电动自行车充电器设计毕业设计论文.docx

1、电动自行车充电器设计毕业设计论文毕业设计（论文）设计（论文） 电动车充电器的设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提

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3、完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘要随着电动车的普及，电动车充电器的使用也越来越广泛，因此设计了一款性能优良的低成本36V电动自行车充电器具有重要的价值意义。该充电器基于的开关电源的原理设计,主电路采用单端反激式设计,控制电路以电流型集成控制器UC3842为核心,配合LM324、光耦和TL431实

4、现对蓄电池的充电控制。文章首先介绍了电动车产业的由来，和它优越的特点。第二章介绍了充电的相关知识介绍，并且主要介绍了常用的几种充电方式，在此理论基础上选择了3段式作为设计的研究方向。接着第三章给出了简要的设计方案，并对电路元件做详细分析。第四章介绍了电路的4大组成部分：主电路、振荡电路、保护电路和指示电路。并对这四部分结构电路做了详细的分析。实践应用表明,该充电器性能优良,适应性较强,比同性能的充电器成本低,很有市场竞争力。关键词：充电方式，PWM，单端反激式，集成控制器目录摘要 1 前 言 1第1 章 电池及充电方式 21.1 蓄电池 21.2 充电原理 21.2.1 常规充电法 21.2.

5、2 充电方法设计 3第2章 系统及元件 32.1 系统设计 42.2 方案选择 42.3 功能元器件概述 42.3.1 稳压二极管 42.3.2 变压器 62.3.3 场效应管 72.3.4 光电耦合器 72.3.5 LM324四运算放大器 82.3.6 UC3842单管开关电源 9第3 章 硬件电路设计 113.1 电源电路 113.1.1 单相桥式整流电路 113.1.2 滤波电路 133.2 振荡电路 133.2.1 振荡方式及电路 153.3 保护电路 163.3.1 过流保护电路 173.3.2 电压比较电路 173.4 显示电路 19结论 20参 考 文 献 21附录A 电路图 2

6、2致谢 23前 言据环保部门统计，目前大气污染的42来源于交通运输，随着人们生活水平的提高，汽车保有量会迅速增加，污染比例也会相应提高，这将严重破坏和影响人们赖以生存的地面生态系统，世界各国都在提出走可持续发展的道路，由此引发了电动自行车的迅速发展，电动自行车以其价格低、绿色环保、使用安全方便等优点越来越受到消费者的喜爱。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

7、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。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

8、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

9、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+H2SO

10、4=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

11、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

12、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

13、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

14、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)

15、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

16、 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

17、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Uz Uz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IzminIzmax

18、。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

19、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、

20、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

21、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（Field Effect Transistor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（100M1 000M）、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

22、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

23、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IF0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基

24、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2.3.5 LM324四运算

25、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Input

26、s1(+)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

27、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3-4 LM324运算放大器符号2.3.6 UC3842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

28、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O

29、UT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3-5 UC3842引脚

30、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

31、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