电动自行车充电器设计Word格式文档下载.docx

电动自行车充电器设计Word格式文档下载.docx

《电动自行车充电器设计Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电动自行车充电器设计Word格式文档下载.docx（26页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

现在全世界都在宣传低碳生活，如果使用智能式充电器就能起到节约能量消耗，增加蓄电池的使用寿命，不仅是对于电动车也是对地球的一种保护。

而且最近几年许多新闻报道中都有使用者因为使用不当，比如蓄电池的反接或者先将充电器与市电相连再与蓄电池相接，这些都会危及到使用者的生命安全和蓄电池的完好，所以我们需要一种更安全更环保的充电器，这定将是未来充电器的发展方向。

于是我们根据时代的发展及要求设计了一款目前市场充电器流行使用的方法，也是技术较成熟的一种设计，采用UC3842驱动场效应管的单管开关电源配合LM324设计的三段式智能充电器。

该充电器虽然存在维修难度大，功率小等缺点，但它具有体积小，重量轻，效率高，适应市电输入范围宽，安全可靠等优点，所以开关电源式充电器相对于变压器式充电器和可控硅式充电器来说将会是今后电动车充电器的发展方向，我也相信随着科学技术的不断进步，电动车以及电动汽车的也会有更加美好的未来。

第1章电池及充电方式

1.1蓄电池

对于铅酸、镉镍、镍氢3类以水为溶剂的电解液蓄电池，为了使用上的安全、方便、长寿命和免维护，在全世界化学电源工作者数代人不懈的努力下，终于从大量的实验中发现了"

内部氧循环"

的理论机制，使得该3类蓄电池所有的充放电反应，能在一个设计完好的带阀控的密封容器中反复安全进行。

即蓄电池在充电和过充电期间，正电极析出的氧到达负电极后，能全部被负电极吸收还原，关系为i（O2析出）=i（O2还原），因而，蓄电池在长期的充放电过程中，不会造成电解液中水的损耗，以此来保证蓄电池的循环使用寿命与充电的安全。

1.2充电原理

pbO2+pb+H2SO4==2pbSO4+2H2O在充电时，在电能的作用下，转化为pbO2、铅和硫酸，也就是说充电是由电能转化为化学能的过程。

放电时，正极板接受了负极板送来的电子，铅离子由正4价变为正2价，与硫酸根接触生成难溶于水的硫酸铅，负极的铅由于输出2个电子，变成正2价，同样也生成硫酸铅。

也就是说放电时，再由贮存的化学能转为电能。

1.2.1常规充电法

1）恒流充电法

恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法。

控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。

2）恒压充电法

充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。

与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。

用恒定电压快速充电。

由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易的控制系统。

这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。

但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。

鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。

例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。

3）阶段充电法

此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。

a）二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法。

首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。

一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。

b）三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。

当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。

这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。

1.2.2充电方法设计

基于上述理论，并考虑到铅酸蓄电池自身的一些特性，本文介绍的快速充电装置所采用的充电方法为三段式，将整个充电过程分为：

恒流，恒压及涓流3个阶段，根据蓄电池充电前的残余电量，进入不同的充电阶段。

1、恒流阶段

当蓄电池电量较低时，首先进入恒流充电阶段，充入电量快速增加，电池电压上升。

2、恒压阶段

恒流充电阶段完毕后，充电进入恒压充电阶段，充电器充电电压保持恒定，充入电量继续增加，电池电压缓慢上升，充电电流下降；

3、涓流阶段

当蓄电池电量充满后，充电电流下降到低于浮充转换电流，充电器充电电压降至浮充电压，此时充电转入涓流阶段，充电器充电电压保持为浮充电压，主要用来弥补自身放电，使蓄电池保持在近似完全充电状态的连续小电流充电。

第2章系统及元件

电动自行车充电器的设计方案可谓是多种多样，本次设计主要以模拟器件为核心器件设计并制作了充电电源及控制电路。

本章将讲述该设计的具体实现方案。

本次设计主要分为四个模块，即电源电路、振荡电路、电压保护电路及灯光指示电路。

通过这几部分的整合，从而实现充电器的功能。

2.1系统设计

根据题目的要求，系统采用开关电源，通过脉冲电流的方式来实现充电的目的。

由市电送来的220V电经整流、滤波、稳压输出36V对电池进行充电，同时本电路具有电压保护电路及灯光指示充电状态的功能。

主电路主要分为电源电路、振荡电路、电压保护电路、充电状态指示电路四个单元电路。

2.2方案选择

对系统信号进行采样和控制，一般有两到三种方法，传统的方法多数是将充电的电压和电流信号反馈回PWM信号发生器，由PWM信号发生器控制开关管通断的占空比完成的，现在比较新的方法是单片机和用状态机来实现。

本设计主要采用PWM信号发生器（比如UC3842）实现的方案。

蓄电池充电时，电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样的信号经过各种处理后，分别送进PWM信号发生器的电压和电流反馈引脚。

PWM信号器对反馈回来的电压、电流信号进行分析，然后调整PWM输出信号的占空比。

这个PWM信号送给开关电源开关管，从而便调节的开关管在一个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。

这种方法是目前市场充电器流行使用的方法，也是一种很技术非常成熟的方法。

而且技术简单、成熟、有多年的实用经验、所需的元器件少、成本低，安全可靠，适应市电输入范围宽都是其主要的优点。

2.3功能元器件概述

2.3.1稳压二极管

稳压二极管（又叫齐纳二极管）是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。

此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。

稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。

稳压二极管是根据击穿电压来分档的。

图3-1即为稳压管等效电路。

（1）工作原理

稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。

稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。

这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。

如图3-2画出了稳压管的伏安特性及其符号。

稳压管反向击穿后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。

利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。

因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。

其伏安特性见稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更多的稳定电压。

图3-1稳压二极管符号及福安特性

（2）稳压管的主要参数

1）稳定电压UzUz就是PN结的击穿电压，它随工作电流和温度的不同而略有变化。

对于同一型号的稳压管来说，稳压值有一定的离散性。

2）稳定电流Iz稳压管工作时的参考电流值。

它通常有一定的范围，即Izmin——Izmax。

3）动态电阻rz它是稳压管两端电压变化与电流变化的比值，如上图所示，即这个数值随工作电流的不同而改变。

通常工作电流越大，动态电阻越小，稳压性能越好。

（3）稳压二极管的选用

稳压二极管一般用在稳压电源中作为基准电压源或用在过电压保护电路中作为保护二极管。

选用的稳压二极管，应满足应用电路中主要参数的要求。

稳压二极管的稳定电压值应与应用电路的基准电压值相同，稳压二极管的最大稳定电流应高于应用电路的最大负载电流50%左右。

由上述内容可知，稳压管具有稳定电压的作用，它能使输出电压在一定范围内变化，从而为负载电路提供稳定的电压。

故选择稳压二极管维持电路的正常运行。

2.3.2变压器

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。

变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。

如图3-2所示。

图3-2变压器符号

（1）变压器的分类

按冷却方式分类：

干式（自冷）变压器、油浸（自冷）变压器、氟化物（蒸发冷却）变压器。

按防潮方式分类：

开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。

按铁芯或线圈结构分类：

芯式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、壳式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、环型变压器、金属箔变压器。

按电源相数分类：

单相变压器、三相变压器、多相变压器。

按用途分类：

电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。

（2）电源变压器的特性参数

1）工作频率

变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。

2）额定功率

在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。

3）额定电压

指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。

4）电压比

指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。

5）效率

指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。

通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。

设计中所采用的变压器由初线圈、上次级线圈、下次级线圈组成。

通过变压器振荡频率的改变，输出电压改变，经负载电路的控制，输出可供充电的电压。

2.3.3场效应管

场效应晶体管（FieldEffectTransistor缩写（FET））简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件。

场效应管的特点：

具有输入电阻高（100MΩ～1000MΩ）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。

场效应管的作用：

场效应管可应用于放大.由于场效应管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容可以容量较小,不必使用电解电容器。

场效应管可以用作电子开关。

场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换.常用于多级放大器的输入级作阻抗变换.场效应管可以用作可变电阻.场效应管可以方便地用作恒流源。

场效应管的分类：

场效应管分结型、绝缘栅型（MOS）两大类；

按沟道材料：

结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种；

按导电方式：

耗尽型与增强型,结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。

场效应管工作条件：

场效应管和三极管的功能、作用一样，可以用于放大、振荡、开关电路。

2.3.4光电耦合器

光电耦合器由一只发光管和一只光敏管构成，主要应用在组成开关电路，逻辑电路，隔离耦合电路，高压稳压电路等。

当光电耦合器输入端的发光管流过导通电流后开始发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电—光—电的转换。

光电耦合器包含如下工作特性：

1.共模抑制比很高：

在光电耦合器内部，但由于发光管和受光管之间的耦合电容很小的（2pF以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。

2.输出特性：

光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。

当IF>

0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。

IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。

3.光电耦合器可作为线性耦合器使用：

在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。

光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。

在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入和输出延迟时间相差很大，所以要对每个不同的光电耦合器区别对待。

图3-3即为光电耦合器符号

图3-3光电耦合器符号

2.3.5LM324四运算放大器

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图3-4所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；

Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

1脚OUT1是运算放大器1输出，其空载电压为18V。

2脚Inputs1（-）是运算放大器1反相输入端，其空载电压为0V。

3脚Inputs1（+）是运算放大器1同相输入端，其空载电压为5.1V。

4脚Vcc是供电，其空载电压为19V。

5脚Inputs2（+）是运算放大器2同相输入端，其空载电压为0.1V。

6脚Inputs2（-）是运算放大器2反相输入端，其空载电压为0.2V。

7脚OUT2是运算放大器2输出，其空载电压为0V。

8脚OUT3是运算放大器3输出，其空载电压为0.03V。

9脚Inputs3（-）是运算放大器3反相输入端，其空载电压为5V。

10脚Inputs3（+）是运算放大器3同相输入端，其空载电压为5.33V。

11脚GND是接地或负电源供电，其空载电压为0V。

12脚Inputs4（+）是运算放大器4同相输入端，其空载电压为0V。

13脚Inputs4（-）是运算放大器4反相输入端，其空载电压为0.05V。

14脚OUT4是运算放大器4输出，其空载电压为0V。

如图3-4即为LM324符号。

图3-4LM324运算放大器符号

2.3.6UC3842单管开关电源

UC3842属于单端输出脉宽控制芯片，它是一种高性能的固定频率电流型控制电路，广泛应用在隔离式单端开关电源设计以及直流—直流电源变换器中。

它主要的优点是外界元件少，结构简单，成本低。

UC3842的内部由启动电路，振荡电路，5V基准电压发生器，PWM特制电路，驱动电路等构成。

其各引脚功能如下：

1脚COMP是内部误差放大器的输出端，通常此脚与2脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。

2脚VFB是反馈电压输入端（内部误差放大器反相输入端），此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压（一般为+2.5V）进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度。

3脚ISENSE是电流传感端又可定义为充电电流控制端。

在外围电路中，在功率开关管（如VMos管）的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入3脚，控制脉宽。

此外，当电源电压异常时，功率开关管的电流增大，当取样电阻上的电压超过1V时，UC3842就停止输出，有效地保护了功率开关管。

4脚RT/CT是外接振荡器定时端。

锯齿波振荡器外接定时电容C和定时电阻R的公共端。

5脚GND是接地。

6脚OUT是驱动脉冲输出端，此脚为图滕柱式输出，驱动能力是±

lA。

这种图腾柱结构对被驱动的功率管的关断有利，因为当三极管VTl截止时，VT2导通，为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路，加速功率管的关断。

7脚Vcc是电源。

当供电电压低于＋16V时，UC3824不工作，此时耗电在1mA以下。

输入电压可以通过一个大阻值电阻从高压降压获得。

芯片工作后，输入电压可在+10～+30V之间波动，低于+10V停止工作。

工作时耗电约为15mA，此电流可通过反馈电阻提供。

8脚VREF是5V基准电压输出，可输出精确的+5V基准电压，电流可达50mA。

如图3-5即为UC3842引脚图、结构图。

图3-5UC3842引脚图和结构图

第3章硬件电路设计

3.1电源电路

本电路采用桥式整流滤波电路将输入的220V交流电压，经D1-D4桥式整流变成脉动直流，再经E1滤波将脉动直流转换成约300V的直流电压。

整流任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。

滤波电路则是滤除直流电中存在的脉动成分。

一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电感、电容组合而成的各种复式滤波电路。

3.1.1单相桥式整流电路

1）工作原理

单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图4-2（a）所示。

在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。

根据图4-2（a）的电路图可知：

当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。

当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。

在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。

单相桥式整流电路的波形图见图4-2（b）。

2）参数计算

根据图4-2（b）可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。

（a）桥式整流电路（b）波形图

图4-1单相桥式整流电路

流过负载的平均电流为

流过二极管的平均电流为

二极管所承受的最大反向电压

流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析，此时谐波分量中的二次谐波幅度最大。

脉动系数S定义为二次谐波的幅值与平均值的比值。

3）单相桥式整流电路的负载特性曲线

单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系

该曲线如图4-3所示，曲线的斜率代表了整流电路的内阻。

图4-3单相桥式整流电路的负载特性曲线

3.1.2滤波电路

由于整流电路整流的不彻底，输出的直流电压的脉动还较大，其输出电压只适用与工作要求不高的场合，而在有些设备中，如电子仪、自动控制装备等，则要求直流电压非常稳定。

为了获得平滑的直流电压，可采用滤波电路，滤除脉动直流典雅中的交流部分，滤波电路常由电容和电感组成。

滤波电路主要利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。

由于电容器具有隔直通交的作用，所以可以将C应该并联在负载两端。

而电感器的特点恰恰与电容器相反它对直流的阻抗小，对交流阻抗大。

因此L应与负载串联。

经过滤波电路后，既可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。

本电路把由整流电路输出的脉动直流电，经电容器E1滤波后送给后面电路。

3.2振荡电路

震荡电路，就是能产生大小和方向都随周期发生变化的电流叫振荡电流。

换句话说就是能产生振荡电流的电路即为振荡电路。

振荡电流是一种交变电流,是一种频率很高的交变电流，它无法用线圈在磁场中转动产生，只能是由振荡电路产生。

本设计采用的振荡电路为自激式，自激式是无须外加信号源能自行振荡，自激式完全可以把它看作是一个变压器反馈式振荡电路，而它激式则完全依赖于外部维持振荡，在实际应用中自激式应用比较广泛。

还有一种为他激式振荡电路，它必须由外部提供信号才能振荡。

220V电压由电路输入端输入，经整流滤波后得到300V直流电压，该电压直接加至变压器的初级线圈上，经过R2和D5加至场效应管Q1的漏极，同时300电压经过R3R4和R7加到场效应管Q1的栅极上，这里我们假设Q1处于关断状态，因为R3R4的阻值都较大，约为2.4M，300V电压送过来，其大部分电压被这两个电阻消耗，而加至Q1栅极上的电压只能使得场效应管处于由关断到微导通的过度过程，导致初级线圈上产生上正下负的电压，最终感应到次级上的电压为上负下正的电势，经过C5和R7送至Q1栅极，使Q1导通。

当到达一定程度时，次级电动势不在升高，则次级上的感应消失，Q1由导通变为微导通，导致初级电势正负颠倒，继而次级上变为上正下负，再次通过C5和R7加至Q1栅极，由于该电压为负的，Q1立即关断。

通过分析可知，这部分电路形成了由关断到微导通，再到导通，再到微导通，再到关断的一个振荡周期，此过程不断反复。

无需外在信号的作用，可见此振荡过程为自激式振荡。

见图4-4。

图4-4自激振荡电路

3.2.1振荡方式及电路

振荡电路一般可分为自激式和它激式两种。

自激式是无须外加信号源能自行振荡，自激式完全可以把它看作是一个变压器反馈式振荡电路，而它激式则完全依赖于外部维持振荡，在实际应用中自激式应用比较广泛。

常见的振荡电路为变压器反馈式振荡电路和三点式振荡电路。

1）变压器反馈式振荡电路

变压器反馈电路又称互感耦合振荡电路，这是一种引入正反馈最简单的振荡电路，用反馈电压取代输入电压，得到变压器反馈式振荡电路。

如图4-5所示