電動(dòng)自行車智能充電器設(shè)計(jì)(1)

1、電動(dòng)自行車智能充電器設(shè)計(jì)電動(dòng)自行車智能充電器設(shè)計(jì)摘 要：本課題綜合應(yīng)用所學(xué)的電路、電子技術(shù)、模擬電子線路的理論知識(shí)，深入學(xué)習(xí)及實(shí)踐操作， 提出并設(shè)計(jì)出一種智能控制電路。通過對(duì)充電器的充電及工作原理的分析和電路的設(shè)計(jì)，并實(shí)際調(diào)試，來加強(qiáng)對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)品的認(rèn)知和接受，在研究電動(dòng)自行車的基礎(chǔ)上，通過認(rèn)真調(diào)查鉛酸蓄電池 充電注意事項(xiàng)，電動(dòng)車用鉛酸蓄電池充電過程和充電曲線，綜合運(yùn)用開關(guān)電源技術(shù)，開發(fā)了一款基 于UC3842和LM358的智能充電器，該充電器能夠?qū)π铍姵剡M(jìn)行很好的監(jiān)測(cè)與控制，從而在達(dá)到快速充電的同時(shí)又能夠有效的對(duì)蓄電池起到保護(hù)作用。充電過程分涓流充電、快速充電、均充電、浮充 電四個(gè)部分。主電

2、源部分采用光電耦器PC817控制集成芯片 UC3842中誤差放大器的輸入誤差電壓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓充電。恒流電路實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池恒流充電。該方案不僅可實(shí)現(xiàn)快速充電，同時(shí)可以減少析氣， 消除硫化，進(jìn)行均衡充電，從而大大地延長(zhǎng)了鉛酸蓄電池的使用壽命。關(guān)鍵詞：智能；鋰電池充電；開關(guān)電源；UC3842Design of Intelligent Electric Bicycle ChargerStude nt majori ng in mechatr onic engin eeri ngTutorAbstract: The circuit, electr onic tech no logy, an alog ele

3、ctr onic circuit theory kno wledge comprehe nsive application of the theory, in-depth study and practice, put forward and design of an intelligent control circuit. Through the design analysis and the charging circuit and working principle of charger and the actual debugging, to strengthen and accept

4、anee of switching power supply products, cognition, based on the electric bicycle, based on the investigation of lithium battery charging notice, lithium batteries for electric vehicle charg ing process and charg ing curve, the in tegrated use of switch power supply tech no logy, development a intel

5、ligent charger based on UC3842 and LM358, the charger to the battery well monitored to control, which can effectively protect the battery work at the same time achieve rapid charging. The charg ing process of trickle charg ing, fast charg ing, charg ing, charg ing four parts. The in put error voltag

6、e photoelectric coupler PC817 control error amplifier integrated chip UC3842 in the main power supply portion, to achieve voltage regulation. The constant current circuit of constant current charging lithium batteries. The scheme not only can realize the fast charge, also can reduce the gas evoluti

7、on, elim in ate sulfide, bala need charge, thereby greatly prolonging the service life of the lead-acid battery.Keywords: Intelligent; lithium battery; Switching power supply; UC3842引言電動(dòng)車由于內(nèi)燃機(jī)工業(yè)的逐漸成熟、相關(guān)周邊設(shè)備的發(fā)明，使得其制造與生產(chǎn)一直 處于停滯狀態(tài)。直到最近幾年，隨著油價(jià)的不斷上漲和人們對(duì)環(huán)保的意識(shí)增強(qiáng)，使用高 效、清潔的能源來取代以油的領(lǐng)導(dǎo)地位已成為社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。拜近代科技與電子 工

8、業(yè)發(fā)達(dá)之賜，電動(dòng)車產(chǎn)品已不若百年前的電動(dòng)車一般，除了在電池科技有大幅的進(jìn)步 以外，在車輛的動(dòng)力控制上亦將能源作有效的分配與擷取，以使得車輛功率與續(xù)航力大 增，直逼一般內(nèi)燃機(jī)車輛的水準(zhǔn)。然而由于內(nèi)燃機(jī)車輛的發(fā)展亦有近百年的歷史，其實(shí) 用性與普遍性不容質(zhì)疑，成為我們生活中不可或缺的一部份。如何在目前數(shù)以億計(jì)的內(nèi) 燃機(jī)車輛世界中，說服人們放棄原有的使用觀與價(jià)值觀，改用以無污染的電動(dòng)車輛，并 成為主流車種，實(shí)為一段艱巨又漫長(zhǎng)的路。電動(dòng)車輛無法在短時(shí)間內(nèi)取代原有內(nèi)燃機(jī)車 種的最主要原因不外乎以下三項(xiàng)：1) 車輛的價(jià)格：由于電動(dòng)車的發(fā)展尚在起步階段，許多研發(fā)的成本加上制造的數(shù) 量，均無法與年產(chǎn)百萬的大汽車

9、廠相比擬，因此在購(gòu)車成本上亦相對(duì)提高。2) 車輛的性能：由于目前并未發(fā)展出成熟性的高效率電池，以提供車輛裝載大功 率馬達(dá)、提升整體續(xù)航力及短時(shí)間的能源補(bǔ)充等，因此仍無法與一般機(jī)動(dòng)車輛的性能互 相抗衡。3) 能源的補(bǔ)充：電動(dòng)車輛補(bǔ)充能源的唯一方式為充電，但是相對(duì)地充電設(shè)備必須 與目前的加油站相當(dāng)，具有一定的商業(yè)規(guī)模，并配合高效率電池的開發(fā)，降低充電的時(shí) 間，方能符合現(xiàn)代生活的需求。除此之外，電動(dòng)車輛大量生產(chǎn)后，車上零組件的回收問題，尤其是電池，更成為未 來環(huán)保工作上必須面臨的重要課題。有鑒于此，目前在發(fā)展電動(dòng)車輛的同時(shí)，即應(yīng)將周 邊設(shè)備與社會(huì)規(guī)模同時(shí)考量，逐步推廣以鼓勵(lì)民眾購(gòu)置，并規(guī)劃長(zhǎng)期目標(biāo)，

10、以避免空氣 污染改善完成后，另一種形式的污染問題又產(chǎn)生。電動(dòng)自行車是集蓄電池技術(shù)，電力電子技術(shù)，電動(dòng)機(jī)技術(shù)和精密傳動(dòng)技術(shù)于一體的 新型特種自行車，因其無污染，低噪音，低能耗，占道少，方便快捷等特點(diǎn)而成為國(guó)際 上流行和大力推廣的綠色私人交通工具，其價(jià)格低、綠色環(huán)保、使用安全方便等優(yōu)勢(shì)更 是受到廣大消費(fèi)群眾的喜愛。中國(guó)已成為全球電動(dòng)自行車的制造、消費(fèi)大國(guó)，目前平均 每四戶居民家庭中就有一輛電動(dòng)自行車， 電動(dòng)自行車已經(jīng)成為城鄉(xiāng)人民生活中的一種重 要的消費(fèi)品。面對(duì)世界金融危機(jī)的挑戰(zhàn)，電動(dòng)自行車產(chǎn)業(yè)依然保持了平穩(wěn)發(fā)展，以此足 以說明，電動(dòng)車的發(fā)展前景可期。在我國(guó)，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池是鉛酸電池，這主要是由

11、于鉛酸蓄電池具有技術(shù)成熟，與負(fù)載輸出特性良好，無記憶效應(yīng)，電池容量大，成本低 等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，也有一些高性能電池，比如鋰電池、燃料電池等。鉛酸電池是現(xiàn)今為止 世界上廣泛使用的一種無機(jī)化學(xué)電源，該產(chǎn)品具有良好的可逆性、電壓特性平穩(wěn)、使用 壽命長(zhǎng)、適用范圍廣、原材料豐富及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的使用，同時(shí)也是社 會(huì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中不可缺少的產(chǎn)品。電動(dòng)自行車有五大部件組成，即：電機(jī)、控制器、電池、充電器和車架。其中充電 器更是電動(dòng)自行車的重要部件?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的電動(dòng)自行車多種多樣，常見的種類有：按 驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)方式分為摩擦輪傳動(dòng)、中軸鏈輪傳動(dòng)型和輪轂驅(qū)動(dòng)型。其中輪轂驅(qū)動(dòng)型的優(yōu)點(diǎn) 是設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)緊湊，體積

12、小，重量輕，傳動(dòng)效率比前兩種都高，是目前多數(shù)電動(dòng)自 行車所選用的驅(qū)動(dòng)方式。按驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型分有刷直流電機(jī)型和無刷直流電機(jī)型。按配備 的附屬裝置分豪華型和經(jīng)濟(jì)型。按自動(dòng)化程度分為標(biāo)準(zhǔn)型：它即可以腳踏車，又能電動(dòng) 驅(qū)動(dòng)助行，主要通過手把人為控制電動(dòng)自行車在 20Km/h以內(nèi)任意改變行駛速度；智能型： 在標(biāo)準(zhǔn)型的基礎(chǔ)上，通過提高控制系統(tǒng)的智能化使車輛根據(jù)其行駛的速度自動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)的輸出功率，或者是車輛的控制系統(tǒng)能依據(jù)騎車人的騎行力的大小自動(dòng)控制電池輸 出電流的強(qiáng)弱，從而實(shí)現(xiàn)人力與電力助行的極佳配合。這樣即延長(zhǎng)了行駛里程及電機(jī)壽 命、省力節(jié)電，又盡可能地避免因行駛速度過快而引發(fā)的交通風(fēng)險(xiǎn)。除了上述分

13、類外， 電動(dòng)自行車采用的蓄電池目前大致有密封式免維護(hù)的鉛酸蓄電池和鎳氫電池兩種。前者雖然重量上不十分理想，但容量大、無記憶效應(yīng)、而且價(jià)格低廉，是目前大多數(shù)電動(dòng)自 行車的主要?jiǎng)恿υ?；后者容量大、無污染、也無記憶效應(yīng)，但其價(jià)格很高，不易普及。當(dāng)今電動(dòng)自行車有一重大缺點(diǎn)便是蓄電池壽命短、容量小，導(dǎo)致電動(dòng)車行程短，頻 繁更換蓄電池，造成不必要的消費(fèi)。電動(dòng)車的好壞與質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一便是蓄電池的 使用壽命與蓄電程度。由于蓄電池充電方法不合理，使蓄電池壽命大大縮短。電池充電 過程對(duì)電池壽命影響較大，也就是說，絕大多數(shù)的電池不是用壞的，而是充壞的。傳統(tǒng) 充電器的充電策略比較單一，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的恒壓或者恒流充

14、電，以致充電時(shí)間很長(zhǎng)， 充電效率降低。除此之外，充電即將結(jié)束時(shí)，人們往往忘記將充電器拔下，繼續(xù)充電， 時(shí)間太長(zhǎng)久，電池發(fā)熱量很大，從而造成電池極化，影響電池壽命，很可能導(dǎo)致電池?zé)o 法再次使用，出現(xiàn)鼓包、流水等現(xiàn)象。由此可見，一個(gè)性能良好的充電器對(duì)電池的使用 壽命具有舉足輕重的作用。它不僅可以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命、節(jié)約有限的資源，同時(shí) 也能夠降低電動(dòng)自行車用戶的經(jīng)濟(jì)投入。電動(dòng)自行車智能充電器設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是在研究充電方法對(duì)蓄電池壽命影響的基礎(chǔ) 上，選擇合適的控制參數(shù)和充電策略，并在硬件上低成本地實(shí)現(xiàn)充電時(shí)充的合適，然后 再轉(zhuǎn)以小電流慢充其電池，使家用蓄電池被充壞的程度降到最低。1充電器1.1 充電

15、器的分類為確保電動(dòng)自行車有足夠的功率正常行駛，就必須對(duì)蓄電池消耗減少的電能進(jìn)行有 效地補(bǔ)充。充電器是電動(dòng)車五大核心部件之一，它的質(zhì)量好壞將直接影響蓄電池的使用 壽命。目前市售電動(dòng)自行車充電器有正負(fù)脈沖式、二段式、三段式和全智能脈沖充電器 等，其中三段智能充電器用戶較多。充電器的規(guī)格依據(jù)蓄電池的容量不同，有 24V、12A 36V、12A； 36V、14A; 48V、 17A； 48V、20A和36V/48V共用型充電器。3電動(dòng)自行車智能充電器設(shè)計(jì)由于電動(dòng)自行車生產(chǎn)廠家眾多，其充電器的外形各異。常見的電動(dòng)自行車和電動(dòng)三輪車的充電器外形，如圖1-1所示圖1-1*幾種常見的電動(dòng)車蓄電池充電器外形21

16、1.2 充電器的結(jié)構(gòu)電動(dòng)自行車充電器主要由整流濾波、高壓開關(guān)、電壓變換、恒流、恒壓和充電控制 等幾個(gè)部分電路組成。充電器內(nèi)的主要元器件有脈寬調(diào)制專用集成電路、電壓比較放大器、開關(guān)管、整流 二極管、驅(qū)動(dòng)三極管、電阻、電容及變壓器等?，F(xiàn)代脈沖智能充電器與高頻開關(guān)電源技術(shù)、嵌入式數(shù)字電路先進(jìn)的智能控制，輸出脈沖的智能檢測(cè)與控制技術(shù)來調(diào)整輸出脈 沖充電器，通過比例控制來實(shí)現(xiàn)極化函數(shù)。充電器采用自適應(yīng)技術(shù)在充電過程中，充電 蓄電池的實(shí)時(shí)檢測(cè)，自動(dòng)調(diào)整充電器充電模式，達(dá)到最佳的控制方式，具有保護(hù)功能齊 全，最大限度的保證了充電器的穩(wěn)定性和可靠性。因此，充電器的電路組成正由傳統(tǒng)的分立元件，向集成化、數(shù)字化、

17、智能化過渡， 結(jié)構(gòu)越來越緊湊，體積越變?cè)叫。亓吭絹碓捷p，工作越來越精確可靠。1.3 充電器的充電原理1.3.1 蓄電池蓄電池是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種裝置，是按可再充電設(shè)計(jì)的電池，通過可逆的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)再充電，通常是指鉛酸蓄電池，它是電池中的一種， 屬于二次電池。它的工作原理：充電時(shí)利用外部的電能使內(nèi)部活性物質(zhì)再生，把電能儲(chǔ) 存為化學(xué)能，需要放電時(shí)再次把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能輸出。我們常用的車用蓄電池主要分為三類，分別為普通蓄電池、干荷蓄電池和免維護(hù) 蓄電池三種。普通蓄電池：普通蓄電池的極板是由鉛和鉛的氧化物構(gòu)成，電解液是硫酸 的水溶液。干荷蓄電池：它的全稱是干式荷電鉛酸蓄電池，它的主要特點(diǎn)是

18、負(fù)極板有較 高的儲(chǔ)電能力。免維護(hù)：免維護(hù)蓄電池由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，電解液的消耗量非常小,在使用壽命內(nèi)基本不需要補(bǔ)充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特 點(diǎn)，使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍3 01.3.2 蓄電池充電理論基礎(chǔ)理論和實(shí)踐證明，充電和放電的電池是一種復(fù)雜的電化學(xué)過程。一般來說，在充電過程中充電電流隨時(shí)間呈指數(shù)下降，不能自動(dòng)根據(jù)恒壓電 流或恒壓電壓充電。充電過程中影響充電的因素很多，如電解質(zhì)濃度、環(huán)境溫度、極板 活性物質(zhì)，都會(huì)使充電產(chǎn)生很大的差異。隨著放電狀態(tài)、使用和貯存期是不同的，甚至 同一類型，電池的充電能力也是不一樣的。經(jīng)過對(duì)開口蓄電池的充電過程的大量試驗(yàn)研 究,

19、以最低出氣率為前提，提出了蓄電池可接受的充電曲線，如圖1-2所示。實(shí)驗(yàn)表明, 如果充電電流根據(jù)變化的曲線變化，可以大大縮短充電時(shí)間，對(duì)電池的容量和壽命也沒有影響。原則上，這種曲線稱為最佳充電曲線，它為快速充電方法的研究方向奠定了基礎(chǔ)2圖1-2 最佳充電曲線由圖1-2可以看出：初始充電時(shí)，電流非常大，但衰減快，主要的原因是在充電過 程中產(chǎn)生的極化現(xiàn)象。在密封式電池充電過程中，內(nèi)部產(chǎn)生的氫氣和氧氣不被吸收時(shí)， 會(huì)積累在正極板，使電池的內(nèi)部壓力加大、電池的溫度上升，并減少正極板面積，則會(huì) 顯示阻力上升，于是出現(xiàn)了極化現(xiàn)象。蓄電池充放電是可逆的，其放電及充電的化學(xué)反 應(yīng)式如下：PbQ+ R+ 2HSQ

20、2HSQ + 2H2O(1-1)可以看出，充電和放電為互逆反應(yīng)過程?？赡孢^程熱力學(xué)平衡的過程，為了保證電 池保持在平衡狀態(tài)下的充電，所以必須設(shè)法使電池電流較小。在理想的條件下，施加的 電壓等于電池的電動(dòng)勢(shì)。然而，實(shí)踐表明，蓄電池充電時(shí)，所施加的電壓必須增加到一 定值時(shí)，這個(gè)值由于電極材料、溶液濃度等各種因素的差別而在不同程度上超過了蓄電 池的平衡電動(dòng)勢(shì)值。在化學(xué)反應(yīng)中，電動(dòng)勢(shì)超過熱力學(xué)平衡值的現(xiàn)象稱為極化現(xiàn)象。1.4 充電方法的研究常規(guī)充電制度是依據(jù)國(guó)際公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)法則設(shè)計(jì)的。其中最著名的就是“安培小時(shí)規(guī)則”：充電電流安培時(shí)數(shù)，不應(yīng)超過蓄電池待充電的安培時(shí)數(shù)。實(shí)際上，常規(guī)充電的速 度被蓄電池在充

21、電過程中的溫度上升和氣體的產(chǎn)生所限制。這個(gè)現(xiàn)象對(duì)蓄電池充電所必須的最短時(shí)間具有重要意義1。一般來說，常規(guī)充電法有以下三種：1 )恒流充電法：是指蓄電池充電時(shí)，自始至終以固定不變的電流進(jìn)行充電，該電流是用調(diào)整充電裝置的辦法來達(dá)到。此充電辦法有較大的適應(yīng)性，可以任意選擇和調(diào)整充電電流。因此可以對(duì)各種不同情況及狀態(tài)的蓄電池充電，特別適用于用小電流長(zhǎng)時(shí)間 的活化充電模式.對(duì)由多數(shù)電池串聯(lián)的電池組充電，且有利于容量恢復(fù)較慢的蓄電池的充電。如圖圖1-3 恒流充電曲線2 ）恒壓充電法：恒壓充電的充電特點(diǎn)是充電過程中的充電電壓始終保持不變。開 始充電時(shí)，由于電源與電池的壓差很大，因而充電電流也很大，這很容易沖

22、壞電池的極 板；隨著電池電壓的升高，電源與電池的壓差逐漸減小，充電電流也減小，又會(huì)減緩充 電速度，使得整個(gè)充電過程不均衡。如圖1-4所示。3 ）快速充電：快速充電采用瞬間放電或停電等去極化措施，以比恒壓、恒流充電 法大得多的電流進(jìn)行充電?？焖俪潆娝俣瓤?，由于在充電過程中采用去極化措施，充電 效果好，可節(jié)約大量的電能 01.5 充電方法的設(shè)計(jì)目前，電動(dòng)自行車主要以鉛酸蓄電池為動(dòng)力，考慮到鉛酸蓄電池自身的一些特性， 本文介紹的快速充電裝置所采用的充電方法將整個(gè)充電過程一般分為四個(gè)階段：涓流充電一快速充電一均充電一浮充電。如圖 1-5所示：圖1-5 鉛酸蓄電池要求的充電電壓電流曲線1) 涓流充電對(duì)長(zhǎng)

23、期不用的電池、新電池或在充電初期已處于深度放電狀態(tài)的蓄電池充電時(shí)，一 開始就采用快速充電會(huì)影響電池的壽命。為了避免這一問題要先對(duì)蓄電池實(shí)行穩(wěn)定小電流充電，使電池電壓上升，當(dāng)電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時(shí)再進(jìn)行大電流 快速充電。2) 快速充電在快速充電過程中，采用分級(jí)定電流脈沖快速充電法，將充電電流分成三級(jí)。開始 充電時(shí)采用大電流，隨著電池容量的增加，電壓逐漸升高，電流等級(jí)開始降低，使充電 電流的脈沖幅度和寬度隨蓄電池端電壓的升高而分級(jí)減小。這種方法可以用來消除振蕩現(xiàn)象和過充電的問題。在脈沖快速充電過程中，電池電壓上升較快，當(dāng)電壓上升至補(bǔ)足 充電電壓值時(shí)，轉(zhuǎn)入均充電階段。3) 均充電該階

24、段為恒壓充電，它可以快速恢復(fù)電池容量。此時(shí)充電電流減小，當(dāng)電流下降至 某一固定值時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入浮充電。4) 浮充電該階段以較小的電流向蓄電池充電，使蓄電池經(jīng)常處于滿充電狀態(tài)。此時(shí)標(biāo)志著充電過程結(jié)束。2總體設(shè)計(jì)方案2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)課題的要求，系統(tǒng)采用開關(guān)電源，通過脈沖電流的方式來實(shí)現(xiàn)充電的目的5。由市電送來的220V交流電經(jīng)整流、濾波后，經(jīng)脈沖變壓器降壓送給蓄電池進(jìn)行充電。 對(duì)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行采樣和控制，將充電的電壓和電流信號(hào)反饋回PWM&號(hào)發(fā)生器，由PWM信號(hào)發(fā)生器控制開關(guān)管通斷的占空比完成充電的。當(dāng)蓄電池的電壓達(dá)到額定值后，說明蓄電池已經(jīng)充滿電?？刂崎_關(guān)，斷開電源，停止充電。2.2 方案比較與

25、方案選擇方案一：用PW信號(hào)發(fā)生器（UC3842）實(shí)現(xiàn)。蓄電池充電時(shí)，電壓、電流采樣電路將 蓄電池的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣的信號(hào)經(jīng)過各種處理后，分別送進(jìn)PW信號(hào)發(fā)生器的電壓和電流反饋引腳。PWM信號(hào)發(fā)生器對(duì)反饋回來的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行分析， 然后調(diào)整PWM輸出信號(hào)的占空比。這個(gè)PW信號(hào)送給開關(guān)電源開關(guān)管，從而便調(diào)節(jié)的開 關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)關(guān)斷和導(dǎo)通的時(shí)間，也就是控制了高頻變壓器通斷的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn) 控制高頻變壓器輸出電壓和電流的大小。這種方法是目前市場(chǎng)充電器流行使用的方法， 也是一種很技術(shù)非常成熟的方法。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是，技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟、有多年的實(shí)用 經(jīng)驗(yàn)、所需的元器件少、成本低。如圖 2-

26、1所示：圖2-1 方案一原理圖方案二：用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的方案。由51系列單片機(jī)代替PWM信號(hào)發(fā)生器輸出PWM 波形控制開關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通與斷開。電壓、電流采樣電路將蓄電池的電壓、電 流信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣信號(hào)分別送進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將電壓和電流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號(hào)。數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)（MCU），由單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析和處理。然后單片 機(jī)調(diào)整PWM輸出信號(hào)的占空比。這個(gè) PWM信號(hào)送給開關(guān)電源開關(guān)管，從而便調(diào)節(jié)的 開關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)關(guān)斷和導(dǎo)通的時(shí)間，也就是控制了高頻變壓器通斷的時(shí)間，從而實(shí) 現(xiàn)控制高頻變壓器輸出電壓和電流的大小。當(dāng)蓄電池充電滿后，由單片機(jī)輸出信號(hào)控制 開關(guān)斷開電源，充電器便

27、停止對(duì)蓄電池的充電 。這是充電器目前比較新的一種方法， 這種方案的特點(diǎn)是，技術(shù)比較復(fù)雜、沒有什么實(shí)用經(jīng)驗(yàn)、所需的元器件少，成本比方案 一要高，單片機(jī)使用軟件來控制整個(gè)充電器，使得充電的過程易于控制。在充滿電的情 況下才會(huì)產(chǎn)生過充電的現(xiàn)象，減少蓄電池的損耗，延長(zhǎng)蓄電池的壽命，如圖2-2所示：圖2-2 方案二原理圖方案三：用VHDL （超高速集成電路）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。用 VHDL設(shè)計(jì)主要是利用有限 狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。用狀態(tài)機(jī)來控制 A/D采樣，包括將采得的數(shù)據(jù)存入 RAM，整個(gè)采樣周 期需要4至5個(gè)狀態(tài)即可完成。由FPGA代替PWM信號(hào)發(fā)生器輸出PWM波形控制開 關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通與斷開。電壓、電流采樣

28、電路將蓄電池的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行 采樣，采樣信號(hào)分別送進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將電壓和電流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字 信號(hào)送入FPGA，由FPGA的有限狀態(tài)機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析和處理。然后FPGA調(diào)整PWM輸出信號(hào)的占空比。這個(gè) PWM信號(hào)送給開關(guān)電源開關(guān)管，從而便調(diào)節(jié)的開關(guān)管 在一個(gè)周期內(nèi)關(guān)斷和導(dǎo)通的時(shí)間，也就是控制了高頻變壓器通斷的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)控制 高頻變壓器輸出電壓和電流的大小。當(dāng)蓄電池充電滿后，由單片機(jī)輸出信號(hào)控制開關(guān)斷 開電源，充電器便停止對(duì)蓄電池的充電。這是充電器目前比較新的一種方法，這種方案 的特點(diǎn)是，技術(shù)是最復(fù)雜、使用 VHDL語言編程比較復(fù)雜，沒有實(shí)用經(jīng)驗(yàn)、所需的元器 件少、成本

29、比上兩個(gè)方案都要高，但是由于 FPGA能通過編程構(gòu)造各種功能的模塊，可 以大大的減少外圍電路，增加電路的抗干擾的能力，F(xiàn)PGA的晶振頻率一般為幾十MHz， 故信號(hào)的采樣頻率高。在充滿電的情況下才會(huì)產(chǎn)生過充電的現(xiàn)象，減少蓄電池的損耗， 延長(zhǎng)蓄電池的壽命，如圖2-3所示圖2-3 方案三原理圖綜合以上三個(gè)方案，方案二成本比方案一高，利用到單片機(jī)，而且需要PLC編程,對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)方面不切實(shí)際，在此不選用這種方案。方案三需要的成本最高，編寫 VHDL程序復(fù)雜，在此不選用這種方案。方案一技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟、有多年的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)、 所需的元器件少、成本低，因此在本次設(shè)計(jì)選擇此方案。3電路的設(shè)計(jì)3.1 電路總體設(shè)計(jì)

30、由市電送來的220V的交流雙向?yàn)V波抑制干擾進(jìn)行整流濾波，得到大約300V的直流電送入給高頻脈沖變壓器，高頻變壓器的次級(jí)繞組輸出電壓給蓄電池充電。在蓄電池 的出口處分別的進(jìn)行電壓和電流的采樣，采樣信號(hào)送入低通濾波器以濾掉諧波的干擾。 以UC3842驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管的單管開關(guān)電源，然后再輸出的 PWM波形的頻率和占空比， 配合LM358雙運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)階段充電方式，如圖 3-1所示。圖3-1電路總體設(shè)計(jì)原理圖3.2 充電器電路圖及各元件作用TO 為雙向?yàn)V波抑制干擾，T1為高頻脈沖變壓器，其作用有三個(gè)：第一是把高壓脈沖降壓為低壓脈沖；第二是起到隔離高壓的作用，以防觸電；第三是為UC3842提供工作電源。D1

31、整流為直流，D4為高頻整流管（16A/60V） ,D5為12V穩(wěn)壓二極管，D6為充 電指示燈，D10是電源指示燈。C10為低壓濾波電容，C11濾波形成約300V左右的直流 電。R28是電流取樣電阻（0.1歐姆，5w）改變W1的阻值可以調(diào)整充電器轉(zhuǎn)浮充的拐點(diǎn) 電流（200-300 mA）。U1為UC3842脈寬調(diào)制集成電路，其5腳為電源負(fù)極，7腳為電源正極，6腳為脈沖輸出直接驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管 Q1,3腳為最大電流限制，調(diào)整R7（2.5歐姆） 的阻值可以調(diào)整充電器的最大電流， 2腳為電壓反饋，可以調(diào)節(jié)充電器的輸出電壓， 4腳外接振蕩電阻R1和振蕩電容C1。U3（TL431）為精密基準(zhǔn)電壓源，配合U2（

32、光耦合器）起到自動(dòng)調(diào)節(jié)充電器電壓的作用并調(diào)整 所示。w2（微調(diào)電阻）可以細(xì)調(diào)充電器的電壓。如圖3-2錯(cuò)誤！未指定書簽。圖3-2 充電器電路圖3.3 功能模塊電路的設(shè)計(jì)3.3.1 第一路 通電開始 第一路如圖3-3 :市電送來的220v交流電經(jīng)TO雙向?yàn)V波 抑制干擾，D1整流為脈動(dòng)直流，再經(jīng)C11濾波形成約300V左右的直流電。此電壓一路 經(jīng)T1加載到Q1。錯(cuò)誤！未找到引用源。圖3-3 整流電路3.3.2 第二路UC3842電路UC3842是開關(guān)電源用電流控制方式的脈寬調(diào)制集成電路。與電壓控制方式相比在負(fù)載響應(yīng)和線性調(diào)整度等方面有很多優(yōu)越之處。該電路主要 特點(diǎn)有：內(nèi)含欠電壓鎖定電路；低起動(dòng)電流（

33、典型值為0.12mA;穩(wěn)定的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源；大電流推挽輸出（驅(qū)動(dòng)電流達(dá)1A）；工作頻率可到500kHz;自動(dòng)負(fù)反饋補(bǔ)償電路； 雙脈沖抑制；較強(qiáng)的負(fù)載響應(yīng)特性11。UC3842的內(nèi)部由啟動(dòng)電路，振蕩電路，基準(zhǔn)電壓發(fā)生器，PW特制電路，驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。其各引腳功能如下，如圖3-4所示：錯(cuò)誤！未找到引用源。圖3-4 UC3842引腳圖1腳COM是內(nèi)部誤差放大器的輸出端，通常此腳與2腳之間接有反饋網(wǎng)絡(luò)，以確定 誤差放大器的增益和頻響。2腳VFB是反饋電壓輸入端（內(nèi)部誤差放大器反相輸入端），此腳與內(nèi)部誤差放大器 同向輸入端的基準(zhǔn)電壓（一般為+2.5V）進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制電壓，控制脈沖的寬度。3腳ISEN

34、SE是電流傳感端又可定義為充電電流控制端。 在外圍電路中，功率開關(guān)管 的源極串接一個(gè)小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉(zhuǎn)換成電壓，此電壓送入3腳，控制脈寬。此外，當(dāng)電源電壓異常時(shí)，功率開關(guān)管的電流增大，當(dāng)取樣電阻上的電 壓超過1V時(shí)，UC3842就停止輸出，有效地保護(hù)了功率開關(guān)管。4腳 RT/CT是外接振蕩器定時(shí)端。鋸齒波振蕩器外接定時(shí)電容C和定時(shí)電阻R的公共端。5腳GND是接地。6腳OUT是驅(qū)動(dòng)脈沖輸出端，此腳為圖滕柱式輸出，驅(qū)動(dòng)能力是土 IA。這種圖騰柱 結(jié)構(gòu)對(duì)被驅(qū)動(dòng)的功率管的關(guān)斷有利，因?yàn)楫?dāng)三極管 VTl截止時(shí)，VT2導(dǎo)通，為功率管關(guān) 斷時(shí)提供了低阻抗的反向抽取電流回路，加速功率管的關(guān)

35、斷。7腳Vcc是電源。當(dāng)供電電壓低于+ 16V時(shí)，UC3824不工作，此時(shí)耗電在1mA以下。 輸入電壓可以通過一個(gè)大阻值電阻從高壓降壓獲得。芯片工作后，輸入電壓可在+10+30V之間波動(dòng)，低于+10V停止工作。工作時(shí)耗電約為15mA此電流可通過反饋電阻提 供。8腳VREF是 5V基準(zhǔn)電壓輸出，可輸出精確的+5V基準(zhǔn)電壓，電流可達(dá)50mA7。錯(cuò)誤！未找到引用源。圖3-5 UC3842電路UC3842電路如圖3-5，分析如下：300V的直流電壓經(jīng)過 R2, C8, C3為脈寬調(diào)制 集成電路U1的第七腳提供啟動(dòng)電壓，U1的7腳的道啟動(dòng)電壓后，（7腳電壓高于14V 時(shí)，集成電路開始工作）強(qiáng)迫U1啟動(dòng)，

36、6腳輸出PWM脈沖，Q1開始工作，電流經(jīng)R7 到地，三腳為最大電流限制，經(jīng)過 R9, R10,到R7,調(diào)整R7阻值可以調(diào)整充電器的最 大電流。同時(shí)，T1變壓器的副線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓，經(jīng) D3, R4給U1提供可靠電源。T1 輸出線圈的電壓經(jīng)D4高頻整流管，低壓濾波電容 C10整流濾波后提供了穩(wěn)定的工作電 壓。此電壓一路經(jīng)D7（D7起到防止電池的電流倒灌給充電器的作用）給電池充電。四 腳外接振蕩電阻R1和振蕩電容C1決定U1的振蕩頻率4。3.3.3 第三路LM358電路 LM358是內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ) 償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用， 也使用于雙電源工作

37、模式， 在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流 增益模塊和其他所用可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。錯(cuò)誤！未找到引用源。圖3-6 LM358引腳圖LM358引腳功能：第3腳的+IN1和第5腳的+IN2是運(yùn)放正向輸入端；第2腳的-IN1 和第6腳的-IN2是運(yùn)放反向輸入端；第1腳的OUT俐第7腳的OUT2:是運(yùn)放的輸出 端；第8腳是12V供電；第4腳是接地。結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。LM358電路如圖3-7 ,分析如下：由一個(gè)穩(wěn)定的電壓由第二路流入LM358的R15,第三路經(jīng)R15, D5, C9及其外圍電路提供12V工作電源。D9為L(zhǎng)M358提供基準(zhǔn)電壓，

38、經(jīng)R25, R24分壓到達(dá)LM358A的第2腳和LM358B的第5腳。正常充電時(shí)，R28電流 取樣電阻上端有0.15-0.18V左右電壓，此電壓一路經(jīng) R27加載到LM358A的第3腳， 從1腳送出高電壓，此電壓一路經(jīng) R18,強(qiáng)迫Q2導(dǎo)通，D6LED紅燈點(diǎn)亮。錯(cuò)誤！未找到引用源。圖3-7 LM358電路第二路注入LM358B的6腳，7腳輸出低電壓，迫使Q3關(guān)斷，D10LED綠燈熄滅， 充電器進(jìn)入恒流源充電階段。當(dāng)電池電壓上升到 44.2V左右時(shí)，充電器進(jìn)入恒壓充電階 段，輸出電壓維持在44.2V左右，充電器進(jìn)入恒壓充電階段，電流逐漸減少，當(dāng)充電電 流減少到200MA-300MA時(shí)，R28上端

39、的電壓下降，LM358的3腳電壓低于2腳，1腳 輸出低電壓，Q2關(guān)斷，D6熄滅。同時(shí)7腳輸出高電壓，此電壓一路迫使Q3導(dǎo)通，D10 點(diǎn)亮，另一路經(jīng)D8, W1到達(dá)反饋電路，使電壓降低，充電器進(jìn)入涓流充電階段。由此 進(jìn)入快速充電階段，1到2小時(shí)充電結(jié)束。3.4 輔件散熱風(fēng)扇因?yàn)闆]有加散熱風(fēng)扇，開關(guān)管很易過熱損壞，可用一只小風(fēng)扇。由圖 3-8所示，左 邊是開關(guān)變壓器及加繞的線圈，用漆包線在變壓器空隙中穿繞 35匝而成。線圈輸出的 高頻交流電壓由VD整流，C濾波后給風(fēng)扇M供電。實(shí)踐證明，12V風(fēng)扇在812v范圍 內(nèi)皆可工作，線圈實(shí)際繞的匝數(shù)有實(shí)驗(yàn)確定，由于 M工作電流僅有100多ma。因而不 會(huì)對(duì)開

40、關(guān)管及電路造成影響。錯(cuò)誤！未找到引用源。圖3-8 散熱風(fēng)扇圖4總結(jié)采用以UC3842驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管的單管開關(guān)電源配合 LM358雙運(yùn)放電路設(shè)計(jì)的智能充 電器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電車的蓄電池進(jìn)行充電，并能夠根據(jù)充電過程自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，可 以實(shí)現(xiàn)充電過程的無人值守，延長(zhǎng)電池的使用壽命。由于設(shè)計(jì)時(shí)間短，在電路設(shè)計(jì)與充 電算法方面還存在不足，有待于以后不斷改進(jìn)。因電動(dòng)車智能充電器對(duì)可靠性要求很高，因此除了要對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)外， 還要對(duì)保護(hù)電路進(jìn)行完善考慮。因此，我們需要對(duì)設(shè)置輸入欠壓、過壓及過流；輸出過 流、過壓及短路；功率管過流及過熱保護(hù)；蓄電池的過熱保護(hù)等方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究 和創(chuàng)新。電動(dòng)摩托車充電

41、器已制造出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，其性能方面已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新的臺(tái)階。 我們堅(jiān)信，電動(dòng)自行車使用鉛蓄電池是一個(gè)潛在的巨大的持久性產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過幾年的努力 它一定會(huì)演變成現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)，給人們的生活和工作帶來巨大的變化。通過本次的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)，做為對(duì)大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的總結(jié)，我學(xué)到了很多東西， 同時(shí)在設(shè)計(jì)制作的過程中也發(fā)現(xiàn)很多的問題，從最開始論文課題的選擇到對(duì)相關(guān)課題資料的搜集，再到自己對(duì)論文內(nèi)容思路的設(shè)計(jì)、編寫以致最后階段的修改與完善。在這個(gè) 過程里，加深了我對(duì)我們大學(xué)四年所學(xué)習(xí)的相關(guān)電子知識(shí)的理解，使我對(duì)自己所學(xué)的知 識(shí)得到了更好的掌握。參考文獻(xiàn)：1 王鴻麟，錢建立，周曉軍智能快速充電器設(shè)計(jì)與制作 J.北京：科學(xué)出版

42、社，20092 朱松然.鉛酸蓄電池技術(shù)第二版M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20083 朱松然.蓄電池手冊(cè)M.天津：天津大學(xué)出版社，20054 楊幫文.實(shí)用電池充電器與保護(hù)器電路集錦M.北京：電子工業(yè)出版社，2007 劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)M.北京：電子工業(yè)出版社，2010 蔡純潔，邢武.單片機(jī)原理和應(yīng)用M.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2010.057 李序葆，趙永健.電力電子器件及其應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.078 姜紹信.鉛酸蓄電池的快速充電J.天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社,20109 孫立群，張寶金.電動(dòng)自行車充電器與維修M.北京：人民郵電大學(xué)出版社，200910 薛金梅.圖解維修電動(dòng)自行車智能充電器和控制器M.北京：機(jī)械工程出版社， 2005.0111 周志敏，周繼海，紀(jì)愛華.充電器電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用M.北京：人民郵電出版社， 2003.10致謝通過本次設(shè)計(jì)，對(duì)充電器的整個(gè)流程的實(shí)現(xiàn)有了充分的了解，在這方面的