48V三段式電動(dòng)車鉛酸儲(chǔ)電池智能控制充電器電動(dòng)車電瓶充電器畢業(yè)論文

1、學(xué) 士 學(xué) 位 論 文題 目 48V三段式電動(dòng)車鉛酸儲(chǔ)電池智能控制充電器（一） 21 / 2648V三段式電動(dòng)車鉛酸儲(chǔ)電池智能控制充電器（一）摘要：本設(shè)計(jì)介紹了充電器對(duì)蓄電池充電的一般原理，從閥控蓄電池部氧循環(huán)的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，研究二段式和三段式充電方法對(duì)鉛酸蓄電池壽命的影響。針對(duì)蓄電池充電過(guò)程中出現(xiàn)的種種問(wèn)題，提出對(duì)鉛酸蓄電池實(shí)現(xiàn)三段式充電的智能充電器設(shè)計(jì)方案。將整個(gè)設(shè)計(jì)方案分解成多個(gè)模塊電路的設(shè)計(jì)，通過(guò)分析和計(jì)算獲得每個(gè)模塊中各個(gè)元器件的參數(shù)，最后將各個(gè)模塊進(jìn)行組合獲得完整的電路。而整個(gè)電路通過(guò)控制開(kāi)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(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的分段式充電，這個(gè)方案不僅可實(shí)

2、現(xiàn)對(duì)蓄電池的智能控制，同時(shí)可以減少析氣，消除硫化，進(jìn)行均衡充電，從而大延長(zhǎng)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-acid battery electric car 3-step intelligent control chargerAbstract：The design describes the charger to the battery charger of the general principles，from the internal oxygen cycle of valve-regulated battery design concepts s

3、tarting to study 2-step and 3-step methods for lead-acid battery life implications。For battery charging problems arising in the process，proposed implementation of the 3-step charging lead-acid battery charger intelligent design。The design scheme is decomposed into several module circuit design，throu

4、gh the analysis and calculation of all components obtained each module of the parameters。Each module combination will finally get complete circuit。Control the switching power supply pulse frequency and duty cycle，thus regulating charge current and voltage to realize the segmented storage battery。The

5、 program not only enables intelligent control of the battery ，while reducing analysis of gas，to eliminate sulfide，a balanced charge,，thus greatly extending the service life of lead-acid batteries。Keyword：Lead-acid batteries；Three-step method；Intelligent；charger目 錄摘要 Abstract 第一章 前 言 1第二章 充電器原理 22. 1

6、 鉛酸蓄電池的充電以與放電特性 22. 2 充電器的工作原理 22.2.1 恒流充電 22.2.2 恒壓充電 32.2.3 三段式充電 3第三章 總體設(shè)計(jì)方案 5 3. 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 53. 2 方案策略 5第四章 硬件電路設(shè)計(jì) 6 4. 1 電路總體設(shè)計(jì) 6 4. 2 使用芯片介紹 64.2.1 UC3842單管開(kāi)關(guān)電源 64.2.2 LM324四運(yùn)算放大器 74.2.3 TL431集成電路誤差放大器 84.2.4 EL817光電耦合器 94. 3 電動(dòng)車充電器原理與各元器件作用 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

7、模塊電路設(shè)計(jì) 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(dòng)和供電電路 124.4.4 振蕩電路 134.4.5開(kāi)關(guān)管激勵(lì)電路 144.4.6 電壓輸出電路 154.4.7 穩(wěn)壓控制以與充電顯示控制電路 16第五章 總結(jié)與展望 17參考文獻(xiàn)（References） 18致 19附錄（實(shí)物圖） 20第一章 前 言電動(dòng)車以其方便，快捷，環(huán)保，經(jīng)濟(jì)，實(shí)用的特點(diǎn)，獲得人們的青睞，越來(lái)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

8、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(wèn)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(lái)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)車目前主要采用的電池種類。近年來(lái)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(mén)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(guò)長(zhǎng)，充電電流調(diào)整不好，充電器輸出電壓不足等

9、等原因?qū)е滦铍姵氐氖褂脡勖罂s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(guò)充而損壞，致使蓄電池過(guò)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?，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(duì)于電動(dòng)車也是對(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)危與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(lái)充電器的發(fā)展方向。于是我們根據(jù)時(shí)代的

10、發(fā)展與要求設(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(kāi)關(guān)電源配合LM324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)市電輸入圍寬，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，所以開(kāi)關(guān)電源式充電器相對(duì)于變壓器式充電器和可控硅式充電器來(lái)說(shuō)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)車以與電動(dòng)汽車的也會(huì)有更加美好的未來(lái)。第二章 充電器原理2.1 鉛酸蓄電池的充電以與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(guò)陽(yáng)極的以與陰極的浸到電解液（稀硫

11、酸）中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來(lái)進(jìn)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(guò)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)生的硫酸鉛會(huì)在充電時(shí)被分解還原成硫酸，鉛與過(guò)氧化鉛，因此電池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(lái)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(kāi)始放電階

12、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(lái)闡述：開(kāi)始充電階段，相對(duì)穩(wěn)定階段以與迅速上升階段。 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2.2 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。2.2.1 恒流充電恒流充電，又叫定電流充

13、電法，在整個(gè)充電過(guò)程中，始終保持充電電流恒定不變。在充電過(guò)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(jìn)行充電。但是各個(gè)蓄電池的容量應(yīng)當(dāng)盡可能一樣，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)與時(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。2.2.2 恒壓充電恒壓充電又叫定電壓充電法，在充電過(guò)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

14、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(guò)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(guò)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)?，充電始終在進(jìn)行，勢(shì)必導(dǎo)致蓄電池過(guò)充電，加快電解液的消耗，使用壽命縮短。2.2.3 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

15、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)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。本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)48V的充電器，對(duì)于三段式充電器的三個(gè)主要參數(shù)的要相當(dāng)嚴(yán)格的：1. 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(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。2. 恒壓

16、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(lái)，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(guò)多。3. 轉(zhuǎn)換電流：轉(zhuǎn)換電流的參考值為500mA左右。通常該參考值圍是450550 mA,若此值過(guò)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(guò)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(wèn)題，使充電電流不能降為轉(zhuǎn)折電流

17、時(shí)，會(huì)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(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(guò)高給充電器和蓄電池帶來(lái)危害，影響三段式充電過(guò)程；二是充電過(guò)程中如果聞到異味或充電器外殼溫度過(guò)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)入充電器部，以免充電器部的電子元器件被短路損壞。圖2.2.1 48V/20Ah三段式充電器波形第三章 總體設(shè)計(jì)方案3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)課題的要求，系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)電源，通過(guò)脈沖電流的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)充電的目的。由市電送來(lái)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(jìn)行充電。對(duì)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行采樣和控制

18、，將充電的電壓和電流信號(hào)反饋回PWM信號(hào)發(fā)生器，由PWM信號(hào)發(fā)生器控制開(kāi)關(guān)管通斷的占空比完成充電的。當(dāng)蓄電池的電壓達(dá)到額定值后，說(shuō)明蓄電池已經(jīng)充滿電，控制開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)電源，停止充電。其實(shí)在充電器剛開(kāi)始準(zhǔn)備對(duì)蓄電池進(jìn)行充電的時(shí)候，先要通過(guò)一個(gè)檢測(cè)電路，來(lái)檢測(cè)蓄電池中的電量，這樣才能確保充電時(shí)所處的三段式的階段，真正的起到智能控制的作用。3.2 方案策略用PWM信號(hào)發(fā)生器（UC3842）來(lái)實(shí)現(xiàn)方案。蓄電池充電時(shí)，先通過(guò)ACDC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(guò)高頻變壓器降壓為適當(dāng)?shù)碾妷毫繛樾铍姵毓╇?，?jīng)過(guò)電壓和電流檢測(cè)電路，不僅對(duì)蓄電池所充的電流進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)對(duì)電流和電壓信號(hào)進(jìn)行

19、采樣，采樣的信號(hào)經(jīng)過(guò)各種處理后，分別送進(jìn)PWM信號(hào)發(fā)生器的電壓和電流反饋引腳。PWM信號(hào)發(fā)生器對(duì)反饋回來(lái)的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行分析，然后調(diào)整PWM輸出信號(hào)的占空比。這個(gè)PWM信號(hào)送給開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)管，從而便調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期關(guān)斷和導(dǎo)通的時(shí)間，也就是控制了高頻變壓器通斷的時(shí)間，從而實(shí)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(chǎng)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(jiǎn)單、成熟、有多年的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)、所需的元器件少、成本低，安全可靠，適應(yīng)市電輸入圍寬都是其主要的優(yōu)點(diǎn)。如下圖3.1方框圖圖3.1 充電器基本方案方框圖第四章 硬件電路設(shè)計(jì)4.1 電路總體設(shè)計(jì)充電器采用的典型構(gòu)

20、成主要由市電濾波電路，市電變換電路，啟動(dòng)電路，振蕩器，PWM電路，激勵(lì)電路，開(kāi)關(guān)管，誤差取樣放大電路，保護(hù)電路等。由市電送來(lái)的220V的交流雙向?yàn)V波抑制干擾進(jìn)行整流濾波，得到太約300V的直流電送入給高頻脈沖開(kāi)關(guān)變壓器，變壓器的次級(jí)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(duì)其電壓和電流進(jìn)行采樣，然后通過(guò)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(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通起到對(duì)電流和電壓的輸出控制。以UC3842驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管的單管開(kāi)關(guān)電源，然后再輸出的PWM波形的頻率和占空比，配合LM324來(lái)實(shí)現(xiàn)階段充電方式。如圖4.1所示。圖4.1 充電器采用的開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成方框圖4.2 使用芯片介紹之

21、所以電動(dòng)車的充電器隨著時(shí)代的發(fā)展，體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，效率越來(lái)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(lái)電子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，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。4.2.1 UC3842單管開(kāi)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(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)以與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

22、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（部誤差放大器反相輸入端），此腳與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

23、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(kāi)關(guān)管(如VMos管)的源極串接一個(gè)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(dāng)電源電壓異常時(shí)，功率開(kāi)關(guān)管的電流增大，當(dāng)取樣電阻上的電壓超過(guò)1V時(shí)，UC3842就停止輸出，有效地保護(hù)了功率開(kāi)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

24、管的關(guān)斷。7腳Vcc是電源。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(guò)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(guò)反饋電阻提供。圖4.2.1 UC3842引腳圖 圖4.2.2 UC3842內(nèi)部構(gòu)成方框圖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。4.2.2 LM324四運(yùn)算放大器LM324設(shè)4個(gè)完全一樣的運(yùn)輸放大器與運(yùn)算補(bǔ)償電路，采用差分輸入方式。該芯片工作電壓圍為332V，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入圍

25、包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。LM324本身具有許多特點(diǎn)，比如：一是具有短跑保護(hù)輸出；二是真差動(dòng)輸入級(jí)；三是可單電源工作；四是低偏置電流，最大為100nA；五是每個(gè)封裝含有四個(gè)運(yùn)算放大器；六是具有部補(bǔ)償?shù)墓δ?；七是共模圍擴(kuò)展到負(fù)電源；八是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列；九是輸入端具有靜電保護(hù)功能。1腳OUT1是運(yùn)算放大器1輸出，其空載電壓為18V。2腳Inputs1(-)是運(yùn)算放大器1反相輸入端，其空載電壓為0V。3腳Inputs1(+)是運(yùn)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(yùn)算放大器2同相輸入端，

26、其空載電壓為0.1V。6腳Inputs2(-)是運(yùn)算放大器2反相輸入端，其空載電壓為0.2V。7腳OUT2是運(yùn)算放大器2輸出，其空載電壓為0V。8腳OUT3是運(yùn)算放大器3輸出，其空載電壓為0.03V。9腳Inputs3(-)是運(yùn)算放大器3反相輸入端，其空載電壓為5V。10腳Inputs3(+)是運(yùn)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(fù)電源供電，其空載電壓為0V。12腳Inputs4(+)是運(yùn)算放大器4同相輸入端，其空載電壓為0V。13腳Inputs4(-)是運(yùn)算放大器4反相輸入端，其空載電壓為0.05V。14腳OUT4是運(yùn)算放大器4輸出，其空載電壓為0V。圖4.2

27、.3 LM324內(nèi)部構(gòu)成方框圖4.2.3 TL431集成電路誤差放大器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圍的任何值。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(kāi)關(guān)電源等。如圖4.5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；基準(zhǔn)電壓為2.5V；輸出電壓圍為2.530V。而TL431的具體

28、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(gè)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(guò)，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過(guò)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(kāi)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(kāi)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4.2.4 TL431的封裝和電路符號(hào)以與引腳圖圖4.2.5 TL431內(nèi)部電路簡(jiǎn)圖 圖4.2.6TL431功能模塊4.2.4 EL8

29、17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(kāi)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(guò)導(dǎo)通電流后開(kāi)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：1. 共模抑制比很高：在光電耦合器部，但由于發(fā)光管和受光管之間的耦合電容很小的（2pF以）所以共模輸入電壓通過(guò)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。2. 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

30、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)IF>0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。3. 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(guò)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(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(kāi)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

31、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。圖4.2.7 光電耦合器電路符號(hào)4.3 電動(dòng)車充電器原理與各元器件作用4.3.1 充電器原理圖圖4.3.1 電動(dòng)車充電器原理圖4.3.2 充電器PCB圖圖4.3.2 充電器PCB圖4.3.3 各元器件作用概述220v交流電經(jīng)T1雙向?yàn)V波抑制干擾，D1D4的四個(gè)整流二極管整流為脈動(dòng)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(dòng)場(chǎng)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

32、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(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。其中的D7D8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(zhǔn)電壓源，配合PC1(光耦合器) 起到自動(dòng)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(jì)將一個(gè)充電器的設(shè)計(jì)分解成不同的功能模塊的單獨(dú)設(shè)計(jì)，不僅能清晰地看清每個(gè)電路的構(gòu)造，而且可以將設(shè)計(jì)的難度降低，減少錯(cuò)誤的發(fā)生，更加便于錯(cuò)誤的查找。4.4.1 市電濾波電路市電電壓通過(guò)一個(gè)2A保險(xiǎn)管F1對(duì)電路起到一

33、個(gè)保護(hù)作用，隨后為了抑制市電中的對(duì)稱性和高頻干擾脈沖需在電路中接入互感線圈L1，同時(shí)并聯(lián)兩個(gè)差模電容C1和C2?；ジ芯€圈L1由一個(gè)磁芯和兩個(gè)匝數(shù)一樣，但繞向相反的繞組組成的，當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時(shí)，由于兩個(gè)線圈的磁通方向一樣，經(jīng)過(guò)耦合后總電感量迅速增大，因此對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)很大感抗，從而有效抑制干擾信號(hào)，感抗的大小與噪聲的頻率成正比，可通過(guò)流過(guò)共模濾波電感的電流值，查閱有關(guān)手冊(cè)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(shuō)和電容容量成正比，但同時(shí)容量也不能過(guò)大，否則不僅會(huì)浪費(fèi)電能，而且容易導(dǎo)致市電過(guò)流，所以要根據(jù)差模信號(hào)頻率的大小來(lái)選取，一般選取C1=C2=100nF。圖4.4.1

34、市電濾波電路4.4.2 市電電壓整流濾波和限流電路經(jīng)過(guò)市電濾波電路濾波后的市電電壓通過(guò)整流二極管D1D4全橋整流后，以與濾波電容C3濾波后獲得300V左右的直流電壓為后面的開(kāi)關(guān)電源供電。通過(guò)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(guò)比較后發(fā)現(xiàn)較符合作為開(kāi)關(guān)電源的高速整流用。而濾波電容的容值大小的選取運(yùn)算如下：對(duì)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(guò)電阻R的電流，大小為200mA，U為電阻R兩端的電壓為300V，則計(jì)算結(jié)果為：負(fù)載電阻：為了得到平滑的負(fù)載電壓：由此得

35、到濾波電容：若考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)，則電容器承受的最高電壓為：根據(jù)上面的計(jì)算過(guò)程應(yīng)選用標(biāo)稱為47/400V圖4.4.2 整流濾波電路4.4.3 啟動(dòng)和供電電路開(kāi)關(guān)電源分為自激式開(kāi)關(guān)電源和他激式開(kāi)關(guān)電源兩種，其主要區(qū)別在于自激式開(kāi)關(guān)電源是由電阻和電容限流組成的，而他激式開(kāi)關(guān)電源是通過(guò)電源IC來(lái)啟動(dòng)。這里選取他激式開(kāi)關(guān)電源，這樣更便于對(duì)充電過(guò)程進(jìn)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(duì)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(dāng)C10兩端電壓達(dá)到IC1啟動(dòng)電路的啟動(dòng)閥值后，IC1的啟動(dòng)電路開(kāi)始工作并使基準(zhǔn)電壓發(fā)生器輸出電壓，為振蕩器等電路供電，

36、實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)。由于本次設(shè)計(jì)中的電源IC選用的是UC3842，所以其啟動(dòng)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(lái)計(jì)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4.4.3 他激式開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)電路4.4.4 振蕩電路當(dāng)UC3842啟動(dòng)后，UC3842的8腳會(huì)輸出5.0V/50mA的基準(zhǔn)電壓，但同時(shí)會(huì)夾帶著高頻脈沖信號(hào)，這些脈沖信號(hào)會(huì)影響振蕩電路的正常工作，必須濾除，而容值越低對(duì)

37、于高頻信號(hào)的濾除效果越好，所以接入一個(gè)低容值的濾波電容C5=10nF就可以很好的達(dá)到濾除效果。隨后濾除了高頻信號(hào)的5V電壓通過(guò)定時(shí)元件R9對(duì)C6進(jìn)行充電隨著充電的不斷的進(jìn)行，使得C6兩端電壓逐漸升高達(dá)到一定值Vt(約2.8V)時(shí)，使UC3842中的部OSC振蕩器中的比較器翻轉(zhuǎn)，同時(shí)為C6提供放電回路，使C6兩端電壓迅速下降，當(dāng)C6兩端電壓低于一定值Vd（約1.2V）時(shí)，比較器再次觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，C6又通過(guò)R9進(jìn)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(guò)程就能使得UC3842部OSC振蕩器輸出矩形振蕩脈沖信號(hào)。通過(guò)查取UC3842的Data Sheet（芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)）可以

38、得到，一般選取R9=10，C6=3.3nF，因?yàn)楸M管許多的R和C值都可以產(chǎn)生一樣的振蕩器頻率，但只有一組可以得到在給定頻率下的特定輸出靜區(qū)時(shí)間，從而對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)定的控制。而在實(shí)際電路的電路中，如圖4.9中還添加了一個(gè)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(duì)振蕩信號(hào)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(gè)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4.4.4 他激式開(kāi)關(guān)電源振蕩電路4.4.5開(kāi)關(guān)管激勵(lì)電路 首先參見(jiàn)圖4.3的UC3842部方框圖，再根據(jù)圖4.15中的外部電路連線，這樣

39、就可以了解到UC3842構(gòu)成的開(kāi)關(guān)管激勵(lì)電路的整個(gè)過(guò)程。他激式開(kāi)關(guān)電源典型的激勵(lì)電路多以RS觸發(fā)器為核心構(gòu)成。當(dāng)芯片UC3842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(dāng)S端輸入的脈沖信號(hào)為低電平，觸發(fā)器的端為高電平，Q端為低電平時(shí)，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(lì)脈沖由6腳輸出，通過(guò)R4使開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通。VT1導(dǎo)通后，300V電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器T1的初級(jí)繞組，VT1的D/S級(jí)，R6到地構(gòu)成導(dǎo)通回路，回路中的電流不僅使T1存儲(chǔ)能量，而且在R6兩端建立取樣電壓。該電壓經(jīng)R7對(duì)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(shí)當(dāng)C7

40、兩端電壓使電流比較器的同相輸入端電壓超過(guò)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(kāi)關(guān)管VT1截止，以免VT1因存儲(chǔ)效應(yīng)不能與時(shí)截止，因功耗大而損壞。開(kāi)關(guān)管截止期間，T1次級(jí)繞組產(chǎn)生的脈沖電壓通過(guò)整流濾波電路獲得直流電壓，為相應(yīng)的負(fù)載供電。當(dāng)振蕩脈沖為低電平時(shí)該狀態(tài)不變，直至下一個(gè)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(guò)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(dòng)開(kāi)關(guān)管VT1工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 當(dāng)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓升高后，

41、由誤差取樣，放大電路產(chǎn)生的誤差信號(hào)升高，該電壓加到電源控制芯片UC3842的2腳后與2.5V基準(zhǔn)電壓比較，使UC3842的誤差放大器輸出電壓降低，通過(guò)二極管使電流比較器的反向輸入端電壓降低，同時(shí)在輸出電壓升高期間開(kāi)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(dá)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(shí)間變短，觸發(fā)器輸出地PWM脈沖的占空比減小，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大后從UC3842的6腳輸出，使開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間縮短，開(kāi)關(guān)電源輸出電壓下降到正常值。其中的驅(qū)動(dòng)電阻R4為了減慢開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通，加快開(kāi)關(guān)

42、管的截止。同時(shí)防止當(dāng)6腳輸出過(guò)高時(shí)開(kāi)關(guān)管燒毀，還要保證開(kāi)關(guān)管能正常啟動(dòng)。6腳輸出地最高電壓為4.2V，開(kāi)關(guān)管的門(mén)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(kāi)關(guān)管電壓翻轉(zhuǎn)，對(duì)電路起到保護(hù)作用，所以需使用一個(gè)阻值較大的電阻。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取就能很好的保護(hù)電路，又不至于消耗過(guò)多的能量。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，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(fù)的電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)T1的能量被儲(chǔ)存在T1部，同時(shí)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

43、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(guò)R7和C7積分后加到IC1的3腳。當(dāng)IC1的3腳輸入的電壓達(dá)到1V，被IC1部的PWM電路處理后，IC1的6腳輸出的激勵(lì)脈沖變?yōu)榈碗娖?，使VT1迅速截止。所以可以選取C7為3.3nF，R7為560。圖4.4.5 開(kāi)關(guān)管過(guò)流保護(hù)電路4.4.6 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(dāng)VT1截止后T1的次級(jí)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(fù)載供電。 N3繞組輸出地脈沖電壓通過(guò)D6整流，C10濾波產(chǎn)生1220V電壓，不僅取代啟動(dòng)電路為IC1供電而且為光電耦合器PC1的光敏管供電。N2繞組輸出地脈沖電壓經(jīng)D

44、7,D8整流和C16濾波后產(chǎn)生4258V直流電壓，不僅為48V蓄電池充電，而且通過(guò)R15R18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(guò)D10整流，C12濾波后，第一路通過(guò)R13加到光電耦合器PC1的1腳，為它部的發(fā)光管供電；第二路為芯片LM324供電；第三路經(jīng)R23限流，通過(guò)穩(wěn)壓管產(chǎn)生5V基準(zhǔn)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(dá)到工程上的要求。濾波電容C16：假設(shè)負(fù)載電阻為了充電器對(duì)蓄電池的充電過(guò)程平穩(wěn)：由此得到濾波電容：所以C16可以標(biāo)稱為470uF/63V。4.4.7 穩(wěn)壓控制以與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(jì)是采用直接式的，它是直接對(duì)輸出電壓進(jìn)行取樣，放大后，通過(guò)調(diào)寬或調(diào)頻調(diào)寬電路控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間（或同時(shí)控制振蕩頻率和導(dǎo)通時(shí)間）確保開(kāi)