定的了解和认识。