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电动车电瓶充电器毕业论文
电动车电瓶充电器毕业论文
题目48V三段式电动车铅酸储电池智能控制充电器
学科部：
信息学科部
专业：
电子信息工程
48V三段式电动车铅酸储电池智能控制充电器
摘要：
本设计介绍了充电器对蓄电池充电的一般原理，从阀控蓄电池内部氧循环的设计理念出发，研究二段式和三段式充电方法对铅酸蓄电池寿命的影响。
针对蓄电池充电过程中出现的种种问题，提出对铅酸蓄电池实现三段式充电的智能充电器设计方案。
将整个设计方案分解成多个模块电路的设计，通过分析和计算获得每个模块中各个元器件的参数，最后将各个模块进行组合获得完整的电路。
而整个电路通过控制开关电源的脉冲频率和占空比，从而调节充电电流和电压，实现对蓄电池的分段式充电，这个方案不仅可实现对蓄电池的智能控制，同时可以减少析气，消除硫化，进行均衡充电，从而大大地延长了铅酸蓄电池的使用寿命。
关键词：
铅酸蓄电池；三段式；智能；充电器
Lead-acidbatteryelectriccar3-stepintelligentcontrolcharger
Abstract：
Thedesigndescribesthechargertothebatterychargerofthegeneralprinciples，fromtheinternaloxygencycleofvalve-regulatedbatterydesignconceptsstartingtostudy2-stepand3-stepmethodsforlead-acidbatterylifeimplications。
Forbatterychargingproblemsarisingintheprocess，proposedimplementationofthe3-stepcharginglead-acidbatterychargerintelligentdesign。
Thedesignschemeisdecomposedintoseveralmodulecircuitdesign，throughtheanalysisandcalculationofallcomponentsobtainedeachmoduleoftheparameters。
Eachmodulecombinationwillfinallygetcompletecircuit。
Controltheswitchingpowersupplypulsefrequencyanddutycycle，thusregulatingchargecurrentandvoltagetorealizethesegmentedstoragebattery。
Theprogramnotonlyenablesintelligentcontrolofthebattery，whilereducinganalysisofgas，toeliminatesulfide，abalancedcharge,，thusgreatlyextendingtheservicelifeoflead-acidbatteries。
Keyword：
Lead-acidbatteries；Three-stepmethod；Intelligent；charger
摘要……………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract…………………………………………………………………………………………Ⅱ
第一章前言…………………………………………………………………………………1
第二章充电器原理……………………………………………………………………………2
2.1铅酸蓄电池的充电以及放电特性………………………………………………………2
2.2充电器的工作原理………………………………………………………………………2
2.2.1恒流充电………………………………………………………………………………2
2.2.2恒压充电………………………………………………………………………………3
2.2.3三段式充电……………………………………………………………………………3
第三章总体设计方案…………………………………………………………………………5
3.1系统设计…………………………………………………………………………………5
3.2方案策略…………………………………………………………………………………5
第四章硬件电路设计…………………………………………………………………………6
4.1电路总体设计……………………………………………………………………………6
4.2使用芯片介绍……………………………………………………………………………6
4.2.1UC3842单管开关电源…………………………………………………………………6
4.2.2LM324四运算放大器…………………………………………………………………7
4.2.3TL431集成电路误差放大器…………………………………………………………8
4.2.4EL817光电耦合器……………………………………………………………………9
4.3电动车充电器原理及各元器件作用……………………………………………………10
4.3.1充电器原理图…………………………………………………………………………10
4.3.2充电器PCB图…………………………………………………………………………10
4.3.3各元器件作用概述……………………………………………………………………11
4.4功能模块电路设计………………………………………………………………………11
4.4.1市电滤波电路…………………………………………………………………………11
4.4.2市电电压整流滤波和限流电路………………………………………………………11
4.4.3启动和供电电路………………………………………………………………………12
4.4.4振荡电路………………………………………………………………………………13
4.4.5开关管激励电路………………………………………………………………………14
4.4.6电压输出电路…………………………………………………………………………15
4.4.7稳压控制以及充电显示控制电路……………………………………………………16
第五章总结与展望……………………………………………………………………………17
参考文献（References）…………………………………………………………………………18
致谢………………………………………………………………………………………………19
附录（实物图）…………………………………………………………………………………20
第一章前言
电动车以其方便，快捷，环保，经济，实用的特点，获得人们的青睐，越来越多的人选择电动车作为代步工具，电动车也被人们认为是21世纪的绿色工程，同时它的出现也将汽车工业的发展带入了一个全新的领域。
电动车核心部件中的电动机，控制器和车体三大部件在理论和技术上已较为成熟，而另两大部件蓄电池，充电器的发展还不能满足电动车的要求，有一些理论和技术问题还有待攻关，现已成为影响电动车发展的瓶颈。
目前电动车使用的电池主要由铅酸蓄电池，镍—金属氢化物蓄电池，锂离子蓄电池，燃料电池等，其中铅酸蓄电池以其价格低廉，材料来源丰富，技术和制造工艺较成熟，电池容量大，跟随负荷输出特性好，无记忆效应等优势成为电动车目前主要采用的电池种类。
近年来铅酸蓄电池自身的技术有了不小的进步，比如全密封免维修铅酸蓄电池的出现还有铅酸蓄电池广泛应用于国防，通信，铁路，交通工农业生产部门等，但作为其能量再次补充的充电器却发展缓慢，充电时间过长，充电电流调整不好，充电器输出电压不足等等原因导致蓄电池的使用寿命大大地缩短，严重的制约着电动车的发展。
一般人们都是在蓄电池的电量全部使用完之后再对其进行充电，但这样的结果却容易导致充电器的过充而损坏，致使蓄电池过早地报废而污染环境，要知道每年报废的蓄电池的数量是十分恐怖的。
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。
第二章充电器原理
2.1铅酸蓄电池的充电以及放电特性
所谓蓄电池即是储存化学能量，于必要时放出电能的一种电气化学设备。
而铅酸蓄
电池是通过阳极的
以及阴极的
浸到电解液（稀硫酸）中发生化学反应来进行充电和放电的。
当铅酸蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴，阳极板上的活性物质产生反应，生成新化合物硫酸铅，在此过程中会产生自由电子，从而产生电流。
而由于放电时在阳极板，阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸，铅及过氧化铅，因此电池内电解液的浓度逐渐增加，亦即电解液之比重上升，并逐渐回复到放电前的浓度，这种变化显示出蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态，当两级的硫酸铅被还原成原来的活性物质时，即等于充电结束。
铅酸蓄电池的典型放电曲线特性是以一个单体蓄电池为例，采用1/20放电进行分析的，蓄电池端电压根据各极板间硫酸密度的变化规律分为三个阶段：
开始放电阶段，相对稳定阶段和迅速下降阶段，其放电曲线如图2.1所示。
铅酸蓄电池的典型充电特性曲线如图2.2所示，通常是以恒流充电进行分析。
其充电特性仍然可以归纳为三个阶段来阐述：
开始充电阶段，相对稳定阶段以及迅速上升阶段。
2.2充电器的工作原理
电动车充电器常用的充电方式一般分为二段式充电模式和三段式充电模式两种。
其中
的二段式充电是指先恒压充电，充电电流随蓄电池电压的上升逐渐减小，等蓄电池的电量补充到一定程度以后，电压会上升到充电器的设定值，随后进入涓流的浮充状态。
而对于三段式将在后面具体介绍。
2.2.1恒流充电
恒流充电，又叫定电流充电法，在整个充电过程中，始终保持充电电流恒定不变。
在充电过程中，由于蓄电池的段电压逐渐升高，为了保持充电电流的恒定，必须相应提高充电电压。
采用恒流充电法，可以将不同容量的蓄电池串联在一起进行充电。
但是各个蓄电池的容量应当尽可能相同，否则应当以容量最小的蓄电池计算充电电流，当小蓄电池充足之后，应当及时摘除，再继续给大容量蓄电池充电。
恒流充电法的优点是可以任意选择充电电流，有益于延长蓄电池的使用寿命。
缺点是充电时间长，并且需要经常调整充电电流。
2.2.2恒压充电
恒压充电又叫定电压充电法，在充电过程中，始终保持一个恒定的充电电压，绝大多数汽车都采用这种充电方法对车载蓄电池进行充电。
充电初期，由于蓄电池的端电压较低，充电器与蓄电池的电压差较大，所以充电电流也大。
随着充电的进行，蓄电池端电压逐渐上升，充电器与蓄电池的电压差也减小，所以充电电流减小。
如果充电器输出电压不足，则充电很短时间就导致充电电流下降为零，过早地结束了充电，长期如此，势必导致蓄电池长期充电不足，容量下降，寿命缩短。
如果充电器输出电压过高，充电电流将显著增大，即使蓄电池已经充足电，但端电压仍然低于充电器的输出电压，充电电流仍然纯在，充电始终在进行，势必导致蓄电池过充电，加快电解液的消耗，使用寿命缩短。
2.2.3三段式充电
三段式充电与二段式充电的不同之处在于其第一个阶段为恒流充电阶段，充电器先以恒流对蓄电池快速充电，随着蓄电池存储能量的升高，充电电流减小，被充电控制电路检测后充电器自动转入第二个阶段恒压充电，继续为蓄电池补充能量，电压上升的幅度较小并且速度放慢，直到电压稳定。
当充电电流小于300mA的转折电流后自动转为涓流充电，以补偿蓄电池的自放电电流，并起到保养蓄电池的作用。
本设计主要是针对48V的充电器，对于三段式充电器的三个主要参数的要求是相当严格的：
1.涓流阶段的参考电压值：
涓流阶段的参考电压值一般为58V左右，不能大于或小于该参考值。
该值高容易导致
电池失水，会引起蓄电池发热变形；该值低不仅充电速度慢，而且不利于蓄电池充足电。
因此，这个参数极为重要，只有满足这个参数要求才能延长蓄电池的使用寿命。
2.恒压阶段的参考电压值：
恒压阶段的参考电压值为59.5V左右，此值高有利于快速充足电，但容易造成蓄电池失
水，充电后期不能使电流降下来，容易导致蓄电池发热变形；此值低则蓄电池快速充电的时间短，延长了蓄电池充足电的时间，但有利于向涓流阶段转换。
因此，这个也是个重要参数，不能偏离过多。
3.转换电流：
转换电流的参考值为500mA左右。
通常该参考值范围是450—550mA,若此值过高，虽
然有利于延长蓄电池的使用寿命，但增加了充电时间，但不能低于400mA。
若此值低，虽有利于充足电并缩短充电时间，但会导致恒压充电时间过长，容易引起蓄电池失水，降低蓄电池的使用寿命。
当个别蓄电池出现问题，使充电电流不能降为转折电流时，会损坏同组其他蓄电池。
其三段式充电器波形如图2.3所示。
4．注意事项：
充电时要注意的事项：
一是在通风良好的环境下进行，以免温度过高给充电器和蓄电
池带来危害，影响三段式充电过程；二是充电过程中如果闻到异味或充电器外壳温度过高，应立即停止充电，对充电器进行检修或更换；三是不要让金属和水等导电物质进入充电器内部，以免充电器内部的电子元器件被短路损坏。
第三章总体设计方案
3.1系统设计
根据课题的要求，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交流电经整流、滤波后，经脉冲变压器降压送给蓄电池进行充电。
对系统信号进行采样和控制，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充电的。
当蓄电池的电压达到额定值后，说明蓄电池已经充满电，控制开关，断开电源，停止充电。
其实在充电器刚开始准备对蓄电池进行充电的时候，先要通过一个检测电路，来检测蓄电池中的电量，这样才能确保充电时所处的三段式的阶段，真正的起到智能控制的作用。
3.2方案策略
用PWM信号发生器（UC3842）来实现方案。
蓄电池充电时，先通过AC—DC功率变
换器将市电电压由交流电压变换为直流电压，然后通过高频变压器降压为适当的电压量为蓄电池供电，经过电压和电流检测电路，不仅对蓄电池所充的电流进行检测，同时对电流和电压信号进行采样，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信号发生器对反馈回来的电压和电流信号进行分析，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。
如下图3.1方框图
第四章硬件电路设计
4.1电路总体设计
充电器采用的典型构成主要由市电滤波电路，市电变换电路，启动电路，振荡器，PWM电路，激励电路，开关管，误差取样放大电路，保护电路等。
由市电送来的220V的交流双向滤波抑制干扰进行整流滤波，得到太约300V的直流电送入给高频脉冲开关变压器，变压器的次级绕组输出电压为48V给蓄电池充电。
在蓄电池的出口处分别对其电压和电流进行采样，然后通过误差取样放大电路影响光电耦合器的导通情况，从而控制开关管的导通起到对电流和电压的输出控制。
以UC3842驱动场效应管的单管开关电源，然后再输出的PWM波形的频率和占空比，配合LM324来实现阶段充电方式。
如图4.1所示。
4.2使用芯片介绍
之所以电动车的充电器随着时代的发展，体积越来越小，重量越来越轻，效率越来越高，安全度也逐步提升的主要原因在于集成芯片的发展和使用。
将更多的功能集成于一块芯片上，这将是未来电子技术发展的必然趋势，我相信随着集成芯片的不断发展，充电器的发展也会步入一个崭新的时代。
4.2.1UC3842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。
它的内部电路包括如下性能：
一是可调整的充放电振荡器，可精确的控制占空比；二是采用电流型控制，并可在500KHz高频状态下工作；三是误差放大器具有自动补偿功能；四是带锁定的PWM控制电路，可进行逐个脉冲的电流控制；五是具有内部可调整参考电压，具有欠压保护锁定功能；六是采用图腾柱输出电路，提供大电流输出，输出电流可达到
1A；七是可直接驱动场效应管或双晶体管。
UC3842的内部由启动电路，振荡电路，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。
4.2.2LM324四运算放大器
LM324内设4个完全相同的运输放大器及运算补偿电路，采用差分输入方式。
该芯片工作电压范围为3—32V，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
LM324本身具有许多特点，比如：
一是具有短跑保护输出；二是真差动输入级；三是可单电源工作；四是低偏置电流，最大为100nA；五是每个封装含有四个运算放大器；六是具有内部补偿的功能；七是共模范围扩展到负电源；八是行业标准的引脚排列；九是输入端具有静电保护功能。
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。
4.2.3TL431集成电路误差放大器
TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。
它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf（2.5V）到36V范围内的任何值。
该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中用它代替齐纳二极管，例如数字电压表，运放电路，可调压电源，开关电源等。
如图4.5是该器件的符号和引脚图，其3个引脚分别为：
阴极，阳极和参考端。
TL431是一种并联稳压集成电路，因其性能好，价格低，因此广泛应用在各种电源电路中。
其主要参数为：
最大输入电压为37V；最大工作电流150mA；内基准电压为2.5V；输出电压范围为2.5—30V。
而TL431的具体功能可以用图4.7的功能模块示意。
由图可以看到VI是一个内部的2.5V的基准源，接在运放的反向输入端。
由运放的特性可知，只有当REF端（同向端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管的电流将从1到100mA变化。
在此次的设计中如果TL431异常时，将不能控制输出电流，从而会产生开关电源输出电压升高的故障；而如果其产生漏电的时候，会产生开关电源输出电压低的故障，所以其对电路的影响非常大。
4.2.4EL817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
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