电动车充电器毕业设计.docx

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电动车充电器毕业设计

摘要

本文为基于TL494芯片的电动自行车充电器设计及分析，简明扼要地概述了充电器的电路结构，其中主要包括：

整流滤波电路、防浪涌电路、防市电过压电路、推挽式变流电路、电池防反接电路、充电状态显示电路，半桥式充电器辅助电源电路等。

详细介绍了各种充电方式，包括恒流充电法、恒压充电法、浮充法、涓充法、分阶段充电法、快速充电法等。

最后说明了PWM脉宽调制集成电路芯片工作原理。

并主要分析了一个基于TL494芯片的山东GD36半桥式充电器，介绍了它的工作原理，工作过程及对电动自行车充电器使用时的维护。

关键词：

TL494；开关电源；整流滤波；脉宽调制技术；集成电路芯片

ABSTRACT

ThispaperisbasedontheanalysisofthedesignofthechargerofTL494electricbicycle,whichmainlyincludestheapplicationoftherectifierfilterandvariouswaysofcharging,theapplicationoftheswitchingpowersupplyandPWMworkingprinciple;alsotheexplanationofDCorACpowerconversionofthefull-bridgeandhalf-bridgeswitchingpowerandofthechipofTL494PWMIC.ThepapermainlyanalyzestheTL494chip“ShandongGD36half-bridgecharger”anditsworkingprinciple,workingprocess,itsadvantagesanddisadvantages.

Keywords：

TL494;switchpowersupply ;theexplanationofDCorACpower;

ICchip

第一章：

电动自行车及充电器概述

1.1电动自行车简介

电动自行车是集蓄电池技术，电力电子技术，电动机技术，和精密传动技术于一体的新型特种自行车，因其无污染，低噪音，低能耗，占道少，方便快捷等特点而成为国际上流行和大力推广的绿色私人交通工具。

电动自行车有五大部件组成，即：

电机、控制器、电池、充电器和车架。

现在市场上的电动自行车多种多样，常见的样式很多，如图1-1所示。

　　　　　　　　　　　　图1-1常见的电动车外形

1.2充电器的分类和结构

１.２.１充电器的分类

为确保电动自行车有足够的功率正常行驶，就必须对蓄电池消耗减少的电能进行有效地补充。

因此，充电器是电动车五大核心部件之一，它的质量好坏将直接影响蓄电池的使用寿命。

目前市售电动自行车充电器有正负脉冲式、二段式、三段式和全智能脉冲充电器等，其中三段智能充电器用户较多。

充电器的规格依据蓄电池的容量不同，有24V、12V；36V、12A；36V、14A；48V、17A；48V、20A和36V/48V共用型充电器。

由于电动自行车生产厂家众多，其充电器的外形各异。

常见的电动自行车（二轮车）和电动三轮车的充电器外形，如图1-2所示。

图1-2几种常见的电动车蓄电池充电器外形

１.１.２充电器的结构

电动自行车充电器主要由整流滤波、高压开关、电压变换、恒流、恒压和充电控制等几个部分电路组成。

充电器内的主要元器件有脉宽调制专用集成电路、电压比较放大器、开关管、整流二极管、驱动三极管、电阻、电容及变压器等。

现代脉冲智能充电器还以高频开关电源技术为基础，嵌入先进的智能控制数字电路，采用智能检测和控制技术来调节充电器的脉冲输出比例，实现的脉冲输出比例，实现可控去极化功能。

充电器在充电过程中采用了自适应技术，能实时地检测蓄电器的充电情况，自动调整充电器的充电模式，实现最佳模式控制，且具有完整的保护功能，最大限度地保证了充电器工作的稳定性和可靠性。

因此，充电器的电路组成正由传统的分立元件，向集成化、数字化、智能化过渡，结构越来越紧凑，体积越变越小，重量越来越轻，工作越来越精确可靠。

第二章电动自行车蓄电池和充电方式

2.1电动车蓄电池

作为动力能源的蓄电池，在使用过程中其能量是被逐渐消耗减少的。

能够用于电动自行车的电池主要由5种，即铅酸电池、镉镍电池、铁镍电池、氢镍电池、锂二次电池。

目前市场上65%的电动自行车选择的是铅酸电池（本文所设计的充电器就是属于铅酸电池这一类），30%选择的是镉镍电池，5%选择的是氢镍电池或其他电池。

铅酸电池主要有正极、负极和和电解质构成。

二次蓄电池工作时，在正极板上生成二氧化铅，在负极板上生成海绵状铅，在电解液作用下，正极和负极发生的反应均可为可逆反应。

它可看成一个多孔的铅负极（海绵状铅）和一个二氧化铅的正极，两电极都侵入硫酸水溶液中：

因此，二次蓄电池使用后，可用充电器对其进行充电使用蓄电池两个电极的活性物质恢复到初态，致使蓄电池具有再次放电的能量。

故二次蓄电池的重要特性是能反复充电放电。

当对二次蓄电池进行充电时，是电能转变为化学能储存在蓄电池中，并伴随放热过程。

二次蓄电池工作时，则化学能转变为电能，对负载进行供电，并伴随吸热过程。

这就要求对蓄电池充电时要注意充电环境温度，一般温度在15~30℃为宜，低于10℃或超过40℃，充电效果均很差。

充电器的充放电时间、充放电电流大小、电压高低以及充电方法必须预先设定适宜。

充电器的充电方法、充电电压和充电后蓄电池应达到的终止的电压值，均依据蓄电池的极板结构、材料而定。

不同厂家生产的蓄电池；即便规格相同、型号相同，由于工艺上的差别，其性能也有差异。

因此，充电器对所有的蓄电池的充电不能通用，必须相配套。

2.2：

蓄电池充电方式

二次蓄电池的充电方式有许多种，应根据二次蓄电池的使用频率、放电倍率及用途等因素，选择最适宜的充电方法。

不同的充电方法概述如下。

2.2.1、恒流充电法

顾名思义，恒流充电方法就是对蓄电池进行充电时，自始至终保持充电电流恒定不变。

恒流电源电路如2-1图示

图2-1恒流电源充电电路

恒流充电虽然具有较高的充电效率，能方便地根据充电时间来决定充电是否停止，也可以改变被充蓄电池的数目，但在开始时充电电流过小，而充电后期充电电流过大，不仅充电时间长，而且耗气量大，能量高，充电效率在65%以下。

恒流的电流在充电后期会电解水，产生气体，是蓄电池内部压力上升，如不加控制极易是蓄电池因失水而干枯，最终将造成蓄电池容量急剧下降。

如下图2-2所示：

图2-2阀控铅酸蓄电池的充电特性曲线

阀控铅酸电池的充电特性曲线I可以清楚的看到充电过程中蓄电池在不同时刻接受电流的能力是不一样的。

I是一条变化很大的非线性曲线，在该曲线上哪一时刻的电流作为蓄电池充电恒定电流，能使蓄电池既安全又能在可接受的有限时间上把蓄电池充满，这是无法确定的。

蓄电池每次使用的放电深度、环境温度及新旧程度均不一样，若每次都用同样的恒定电流和时间去充电，势必造成蓄电池放生不可逆转的损坏。

因此，密封免维护蓄电池不宜采用恒流充电法。

2.2.2、恒压充电法

恒压充电法是充电电源的电压在充电的整个过程中保持恒定不变。

恒压充电电路如图2-3所示。

图2-3恒压充电电路

这种充电方法充电初期充电电流很大，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电流逐渐减小，充电过程不必调整电流。

这种方法在充电过程中析气量也很小，充电时间短，能耗低，充电效率高，一般8小时即可充满。

在阀控铅酸蓄电池的充电特性曲线V（图2-2）上,充电器的输出电压始终是在充电器设计人认为蓄电池安全受电的最高允许电压上，低于这个电压，则蓄电池无法充满，在充电过程中，单体蓄电池的充电电压比蓄电池本身的实际电压高；通过蓄电池的充电电流，则比蓄电池的最大安全接受电流大10倍以上。

蓄电池在充电前多已经放完电，其电压处在最低电压上。

若在采用恒压充电，通过蓄电池的充电电流将是蓄电池的安全接受电流的几十倍，当充电器的容量不够大时，则充电器因过载而烧毁。

因此，恒压充电法不适合放电较深的蓄电池充电；不适合数量多的蓄电池充电，因不能使所有的电池均衡。

故电动自行车蓄电池也不适用于恒压充电。

2.2.3、浮充法

浮充法是充电器以很小的充电电流（C/30~C/20）对蓄电池进行充电，以确保蓄电池始终处于充满电的状态。

浮充法广泛用于蓄电池作为备用电源或应急电源的电器设备中，是一种有备而无患的充电方式。

浮充法电源的原理示意图如图2-4

图2-4浮充法电源原理示意

2.2.4、涓充法

涓流充电是指蓄电池与负载并联后，与直流电源（充电器）相连。

在正常情况下，直流电源是负载的工作电源并以涓流方式为负载充电，此时主要为负载提供工作电流。

只有当负载变得很大，直流电源的端电压低于蓄电池的端电压或电源停止供电时，为保证负载正常工作，蓄电池才对负载进行放电。

涓流充电的原理图如图2-5所示：

图2-5涓流充电的原理示意图

涓流充电电流的大小是由使用模式决定的。

这种充电方法多用于应急的电源、备用电源或电子表等不允许断电的场合。

2.2.5．分阶段充电法

分阶段充电法是在对蓄电池充电的最初阶段采用较大的充电电流，当蓄电池电压达到控制点时，则将较大的充电电流转为涓流充电。

分阶段充电的原理示意图如图2-6所示

图2-6分阶段充电的原理示意图

常用的分阶段充电法有二阶段充电法和三阶段充电法。

①二阶段充电法是采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法。

它首先以恒电流将蓄电池充至预定的电压值，之后改为恒电压完成蓄电池的剩余充电。

通常两阶段之间的转换电压，就是第二阶段充电的恒电压。

②三阶段充电法是在对蓄电池充电开始和结束阶段采用恒电流充电，而中间阶段则采用恒电压充电。

目前，电动自行车所配置的充电器多是传统的三段式充电器。

三段式充电器的充电模式是把充电过程分为恒流、恒压、浮充三个充电阶段。

以我国电动自行车采用较多的36V、12Ah铅酸蓄电池为例，当蓄电池放完电后，其充电参数为：

。

第一阶段采用恒流充电，充电电流为（1.8±0.2）A,充电电压逐渐上升至43.2V,充电时间为4-6h。

。

第二阶段采用恒压充电，充电电压为43.2V逐渐上升至（44.5±0.1）V,充电电流逐渐降至（0.35±0.1）A,充电时间在2-4h。

。

第三阶段采用浮充充电,恒压为（41.4±0.2）V,浮充电流为（0.35±0.1）A。

铅酸电池的充电方式曲线，如图2-7所示

图2-7铅酸电池的充电方式曲线

分阶段充电方式,虽是蓄电池充电的最理想方式,但充电器电路复杂,成本高,还需要有蓄电池电压监测控制电路.

充电器对蓄电池产生影响的是充电电压、充电电流和充电波形及频率.其中,充电电压与蓄电池是否充满电有关,充电电流与蓄电池充得快或慢有关,而充电的波形与频率则与蓄电池的容量与寿命（即充得好坏）有关.充电时三者各有侧重,是相辅相成的关系.而三段式电动自行车充电器的充电模式,侧重于充电电压和充电电流,缺少充电波形和频率方面的实施技术.这样,就不能在充电过程中有效地去除蓄电池电解液浓度极差、板栅硫酸盐化和极化现象.因此,理想的电动自行车充电器应具有脉冲充电、负脉冲激活,高频充电和变频充电等多种充电模式与充电技术,使电动自行车充电器既有常规充电功能,又有修补性充电功能,成为多功能充电器.

2.2.6．快速充电法

常规充电是采用小电流慢充方式，对新的铅酸蓄电池而言，初充电需70h以上，进行普通充电也需10h以上。

充电时间也不能过长，充电时间过长，不仅拉长充电监测时间，浪费电能，而且也限制了蓄电池的循环使用次数，增大了维护工作量。

快速充电法是用大电流在短时间内对蓄电池进行充电。

为了保证蓄电池不过充和不因大电流短时内充满而损坏，需加有控制电路。

此电路能在充电末期实时地检测蓄电池的充电电压、端电压的温度，并根据随时检测到的相关参数来控制充电过程。

（1）检测蓄电池电压

在大电流充电末期，通过辅助电路检测蓄电池电压，当蓄电池电压达到设定值时，即将大电流转变成小电流充电，这是为了保证蓄电池的充电容量。

为此，控制电路预设的充电截止电压必须比充电峰值电压低。

（2）检测蓄电池端电压降（-△V）

充电时通过蓄电池的充电电流，是由辅助电路在大电流充电末期，检测到的蓄电池端电压降（-△V）进行控制的，-△V检测控制系统框图和充电特性曲线如图2-8所示

`

（a）系统框图

（b）充电特性曲线

图2-8-△V检测控制系统框图和充电特性曲线

-△V检测方式为电压检测系统，当充电器的充电峰值电压确定后，若-△V检测电路检测到蓄电池的端电压达到设定值时，由控制电路自动改变充电器的充电方式。

（3）检测蓄电池温度

蓄电池在充电末期，会因其负极发生氧复合反应产生热量，使蓄电池温度升高。

蓄电池温度的升高最终将导致充电电流增大，为控制因温度升高所增大的电流，应在蓄电池外壳上设置温度传感器或热敏电阻等温度检测元件，实时地将蓄电池温度信息传递给控制电路。

当蓄电池温度升至设定值时，控制电路即改变充电器的充电方式，或切断蓄电池的充电电路。

蓄电池温度检测框图和特性曲线如图2-9所示。

（a）框图

（b）特性曲线

图2-9蓄电池温度检测框图和特性曲线

第三章：

充电基础知识

3.1：

基本单元电路

3.1.1、整流电路

在充电器中，必须把交流电变为直流电，这需要通过整流电路完成转换，英文缩写交流为AC,直流为DC,交流变直流为AC/DC。

（1）单相全波整流电路

图3-1（A）是单相全波整流电路，波形如3-1（b）所示。

（a）单相全波整流电路（b）单相全波整流电路波形图

图3-1单向全波整流电路

（2）桥式整流电路

图3-2（A）所示为基于变压器中心抽头的单相全波整流电路，而在实际应用中，通常采用图3-2（A）所示的另一种单相全波整流电路，叫桥式全波整流电路。

波形见图3-2（b）所示。

（a）桥式整流电路（b）桥式整流电路波形图

图3-2桥式整流电路

在开关电源式充电器中，这两种整流电路都得到了应用。

大家都比较熟悉我们这里就不再赘述。

3.1.2、滤波电路

由电路知识可知：

理想电容的容抗对直流电（f=0）是无穷大，而对交流成分，频率越高容抗越小。

理想电感的感抗对直流电（f=0）是0Ω，近似直通短路，而对交流成分，频率越高越高。

利用电容和电感的电抗特点，可以组成形式多样的滤波器。

在波器电路中，通常，将电感串联在电路中，利用的是电感对交流感抗对交流感抗大，阻挡交流成分；而将电容并联在电路中，利用的就是电容对交流容抗小，短路、旁路交流成分。

一般最常见的就是电源滤波电路和电源噪声滤波电路。

上节的整流电路之后输出的是脉动直流电，理论和实践都表明，它是直流电和许多频率不同的交流电的混合物。

电源滤波电路的工作原理，也可解释为：

将交流成分堵挡或旁路（短路），保留直流成分。

这里堵挡就是利用电感对交流感抗大，串联在电路中堵挡交流成分；旁路就是利用电容对直流电容抗是无穷大，而对交流成分容抗小，并联在电路中将交流成分短路入地。

图3-3（a）所示电路就是已经介绍过的电容滤波电路。

接在整流电路之后，输入脉动直流电，输出较平滑的直流电。

图3-3（b）所示电路由电容和电阻组合，叫RC滤波电路。

图中C1是容量大的分解电容，具有一定的寄生电感，其感抗的存在造成对高频成分旁路效果差些。

因此，一般并联一只容量不大但寄生电感很小的高频电容C2，可以明显改善对高频滤波的效果，弥补电解电容的不足。

常用50HZ交流市电，本来是光滑的正弦波，但是工农业生产和生活中使用的各种电器，在使用中对它造成污染，可以看作在50HZ正弦波交流市电中，掺进了许多高频电流干扰。

图3-3（c）所示电路就是开关电源是充电器所特有的电源噪声滤波电路。

串联在市电和桥式整流电路之间。

一方面，它阻挡了市电中的干扰窜进充电器，另一方面，它也阻挡了开关电源产生的干扰反窜回市电电网中造成电磁污染。

图3-3（c）中左边图的L是双线并联绕在同一个磁芯上的滤波电感。

电感L串联在电路中，利用其交流共模感抗大，阻挡共模高频干扰成分。

图3-3（c）中右边图是左边图的改进，电容变成了四只C1、C2、C3、C4。

它们的其中一端都接地，可将差模和共模的高频干扰通过电源插头的保护地，引入地。

这几只电容容量吧大，但关系的人身安全，要求不能漏电，耐压高。

（a）电容电源滤波电路（b）RC电源滤波电路

（c）噪声滤波电路

图3-3滤波电路

3.2：

辅助电路

3.2.1、防浪涌电路

开关电源式充电器中，在市电桥式整流电路后面，几乎所有电容滤波电路，滤波电路端的电压通电前为0V，加电瞬间，电容两端的电压不能跳变，相当于短路，电流极大，这个冲击电流，叫做浪涌电流，极易损坏整流管等元件，为了保护它们，在电路里串联一只负温度系数的热敏电阻。

见图3-4（b）所示.

（a）负温度系数电阻NTC特性曲线（b）使用负温系热敏电阻的放浪涌电路

图3-4使用负温系热敏电阻的放浪涌电路

大多数导电材料的电阻具有正温度系数，也就是随温度上升，电阻值上升，但是这种变化微不足道。

这里讲的热敏电阻是有明显正温度系数（PTC）或负温度系数的（NTC）的电阻。

在充电器里广泛使用的是负温度系数电阻其特性见3-4（a）所示。

在室温下，通电前，它仅有5-10Ω电阻值，当有电流通过时，温度会上升，其电阻会减小，这种负温度系数电阻串联在充电器的市电输入电路里，加电瞬间，室温下5-10Ω电阻的串联大大降低了浪涌电流，随通电时间增加，NTC温度升高，其电阻值下降接近0Ω，但为了维持电阻发热，需要保持一个非常小的电阻，这种小电阻对电路功率影响很小，因此，这种简单有效的防浪涌电路被广泛应用在开关电源式的充电器中。

热敏电阻在原理图中的代号是Rt，在实际使用中无正负极之分。

在桥式整流电路的二极管上并联小电容，对二极管也有抗浪涌保护作用。

3.2.2、防市电过压电路

充电器还使用一种压敏电阻作市电输入过压保护，这种电阻两端电压没有超过保护值时，阻值呈现无穷大。

但是当两端电压超过保护启动电压时，其电阻值急剧下降，接近短路。

压敏电阻并联在充电器的市电输入短路中，在市电低于240-250V时，它的阻值接近无穷大，当市电高于保护值时，其电阻值接近0Ω，将市电输入短路，造成保险管熔断，从而切断电源，起到过压保护作用。

压敏电阻在原理图中的代号是Rv，在实际使用中无正负极之分，特性和应用见图3-5所示

（a）压敏电阻特性曲

（b）使用压敏电阻的防过压电路

图3-5压敏电阻特性线与使用压敏电阻的防过压电路

压敏电阻启动电压的测量可用摇表和电压表配合进行，我们再此不作介绍。

3.2.3、全桥和半桥式开关电源的DC/AC功率转换

开关电源的优点是：

比串联式稳压器效率高省电：

PWM频率高过几十千赫：

变压电感的体积重量可以做得最小，节省钢材铜材，保护电路动作时间可以做到小于半导体的（也叫焦尔）损坏时间。

功率转换部分由变压器进行能量转换和传递，是个关键部位，由于变压器能对交流进行电能传递，对直流电需要通过开关将通过初级绕阻的电流大小和方向进行不断交换，这就是开关电源名字的来历。

图给出了常用的全桥式和半桥式开关电源的工作过程，图中V为直流电源；L1为变压器的初级绕组，L2为次级绕组；K是开关，实际电路中K是功率开关管；箭头是电流方向。

图3-6（a）是全桥式的，成本高，市场上不多见。

图3-6（b）是充电器中半桥式开关电源主流电路，我们介绍的半桥式充电器就是属于这类。

（a）全桥式结构K1、K2导通K2、K3导通

（b）半桥式结构K1导通K2导通

图3-6全桥和半桥式开关电源的DC/AC功率转换

开关电源中开关导通时间长，传输电能多，次级绕组的输出电压高，电流就相应答。

用PWM控制功率开关管，就可以改变次级绕组输出的电压和电流。

加上闭环反馈就可以稳定电压、电流或限制功率。

3.2.4、推挽式变流电路

这是一种适合中容量至大容量的方式，其基本电路和波形如图3.2.4和图3.2.5所示。

跟单管传输型变流电路不同是采用双管用中心引线连接，V1和V2两管交替导通和关断来产生交流电压，由对变压器TR的二次电压进行全波整流获得直流电压。

推挽式变流电路由于变压器上加上正负电压，提高了变压器的利用率。

输出滤波器采用全波整流，降低了对滤波器的要求，因而可实现小型化。

特别需要注意的是避免发生两个管子V1和V2同时导通的状态。

图3-7推挽变流电路

图3-8推挽变流电路波形

3.2.5、电池防反接电路

有些产品不按国标规范化生产，往往因充电插口接线相反造成充电器损坏。

天津冠宇充电器采用了图3-9所示的防电池反接装置。

电池防反接电路由图中细虚线部分D07、W1、R66、BG3、J1组成。

工作过程：

电池和充电主电源之间串联继电器J1的常开触点J-1，它闭合才能接通充电通路。

当电池反接时，D07反偏截止，BG3因没有基极电流截止，继电器不动作，常开触点J-1切断充电通路；当电池连接正确并且电池残余电压达到一定值时，W1齐纳击穿，电池正极电压经D07、W1、R66给BG3提供足够的基极电流，BG3导通，继电器J1吸合线圈得电动作，常开触点J-1闭合，接通电池充电通路，进入充电状态。

图中D66是J1吸合线圈的续流二极管，保护BG3不被击穿。

显然，不仅电池反接不能充电，电池因故障达不到基本（W1齐纳击穿）值也不能充电。

图中BG9、D05、R67、D03组成+12V辅助电源，属于前面讲过的典型的稳压二极管D05的扩流电路，还担负着其他低压控制电路的供电。

图3-9天津冠宇充电器防电池反接电路

3.2.6、半桥式充电器辅助电源

一般把充电器为电池充电的那路直流电流叫充电主电源，以后简称主电源；把其他控制电路的直流电源叫做辅助电源。

一般把供给电源PWM专用芯片的叫高压侧辅助电源，供主电源的电压，电流负反馈和充电模式转换电路的叫低压侧辅助电源。

半桥式充电器PWM芯片和控制电路都与市电隔离，因此辅助电源可能简化为一个，而且可取自主电源，或者由功率输出变压器的独立绕组供电，辅助电源地和主电源地相连。

无论何种电动车充电器，主电源都连接电池，为了人身安全，与市电应该是隔离的。

大多数半桥式充电器的辅助电源是采用功率输出变压器的独立绕组经全波整流供电。

目前半桥式充电器采用的PWM芯片基本是TL494，加市电瞬间芯片无电并不工作，功率开关管和推动变压器及其外围元件形成自激振荡，串联在功率开关管中点和310V之间T2初级绕阻有电流通过，在T2的初级独立绕组产生电压，续电压由D17，D18全波整流，C22电容滤波，供给PWM芯片，TL494开始工作，很快进入正常。

这一过程叫启动，使电源PWM芯片开始工作的电压叫做启动电压，启动阶段主电源电压不稳定，TL494正常工作后，主电源输出电压和电流才开始受控制，辅助电源绕组输出电压与功率开关管的占空比有关，充电时约25V左右，空载时约17V左右，有些充电器将这个不稳定的电压经正三端稳压器稳压后再供应TL494。

但是相当多的不经稳压直接供应TL494。

使用中，忌讳充电电流大时先拔电池充电插头，后切断市电，这样操作容易损坏TL494。

大部分半桥式充电