一种快速脉冲充电器的研究

引言

随着工业技术的发展，蓄电池被应用到各个领域，比如说汽车、轮船、通信、各种电子产品等。

铅酸蓄电池以它的经济性、输出电压稳定、供电可靠等优点而被广泛使用。传统的充电器采用的充电技术主要是恒流、恒压或者是两者相结合，这些充电方法很容易造成蓄电池过充或者是充电不足，并且充电时间很长，在一定程度上缩短了蓄电池的使用寿命，为使用者造成一定的经济损失。

因此，理想的充电器可以在短时间内为电池快速充电，但是过高的电流将会在电池内部引起不良化学反应，产生过热、极化作用，影响电池充电效果，甚至减小电池容量，缩短电池寿命。目前提出了许多充电技术，包括恒流技术、恒压技术、恒流恒压技术，以及两步充电技术、三步充电技术、多步充电技术和反向充电技术等。上述充电方法大多包括一个正向脉冲充电时间和一个停止充电时间，有时为了快速消除电池内部离子极化，还加一个反向充电脉冲，以提高电池的充电效率和电池性能。

1 充电器主要电路分析

本文所研究的充电器的前级直流变换采用反激变换器模式，为了提高交流输入电路的功率因数，可以将采集到的反激变换器输出端的电流信号，反馈到PFC 控制芯片UC3854A 中，以调节MOSFET Qs的开通占空比。整流电路和充电电路的电气隔离采用变压器来实现，充电回路是可控的双向Buck/Boost电路，可以产生充电正脉冲和放电负脉冲。图1为带有功率因数校正的快速脉冲充电主电路，包括正脉冲充电、停止充电和负脉冲放电三个阶段。当电路处于正脉冲充电过程时，Q1导通Q2 关闭，以Buck 电路工作;当处于负脉冲

放电过程时，Q2 导通Q1 关闭，以Boost 电路工作;

当Q1 和Q2 都关断时，电池处于恢复阶段，以消除电池内部极化反应。通过PWM 控制器实现上述电路的交替工作，达到快速充电目的。

图1 中采用高频PWM 控制芯片SG3525 控制充电和放电。在脉宽比较器的输入端，用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压的变化而变化。由于此电路结构有电压环和电流环双环系统，以及可调节的死区时间控制，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。

PWM 控制芯片SG3525 分别为MOSFET Q1和MOSFET Q2提供开通信号，当Q1 开通时，电源向电池组充电;Q2开通时，存储在电池中的电能向电源放电，通过检测反馈电流调节Q1和Q2 的开通时间来实现对电池进行快速智能充电的目的。

PWM控制芯片SG3525的控制信号和电感电流波形如图2 所示。

2 快速脉冲充电器的工作原理

2.1 正脉冲充电模式(Tch时期)

图猿所示为电路工作在充电模式时，Q1 开通时的等效电路。输出电容C1上的电压为Vdc，通过图示方向对电池进行充电，此时由Q1，Q2 的体内二极管D2 和电感Lp 组成一个Buck 电路，对电池进行充电，充电电流为ibc，其大小由Q1 的开通占空比调节，在整个充电过程中Q2保持关闭。

从图猿可以得出电感Lp电流变化量为

向不变，通过Q2 的体内二极管D2形成回路。

2.2 负脉冲放电模式(Tdis时期)

图缘所示为电路工作在放电模式时，当Q2开通时的等效电路。通过图示方向对电池进行放电，电流方向改变，此时由Q2 、电感Lp ，和Q1 的体内二极管D1构成一个Boost 电路，放电电流idis，大小为

3 试验结果

图7 所示为示波器采集到的Q1 和Q2 驱动脉冲信号和充电放电过程中电感的电流变化波形。

图8 所示为电池在充放电过程中的电流变化和交流输入侧电压电流变化波形。

图9 所示为无功率因数校正时的输入端交流电压电流波形，图10 为有功率因数校正时的输入端交流电压电流的波形图。由此可见能够通过PFC 芯片提高交流电压源的功率因数和消除电流的高次谐波。

4 结语

本文提出的快速充电器，主电路由两部分组成，第一部分为反激变换器提供工作电压，加上PFC 芯片提高交流输入端功率因数;第二部分为双向的BuckBoost充放电回路。当处于充电模式时，电源向电池组充电;处于放电模式时，电池组向电源放电，消除电池内部极化作用，从而实现了电池的快速充电。