電子信息工程畢業(yè)論文

PAGE22電子信息工程畢業(yè)論文專業(yè)：電子信息工程班級：電子信息工程（3）班48V三段式電動車鉛酸儲電池智能控制充電器摘要：本設(shè)計介紹了充電器對蓄電池充電的一般原理，從閥控蓄電池內(nèi)部氧循環(huán)的設(shè)計理念出發(fā)，研究二段式和三段式充電方法對鉛酸蓄電池壽命的影響。針對蓄電池充電過程中出現(xiàn)的種種問題，提出對鉛酸蓄電池實現(xiàn)三段式充電的智能充電器設(shè)計方案。將整個設(shè)計方案分解成多個模塊電路的設(shè)計，通過分析和計算獲得每個模塊中各個元器件的參數(shù)，最后將各個模塊進行組合獲得完整的電路。而整個電路通過控制開關(guān)電源的脈沖頻率和占空比，從而調(diào)節(jié)充電電流和電壓，實現(xiàn)對蓄電池的分段式充電，這個方案不僅可實現(xiàn)對蓄電池的智能控制，同時可以減少析氣，消除硫化，進行均衡充電，從而大大地延長了鉛酸蓄電池的使用壽命。關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池；三段式；智能；充電器Lead-acidbatteryelectriccar3-stepintelligentcontrolchargerAbstract：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目錄摘要……………ⅠAbstract…………………………Ⅱ前言…………………1充電器原理……………22.1鉛酸蓄電池的充電以及放電特性………22.2充電器的工作原理………………………22.2.1恒流充電………………2.2.2恒壓充電………………2.2.3三段式充電……………第三章總體設(shè)計方案…………53.1系統(tǒng)設(shè)計…………………53.2方案策略…………………5第四章硬件電路設(shè)計…………64.1電路總體設(shè)計……………64.2使用芯片介紹……………64.2.1UC3842單管開關(guān)電源…………………64.2.2LM324四運算放大器…………………74.2.3TL431集成電路誤差放大器…………84.2.4EL817光電耦合器……………………94.3電動車充電器原理及各元器件作用……………………104.3.1充電器原理圖…………104.3.2充電器PCB圖…………104.3.3各元器件作用概述……………………114.4功能模塊電路設(shè)計………………………114.4.1市電濾波電路…………114.4.2市電電壓整流濾波和限流電路………114.4.3啟動和供電電路………………………124.4.4振蕩電路………………134.4.5開關(guān)管激勵電路………………………144.4.6電壓輸出電路…………154.4.7穩(wěn)壓控制以及充電顯示控制電路……………………16第五章總結(jié)與展望……………17參考文獻（References）…………18致謝………………19附錄（實物圖）…………………20第一章前言電動車以其方便，快捷，環(huán)保，經(jīng)濟，實用的特點，獲得人們的青睞，越來越多的人選擇電動車作為代步工具，電動車也被人們認為是21世紀的綠色工程，同時它的出現(xiàn)也將汽車工業(yè)的發(fā)展帶入了一個全新的領(lǐng)域。電動車核心部件中的電動機，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。近年來鉛酸蓄電池自身的技術(shù)有了不小的進步，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充的充電器卻發(fā)展緩慢，充電時間過長，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廢而污染環(huán)境，要知道每年報廢的蓄電池的數(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。而且最近幾年許多新聞報道中都有使用者因為使用不當，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)時代的發(fā)展及要求設(shè)計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，采用UC3842驅(qū)動場效應(yīng)管的單管開關(guān)電源配合LM324設(shè)計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，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，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，我也相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，電動車以及電動汽車的也會有更加美好的未來。第二章充電器原理2.1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)來進行充電和放電的。當鉛酸蓄電池連接外部電路放電時，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。而由于放電時在陽極板，陰極板上所產(chǎn)生的硫酸鉛會在充電時被分解還原成硫酸，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)，當兩級的硫酸鉛被還原成原來的活性物質(zhì)時，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單體蓄電池為例，采用1/20放電進行分析的，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行分析。其充電特性仍然可以歸納為三個階段來闡述：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，隨后進入涓流的浮充狀態(tài)。而對于三段式將在后面具體介紹。2.2.1恒流充電，又叫定電流充電法，在整個充電過程中，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)在一起進行充電。但是各個蓄電池的容量應(yīng)當盡可能相同，否則應(yīng)當以容量最小的蓄電池計算充電電流，當小蓄電池充足之后，應(yīng)當及時摘除，再繼續(xù)給大容量蓄電池充電。恒流充電法的優(yōu)點是可以任意選擇充電電流，有益于延長蓄電池的使用壽命。缺點是充電時間長，并且需要經(jīng)常調(diào)整充電電流。2.2.2恒壓充電又叫定電壓充電法，在充電過程中，始終保持一個恒定的充電電壓，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。2.2.3三段式充電與二段式充電的不同之處在于其第一個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)入第二個階段恒壓充電，繼續(xù)為蓄電池補充能量，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)計主要是針對48V的充電器，對于三段式充電器的三個主要參數(shù)的要求是相當嚴格的：涓流階段的參考電壓值：涓流階段的參考電壓值一般為58V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，這個參數(shù)極為重要，只有滿足這個參數(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59.5V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間短，延長了蓄電池充足電的時間，但有利于向涓流階段轉(zhuǎn)換。因此，這個也是個重要參數(shù)，不能偏離過多。轉(zhuǎn)換電流：轉(zhuǎn)換電流的參考值為500mA左右。通常該參考值范圍是450—550mA,若此值過高，雖然有利于延長蓄電池的使用壽命，但增加了充電時間，但不能低于400mA。若此值低，雖有利于充足電并縮短充電時間，但會導(dǎo)致恒壓充電時間過長，容易引起蓄電池失水，降低蓄電池的使用壽命。當個別蓄電池出現(xiàn)問題，使充電電流不能降為轉(zhuǎn)折電流時，會損壞同組其他蓄電池。其三段式充電器波形如圖2.3所示。4．注意事項：充電時要注意的事項：一是在通風良好的環(huán)境下進行，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，對充電器進行檢修或更換；三是不要讓金屬和水等導(dǎo)電物質(zhì)進入充電器內(nèi)部，以免充電器內(nèi)部的電子元器件被短路損壞。圖2.圖2.2.148V/20Ah三段式充電器波形總體設(shè)計方案系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)課題的要求，系統(tǒng)采用開關(guān)電源，通過脈沖電流的方式來實現(xiàn)充電的目的。由市電送來的220V交流電經(jīng)整流、濾波后，經(jīng)脈沖變壓器降壓送給蓄電池進行充電。對系統(tǒng)信號進行采樣和控制，將充電的電壓和電流信號反饋回PWM信號發(fā)生器，由PWM信號發(fā)生器控制開關(guān)管通斷的占空比完成充電的。當蓄電池的電壓達到額定值后，說明蓄電池已經(jīng)充滿電，控制開關(guān)，斷開電源，停止充電。其實在充電器剛開始準備對蓄電池進行充電的時候，先要通過一個檢測電路，來檢測蓄電池中的電量，這樣才能確保充電時所處的三段式的階段，真正的起到智能控制的作用。方案策略用PWM信號發(fā)生器（UC3842）來實現(xiàn)方案。蓄電池充電時，先通過AC—DC功率變換器將市電電壓由交流電壓變換為直流電壓，然后通過高頻變壓器降壓為適當?shù)碾妷毫繛樾铍姵毓╇?，?jīng)過電壓和電流檢測電路，不僅對蓄電池所充的電流進行檢測，同時對電流和電壓信號進行采樣，采樣的信號經(jīng)過各種處理后，分別送進PWM信號發(fā)生器的電壓和電流反饋引腳。PWM信號發(fā)生器對反饋回來的電壓和電流信號進行分析，然后調(diào)整PWM輸出信號的占空比。這個PWM信號送給開關(guān)電源開關(guān)管，從而便調(diào)節(jié)開關(guān)管在一個周期內(nèi)關(guān)斷和導(dǎo)通的時間，也就是控制了高頻變壓器通斷的時間，從而實現(xiàn)控制高頻變壓器輸出電壓和電流的大小。這種方法是目前市場充電器流行使用的方法，也是一種很技術(shù)非常成熟的方法。而且技術(shù)簡單、成熟、有多年的實用經(jīng)驗、所需的元器件少、成本低，安全可靠，適應(yīng)市電輸入范圍寬都是其主要的優(yōu)點。如下圖3.1方框圖圖3.1充電器基本方案方框圖圖3.1充電器基本方案方框圖硬件電路設(shè)計4.1電路總體設(shè)計充電器采用的典型構(gòu)成主要由市電濾波電路，市電變換電路，啟動電路，振蕩器，PWM電路，激勵電路，開關(guān)管，誤差取樣放大電路，保護電路等。由市電送來的220V的交流雙向濾波抑制干擾進行整流濾波，得到太約300V的直流電送入給高頻脈沖開關(guān)變壓器，變壓器的次級繞組輸出電壓為48V給蓄電池充電。在蓄電池的出口處分別對其電壓和電流進行采樣，然后通過誤差取樣放大電路影響光電耦合器的導(dǎo)通情況，從而控制開關(guān)管的導(dǎo)通起到對電流和電壓的輸出控制。以UC3842驅(qū)動場效應(yīng)管的單管開關(guān)電源，然后再輸出的PWM波形的頻率和占空比，配合LM324來實現(xiàn)階段充電方式。如圖4.1所示。圖4.1充電器采用的開關(guān)電源構(gòu)成方框圖圖4.1充電器采用的開關(guān)電源構(gòu)成方框圖4.2使用芯片介紹之所以電動車的充電器隨著時代的發(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)展也會步入一個嶄新的時代。4.2.1UC3842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)計以及直流—直流電源變換器中。它主要的優(yōu)點是外界元件少，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償功能；四是帶鎖定的PWM控制電路，可進行逐個脈沖的電流控制；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），此腳與內(nèi)部誤差放大器同向輸入端的基準電壓(一般為+2.5V)進行比較，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，當電源電壓異常時，功率開關(guān)管的電流增大，當取樣電阻上的電壓超過1V時，UC3842就停止輸出，有效地保護了功率開關(guān)管。4腳RT/CT是外接振蕩器定時端。鋸齒波振蕩器外接定時電容C和定時電阻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，因為當三極管VTl截止時，VT2導(dǎo)通，為功率管關(guān)斷時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。當供電電壓低于＋16V時，UC3824不工作，此時耗電在1mA以下。輸入電壓可以通過一個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。工作時耗電約為15mA，此電流可通過反饋電阻提供。圖4.2.1UC3842引腳圖圖4.圖4.2.1UC3842引腳圖圖.2LM324四運算放大器LM324內(nèi)設(shè)4個完全相同的運輸放大器及運算補償電路，采用差分輸入方式。該芯片工作電壓范圍為3—32V，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。LM324本身具有許多特點，比如：一是具有短跑保護輸出；二是真差動輸入級；三是可單電源工作；四是低偏置電流，最大為100nA；五是每個封裝含有四個運算放大器；六是具有內(nèi)部補償?shù)墓δ?；七是共模范圍擴展到負電源；八是行業(yè)標準的引腳排列；九是輸入端具有靜電保護功能。1腳OUT1是運算放大器1輸出，其空載電壓為18V。2腳Inputs1(-)是運算放大器1反相輸入端，其空載電壓為0V。3腳Inputs1(+)是運算放大器1同相輸入端，其空載電壓為5.1V。4腳Vcc是供電，其空載電壓為19V。5腳Inputs2(+)是運算放大器2同相輸入端，其空載電壓為0.1V。6腳Inputs2(-)是運算放大器2反相輸入端，其空載電壓為0.2V。7腳OUT2是運算放大器2輸出，其空載電壓為0V。8腳OUT3是運算放大器3輸出，其空載電壓為0.03V。9腳Inputs3(-)是運算放大器3反相輸入端，其空載電壓為5V。10腳Inputs3(+)是運算放大器3同相輸入端，其空載電壓為5.33V。11腳GND是接地或負電源供電，其空載電壓為0V。12腳Inputs4(+)是運算放大器4同相輸入端，其空載電壓為0V。13腳Inputs4(-)是運算放大器4反相輸入端，其空載電壓為0.05V。14腳OUT4是運算放大器4輸出，其空載電壓為0V。圖圖.3TL431集成電路誤差放大器TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準源。它的輸出電壓用兩個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0.2Ω，在很多應(yīng)用中用它代替齊納二極管，例如數(shù)字電壓表，運放電路，可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等。如圖4.5是該器件的符號和引腳圖，其3個引腳分別為：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；最大工作電流150mA；內(nèi)基準電壓為2.5V；輸出電壓范圍為2.5—30V。而TL431的具體功能可以用圖4.7的功能模塊示意。由圖可以看到VI是一個內(nèi)部的2.5V的基準源，接在運放的反向輸入端。由運放的特性可知，只有當REF端（同向端）的電壓非常接近VI（2.5V）時，三極管中才會有一個穩(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)計中如果TL431異常時，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。圖圖4.2.4TL431圖圖4.2.5TL431內(nèi)部電路簡圖圖.4EL817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，光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關(guān)系，當IF=0時，發(fā)光二極管不發(fā)光，此時的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流，一般很小。當IF>0時，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、減變化的光信號，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，輸入信號和輸出信號之間存在一定的延遲時間，不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器輸入和輸出延遲時間相差很大，所以要對每個不同的光電耦合器區(qū)別對待。圖圖電動車充電器原理及各元器件作用4.3.1充電器原理圖圖圖.2充電器PCB圖圖圖.3各元器件作用概述220v交流電經(jīng)T1雙向濾波抑制干擾，D1—D4的四個整流二極管整流為脈動直流，再經(jīng)C3濾波形成約300V左右的直流電。IC1為UC3842脈寬調(diào)制集成電路。其5腳為接地端，7腳為電源正極；6腳為脈沖輸出直接驅(qū)動場效應(yīng)管VT1；3腳為最大電流限制，調(diào)整R6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腳為外接振蕩電阻R9和振蕩電容C6。T2為高頻脈沖變壓器，其作用有三個：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。其中的D7—D8為高頻整流管，C16為低壓濾波電容，D10為穩(wěn)壓二極管，IC2(TL431)為精密基準電壓源，配合PC1(光耦合器)起到自動調(diào)節(jié)充電器電壓的作用。LED2是電源指示燈。4.4功能模塊電路設(shè)計將一個充電器的設(shè)計分解成不同的功能模塊的單獨設(shè)計，不僅能清晰地看清每個電路的構(gòu)造，而且可以將設(shè)計的難度降低，減少錯誤的發(fā)生，更加便于錯誤的查找。4.4.1市電濾波電路市電電壓通過一個2A保險管F1對電路起到一個保護作用，隨后為了抑制市電中的對稱性和高頻干擾脈沖需在電路中接入互感線圈L1，同時并聯(lián)兩個差模電容C1和C2?；ジ芯€圈L1由一個磁芯和兩個匝數(shù)相同，但繞向相反的繞組組成的，當出現(xiàn)共模干擾時，由于兩個線圈的磁通方向相同，經(jīng)過耦合后總電感量迅速增大，因此對共模信號呈現(xiàn)很大感抗，從而有效抑制干擾信號，感抗的大小與噪聲的頻率成正比，可通過流過共模濾波電感的電流值，查閱有關(guān)手冊獲取共模電感值。而C1和C2的電容量越大，濾波效果愈好，也就是說和電容容量成正比，但同時容量也不能過大，否則不僅會浪費電能，而且容易導(dǎo)致市電過流，所以要根據(jù)差模信號頻率的大小來選取，一般選取C1=C2=100nF。圖圖4.4.1 4.4.2市電電壓整流濾波和限流電路經(jīng)過市電濾波電路濾波后的市電電壓通過整流二極管D1—D4全橋整流后，以及濾波電容C3濾波后獲得300V左右的直流電壓為后面的開關(guān)電源供電。通過查找二極管的參數(shù)可以了解到IN5399的最高反向峰值電壓為1000V，平均整流電流為5A，最大峰值浪涌電流一般為1.5A，最大反向漏電流為5A，通過比較后發(fā)現(xiàn)較符合作為開關(guān)電源的高速整流用。而濾波電容的容值大小的選取運算如下：對于整流濾波電路，假設(shè)在電路圖的輸出端C3并聯(lián)電阻R，并且I為流過電阻R的電流，大小為200mA，U為電阻R兩端的電壓為300V，則計算結(jié)果為：負載電阻：為了得到平滑的負載電壓：由此得到濾波電容：若考慮電網(wǎng)電壓波動，則電容器承受的最高電壓為：根據(jù)上面的計算過程應(yīng)選用標稱為47/400V圖圖.3啟動和供電電路開關(guān)電源分為自激式開關(guān)電源和他激式開關(guān)電源兩種，其主要區(qū)別在于自激式開關(guān)電源是由電阻和電容限流組成的，而他激式開關(guān)電源是通過電源IC來啟動。這里選取他激式開關(guān)電源，這樣更便于對充電過程進行智能控制。由市電電壓變換電路產(chǎn)生的300V電壓經(jīng)R5限流，降壓后，對電源控制芯片或電源厚膜電路IC1供電端Vcc外接的濾波電容C10充電，當C10兩端電壓達到IC1內(nèi)啟動電路的啟動閥值后，IC1內(nèi)的啟動電路開始工作并使基準電壓發(fā)生器輸出電壓，為振蕩器等電路供電，實現(xiàn)開關(guān)電源的啟動。由于本次設(shè)計中的電源IC選用的是UC3842，所以其啟動電壓為16V，耗電量為1mA以下，所以由此可以得到：限流，降壓電阻R5：電阻R5所消耗的功率：所以電阻R5可以選取的規(guī)格為150/1W。濾波電容的選取需根據(jù)其ESR值來計算，首先紋波電流一般選取輸出電流的25%：紋波電壓一般為輸出電壓的0.3%左右：濾波電容：所以電容C10可以選取的規(guī)格為47/50V。圖圖.4振蕩電路當UC3842啟動后，UC3842的8腳會輸出5.0V/50mA的基準電壓，但同時會夾帶著高頻脈沖信號，這些脈沖信號會影響振蕩電路的正常工作，必須濾除，而容值越低對于高頻信號的濾除效果越好，所以接入一個低容值的濾波電容C5=10nF就可以很好的達到濾除效果。隨后濾除了高頻信號的5V電壓通過定時元件R9對C6進行充電隨著充電的不斷的進行，使得C6兩端電壓逐漸升高達到一定值Vt(約2.8V)時，使UC3842中的內(nèi)部OSC振蕩器中的比較器翻轉(zhuǎn)，同時為C6提供放電回路，使C6兩端電壓迅速下降，當C6兩端電壓低于一定值Vd（約1.2V）時，比較器再次觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，C6又通過R9進行充電，于是在C6兩端就形成了Vd到Vt變化的鋸齒波脈沖，而重復(fù)以上過程就能使得UC3842內(nèi)部OSC振蕩器輸出矩形振蕩脈沖信號。通過查取UC3842的DataSheet（芯片的數(shù)據(jù)手冊）可以得到，一般選取R9=10，C6=3.3nF，因為盡管許多的R和C值都可以產(chǎn)生相同的振蕩器頻率，但只有一組可以得到在給定頻率下的特定輸出靜區(qū)時間，從而對輸出信號進行穩(wěn)定的控制。而在實際電路的電路中，如圖4.9中還添加了一個電容C8和電阻R8，C8主要的作用是完全的濾除高頻干擾，防止對振蕩信號的影響，而容量越小，濾除高頻干擾的效果也就越好，一般取為1nF。而R8主要是起到一個泄放電荷的作用，防止電容的損壞，一般取為1.5K。所以可以得到：UC3842工作頻率：圖圖.5開關(guān)管激勵電路首先參見圖4.3的UC3842內(nèi)部方框圖，再根據(jù)圖4.15中的外部電路連線，這樣就可以了解到UC3842構(gòu)成的開關(guān)管激勵電路的整個過程。他激式開關(guān)電源典型的激勵電路多以RS觸發(fā)器為核心構(gòu)成。當芯片UC3842內(nèi)的振蕩器工作后，在圖4.3的電路中產(chǎn)生的矩形振蕩脈沖送到觸發(fā)器的S端。當S端輸入的脈沖信號為低電平，觸發(fā)器的端為高電平，Q端為低電平時，推挽放大器的Q2截止，Q1導(dǎo)通，經(jīng)Q1放大后的高電平激勵脈沖由6腳輸出，通過R4使開關(guān)管VT1導(dǎo)通。VT1導(dǎo)通后，300V電壓通過開關(guān)變壓器T1的初級繞組，VT1的D/S級，R6到地構(gòu)成導(dǎo)通回路，回路中的電流不僅使T1存儲能量，而且在R6兩端建立取樣電壓。該電壓經(jīng)R7對C7充電，C7兩端電壓經(jīng)3腳送到電流比較器的同相輸入端。同時當C7兩端電壓使電流比較器的同相輸入端電壓超過其反相輸入端電壓后，電流比較器輸出高電平，使觸發(fā)器R端為低電平，于是觸發(fā)器輸出端Q端為高電平，端為低電平。端為低電平后致使C7兩端的電壓泄放。而端為低電平后使Q1截止，Q2導(dǎo)通，致使開關(guān)管VT1截止，以免VT1因存儲效應(yīng)不能及時截止，因功耗大而損壞。開關(guān)管截止期間，T1次級繞組產(chǎn)生的脈沖電壓通過整流濾波電路獲得直流電壓，為相應(yīng)的負載供電。當振蕩脈沖為低電平時該狀態(tài)不變，直至下一個振蕩周期振蕩脈沖再次為高電平，RS觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)，重復(fù)以上過程，RS觸發(fā)器輸出PWM矩形脈沖。該脈沖從芯片6腳輸出后，驅(qū)動開關(guān)管VT1工作在開關(guān)狀態(tài)。當開關(guān)電源輸出電壓升高后，由誤差取樣，放大電路產(chǎn)生的誤差信號升高，該電壓加到電源控制芯片UC3842的2腳后與2.5V基準電壓比較，使UC3842內(nèi)的誤差放大器輸出電壓降低，通過二極管使電流比較器的反向輸入端電壓降低，同時在輸出電壓升高期間開關(guān)管的D極電流增大，經(jīng)積分后使UC3842的3腳輸入的鋸齒波脈沖提前達到1V。該電壓加到電流比較器同相輸入端后，電流比較器提前輸出低電平脈沖，致使觸發(fā)器R端提前變?yōu)楦唠娖?，觸發(fā)器輸出端端輸出高電平時間變短，觸發(fā)器輸出地PWM脈沖的占空比減小，通過驅(qū)動電路放大后從UC3842的6腳輸出，使開關(guān)管導(dǎo)通時間縮短，開關(guān)電源輸出電壓下降到正常值。其中的驅(qū)動電阻R4為了減慢開關(guān)管的導(dǎo)通，加快開關(guān)管的截止。同時防止當6腳輸出過高時開關(guān)管燒毀，還要保證開關(guān)管能正常啟動。6腳輸出地最高電壓為4.2V，開關(guān)管的門限電壓一般為1V，輸出電流約為0.1A，則：R3主要起到的作用是防止開關(guān)管電壓翻轉(zhuǎn)，對電路起到保護作用，所以需使用一個阻值較大的電阻。根據(jù)經(jīng)驗一般取就能很好的保護電路，又不至于消耗過多的能量。當開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，300V電壓經(jīng)T1的N1繞組，VT1的D/S極和R6到地構(gòu)成回路，回路中的電流在繞組N1上產(chǎn)生上正，下負的電動勢，此時T1的能量被儲存在T1內(nèi)部，同時導(dǎo)通電流在R6兩端產(chǎn)生取樣電壓，而且R6可以防止靜電造成損壞，降低輸入阻抗，提供泄荷通路。作為采樣電阻一般阻值選在1歐姆以下而且是精密電阻，所以選擇。從取樣電阻R6獲得的取樣電壓通過R7和C7積分后加到IC1的3腳。當IC1的3腳輸入的電壓達到1V，被IC1內(nèi)部的PWM電路處理后，IC1的6腳輸出的激勵脈沖變?yōu)榈碗娖剑筕T1迅速截止。所以可以選取C7為3.3nF，R7為560。圖圖.6電壓輸出電路具體圖形可以查看圖4.9的充電器原理圖。當VT1截止后T1的次級繞組產(chǎn)生反相的脈沖電壓，經(jīng)整流濾波后產(chǎn)生直流電壓為相應(yīng)的負載供電。N3繞組輸出地脈沖電壓通過D6整流，C10濾波產(chǎn)生12—20V電壓，不僅取代啟動電路為IC1供電而且為光電耦合器PC1內(nèi)的光敏管供電。N2繞組輸出地脈沖電壓經(jīng)D7,D8整流和C16濾波后產(chǎn)生42—58V直流電壓，不僅為48V蓄電池充電，而且通過R15—R18取樣后加到誤差放大器IC2的取樣端。N4繞組輸出的脈沖電壓通過D10整流，C12濾波后，第一路通過R13加到光電耦合器PC1的1腳，為它內(nèi)部的發(fā)光管供電；第二路為芯片LM324供電；第三路經(jīng)R23限流，通過穩(wěn)壓管產(chǎn)生5V基準電壓。R2在電路中起到了上拉電阻的作用，其阻值只需要5.1就可以達到工程上的要求。濾波電容C16：假設(shè)負載電阻為了充電器對蓄電池的充電過程平穩(wěn)：由此得到濾波電容：所以C16可以標稱為470uF/63V。4.4.7穩(wěn)壓控制以及充電顯示控制電路穩(wěn)壓控制電路由誤差取樣，放大電路和調(diào)寬或調(diào)頻調(diào)寬電路（PWM電路）兩部分組成。而其中的誤差取樣，放大電路又可分為間接誤差取樣，放大和直接誤差取樣，放大。本次設(shè)計是采用直接式的，它是直接對輸出電壓進行取樣，放大后，通過調(diào)寬或調(diào)頻調(diào)寬電路控制開關(guān)管導(dǎo)通時間（或同時控制振蕩頻率和導(dǎo)通時間）確保開關(guān)電源輸出電壓的穩(wěn)定。而調(diào)寬或調(diào)頻調(diào)寬電路在前面已經(jīng)介紹，這里就不再做介紹了。目前的充電器為了實現(xiàn)三段式充電和便于用戶使用，設(shè)置了充電，顯示控制電路。其主要原理是通過LM324，取樣電阻，發(fā)光管等元器件通過對電路中的電流和電壓進行取樣比較，得到充電處于哪個階段，然后控制發(fā)光管的亮暗來告知用戶蓄電池的充電情況。總結(jié)與展望采用以UC3842驅(qū)動場效應(yīng)管的單管開關(guān)電源配合LM324四運放電路設(shè)計的智能充電器，能夠?qū)崿F(xiàn)對電車的蓄電池進行充電，并能夠根據(jù)充電過程自動調(diào)整控制參數(shù)以，可以實現(xiàn)充電過程的無人值守，延長電池的使用壽命。由于設(shè)計時間短，在電路設(shè)計與充電算法方面還存在不足，有待于以后不斷改進。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)進行合理設(shè)計外，還要對保護電路進行完善考慮。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；蓄電池的過熱保護。電動摩托車充電器已制造出實驗樣機，電動汽車的發(fā)展也是迅速的，我們堅信電動自行車使用鉛蓄電池是一個潛在的巨大的持久性產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過幾年的努力它一定會演變成現(xiàn)實的生產(chǎn)了，給人們的生活和工作帶來巨大的變化的。不可再生資源的的枯竭，能源的緊缺，環(huán)境的污染，注定了新技術(shù)新能源的開發(fā)將貫穿整個時代。太陽能作為一種“取之不盡，用之不竭”既節(jié)能又環(huán)保的新能源，必將成為21世紀人類可持續(xù)發(fā)展的必然追求。為此，國家在“十一?五”規(guī)劃中提出了“節(jié)能、降耗、大力發(fā)展太陽能等清潔能源”的戰(zhàn)略性目標。作為能源領(lǐng)域最前沿的學(xué)生思維，為慣徹落實國家的這一發(fā)展規(guī)劃，經(jīng)過這次的設(shè)計之不足，創(chuàng)造性的想像了一下最新節(jié)能產(chǎn)品--電動車專用太陽能升壓式充電器?？梢圆捎脝尉Ч?、多晶硅相結(jié)合，表面為多菱采光板體，優(yōu)質(zhì)高效晶硅板，對弱光響應(yīng)特性非常好，光電轉(zhuǎn)換率高達85%以上，無論室內(nèi)外陽光強弱，可以不間斷的吸收光線為電動車自行充電，使電池經(jīng)常處于飽和狀態(tài)，增加行使距離，延長其電池壽命2-3倍，解除充電煩惱，能夠滿足電動車的不同用電負載。產(chǎn)品體積小，重量輕，便于安裝攜帶，市場潛力大，前景非常廣闊。參考文獻（References）[1]趙良炳．現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1995[2]周志敏，周紀海．開關(guān)電源實用技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用[M]．北京：人民郵電出版社，2003[3]王鴻麟，錢建立，周曉軍．智能快速充電器設(shè)計與制作[M]．科學(xué)出版社，2001[4]楊幫文．實用電池充電器與保護器電路集錦[M]．電子工業(yè)出版社，2001[5]楊旭等．開關(guān)電源技術(shù)[M]．機械工業(yè)出版社，2004[6]孫立群，張寶金．電動自行車充電器維修M]．北京：人民郵電出版社2008致謝通過本次設(shè)計，對充電器的整個流程的實現(xiàn)有了充分的了解，在這方面的知識面得到了很大的拓寬。同時，在設(shè)計的過程中由于時間較短，自身技術(shù)的不成熟，設(shè)計中仍存在很大的不足，希望在今后的學(xué)習中能夠不斷改進。在對設(shè)計實現(xiàn)過程中得到了王連英老師精心的輔導(dǎo)才能在有限的時間內(nèi)順利地完成設(shè)計。在畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束之即，再次對幫助過我的同學(xué)、和教誨過我的各位老師表示忠心的感謝，特別是我的指導(dǎo)教師王老師，在此我對王老師能在百忙之中不厭其煩的、精心的為我輔導(dǎo)而表示深深的感謝！感謝我的班主任吳老師，感謝他在學(xué)習和生活上對我的教育和關(guān)心。感謝信息科學(xué)部的所有老師，感謝所有任課老師教給我的基礎(chǔ)與專業(yè)知識，讓我能在這次論文及以后的工作中展開運用。向?qū)忛喓驮u議本論文的各位專家學(xué)者表示由衷的感謝和敬意!最后感謝學(xué)院、母校對我的培養(yǎng)！祝福各位老師和同學(xué)工作順利！祝母校明天更加輝煌！附錄（實物圖）：1．充電器實物正面圖：2．充電器實物背面圖：3．充電器實物充電時正面圖：基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設(shè)計和應(yīng)用基于單片機的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計Pico專用單片機核的可測性設(shè)計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構(gòu)建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系