60V三段式智能電池充電器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)

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1、本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題題 目：目：60V60V 三段式智能電池充電器設(shè)計(jì)三段式智能電池充電器設(shè)計(jì) 專業(yè)代碼：專業(yè)代碼： 080604080604 作者姓名：作者姓名： 周樂平周樂平 學(xué)學(xué) 號：號： 20072010762007201076 單單 位：位： 物理科學(xué)與信息工程學(xué)院物理科學(xué)與信息工程學(xué)院 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 于會山于會山 20112011 年年 5 5 月月 2626 日日目錄目錄摘摘 要要.IABSTRACT.II1 前前 言言.12 充電器原理充電器原理 .22.1 鉛酸蓄電池的充電以及放電特性鉛酸蓄電池的充電以及放電特性.22.2 充電器的工作原理充

2、電器的工作原理.33 本設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì).43.1 使用芯片介紹使用芯片介紹 .43.2 電路總體設(shè)計(jì)電路總體設(shè)計(jì) .93.3 本設(shè)計(jì)的硬件工作原理本設(shè)計(jì)的硬件工作原理.103.4 本設(shè)計(jì)的硬件主要工作原理圖及實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的硬件主要工作原理圖及實(shí)現(xiàn).124 三段式電池充電器設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)三段式電池充電器設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn) .154.1 設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)的功能.154.2 設(shè)計(jì)的主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn).16總總 結(jié)結(jié) .17參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).18致致 謝謝 .19摘摘 要要該設(shè)計(jì)公開了一種通用型快速智能充電器，其主要由電池檢測分析模塊、充電參數(shù)調(diào)整與動態(tài)控制模塊、綜合控制檢

3、測模塊、充電模塊和指示模塊構(gòu)成。該充電器采用 KA3842、LM358 為控制單元，將蓄電池的預(yù)充電控制、快速充電控制、補(bǔ)充充電控制和涓流充電控制四個(gè)過程集于一體，完成對充電執(zhí)行電路的全過程控制，能極大改善充電水平，從而有效提高電池的實(shí)際使用壽命。自動識別不同種類的電池，根據(jù)其最佳充電曲線自動對控制器里的充電程序進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，完成對不同類型的蓄電池充電。關(guān)關(guān)鍵鍵詞詞：智能充電器；預(yù)充電控制；快速充電控制；補(bǔ)充充電控制；涓流充電控制。AbstractThe present invention discloses a universal quick smart charger, the main

4、 analysis module by the battery detection, charge parameter adjustment and dynamic control module, integrated control detection module, charge module and instruction module. The charger uses KA3842, LM358 for the control unit, the battery of pre-charge control, fast charge control, supplementary tri

5、ckle charge control and charge control process set in one of four to complete the implementation of the charging control circuit of the whole process, can greatly improve the level of charge, thus effectively improving the actual battery life. Automatic identification of different types of batteries

6、, according to its optimum charging curve automatically charge the controller to adjust procedures accordingly to complete the different types of battery charging. Key words: intelligent charger; pre-charge control; fast charge control; added charge control; trickle charge control .1 前前 言言電動車以其方便，快捷

7、，環(huán)保，經(jīng)濟(jì)，實(shí)用的特點(diǎn)，獲得人們的青睞，越來越多的人選擇電動車作為代步工具，電動車也被人們認(rèn)為是 21 世紀(jì)的綠色工程，同時(shí)它的出現(xiàn)也將汽車工業(yè)的發(fā)展帶入了一個(gè)全新的領(lǐng)域。電動車核心部件中的電動機(jī)，控制器和車體三大部件在理論和技術(shù)上已較為成熟，而另兩大部件蓄電池，充電器的發(fā)展還不能滿足電動車的要求，有一些理論和技術(shù)問題還有待攻關(guān)，現(xiàn)已成為影響電動車發(fā)展的瓶頸。目前電動車使用的電池主要由鉛酸蓄電池，鎳金屬氫化物蓄電池，鋰離子蓄電池，燃料電池等，其中鉛酸蓄電池以其價(jià)格低廉，材料來源豐富，技術(shù)和制造工藝較成熟，電池容量大，跟隨負(fù)荷輸出特性好，無記憶效應(yīng)等優(yōu)勢成為電動車目前主要采用的電池種類。近年來

8、鉛酸蓄電池自身的技術(shù)有了不小的進(jìn)步，比如全密封免維修鉛酸蓄電池的出現(xiàn)還有鉛酸蓄電池廣泛應(yīng)用于國防，通信，鐵路，交通工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門等，但作為其能量再次補(bǔ)充的充電器卻發(fā)展緩慢，充電時(shí)間過長，充電電流調(diào)整不好，充電器輸出電壓不足等等原因?qū)е滦铍姵氐氖褂脡勖蟠蟮乜s短，嚴(yán)重的制約著電動車的發(fā)展。一般人們都是在蓄電池的電量全部使用完之后再對其進(jìn)行充電，但這樣的結(jié)果卻容易導(dǎo)致充電器的過充而損壞，致使蓄電池過早地報(bào)廢而污染環(huán)境，要知道每年報(bào)廢的蓄電池的數(shù)量是十分恐怖的?，F(xiàn)在全世界都在宣傳低碳生活，如果使用智能式充電器就能起到節(jié)約能量消耗，增加蓄電池的使用壽命，不僅是對于電動車也是對地球的一種保護(hù)。而且最近幾

9、年許多新聞報(bào)道中都有使用者因?yàn)槭褂貌划?dāng)，比如蓄電池的反接或者先將充電器與市電相連再與蓄電池相接，這些都會危及到使用者的生命安全和蓄電池的完好，所以我們需要一種更安全更環(huán)保的充電器，這定將是未來充電器的發(fā)展方向。于是我們根據(jù)時(shí)代的發(fā)展及要求設(shè)計(jì)了一款目前市場充電器流行使用的方法，也是技術(shù)較成熟的一種設(shè)計(jì)，采用 UC3842 驅(qū)動場效應(yīng)管的單管開關(guān)電源配合 LM358 設(shè)計(jì)的三段式智能充電器。該充電器雖然存在維修難度大，功率小等缺點(diǎn)，但它具有體積小，重量輕，效率高，適應(yīng)市電輸入范圍寬，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，所以開關(guān)電源式充電器相對于變壓器式充電器和可控硅式充電器來說將會是今后電動車充電器的發(fā)展方向，我也

10、相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電動車以及電動汽車的也會有更加美好的未來。2 充電器原理充電器原理2.1 鉛酸蓄電池的充電以及放電特性鉛酸蓄電池的充電以及放電特性所謂蓄電池即是儲存化學(xué)能量，于必要時(shí)放出電能的一種電氣化學(xué)設(shè)備。而鉛酸蓄電池是通過陽極的以及陰極的浸到電解液（稀硫酸）中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來進(jìn)2bOPbP行充電和放電的。當(dāng)鉛酸蓄電池連接外部電路放電時(shí)，稀硫酸即會與陰，陽極板上的活性物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，生成新化合物硫酸鉛，在此過程中會產(chǎn)生自由電子，從而產(chǎn)生電流。而由于放電時(shí)在陽極板，陰極板上所產(chǎn)生的硫酸鉛會在充電時(shí)被分解還原成硫酸，鉛及過氧化鉛，因此電池內(nèi)電解液的濃度逐漸增加，亦即電解液之比重上升，并

11、逐漸回復(fù)到放電前的濃度，這種變化顯示出蓄電池中的活性物質(zhì)已還原到可以再度供電的狀態(tài)，當(dāng)兩級的硫酸鉛被還原成原來的活性物質(zhì)時(shí)，即等于充電結(jié)束。鉛酸蓄電池的典型放電曲線特性是以一個(gè)單體蓄電池為例，采用 1/20 放電進(jìn)行分析的，蓄電池端電壓根據(jù)各極板間硫酸密度的變化規(guī)律分為三個(gè)階段：開始放電階段，相對穩(wěn)定階段和迅速下降階段，其放電曲線如圖 2.1 所示。鉛酸蓄電池的典型充電特性曲線如圖 2.2 所示，通常是以恒流充電進(jìn)行分析。其充電特性仍然可以歸納為三個(gè)階段來闡述：開始充電階段，相對穩(wěn)定階段以及迅速上升階段。 圖 2.1 鉛酸蓄電池放電特性曲線 圖 2.2 鉛酸蓄電池充電特性曲線2.2 充電器的工

12、作原理充電器的工作原理電動車充電器常用的充電方式一般分為二段式充電模式和三段式充電模式兩種。其中的二段式充電是指先恒壓充電，充電電流隨蓄電池電壓的上升逐漸減小，等蓄電池的電量補(bǔ)充到一定程度以后，電壓會上升到充電器的設(shè)定值，隨后進(jìn)入涓流的浮充狀態(tài)。而對于三段式將在后面具體介紹。1、恒流充電恒流充電，又叫定電流充電法，在整個(gè)充電過程中，始終保持充電電流恒定不變。在充電過程中，由于蓄電池的段電壓逐漸升高，為了保持充電電流的恒定，必須相應(yīng)提高充電電壓。采用恒流充電法，可以將不同容量的蓄電池串聯(lián)在一起進(jìn)行充電。但是各個(gè)蓄電池的容量應(yīng)當(dāng)盡可能相同，否則應(yīng)當(dāng)以容量最小的蓄電池計(jì)算充電電流，當(dāng)小蓄電池充足之后

13、，應(yīng)當(dāng)及時(shí)摘除，再繼續(xù)給大容量蓄電池充電。恒流充電法的優(yōu)點(diǎn)是可以任意選擇充電電流，有益于延長蓄電池的使用壽命。缺點(diǎn)是充電時(shí)間長，并且需要經(jīng)常調(diào)整充電電流。2、恒壓充電恒壓充電又叫定電壓充電法，在充電過程中，始終保持一個(gè)恒定的充電電壓，絕大多數(shù)汽車都采用這種充電方法對車載蓄電池進(jìn)行充電。充電初期，由于蓄電池的端電壓較低，充電器與蓄電池的電壓差較大，所以充電電流也大。隨著充電的進(jìn)行，蓄電池端電壓逐漸上升，充電器與蓄電池的電壓差也減小，所以充電電流減小。如果充電器輸出電壓不足，則充電很短時(shí)間就導(dǎo)致充電電流下降為零，過早地結(jié)束了充電，長期如此，勢必導(dǎo)致蓄電池長期充電不足，容量下降，壽命縮短。如果充電器

14、輸出電壓過高，充電電流將顯著增大，即使蓄電池已經(jīng)充足電，但端電壓仍然低于充電器的輸出電壓，充電電流仍然純在，充電始終在進(jìn)行，勢必導(dǎo)致蓄電池過充電，加快電解液的消耗，使用壽命縮短。3、三段式充電三段式充電與二段式充電的不同之處在于其第一個(gè)階段為恒流充電階段，充電器先以恒流對蓄電池快速充電，隨著蓄電池存儲能量的升高，充電電流減小，被充電控制電路檢測后充電器自動轉(zhuǎn)入第二個(gè)階段恒壓充電，繼續(xù)為蓄電池補(bǔ)充能量，電壓上升的幅度較小并且速度放慢，直到電壓穩(wěn)定。當(dāng)充電電流小于 300mA 的轉(zhuǎn)折電流后自動轉(zhuǎn)為涓流充電，以補(bǔ)償蓄電池的自放電電流，并起到保養(yǎng)蓄電池的作用。本設(shè)計(jì)主要是針對 60V 的充電器，對于三

15、段式充電器的三個(gè)主要參數(shù)的要求是相當(dāng)嚴(yán)格的：涓流階段的參考電壓值：涓流階段的參考電壓值一般為 71.0V 左右，不能大于或小于該參考值。該值高容易導(dǎo)致電池失水，會引起蓄電池發(fā)熱變形；該值低不僅充電速度慢，而且不利于蓄電池充足電。因此，這個(gè)參數(shù)極為重要，只有滿足這個(gè)參數(shù)要求才能延長蓄電池的使用壽命。恒壓階段的參考電壓值：恒壓階段的參考電壓值為 73.9V 左右，此值高有利于快速充足電，但容易造成蓄電池失水，充電后期不能使電流降下來，容易導(dǎo)致蓄電池發(fā)熱變形；此值低則蓄電池快速充電的時(shí)間短，延長了蓄電池充足電的時(shí)間，但有利于向涓流階段轉(zhuǎn)換。因此，這個(gè)也是個(gè)重要參數(shù)，不能偏離過多。轉(zhuǎn)換電流：轉(zhuǎn)換電流的

16、參考值為 500mA 左右。通常該參考值范圍是 450550mA,若此值過高，雖然有利于延長蓄電池的使用壽命，但增加了充電時(shí)間，但不能低于 400mA。若此值低，雖有利于充足電并縮短充電時(shí)間，但會導(dǎo)致恒壓充電時(shí)間過長，容易引起蓄電池失水，降低蓄電池的使用壽命。當(dāng)個(gè)別蓄電池出現(xiàn)問題，使充電電流不能降為轉(zhuǎn)折電流時(shí)，會損壞同組其他蓄電池。注意事項(xiàng)：充電時(shí)要注意的事項(xiàng)：一是在通風(fēng)良好的環(huán)境下進(jìn)行，以免溫度過高給充電器和蓄電池帶來危害，影響三段式充電過程；二是充電過程中如果聞到異味或充電器外殼溫度過高，應(yīng)立即停止充電，對充電器進(jìn)行檢修或更換；三是不要讓金屬和水等導(dǎo)電物質(zhì)進(jìn)入充電器內(nèi)部，以免充電器內(nèi)部的電

17、子元器件被短路損壞。3 本設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)3.1 使用芯片介紹使用芯片介紹電動車的充電器隨著時(shí)代的發(fā)展，體積越來越小，重量越來越輕，效率越來越高，安全度也逐步提升的主要原因在于集成芯片的發(fā)展和使用。將更多的功能集成于一塊芯片上，這將是未來電子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，我相信隨著集成芯片的不斷發(fā)展，充電器的發(fā)展也會步入一個(gè)嶄新的時(shí)代。1、UC3842 單管開關(guān)電源UC3842 屬于單端輸出脈寬控制芯片，它是一種高性能的固定頻率電流型控制電路，廣泛應(yīng)用在隔離式單端開關(guān)電源設(shè)計(jì)以及直流直流電源變換器中。它主要的優(yōu)點(diǎn)是外界元件少，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。它的內(nèi)部電路包括如下性能：一是可調(diào)整的充放電振

18、蕩器，可精確的控制占空比；二是采用電流型控制，并可在 500KHz 高頻狀態(tài)下工作；三是誤差放大器具有自動補(bǔ)償功能；四是帶鎖定的 PWM 控制電路，可進(jìn)行逐個(gè)脈沖的電流控制；五是具有內(nèi)部可調(diào)整參考電壓，具有欠壓保護(hù)鎖定功能；六是采用圖騰柱輸出電路，提供大電流輸出，輸出電流可達(dá)到1A；七是可直接驅(qū)動場效應(yīng)管或雙晶體管。UC3842 的內(nèi)部由啟動電路，振蕩電路，基準(zhǔn)電壓發(fā)生器，PWM 特制電路，驅(qū)動電路等構(gòu)成。其各引腳功能如下：1 腳 COMP 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）

19、，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 ISENSE 是電流傳感端又可定義為充電電流控制端。在外圍電路中，在功率開關(guān)管(如 VMos 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)動脈沖輸出端，此腳為圖滕柱式輸

20、出，驅(qū)動能力是lA。這種圖騰柱結(jié)構(gòu)對被驅(qū)動的功率管的關(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)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，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) 50mA。2、LM358 雙運(yùn)算放大器LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增

21、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，也適用于雙電源工作模式，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有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。LM358 有以下特性：一是內(nèi)部頻率補(bǔ)償；二是直流電壓增益高(約 100dB)；三是單位增益頻帶寬(約 1MHz)；四是電源電壓范圍寬：單電源(330V)；五是雙電源(1.5 一15V)；六是低功耗電流，適合于電池供電、低輸入偏流；七是低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流；八是共模輸入電壓范圍寬，包括接地；九是差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍；十是輸出電壓擺幅大(0 至Vcc-1.

22、5V) 圖3.1 UC3842引腳圖 圖3.2 UC3842內(nèi)部構(gòu)成方框圖LM358內(nèi)部構(gòu)成方框圖3、TL431 集成電路誤差放大器TL431 是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意的設(shè)置到從 Verf（2.5V）到 36V 范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為 0.2，在很多應(yīng)用中用它代替齊納二極管，例如數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路，可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等。如圖 3.4 是該器件的符號和引腳圖，其 3 個(gè)引腳分別為：陰極，陽極和參考端。TL431 是一種并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路，因其性能好，價(jià)格低，因此廣泛應(yīng)用在各種電源電路中。其主要參數(shù)為：最大輸入電壓為 37V；

23、最大工作電流 150mA；內(nèi)基準(zhǔn)電壓為 2.5V；輸出電壓范圍為 2.530V。而 TL431 的具體功能可以用圖 3.6 示意。由圖可以看到 VI 是一個(gè)內(nèi)部的 2.5V 的基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反向輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng) REF 端（同向端）的電壓非常接近 VI（2.5V）時(shí)，三極管中才會有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF 端電壓的微小變化，通過三極管的電流將從 1 到 100mA 變化。在此次的設(shè)計(jì)中如果 TL431 異常時(shí)，將不能控制輸出電流，從而會產(chǎn)生開關(guān)電源輸出電壓升高的故障；而如果其產(chǎn)生漏電的時(shí)候，會產(chǎn)生開關(guān)電源輸出電壓低的故障，所以其對電路的影響非常大。圖 3.3

24、 LM358 內(nèi)部構(gòu)成方框圖4、EL817 光電耦合器光電耦合器由一只發(fā)光管和一只光敏管構(gòu)成，主要應(yīng)用在組成開關(guān)電路，邏輯電路，隔離耦合電路，高壓穩(wěn)壓電路等。當(dāng)光電耦合器輸入端的發(fā)光管流過導(dǎo)通電流后開始發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電光電的轉(zhuǎn)換。 光電耦合器包含如下工作特性：共模抑制比很高：在光電耦合器內(nèi)部，但由于發(fā)光管和受光管之間的耦合電容很小的（2pF 以內(nèi)）所以共模輸入電壓通過極間耦合電容對輸出電流的影響很小，因而共模抑制比很高。輸出特性：光電耦合器的輸出特性是指在一定的發(fā)光電流 IF 下，

25、光敏管所加偏置電壓 VCE 與輸出電流 IC 之間的關(guān)系，當(dāng) IF=0 時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，此時(shí)的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流，一般很小。當(dāng) IF0 時(shí)，在一定的 IF 作用下，所對應(yīng)的 IC 基本上與 VCE 無關(guān)。IC 與 IF 之間的變化成線性關(guān)系，用半導(dǎo)體管特性圖示儀測出的光電耦合器的輸出特性與普通晶體三極管輸出特性相似。光電耦合器可作為線性耦合器使用：在發(fā)光二極管上提供一個(gè)偏置電流，再把信號電壓通過電阻耦合到發(fā)光二極管上，這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、圖3.4 TL431的封裝和電路符號以及引腳圖圖3.5 TL431內(nèi)部電路簡圖 圖3.6 TL431功能模塊圖減變化

26、的光信號，其輸出電流將隨輸入的信號電壓作線性變化。光電耦合器也可工作于開關(guān)狀態(tài)，傳輸脈沖信號。在傳輸脈沖信號時(shí)，輸入信號和輸出信號之間存在一定的延遲時(shí)間，不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器輸入和輸出延遲時(shí)間相差很大，所以要對每個(gè)不同的光電耦合器區(qū)別對待。3.2 電路總體設(shè)計(jì)電路總體設(shè)計(jì)新型三段式智能充電器的原理框圖如圖所示：充電部分電源部分電池檢測分析部分綜合控制檢測部分充電參數(shù)調(diào)整與動態(tài)控制部分圖 3.8 充電器的原理框圖指示部分該系統(tǒng)主要由電池檢測分析部分、充電部分、充電參數(shù)調(diào)整與動態(tài)控制部分和綜合檢測控制部分等組成。圖3.7 光電耦合器電路符號1、電池檢測分析部分電池檢測分析部分主要完成兩方面的工作。

27、一方面檢測預(yù)充電電池得出參數(shù)，控制充電部分工作狀態(tài)。另一方面，工作在低壓充電時(shí)識別電池的電壓大小為充電部分提供準(zhǔn)確參數(shù)。2、充電部分主 要用于剛開始充電時(shí)依據(jù)得到的電池檢測參數(shù)使充電器工作在相應(yīng)的狀態(tài)。充電過程中實(shí)時(shí)檢測電池兩端充電參數(shù)反饋給充電參數(shù)調(diào)整與動態(tài)控制部分，并依據(jù)充電參數(shù)調(diào)整與動態(tài)控制部分得到的參數(shù)對充電狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使充電器工作在相應(yīng)的狀態(tài)。3、充電參數(shù)調(diào)整與動態(tài)控制部分充電參數(shù)調(diào)整與動態(tài)控制部分用來對充電部分得到的參數(shù)進(jìn)行處理，并發(fā)出充電器調(diào)整工作狀態(tài)所需的參數(shù)。4、指示部分對充電器的各工作狀態(tài)及電池兩端電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)指示。5、綜合檢測控制部分本部分為整個(gè)充電器工作的核心，進(jìn)

28、行參數(shù)的綜合處理，使各個(gè)工作模塊的工作協(xié)調(diào)統(tǒng)一。3.3 本設(shè)計(jì)的硬件工作原理本設(shè)計(jì)的硬件工作原理1、電池檢測分析部分原理框圖如圖：電池分壓網(wǎng)絡(luò)LM358預(yù)充電部分 圖 3.9 電池檢測部分原理框圖2、充電部分充電部分由 KA3842P、TL431 和 LM358 構(gòu)成的開關(guān)型充電電路構(gòu)成，可很好的達(dá)到設(shè)計(jì)目的，充電電流隨電池電壓的增高而減小，達(dá)到一定值時(shí)自動停充，有效防止電池的過充、欠充。主要用于剛開始充電時(shí)依據(jù)得到的電池檢測參數(shù)使充電器工作在相應(yīng)的狀態(tài)。充電過程中實(shí)時(shí)檢測電池兩端充電參數(shù)反饋給充電參數(shù)調(diào)整與自動控制部分，并依據(jù)充電參數(shù)調(diào)整與自動控制部分得到的參數(shù)對充電狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使充電

29、器工作在相應(yīng)的狀態(tài)。在不同的時(shí)間選擇對電池進(jìn)行不同階段充電（三階段充電法） 。充電部分由 KA3842P、TL431 和 LM358 構(gòu)成的開關(guān)型充電電路構(gòu)成，可很好的達(dá)到設(shè)計(jì)目的，充電電流隨電池電壓的增高而減小，達(dá)到一定值時(shí)自動停充，有效防止電池的過充、欠充。3、充電參數(shù)調(diào)整與動態(tài)控制部分本部分的工作主要由 LM358 和 KA3842 完成，LM358 和 KA3842 通過對外圍各部分采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，準(zhǔn)確的判斷當(dāng)前的工作狀態(tài)及調(diào)整到下一階段所需的參數(shù)。通過指令控制外圍電路實(shí)現(xiàn)恒流充、涓流充等工作狀態(tài)。原理框圖如圖所示：LM358 KA3842外圍電路數(shù)據(jù)采集充電部分指示部分圖 3.

30、10 充電參數(shù)調(diào)整與動態(tài)控制部分原理框圖4、指示部分用 3 只 LED 指示燈對充電器的各種工作狀態(tài)及電池兩端電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)指示。指示部分分充電器工作狀態(tài)指示部分和電池實(shí)時(shí)指示部分。充電器工作狀態(tài)指示部分實(shí)時(shí)指示當(dāng)前充電器工作在何種狀態(tài)，包括恒流充狀態(tài)、涓流充狀態(tài)、充電狀態(tài)、電池充滿、涓流保持狀態(tài)等等。電池實(shí)時(shí)指示部分是通過 3 個(gè) LED 指示燈實(shí)時(shí)指示當(dāng)前充電電池的電壓及充電電壓。使充電器的工作過程更直觀人性化。5、綜合檢測控制部分本部分為整個(gè)充電器工作的核心，進(jìn)行參數(shù)的綜合處理，使各個(gè)工作模塊的工作協(xié)調(diào)統(tǒng)一。綜合檢測控制部分核心為 KA3842+LM358，這兩片芯片價(jià)格實(shí)惠、性能可靠，可

31、很好的達(dá)到設(shè)計(jì)目的。3.4 本設(shè)計(jì)的硬件主要工作原理圖及實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的硬件主要工作原理圖及實(shí)現(xiàn)1、控制開關(guān)電源部分電路12C712C1112C1312C1421R2621R3321R3421R3511223344556677883842U1384211223344556677889910101111T1絲絲絲絲絲絲21R2721R2821D812C10 21R2921R3021R3121R3221D91C1221*21D1021D1121D1221D13DGSIC34N60A12C91IC2絲絲01絲絲絲絲絲絲絲絲絲1絲絲絲2前 級 反 饋 電 壓 220v 交流電經(jīng)二極管 D10D11D12D

32、13 整流為脈動直流，再經(jīng) C9 濾波形成穩(wěn)定的300V 左右的直流電。U1 為 TL3842 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)動場效應(yīng)管 Q1（8N60C） ，3 腳為最大電流限制，調(diào)整R34 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。T1 為高頻脈沖變壓器，其作用有三個(gè)。第一是把高壓脈沖將壓為低壓脈沖。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。如圖 3.11 所示，該開關(guān)電源的電壓采樣電路有兩路：一是輔助繞組的電壓經(jīng) D9，C12，R3

33、1 組成的整流、濾波和穩(wěn)壓后得到 16V 的直流電壓給UC3842 供電。另外，該電壓經(jīng) R33 分壓后得到一采樣電壓，該路采樣電壓主要反映了圖 3.11 控制開關(guān)電源部分電路直流母線電壓的變化；另一路是光電耦合器。三端可調(diào)穩(wěn)壓管 TL431 及其組成的外圍電路組成的電壓采樣電路，該路電壓反映了輸出電壓的變化；當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，輸入 TL431 的參考電壓也升高，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值升高，前級反饋電壓變小，流過光耦中發(fā)光二極管的電流減小，流過光耦中的光電三極管的電流也相應(yīng)的減小，誤差放大器的輸入反饋電壓降低，導(dǎo)致 UC3842 腳 6 輸出驅(qū)動信號的占空比變小，于是輸出電壓下降，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。通電

34、開始時(shí)，C9 上有 300v 左右電壓。此電壓一路經(jīng) T1 加載到 IC3。第二路經(jīng) R30 達(dá)到 U1 的第 7 腳。強(qiáng)迫 U1 啟動。U1 的 6 腳輸出方波脈沖，IC3 工作，電流經(jīng) R28 到地。同時(shí) T1 副線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓，經(jīng) D9,R31 給 U1 提供可靠電源。2、指示部分與充電參數(shù)調(diào)整動態(tài)控制部分電路21R121D321R5321T312LED112LED312LED221 R1221R1521R1621R721R1321R1421R1721R1921R2221R821D1SF561C221R3612D521R61C32110K21R921R10112233445566778

35、835835812C121R221R321R4321T221R1121D621R1812C521R23絲絲絲132T3TL43121D721R2421R2521R2611223344556677889910101111T1絲絲絲絲絲絲1IC2絲絲+-12C4絲絲絲絲絲絲11C6 如圖 3.12 所示：LED1 充滿指示燈； LED2 充電指示燈；LED3 電源指示燈。具體實(shí)現(xiàn)原理： T1 輸出線圈的電壓經(jīng) D1,C2 整流濾波得到穩(wěn)定的電壓。此電壓一路經(jīng) D1，D3（D1，D3 起到防止電池的電流倒灌給充電器的作用）給電池充電。T1第 4 腳經(jīng)高速開關(guān)二極管 D6 為 LM358(雙運(yùn)算放大器

36、，1 腳為電源地，8 腳為電源正)圖 3.12 指示部分與充電參數(shù)調(diào)整動態(tài)控制部分電路及其外圍電路提供 15V18V 的工作電源還同時(shí)為風(fēng)扇提供電能。D6 為 LM358 提供基準(zhǔn)電壓，經(jīng) R8,R17 分壓達(dá)到 LM358 的第二腳和第 5 腳。正常充電時(shí)，R17 上端有0.150.18V 左右電壓，此電壓加到 LM358 第三腳，從 1 腳送出高電壓。1 腳輸出的高壓通過 R7 使三極管 T3 導(dǎo)通風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。LED2（紅燈）正極獲得高壓導(dǎo)通點(diǎn)亮，此時(shí)顯示為恒流充電階段。1 腳的高電壓一路經(jīng) R9,強(qiáng)迫 T2（三極管）導(dǎo)通。以 36V 充電器為例，當(dāng)電池電壓上升到 44.2V 左右時(shí),充電器

37、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，電流逐漸減小。當(dāng)充電電流減小到200mA300mA 時(shí)，R36 上端的電壓下降，LM358 的 3 腳電壓低于 2 腳，1 腳輸出低電壓，LED2（紅燈）熄滅 LED1（綠燈）點(diǎn)亮。同時(shí) 7 腳輸出高電壓，T2 關(guān)斷。另一路經(jīng) D7，R22，R23 到達(dá)反饋電路，使電壓降低。充電器進(jìn)入涓流充電階段。12 小時(shí)后充電結(jié)束。LED3（紅燈）為電源指示燈。附圖：21R121D321R5321T112LED112LED312LED221R1221R1521R1621R721R1321R1421R1721R1921R2221R8

38、21D1SF561C221R3612D521R61C32110K21R921R10112233445566778835835812C121R221R321R4321T221R1121D621R1812C512C712C1112C1312C1421R23絲絲絲132T3TL43121D721R2421R2521R2621R3321R3421R35112233445566778838423842384211223344556677889910101111GPBY絲絲絲絲絲絲21R2721R2821D812C1021R2921R3021R3121R3221D91C1221*21D1021D1121D

39、1221D13DGSIC34N60A12C91IC2絲絲+-12C4絲絲絲絲絲絲11C601絲絲絲絲絲絲絲絲絲1絲絲絲2附圖：圖 3.13 充電器總的原理圖4 三段式電池充電器設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)三段式電池充電器設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)4.1 設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)的功能1、市面上較普遍的 60V 電動車充電電池，充滿自動斷開。低壓高壓充電自動選擇。3、科學(xué)的充電電量控制技術(shù)，確保蓄電池不欠充、不過充；4、斷電記憶自啟動、充足自動斷電； 5、具有自動檢測、延時(shí)啟動功能；6、具有開路、過載、短路、過壓、超溫等故障自動保護(hù)并燈光警示；7、抗干擾能力強(qiáng)，噪聲小，電網(wǎng)波動機(jī)內(nèi)自動調(diào)整，且能有效抑制浪涌電流；8、采用恒流恒

40、壓分級小恒流的充電方式，可最大限度恢復(fù)電池容量在 95以上，對過放電電池具有自動修復(fù)功能，對不良電池具有自動偵測功能。 圖 3.14 PCB 電路圖4.2 設(shè)計(jì)的主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)1、結(jié)合端電壓檢測、內(nèi)阻檢測和瞬間充放電檢測等多種方法，自動識別充電電池種類進(jìn)而可采取不同方式給不同電池充電；2、依據(jù)溫度變化率檢測法、電壓檢測法、最高溫度檢測法、最長充電時(shí)間控制法，研制出一種快速充電終止綜合檢測模塊，確保蓄電池充足電，但不過充、不欠充；3、針對不同種類的電池，根據(jù)其最佳充電曲線對控制器里的程序進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，完成對不同類型的蓄電池充電。4、采用 PWM 控制脈沖充電技術(shù)和三階段充電

41、法。既解決了快速充電這一問題又提高蓄電池的充電接受能力5、對三段中的第二階段做了很大的科學(xué)改變徹底解決了充電器過充的難題（失水 硫化 失衡 熱失控（充鼓） ） ；6、開關(guān)電源中高頻變壓器參數(shù)的設(shè)定，采用開關(guān)電源，全過程智能自動監(jiān)測系統(tǒng)，提供最佳充電電流，轉(zhuǎn)燈電壓的設(shè)定，可抑制浪涌電流，有效延長電池使用壽命，縮短充電時(shí)間；7、采用 LM358 運(yùn)放及其外圍電路搭建比較器電路不斷對外界進(jìn)行檢測和控制，正確提供給充電模塊正確的充電參數(shù)；8、把該充電器的四大模塊有效結(jié)合，可將蓄電池的預(yù)充電控制、快速充電控制、補(bǔ)充充電控制和涓流充電控制四個(gè)過程集于一體，完成對充電執(zhí)行電路控制?？偪?結(jié)結(jié)采用以 UC38

42、42 驅(qū)動場效應(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)對電動車的蓄電池進(jìn)行充電，并能夠根據(jù)充電過程自動調(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)。因電動車智能充電器對可靠性要求很高，因此除了要對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)外，還要對保護(hù)電路進(jìn)行完善考慮。為此，我們在下一步研究充電器可以設(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)。電動摩托車充電器已制造出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，電動汽車的發(fā)展也是迅速的，我們堅(jiān)信電動自行車使用鉛蓄電池是一個(gè)潛在的巨大的持久

43、性產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過幾年的努力它一定會演變成現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)了，給人們的生活和工作帶來巨大的變化的。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1（美） Ron Lenk 著；王正仕 張軍明 譯 ，實(shí)用開關(guān)電源設(shè)計(jì) M.人民郵電出版社2 趙同賀 主編 劉軍 副主編 開關(guān)電源設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例 M 人民郵電出版社3 王英劍，常敏慧，何希才 .新型開關(guān)電源實(shí)用技術(shù) M.北京：電子工業(yè)出版社4 Power Integrations, Inc. Supplemental Data and Design Guide5（美） Sanjaya Maniktala 著；王志強(qiáng)，鄭俊杰等譯 .開關(guān)電源設(shè)計(jì)與優(yōu)化 M.電子工業(yè)出版社6 周志敏，周紀(jì)海，

44、紀(jì)愛華編著.開關(guān)電源實(shí)用電路 M.中國電力出版社7 周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華編著.充電器電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 M.人民郵電出版社8 張占松，蔡宣三編著 .開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì) :修訂版 M.電子工業(yè)出版社9 Abraham I. Pressman 著；王志強(qiáng)等譯 .開關(guān)電源設(shè)計(jì)：第 2版M.電子工業(yè)出版社10 路秋生編著，常用充電器電路與應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社 11 沙占友 .新型單片開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社12 Power Integrations, Inc. Supplemental Data and Design Guide13 李愛文 . 現(xiàn)代通信基礎(chǔ)開關(guān)電源的原理和

45、設(shè)計(jì)M. 科學(xué)出版社14 劉順利 .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15 薛水毅，工淑英，何希才.新型電源電路應(yīng)用舉例 M.北京：電子工業(yè)出版社致致 謝謝經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導(dǎo)師于會山老師。于老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從外出實(shí)習(xí)到查閱資料，設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)，整個(gè)過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。除了敬佩于老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。 然后還要感謝大學(xué)四年來所有的老師，為我們打下電子專業(yè)知識的基礎(chǔ)；同時(shí)還要感謝所有的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭睢４舜萎厴I(yè)設(shè)計(jì)才會順利完成。 最后感謝理工學(xué)院和我的母校聊城大學(xué)四年來對我的大力栽培。 周樂平 2011 年 5 月