開關(guān)電源之電瓶車充電器設(shè)計(jì)

1、本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目：60V 三段式智能電池充電器設(shè)計(jì) 專業(yè)代碼： 080604 作者姓名： 周樂平 學(xué) 號(hào)： 2007201076 單 位： 物理科學(xué)與信息工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 于會(huì)山 2011 年 5 月 26 日 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) I 目錄目錄 摘摘 要要.I ABSTRACT.II 1 前前 言言.1 2 充電器原理充電器原理 .2 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.2 2.2 充電器的工作原理充電器的工作原理.3 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).4 3.1 使用芯片介紹使用芯片介紹 .4 3.2 電路總體設(shè)計(jì)電路總體設(shè)計(jì) .9

2、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.10 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).12 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) .15 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.15 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).16 總總 結(jié)結(jié) .17 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).18 致致 謝謝 .19 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) I 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(cè)分析模塊、充電參 數(shù)調(diào)整與動(dòng)態(tài)控制模塊、綜合控制檢測(cè)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

3、，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(duì)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(dòng)識(shí)別不同種類的電池，根據(jù)其 最佳充電曲線自動(dòng)對(duì)控制器里的充電程序進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，完成對(duì)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。 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) II Abstract The present invention discloses a universal quick smart charger, the main analysis module

4、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 trickle charge contr

5、ol 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, according to it

6、s 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 . 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) 1 1 前前 言言 電動(dòng)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(dòng)車作為代步工具，電動(dòng)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(dòng)車核心部件中的電動(dòng)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(dòng)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(dòng)車發(fā)展的瓶頸。目前電動(dòng)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(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)成為電動(dòng)車目前主要采用的

8、電池種類。近年來鉛酸蓄電池自身 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(guó)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(zhǎng)，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?電池的使用壽命大大地縮短，嚴(yán)重的制約著電動(dòng)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(duì)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。 現(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(duì)于電動(dòng)車

9、也是對(duì)地球的一種保護(hù)。而且最近幾年許多新 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(huì)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(chǎng)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(dòng)場(chǎng)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(duì)于變壓器式充電器 和可控硅式

10、充電器來說將會(huì)是今后電動(dòng)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(jìn)步，電動(dòng)車以及電動(dòng)汽車的也會(huì)有更加美好的未來。 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) 2 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(chǔ)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(yáng)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) 2bO P b P 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(huì)與陰，陽(yáng)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(huì)產(chǎn)生自由電子，從而產(chǎn)生電 流。而由于放電時(shí)在陽(yáng)極板，陰極板上所產(chǎn)生的硫

11、酸鉛會(huì)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(jí)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(duì)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

12、對(duì)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 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) 3 2.2 充電器的工作原理充電器的工作原理 電動(dòng)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(huì)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(duì)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)

13、 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，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(zhǎng)蓄電池的使用壽命。缺 點(diǎn)是充電時(shí)間長(zhǎng)，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(duì)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

14、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(zhǎng)期如此，勢(shì)必導(dǎo)致蓄電池長(zhǎng)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?cè)冢潆娛冀K在進(jìn)行，勢(shì)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(duì)蓄電池快速充電，隨著蓄電池存儲(chǔ)能量的升高，充電電流減小，被充電控 制電路檢測(cè)后充電器自動(dòng)轉(zhuǎn)入第二個(gè)階段恒壓充電，繼續(xù)為蓄電池補(bǔ)

15、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(dòng)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。 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) 4 本設(shè)計(jì)主要是針對(duì) 60V 的充電器，對(duì)于三段式充電器的三個(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(huì)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(zhǎng)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

16、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(zhǎng)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(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致恒壓充電時(shí)間過長(zhǎng)，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(huì)損壞同組其他

17、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(duì)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(dòng)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， 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) 5 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(shì)，

18、我相信隨著集成芯片的不斷發(fā)展，充 電器的發(fā)展也會(huì)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(jiǎn)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(dòng)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

19、輸出，輸出電流可達(dá)到1A；七是可直接驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管或 雙晶體管。 UC3842 的內(nèi)部由啟動(dòng)電路，振蕩電路，基準(zhǔn)電壓發(fā)生器，PWM 特制電路，驅(qū)動(dòng)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(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，

20、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(dòng)脈沖輸出端，此腳為圖滕柱式輸出，驅(qū)動(dòng)能力是lA。這種圖騰 柱結(jié)構(gòu)對(duì)被驅(qū)動(dòng)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。 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) 6 7 腳 Vcc 是電源

21、。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(dòng)，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(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊

22、和其他所有 可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)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：?jiǎn)坞娫?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-1.5V) 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 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) 7 3、TL431 集成電路誤差放大

23、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(dòng)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(hào)和引腳圖，其 3 個(gè)引腳分別為：陰 極，陽(yáng)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；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

24、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(huì)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(huì)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(huì)產(chǎn)生開關(guān)電源輸出電壓低的故障，所以其對(duì)電路的影響 非常大。 圖 3.3 LM358 內(nèi)部構(gòu)成方框圖 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) 8 4、EL817 光電耦合器 光電耦合器

25、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(lì)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(duì)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

26、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(duì)應(yīng)的 IC 基本上與 VCE 無(wú)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(cè)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(hào)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(hào)以及引腳圖 圖3.5 TL431內(nèi)部電路簡(jiǎn)圖 圖3.6 TL431功能模塊圖 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) 9 減變化的

27、光信號(hào)，其輸出電流將隨輸入的信號(hào)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(hào)。在傳輸脈沖信號(hào)時(shí)，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)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(duì)每個(gè)不 同的光電耦合器區(qū)別對(duì)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(cè) 分析部分 綜合控制 檢測(cè)部分 充電參數(shù)調(diào)整與 動(dòng)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(cè)分析部分、充電部分、充電參數(shù)調(diào)整與動(dòng)態(tài)控制部分和綜 合檢測(cè)控制部分等組成。 圖3.7 光電耦合器電路符號(hào) 聊城大學(xué)本科畢業(yè)

28、(設(shè)計(jì)) 10 1、電池檢測(cè)分析部分 電池檢測(cè)分析部分主要完成兩方面的工作。一方面檢測(cè)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(shí)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(cè)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(cè)電池兩端充電參數(shù)反饋給充電參數(shù)調(diào)整與動(dòng)態(tài)控制部分，并依據(jù) 充電參數(shù)調(diào)整與動(dòng)態(tài)控制部分得到的參數(shù)對(duì)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(dòng)態(tài)控制部分 充電參數(shù)調(diào)整與動(dòng)態(tài)控制部分用來對(duì)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

29、對(duì)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(cè)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。 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(cè)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(cè)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) 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) 11 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(dòng)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(cè)參數(shù)使充電

30、器工作在 相應(yīng)的狀態(tài)。充電過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)電池兩端充電參數(shù)反饋給充電參數(shù)調(diào)整與自動(dòng)控制 部分，并依據(jù)充電參數(shù)調(diào)整與自動(dòng)控制部分得到的參數(shù)對(duì)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)。在不同的時(shí)間選擇對(duì)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(dòng)停充，有效防止 電池的過充、欠充。 3、充電參數(shù)調(diào)整與動(dòng)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(duì)外圍各部分 采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，準(zhǔn)確

31、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 3.10 充電參數(shù)調(diào)整與動(dòng)態(tài)控制部分原理框圖 4、指示部分 用 3 只 LED 指示燈對(duì)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) 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) 12 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

32、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(cè)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(cè)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 12 C7 12 C11 12 C13 12 C14 21 R26 21 R33 21 R34 21 R35 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 3842 U1 3842 1 1 2 2 3 3 4 4

33、 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 T1 絲絲絲絲絲絲 21 R27 21 R28 21 D8 12 C10 2 1 R29 21 R30 21 R31 21 R32 21 D9 1 C12 21 * 21 D10 21 D11 21 D12 21 D13 D G S IC3 4N60A 12 C9 1 IC2 絲絲 01 絲絲絲 絲絲絲 絲絲絲1 絲絲絲2 前 級(jí) 反 饋 電 壓 220v 交流電經(jīng)二極管 D10D11D12D13 整流為脈動(dòng)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，

34、7 腳為電 源正極，6 腳為脈沖輸出直接驅(qū)動(dòng)場(chǎng)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，R31 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

35、路采樣電壓主要反映了 圖 3.11 控制開關(guān)電源部分電 路 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) 13 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(jí)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(dòng)信號(hào)的占空比變小，于是輸出電壓 下降，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。通電開始時(shí)，C9 上有 300v 左右電壓。此電壓一路經(jīng) T1 加載 到 IC

36、3。第二路經(jīng) R30 達(dá)到 U1 的第 7 腳。強(qiáng)迫 U1 啟動(dòng)。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(dòng)態(tài)控制部分電路 21 R1 21 D3 21 R5 3 2 1 T3 12 LED1 12 LED3 12 LED2 21 R12 21 R15 21 R16 21 R7 21 R13 21 R14 21 R17 21 R19 21 R22 21 R8 21 D1 SF56 1 C2 21 R36 12 D5 21 R6 1 C3 21 10K 21 R9

37、21 R10 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 358 358 12 C1 21 R2 21 R3 21 R4 3 2 1 T2 21 R11 21 D6 21 R18 12C5 21 R23 絲絲絲 1 32 T3 TL431 21 D7 21 R24 21 R25 21 R26 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 T1 絲絲絲絲絲絲 1 IC2 絲絲 + - 12 C4 絲絲絲 絲絲絲1 1 C6 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

38、： 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，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(dòng)態(tài)控制部分電路 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) 14 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

39、 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(dòng)。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

40、 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： 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) 15 21 R1 21 D3 21 R5 3 2 1 T1 12 LED1 12 LED3 12 LED2 21 R12 21 R15 21 R16 21 R7 21 R13 21 R14 21 R17 21 R19 21 R22 21 R8 21 D1 SF56 1 C2 21 R36 12 D5 21 R6 1 C3 21 10K 21 R9 21 R10 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 358 358 12 C1 2

41、1 R2 21 R3 21 R4 3 2 1 T2 21 R11 21 D6 21 R18 12 C5 12 C7 12 C11 12 C13 12 C14 21 R23 絲絲絲 1 32 T3 TL431 21 D7 21 R24 21 R25 21 R26 21 R33 21 R34 21 R35 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 3842 3842 3842 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 GPBY 絲絲絲絲絲絲 21 R27 21 R28 21 D8 12 C10 21 R29 21 R30

42、21 R31 21 R32 21 D9 1 C12 21 * 21 D10 21 D11 21 D12 21 D13 D G S IC3 4N60A 12 C9 1 IC2 絲絲 + - 12 C4 絲絲絲 絲絲絲1 1 C6 01 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 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) 16 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(dòng)車充電電池，充滿自動(dòng)斷開。低壓高壓充電自動(dòng)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(dòng)

43、、充足自動(dòng)斷電； 5、具有自動(dòng)檢測(cè)、延時(shí)啟動(dòng)功能； 6、具有開路、過載、短路、過壓、超溫等故障自動(dòng)保護(hù)并燈光警示； 7、抗干擾能力強(qiáng)，噪聲小，電網(wǎng)波動(dòng)機(jī)內(nèi)自動(dòng)調(diào)整，且能有效抑制浪涌電流； 8、采用恒流恒壓分級(jí)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(duì)過放電電池具有自動(dòng)修復(fù)功能，對(duì)不良電池具有自動(dòng)偵測(cè)功能。 圖 3.14 PCB 電路圖 聊城大學(xué)本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)) 17 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(cè)、內(nèi)阻檢測(cè)和瞬間充放電檢測(cè)等多種方法，自動(dòng)識(shí)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(cè)法、電壓檢測(cè)法、最高溫度檢測(cè)

44、法、最長(zhǎng)充電時(shí)間控制 法，研制出一種快速充電終止綜合檢測(cè)模塊，確保蓄電池充足電，但不過充、不欠充； 3、針對(duì)不同種類的電池，根據(jù)其最佳充電曲線對(duì)控制器里的程序進(jìn)行相應(yīng)的調(diào) 整，完成對(duì)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(duì)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(dòng)監(jiān)測(cè)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(zhǎng)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(duì)外界進(jìn)行檢測(cè)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