阀控式密封铅酸蓄电池充电芯片系统的设计

蓄电池充电芯片介绍

阀控式密封铅酸蓄电池充电芯片系统的设计

发布:2011-09-05 | 作者: | 来源: zhongruizheng | 查看:396次 | 用户关注： 引言20世纪中后期，信息、通信、电子技术等蓬勃发展，大大地推动了电池工业的进程。历史悠久的电池采用新技术、新材料和新工艺，研发和生产出一批高性能、高可靠性的现代二次电池。蓄电池充电器也将是21世纪IC界的一个热门。铅酸蓄电池是最早的可充电电池之一，在各行各业有着广泛的用途。阀控式密封铅酸蓄电池充电器(VRLACHARGER)采用充电控制集成电路，以高频脉动电流给电池充电以解决极化效应，根据不同的电池特性检测不同的参

引言

20世纪中后期，信息、通信、电子技术等蓬勃发展，大大地推动了电池工业的进程。历史悠久的电池采用新技术、新材料和新工艺，研发和生产出一批高性能、高可靠性的现代二次电池。蓄电池充电器也将是21世纪IC界的一个热门。

铅酸蓄电池是最早的可充电电池之一，在各行各业有着广泛的用途。阀控式密封铅酸蓄电池充电器(VRLA CHARGER)采用充电控制集成电路，以高频脉动电流给电池充电以解决极化效应，根据不同的电池特性检测不同的参数来准确判断电池是否充满，并提供温度保护等措施和初始充电前的放电等附加功能，这样就能很好的对电池进行快速、有效、安全的充电，也解决了大电流充电过程中会出现的极化效应和电池发热等问题。

本设计就是基于上述形式，对阀控式密封铅酸蓄电池充电技术进行了研究。特别是对VRLACHARGER芯片的原理、控制方式以及系统设计上的一些问题进行了深入细致的研究。

2阀控式铅酸蓄电池充电技术

2.1铅酸蓄电池技术概述

蓄电池通过化学反应来取得能量，是一种通过化学反应来获取电能的器件，又叫化学电源。化学电源是在氧化还原的电化学过程中将化学能转化微电能的。它的结构跟普通电池一样，是由正极、负极、电介质构成。在工作时，正极和负极发生化学反应而放电，因此蓄电池在使用后，必须用充电器对其进行充电。 铅酸蓄电池通过极板生成，在正极板上生成二氧化铅，在负极板上生成海绵状铅。在硫酸电解液中，正极负极电位不同，分别为1.682V一0.395V(对于单个电压为2V的铅酸蓄电池而言)。可以在很大的温度范围正常工作，一般厂家的铅酸蓄电池工作的温度范围都在一40℃一65℃之间。

2.2 VRLA电池的特性

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阀控密封铅酸蓄电池(VRLA)的寿命通常分为循环寿命和浮充寿命两种。阀控密封铅酸蓄电池的容量减少到规定值以前，其充放电循环次数称为循环寿命。在正常维护下，阀控密封铅酸蓄电池(VR-LA)浮充供电的时间称为浮充寿命。阀控密封铅酸蓄电池(VRLA)的浮充寿命可达10年以上。

2.2.1初始充电

充电时间与充电速率有关。当充电速率大于C／5(C为蓄电池额定容量)时，阀控密封铅酸蓄电池(VRLA)容量恢复到放出容量的80％左右，就开始过充电反应，而过充电的后果比较严重，因此充电速率大于C／5时就算大电流充电。当充电速率小于C／：100时，阀控密封铅酸蓄电池(VRLA)容量恢复到100％后再开始过充电反应，这种充电叫涓流充电。为了加快充电速率，缩短充电时间，需要采用较大速率来充电。为了使阀控密封铅酸蓄电池容量恢复到100，必需允许一定的过充电，当发生过充电反应后，单个阀控密封铅酸蓄电池的电压迅速上升，达到一定数值后，上升速率开始减小，然后电池端电压也开始缓慢下降。 由此可知，阀控密封铅酸蓄电池充足电后，维持其容量的最佳方法是在阀控密封铅酸蓄电池组两端输入恒定的电压，这个电压叫浮充电压，因为它实际上已经不在充电，只是维持了VRLA蓄电池充满水平。因此，最佳的充电方法就是阀控密封铅酸蓄电池(VRLA)充足电后，充电器应输出恒定的浮充电压。

2.2.2浮充电

(1)浮充电压

阀控密封铅酸蓄电池(VRLA)的浮充电压等于开路电压和极化电压之和。而VRLA蓄电池的开路电压为电解液比重核电结业比差系数之和，电解液比差系数一般是0.85。由市场上流行的阀控密封铅酸蓄电池参数可以得知，他们的极化电压通常为0.10-0.18V。例如美国圣帝公司生产的阀控密封铅酸蓄电池(单体电压为2V的阀控密封铅酸蓄电池)电解液比重为1.24g／cm3，所以它的浮充电压为2.09V。日本YUASA公司生产的阀控密封铅酸蓄电池的浮充电压为2.23V。

(2)浮充电流

阀控密封铅酸蓄电池的浮充电流有三个作用：其一是补充阀控密封铅酸蓄电池自放电的损失；其二是向日常性负载提供电流；其三是浮充电流值要足以维持阀控密封铅酸蓄电池内部的氧循环。

浮充电压不能过高，如果太高了的话充电电流太大，会引起VRLA蓄电池过充，这样会缩短它的寿命。因浮充电流的主要作用是补充阀控密封铅酸蓄电池自放电而失去的电量、维持其内部的氧循环及向日常性生活负载提供电流，因此浮充电压可以设的低一些，比如单体额定电压为2伏的，浮充电压在2.10V一

2.30V之间都可以。

2.2.3充电操作

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VRLA蓄电池组放电后，应立即转入充电。一般的充电开始需要控制充电电流，以不大于O.2C为宜(比如3Ah的蓄电池，充电电流应不大于3X0.2=O.6A)。当电流变小时，可慢慢提高阀控密封铅酸蓄电池组的充电电压，达到均充电压值后再充电6h，然后再调回浮充电压值。阀控密封铅酸蓄电池初充电流大小的设计一般按额定值的0.1来进行。使用中正常充电时，最好采用分级定流充电方式，即在充电初期用较大的电流，充电一定时间后，改用较小的电流，到了充电后期，改用涓充电流。这种充电方法的效率较高，所需时间较短，充电效果也好，对延长电池寿命有利。但是有一个缺点，可能在充电初期造成热失控。对于端电压为12V(单节为2V的串连6节)的阀控密封铅酸蓄电池来说，正常的浮充电压在13.5-13.8V之间，即单节电压在2.25V一2.30V之间作浮充电压比较合适。若浮充电压低于22.25v，则阀控密封铅酸蓄电池充不满；若浮充电压高于2.30V，则会造成过电压充电。上述情况都是在室温25℃的情况下，如果环境改变情况也不相同。

3 VRLA充电芯片系统的设计

3.1系统方案

当前市场上己经有很多充电芯片，根据电池的种类不同可以分为：铅酸蓄电池充电器、锅镍电池充电器、镍氢电池充电器、铿离子电池充电器等。从充电方式又可以分为：线性充电器和开关充电器。其中还有一些是多功能充电器，比如MAX2003A充电芯片、LTl769芯片、UBA2008芯片等。

电路的控制方式一般分为两种：电压反馈环控制方式和电流反馈环、电压反馈环同时存在的双环控制方式。第一种控制方式能够跟踪充电电压和电池电压的变化，但是如果是电流的变化，则它一定要反应到输出端才可以检测，因此具有一定的延时。因此不能很灵敏的控制充电电流的大小。充电电流在充电芯片里是需要精确控制的一个指标，因此只有一个电压反馈环不能满足需要。

按照阀控密封铅酸蓄电池的特点，采用恒压或者恒流的充电都不是最佳选择。如果采用小电流恒流充电，则速度太慢，一次充电要一个多星期，没有效率；如果采用大电流恒流充电，则在充电初期容易引起极化效应，阀控密封铅酸蓄电池内阻增大，产生大量的热量散发不出去，会造成热失控。严重了会产生爆炸和火灾，所以这种也不理想：如果采用恒压充电，电压低了充不满，高了又过充，这两种情况都严重损害阀控密封铅酸蓄电池的寿命。根据以上分析。对阀控密封铅酸蓄电池充电最好的方案就是采用多阶段线性浮充模式。具体如下图所示：

</tr>

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其中：

AB段为涓流充电(TriekleCharge)，充电电流为22mA，VTH=2V；

BC段为大电流充电(BulkCharge)，充电电流为1.122A，Voc=2.43V； CD段为过压充电(0VER CHARGE)，Voc=2.43V，1ocT=22mA；

DE段为浮充充电(Float Charge)，VFOAT=2.275V。

TI公司的UC3906，这是一款线性充电芯片。它的优点是控制方法简单，外接元件少，只需要接少量几个电阻电容就可以实现应用。它的缺点是效率低，这也是线性充电器的普遍缺点。而且温度补偿做在芯片内部，这种方法有一个问题需要考虑到，就是基准电压感应到的芯片的温度而不是电池的温度，所以这个补偿并不准确。基于此种考虑，在本次设计中，温度补偿放在外围电路中做，充电电压也由外电路来确定。下面是提出的系统解决方案：

整个解决方案由六个部分组成，Charger和MCtT是核心，Charger提供控制电路，MCU给出控制的信号，充电由Power Stage提供，这里用的是BUCK降压电路，BUCK后面接需要充电的电池，然后接负载，给负载供电。SENSOR要检测电池的温度，当电池温度升高时，MCU按一0.4mV／c的标准来改变充电的电压．通过一个整体的系统来实现了对充电电池的温度补偿。还要检测电流和电压，它们的信号分别反馈给Charger的电流环和电压环，来控制充电电流和充电电压使它们的值在控制范围内。这样做的好处是：

(1)对电池的控制更迅速更到位；

(2)节省了保护电路，包括过流保护、过压保护和过热保护，电路得以简化；

(3)芯片面积得到缩减：

3.2控制环的设计

为了比较精确的控制输出电压和输出电流的变化，在普通功能实现的基础上增加了电流环和电压环的双环控制。电流环作为内环，电压环作为外环。它有两个输出量，一个是输出电压一个是输出电流。从最优控制的角度出发，实现全状态反馈是最优控制方法。

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3.2.1 电流环的设计

如图3所示，虚线内部分为电流环所包括的部分：电流感应电阻，Buck充电电路，电流误差放大器。其中BUCK电路的小信号传递函数为

其中，V1是BUCK电路的输人电压，RsENSE是电流感应电阻，LBUCK是BUCK转换器的输出电感，VP是振荡器的峰值电压。我们取交叉频率为开关频率的十分之一，大约是5KHz。在这个频率下，BUCK的增益大约为1.19。并且，在这个频率下，GPs*GEA=l，因此电流误差放大器的增益应该是

R1的值设为10KΩ，所以HF计算值是8.4KΩ．我们使用9.1KΩ。在交叉频率Fcl处设一个零点，以获得45％的相位裕量，在Fs一般的频率处设一个极点，以降低开关噪声，并完成电流环的补偿。

3.2.2电压环的设计

当电流环被关闭以后，可以当作一个跨导来看，它的值相当于l／

RsENSE，频率在到达Fcl之前，增益是平稳的，超过之后的斜率为20dB／dec，因此BUCK的小信号传输函数为：

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Rout是输出阻抗，它主要由蓄电池的内阻和电流感应电阻RSENSE组成，小信号增益是由跨导乘以BUCK电路的输出阻抗。我们把电压环的交叉频率设为电流环频率的十分之一，也就是500Hz，这个带宽很低．但是由于蓄电池充电不需要很快的瞬态响应，所以这个是可以满足的，并且零极点的频率也超过了这个频率。在500Hz的时候，BUCK电路的增益是2.3。电压放大器的增益与BUCK的增益之积为1，因此电压放大器的增益为0.43。将R6取值为80K．那么C4就可以计算出来：

在频率500Hz处设一个极点，在交叉频率的十分之一(fcv)处设一个零点，即50Hz处设一个零点。这个零点完成了电压环路的补偿。下面分别计算出补偿电容和补偿电阻：

3．2．3模块及设计指标

根据整个系统的概念以及电流环电压环的设计．据此提出的模块包括：欠压锁定电路、电压基准源、电压误差放大器、电流误差放大器、振荡器、PWM比较器、RS触发器、若干运算放大器、以及部分数字电路。引脚有14个，如图4所示，几个典型模块指标如下：

(1)电压基准源

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温度系数(一40／％：一125／~C)时，变化率<25ppm 电源电压变化(9V-14V)时，输出电压波动「0．2mV，20mV」

输出电流变化(0-20mA)时，输出电压波动『5mV，25mV]

输出电压5．0V

(2)电压误差放大器

失调电压(25qC)时≤5mV

开环增益典型值90dB

共模抑制比CMRR90dB

电源抑制比PSRR(Vdd在9到14V时)≥60dB

输出电压变化范围(OV一5V)

(3)振荡器

震荡频率典型值(100KHzl[50K，500K]

电压调整率(10-14V时)士l％

温度稳定性Tv(一15cI=一85％：之间≤2．5％

峰值电压(1'A=25~C，Vdd=12V)3V

(4)脉冲宽度调制器 输出高电平4．5V

输出低电平0．1 V

延迟时间[300nS，'700nS]

(5)电流误差放大器

输入失调电压(在25cI=时)≤2m V

低电平输入电压3mV

开环增益90dB

共模抑制比90dB

电源抑制比≥60dB

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输出高电平(15K到地负载)4．5V4结束语 本系统具有以下特点： ①自动调整充电波形；

②实时跟踪电池状态；

③自动在电池停充期判断电压值的变化；

④采用多重充满判定规则；

⑤高效可靠的充满判据保证了电池在任何情况下的充满度、有效控制了电池地析气，从而有效提高了电池的寿命：可靠的浮充模式保证了电池的浮充寿命。