基于UCC3809及UC3909的电动自行车充电器

基于UCC3809及UC3909的电动自行车充电器张志恒(山西大学工程学院，山西太原030013)CHARGERFORELECTRICBIKESONBASEOFUCC3909ANDUC3909ZHANGZhi－heng(EngineeringCollegeofShanxiUniversity,Taiyuan030013)摘要：本文介绍了蓄电池充放电机理；UCC3809及UC3909的内部结构，以及基于UCC3809及UC3909设计的一种高性能充电器的电路原理、参数确定、及整机调试过程。并提出了以绢流充电方式消除电池极板硫化现象的方法。Abstract:Thisarticleintroducestheprincipleofbatterycharginganddischarging.AndtheinnerstructureofUCC3809andUC3909.AswellasthecircuitprincipleparametersettingandtestingprocessofthehighpropertychargeronbaseofUCC3809andUC3909.Andawayoftricklechargingtoremovethevulcanizationonthebatteryplateissuggestedhere.关键词：铅酸蓄电池；充电器；UCC3809；uc3909；.KeyWords:LeadAcidbattery；charger；UC3809；UC39091.引言：目前已商品化的电动自行车绝大多数是使用密封式铅酸蓄电池。铅酸蓄电池充电时变成硫酸铅的阴阳两极的海绵状铅把固定在其中的硫酸成分释放到电解掖中，分别变成海绵状铅和氧化铅，电解液中的硫酸浓度不断变大；反之放电时阳极中的氧化铅和阴极板上的海绵状铅与电解液中的硫酸发生反应变成硫酸铅，而电解液中的硫酸浓度不断降低。当铅酸蓄电池充电不足时，阴阳两极板的硫酸铅不能完全转化变成海绵状铅和氧化铅，如果长期充电不足或过放电，则会造成硫酸铅结晶，使极板硫化，电池品质变劣；反之如果电池过度充电，阳极产生的氧气量大于阴极的吸附能力，使得蓄电池内压增大，导致气体外溢，电解液减少，还可能导致活性物质软化或脱落，电池寿命大大缩短。蓄电池设计寿命都在8年以上，但电动自行车蓄电池往往2～3年就会损坏，其原因主要是因为充电不合理造成其寿命缩短的。有鉴于此，笔者设计制作了一款四阶段恒流限压式密封铅酸蓄电池充电器。2．充电器原理：充电器原理图如图1所示该充电器利用UCC3809和UC3909构成一种四段式充电器，其目的是对48V蓄电池组（4块串联的12V20Ah蓄电池）尽可能更快更安全的充电到其额定容量，同时对长期充电不足或过放电蓄电池进行绢流充电，以对蓄电池起到维护和修复的作用。根据蓄电池厂商数据，蓄电池组以Ibulk＝4A恒流充电到Voc＝58.8V后转为恒压充电，这时充电电流开始下降，当电流下降到Ibulk的10％，即IOCT＝400mA时，转为浮充状态，浮充电压为Vfloat＝55.2V。当蓄电池组放电到电压下降为VCHGENB＝42V时为放电终止电压，此电压也做为恒流起充门限电压，当电池组电压低于VCHGENB时，说明蓄电池被过放电或长期充电不足品质变劣，这时该充电器就会以ITC＝80mA(IOCT的2％)的绢流对蓄电池组进行充电，以消除极板硫化现象，从而对蓄电池起到维护及修复作用。充电曲线如图2所示。2.1原边电路工作原理原边电路由UCC3809组成，其内部结构如图3所示，包含方波振荡器；误差比较器，5V基准电压源；脉宽调制电路；输出驱动电路以及软启动电路等。允许市电波动范围+10%～－25％；这样C1端直流变化范围为198V～340V。电路开关频率及最大占空比由RT1,RT2和CT.决定，CSS决定软启动时间。RCS,R1,R2,R3,CZB以及光耦OI-B构成反馈电路，C3是芯片内部参考电源的旁路电容，R4,D1和C2构成UCC3809供电电源。RSN1、CSN1、RSN2、CSN2和DSN构成铃流及dV/dt拟制电路。2.2副边电路工作原理副边电路由UC3909及其外围元件构成，UC3909内部结构如图4。其内部包括欠压保护电路；充电状态逻辑控制电路；电流检测放大器；电压误差放大器；电流误差放大器，方波振荡器；脉宽调制比较器；温度补偿放大器；以及可提供100mA集电极开路输出驱动电路等。UC3909为20脚双列直插芯片如图5所示，其管脚定义为：CA-：电流误差放大器反相输入端；CAO：电流误差放大器的输出端；在内部与PWM比较器的反相输入端相连；CS-，CS+：它们分别是电流检测放大器的反相输入端和同相输入端。该放大器为5倍固定增益放大器电压范围为-250mV～+VCC；CSO：电流检测放大器的输出端；CHGENB：比较器输入端，当检测到电池电压过低且使充电器位于涓流充电状态时，充电器的使能比较器迫使电压误差放大器输出端呈高阻态；GND：参考接地端；OVCTAP：恒压充电电流检测端，当恒压充电电流减小到比浮充门限电平低时，控制电路转入浮充电状态；OSC：内部振荡器外接电容端，对地接一个电容器CT，斜坡在接近于1.0V到3.0V之间振荡。OUT：PWM驱动器输出端；R10：用来设置相应电压温度补偿放大器的输入端。从该点对地连接一个10K的电阻；Rset：外接一个对地电阻以设置PWM比较器恒流充电电流和涓流充电电流门限值，充电电流约为1。75/RsetmA.绢流充电电流约0。115/RsetmA；RTHM：对地接一个10K热敏电阻，并将该电阻粘贴到电池表面。温度补偿放大器常温输出2.3V,并以-3.9mV/℃温度系数呈指数变化。推荐使用L1005-5744-103-D1型号热敏电阻；STAT0：集电极开路输出，做为充电状态编码的第一个编码位；STAT1：集电极开路输出，做为充电状态编码的第二个编码位，充电状态编码表如表1所示表1充电状态编码表充电状态STAT1STAT0绢流充电状态00恒流充电状态01恒压充电状态10浮充电状态11STATLV：当充电器处于浮充状态时，这位呈高电平；VA-：电压误差放大器的反相输入端；VAO：电压误差放大器输出端，最高电压被箝位到5V；VCC：芯片的电源输入端。芯片的电压范围为7.5V到40V，而且需接一个1nF的旁路电容；VLOGIC：精确参考电压，需接一个0.1nF的旁路电容。由UC3909及其外围元器件组成副边电路。D4和C4为其提供工作电源。当充电器失电时，Q2、Q3、R6和R7将断开与电池相连的充电回路。由RS1、RS2、RS3和RS4组成分压回路，来决定各种充电状态转换的所有门限电压值。由ROVC1和ROVC2构成分压器用来设置恒压充电转换到浮充电状态的门限。RCS为充电电流检测电阻，RSF1、RSF2、CSF构成电流检测放大器频率补偿电路，以拓展其通频带。RST设置充电电流及绢流充电电流。3．参数确定3．1脉冲变压器参数确定最大值；下划线—最小值；—平注：论文中将用到以下几个变量：上划线—均值（1）脉冲变压器变比的确定脉冲变压器变比由式spikeSPisdcpsVNNVVV确定其中：Vps：最大的开关峰值电压(开关管选用击穿电压为900V50A的NMOS功率开关管，为安全起见，限定开关峰值电压为700V)；Vdc：输入滤波器C1电容端最大直流电压（340V）；Vis：最大的次级绕组导通电压（58.8V+1V二极管导通压降）；Np/Ns：脉冲变压器变比；Vspike：反射电压（Vdc的30%）。根据这些数值，取Np/Ns＝3时，最大将得到一个621V开关峰值电压。这对900V的功率开关管是安全的。（2）功率计算脉冲变压器最大输出功率要求为：其中：Pout是输出功率；Iout是最大输出平均电流（Ibulk＝4A）；Vbatt电池组的最高电压（常温时为58.8V）；Vdiode的整流二极管的导通的电压（1V）。脉冲变压器输入功率是输出功率加上损耗功率。保守估计是（基于整流管效率可达80%）：0.8OUTINPP在此应用中，输出功率为240W，输入功率300W。（3）线圈、最大“导通”和“复位”时间、峰值电流和开关频率的确定开关频率取100KHz对UCC3809为最佳选择。确定电路工作在不连续状态，最大的开启与复位时间之和不得超过转换周期的90%。根据以下公式进行计算确定：（1）；（2）；（3）；（4）；（5）；（6）其中：Ip是初级线圈的峰值电流；Lp是初级电感量；Is是次级线圈的峰值电流；Ls是次级电感量；τon是导通时间；τrst是复位时间；Fs是转换频率代数处理之后，得：(7)由公式得，τon将小于2.53us而τrst将小于6.47us。同理，将式（1）和（2）转化之后，(8)Lp大约是42uH，式（4）中的Ls大约是4.7uH。式(2)中的初级峰值感应电流为11.93A。(3)中的次级峰值感应电流为35.78A。（4）感应电流均方值周期性三角波脉冲电流均方值是：3RMSPIIT（9）其中：Ip是峰值电流值；τ是基本的脉冲宽度；T是波形周期。初级和次级均方值电流分别是3.5A和10.38A。（5）磁芯和绕线的选择和计算高频变压器磁芯采用北京798厂生产的R2KB磁芯PQ50/50，其有效中心柱截面积为Ae＝3.1416Cm2，其磁芯窗口面积为AQ＝4.18Cm2,因此其功率容量为AP＝Ae×AQ＝13.2，其磁通密度为Bm＝1500GS。电感系数可表示为：其中：L是电感值（单位是亨利）；N是电感线圈的匝数；φ是N匝线圈磁通量；I是感应线圈的的电流（单位是安培）。φ等于AeB，其中的Ae为感应器的有效面积，B是磁通量密度。（10）如果B限制在150mT（接近滚降曲线B-H），Np必须大于等于18匝。如果Np设为24匝，那么Ns为8匝。实际绕制脉冲变压器时，初级选用0.5英寸宽和0.007英寸厚的铜箔带。次级选用0.44mm高强漆包线绕制，经过大量试验，磁芯开2.8cm气隙时，电源工作稳定。为了满足绝缘的要求，在初级电路和次级电路绕组间使用三层的绝缘带。为UCC309和UC3909提供电源的两个绕组，其次级电压为：bootbootdcdiodePNVVVN（11）对UCC3809，电源电压在10.1V到15.5V之间。UC3909的电压在15.5V到23.75V之间。因此分别选1匝和2匝，用0.38mm高强漆包线即可。3.2其他参数确定（1）UCC3809外围元件确定为了使磁芯不会饱和，初级电路可以通过调整一些电阻值对初级电流加以限制。如果这个状态被选定在100mT时，由式（10）知，初级电路峰值电流Ip必须小于17.9A。在这个电流达到17.9A时，UCC3809FB管脚的电压必须为1V。当穿过光耦的反馈电流为零时，必须满足下式：0.19.1712312RRRRRRCS（12）此外，为了使次级电路可以控制最小获得脉冲宽度，R1上电压为3.0V时UCC3809FB脚电压为1V；且感应电阻Rcs上没有电流。Rcs的值很小在计算中可忽略。即：3323.01.0RRR（13）如R3选为1K，R2则为2K。选择R1时必须考虑到光耦H11A817A，其电流传输比为80%到160%，而且经过二极管的电流范围为2mA-30mA时完全呈线性。将R1调在220Ω光耦将进入线性范围。这时Rcs为0.08欧，电源全部负荷分散在Rcs上，功率仅为450mW，所以Rcs应选1W的电阻。在UCC3809的FB管脚，需要一个电容。这个电容是用来滤掉穿过Lp产生的电流尖脉冲。在这里，选择的电容器CZB就是起这个作用的。由220PF的电容值可得出一个时间常数值为0.15us。电容Ccs和电阻Rcs，也能削弱大量电流尖脉冲。在给Czb和Ccs定值时，需考虑的是：其值过大，输出端出现滞后时间过长；如果将它们的值定得太小，可能导致过早的脉冲终止和不稳定的充电电压。同时，Czb的值越大，最小可获得的脉冲宽度将越宽