电动自行车智能充电器设计.docx

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电动自行车智能充电器设计

电动自行车智能充电器设计

机械电子工程专业学生

指导教师

摘要：

本课题综合应用所学的电路、电子技术、模拟电子线路的理论知识，深入学习及实践操作，提出并设计出一种智能控制电路。

通过对充电器的充电及工作原理的分析和电路的设计,并实际调试，来加强对开关电源产品的认知和接受，在研究电动自行车的基础上，通过认真调查铅酸蓄电池充电注意事项，电动车用铅酸蓄电池充电过程和充电曲线，综合运用开关电源技术，开发了一款基于UC3842和LM358的智能充电器，该充电器能够对蓄电池进行很好的监测与控制，从而在达到快速充电的同时又能够有效的对蓄电池起到保护作用。

充电过程分涓流充电、快速充电、均充电、浮充电四个部分。

主电源部分采用光电耦器PC817控制集成芯片UC3842中误差放大器的输入误差电压，实现稳压充电。

恒流电路实现对锂电池恒流充电。

该方案不仅可实现快速充电，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：

智能；锂电池充电；开关电源；UC3842

DesignofIntelligentElectricBicycleCharger

Studentmajoringinmechatronicengineering

Tutor

Abstract：

Thecircuit,electronictechnology,analogelectroniccircuittheoryknowledgecomprehensiveapplicationofthetheory,in-depthstudyandpractice,putforwardanddesignofanintelligentcontrolcircuit.Throughthedesignanalysisandthechargingcircuitandworkingprincipleofchargerandtheactualdebugging,tostrengthenandacceptanceofswitchingpowersupplyproducts,cognition,basedontheelectricbicycle,basedontheinvestigationoflithiumbatterychargingnotice,lithiumbatteriesforelectricvehiclechargingprocessandchargingcurve,theintegrateduseofswitchpowersupplytechnology,developmentaintelligentchargerbasedonUC3842andLM358,thechargertothebatterywellmonitoredtocontrol,whichcaneffectivelyprotectthebatteryworkatthesametimeachieverapidcharging.Thechargingprocessoftricklecharging,fastcharging,charging,chargingfourparts.TheinputerrorvoltagephotoelectriccouplerPC817controlerroramplifierintegratedchipUC3842inthemainpowersupplyportion,toachievevoltageregulation.Theconstantcurrentcircuitofconstantcurrentcharginglithiumbatteries.Theschemenotonlycanrealizethefastcharge,alsocanreducethegasevolution,eliminatesulfide,balancedcharge,therebygreatlyprolongingtheservicelifeofthelead-acidbattery.

Keywords：

Intelligent;Iithiumbattery;Switchingpowersupply;UC3842

引言

电动车由于内燃机工业的逐渐成熟、相关周边设备的发明，使得其制造与生产一直处于停滞状态。

直到最近几年，随着油价的不断上涨和人们对环保的意识增强，使用高效、清洁的能源来取代以油的领导地位已成为社会发展的必然趋势。

拜近代科技与电子工业发达之赐，电动车产品已不若百年前的电动车一般，除了在电池科技有大幅的进步以外，在车辆的动力控制上亦将能源作有效的分配与撷取，以使得车辆功率与续航力大增，直逼一般内燃机车辆的水准。

然而由于内燃机车辆的发展亦有近百年的历史，其实用性与普遍性不容质疑，成为我们生活中不可或缺的一部份。

如何在目前数以亿计的内燃机车辆世界中，说服人们放弃原有的使用观与价值观，改用以无污染的电动车辆，并成为主流车种，实为一段艰巨又漫长的路。

电动车辆无法在短时间内取代原有内燃机车种的最主要原因不外乎以下三项：

1）车辆的价格：

由于电动车的发展尚在起步阶段，许多研发的成本加上制造的数量，均无法与年产百万的大汽车厂相比拟，因此在购车成本上亦相对提高。

2）车辆的性能：

由于目前并未发展出成熟性的高效率电池，以提供车辆装载大功率马达、提升整体续航力及短时间的能源补充等，因此仍无法与一般机动车辆的性能互相抗衡。

3）能源的补充：

电动车辆补充能源的唯一方式为充电，但是相对地充电设备必须与目前的加油站相当，具有一定的商业规模，并配合高效率电池的开发，降低充电的时间，方能符合现代生活的需求。

除此之外，电动车辆大量生产后，车上零组件的回收问题，尤其是电池，更成为未来环保工作上必须面临的重要课题。

有鉴于此，目前在发展电动车辆的同时，即应将周边设备与社会规模同时考量，逐步推广以鼓励民众购置，并规划长期目标，以避免空气污染改善完成后，另一种形式的污染问题又产生。

电动自行车是集蓄电池技术，电力电子技术，电动机技术和精密传动技术于一体的新型特种自行车，因其无污染，低噪音，低能耗，占道少，方便快捷等特点而成为国际上流行和大力推广的绿色私人交通工具，其价格低、绿色环保、使用安全方便等优势更是受到广大消费群众的喜爱。

中国已成为全球电动自行车的制造、消费大国，目前平均每四户居民家庭中就有一辆电动自行车，电动自行车已经成为城乡人民生活中的一种重要的消费品。

面对世界金融危机的挑战，电动自行车产业依然保持了平稳发展，以此足以说明，电动车的发展前景可期。

在我国，电动汽车动力电池是铅酸电池，这主要是由于铅酸蓄电池具有技术成熟，与负载输出特性良好，无记忆效应，电池容量大，成本低等优点。

当然，也有一些高性能电池，比如锂电池、燃料电池等。

铅酸电池是现今为止世界上广泛使用的一种无机化学电源，该产品具有良好的可逆性、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、原材料丰富及造价低廉等优点而得到了广泛的使用，同时也是社会生产经营活动中不可缺少的产品。

电动自行车有五大部件组成，即：

电机、控制器、电池、充电器和车架。

其中充电器更是电动自行车的重要部件。

现在市场上的电动自行车多种多样，常见的种类有：

按驱动传动方式分为摩擦轮传动、中轴链轮传动型和轮毂驱动型。

其中轮毂驱动型的优点是设计合理、结构紧凑，体积小，重量轻，传动效率比前两种都高，是目前多数电动自行车所选用的驱动方式。

按驱动电机类型分有刷直流电机型和无刷直流电机型。

按配备的附属装置分豪华型和经济型。

按自动化程度分为标准型：

它即可以脚踏车，又能电动驱动助行，主要通过手把人为控制电动自行车在20Km/h以内任意改变行驶速度；智能型：

在标准型的基础上，通过提高控制系统的智能化使车辆根据其行驶的速度自动调节驱动电机的输出功率，或者是车辆的控制系统能依据骑车人的骑行力的大小自动控制电池输出电流的强弱，从而实现人力与电力助行的极佳配合。

这样即延长了行驶里程及电机寿命、省力节电，又尽可能地避免因行驶速度过快而引发的交通风险。

除了上述分类外，电动自行车采用的蓄电池目前大致有密封式免维护的铅酸蓄电池和镍氢电池两种。

前者虽然重量上不十分理想，但容量大、无记忆效应、而且价格低廉，是目前大多数电动自行车的主要动力源；后者容量大、无污染、也无记忆效应，但其价格很高，不易普及。

当今电动自行车有一重大缺点便是蓄电池寿命短、容量小，导致电动车行程短，频繁更换蓄电池，造成不必要的消费。

电动车的好坏与质量的评价标准之一便是蓄电池的使用寿命与蓄电程度。

由于蓄电池充电方法不合理，使蓄电池寿命大大缩短。

电池充电过程对电池寿命影响较大，也就是说，绝大多数的电池不是用坏的，而是充坏的。

传统充电器的充电策略比较单一，只能进行简单的恒压或者恒流充电，以致充电时间很长，充电效率降低。

除此之外，充电即将结束时，人们往往忘记将充电器拔下，继续充电，时间太长久，电池发热量很大，从而造成电池极化，影响电池寿命，很可能导致电池无法再次使用，出现鼓包、流水等现象。

由此可见，一个性能良好的充电器对电池的使用寿命具有举足轻重的作用。

它不仅可以延长蓄电池的使用寿命、节约有限的资源，同时也能够降低电动自行车用户的经济投入。

电动自行车智能充电器设计的目标就是在研究充电方法对蓄电池寿命影响的基础上，选择合适的控制参数和充电策略，并在硬件上低成本地实现充电时充的合适，然后再转以小电流慢充其电池，使家用蓄电池被充坏的程度降到最低。

1充电器

1.1充电器的分类

为确保电动自行车有足够的功率正常行驶，就必须对蓄电池消耗减少的电能进行有效地补充。

充电器是电动车五大核心部件之一，它的质量好坏将直接影响蓄电池的使用寿命。

目前市售电动自行车充电器有正负脉冲式、二段式、三段式和全智能脉冲充电器等，其中三段智能充电器用户较多。

充电器的规格依据蓄电池的容量不同，有24V、12A；36V、12A；36V、14A；48V、17A；48V、20A和36V/48V共用型充电器。

由于电动自行车生产厂家众多，其充电器的外形各异。

常见的电动自行车和电动三轮车的充电器外形，如图1-1所示。

图1-1几种常见的电动车蓄电池充电器外形

1.2充电器的结构

电动自行车充电器主要由整流滤波、高压开关、电压变换、恒流、恒压和充电控制等几个部分电路组成。

充电器内的主要元器件有脉宽调制专用集成电路、电压比较放大器、开关管、整流二极管、驱动三极管、电阻、电容及变压器等。

现代脉冲智能充电器与高频开关电源

技术、嵌入式数字电路先进的智能控制，输出脉冲的智能检测与控制技术来调整输出脉冲充电器，通过比例控制来实现极化函数。

充电器采用自适应技术在充电过程中，充电蓄电池的实时检测，自动调整充电器充电模式，达到最佳的控制方式，具有保护功能齐全，最大限度的保证了充电器的稳定性和可靠性。

因此，充电器的电路组成正由传统的分立元件，向集成化、数字化、智能化过渡，结构越来越紧凑，体积越变越小，重量越来越轻，工作越来越精确可靠。

1.3充电器的充电原理

1.3.1蓄电池蓄电池是将化学能直接转化成电能的一种装置，是按可再充电设计的电池，通过可逆的化学反应实现再充电，通常是指铅酸蓄电池，它是电池中的一种，属于二次电池。

它的工作原理：

充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出。

我们常用的车用蓄电池主要分为三类,分别为普通蓄电池、干荷蓄电池和免维护蓄电池三种。

普通蓄电池:

普通蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液。

干荷蓄电池：

它的全称是干式荷电铅酸蓄电池，它的主要特点是负极板有较高的储电能力。

免维护：

免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。

它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点，使用寿命一般为普通蓄电池的两倍

。

1.3.2蓄电池充电理论基础理论和实践证明，充电和放电的电池是一种复杂的电化学过程。

一般来说，在充电过程中充电电流随时间呈指数下降，不能自动根据恒压电流或恒压电压充电。

充电过程中影响充电的因素很多，如电解质浓度、环境温度、极板活性物质，都会使充电产生很大的差异。

随着放电状态、使用和贮存期是不同的，甚至同一类型，电池的充电能力也是不一样的。

经过对开口蓄电池的充电过程的大量试验研究，以最低出气率为前提，提出了蓄电池可接受的充电曲线，如图1-2所示。

实验表明，如果充电电流根据变化的曲线变化，可以大大缩短充电时间，对电池的容量和寿命也没有影响。

原则上，这种曲线称为最佳充电曲线，它为快速充电方法的研究方向奠定了基础

。

I

0T

图1-2最佳充电曲线

由图1-2可以看出：

初始充电时，电流非常大，但衰减快，主要的原因是在充电过程中产生的极化现象。

在密封式电池充电过程中，内部产生的氢气和氧气不被吸收时，会积累在正极板，使电池的内部压力加大、电池的温度上升，并减少正极板面积，则会显示阻力上升，于是出现了极化现象。

蓄电池充放电是可逆的，其放电及充电的化学反应式如下：

PbO2＋Pb＋2H2SO4→2PbSO4＋2H2O  （1-1）

可以看出，充电和放电为互逆反应过程。

可逆过程热力学平衡的过程，为了保证电池保持在平衡状态下的充电，所以必须设法使电池电流较小。

在理想的条件下，施加的电压等于电池的电动势。

然而，实践表明，蓄电池充电时，所施加的电压必须增加到一定值时，这个值由于电极材料、溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。

在化学反应中，电动势超过热力学平衡值的现象称为极化现象。

1.4充电方法的研究

常规充电制度是依据国际公认的经验法则设计的。

其中最著名的就是“安培小时规则”：

充电电流安培时数，不应超过蓄电池待充电的安培时数。

实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温度上升和气体的产生所限制。

这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义

。

一般来说，常规充电法有以下三种：

1）恒流充电法：

是指蓄电池充电时，自始至终以固定不变的电流进行充电，该电流是用调整充电装置的办法来达到。

此充电办法有较大的适应性，可以任意选择和调整充电电流。

因此可以对各种不同情况及状态的蓄电池充电，特别适用于用小电流长时间的活化充电模式．对由多数电池串联的电池组充电，且有利于容量恢复较慢的蓄电池的充电。

如图1-3所示。

U,I

充电电压

充电电流

0T

图1-3恒流充电曲线

2）恒压充电法：

恒压充电的充电特点是充电过程中的充电电压始终保持不变。

开始充电时，由于电源与电池的压差很大，因而充电电流也很大，这很容易冲坏电池的极板；随着电池电压的升高，电源与电池的压差逐渐减小，充电电流也减小，又会减缓充电速度，使得整个充电过程不均衡。

如图1-4所示。

U,I

充电电压

充电电流

0T

图1-4恒压充电法曲线

3）快速充电：

快速充电采用瞬间放电或停电等去极化措施，以比恒压、恒流充电法大得多的电流进行充电。

快速充电速度快，由于在充电过程中采用去极化措施，充电效果好，可节约大量的电能

。

1.5充电方法的设计

目前，电动自行车主要以铅酸蓄电池为动力，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将整个充电过程一般分为四个阶段：

涓流充电—快速充电—均充电—浮充电。

如图1-5所示：

U,IU

I

070160230T/min

图1-5铅酸蓄电池要求的充电电压电流曲线

1）涓流充电

对长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池充电时，一开始就采用快速充电会影响电池的寿命。

为了避免这一问题要先对蓄电池实行稳定小电流充电，使电池电压上升，当电池电压上升到能接受大电流充电的阈值时再进行大电流快速充电。

2）快速充电

在快速充电过程中，采用分级定电流脉冲快速充电法，将充电电流分成三级。

开始充电时采用大电流，随着电池容量的增加，电压逐渐升高，电流等级开始降低，使充电电流的脉冲幅度和宽度随蓄电池端电压的升高而分级减小。

这种方法可以用来消除振荡现象和过充电的问题。

在脉冲快速充电过程中，电池电压上升较快，当电压上升至补足充电电压值时，转入均充电阶段。

3）均充电

该阶段为恒压充电，它可以快速恢复电池容量。

此时充电电流减小，当电流下降至某一固定值时，自动转入浮充电。

4）浮充电

该阶段以较小的电流向蓄电池充电，使蓄电池经常处于满充电状态。

此时标志着充电过程结束。

2总体设计方案

2.1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。

2.2方案比较与方案选择

方案一：

用PWM信号发生器（UC3842）实现。

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信号发生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。

这种方案的优点是，技术简单、成熟、有多年的实用经验、所需的元器件少、成本低。

如图2-1所示：

图2-1方案一原理图

方案二：

用单片机实现的方案。

由51系列单片机代替PWM信号发生器输出PWM波形控制开关管在一个周期内的导通与断开。

电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样信号分别送进模数转换器，将电压和电流的模拟信号转换为数字信号。

数字信号送入单片机（MCU），由单片机对数字信号进行分析和处理。

然后单片机调整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。

当蓄电池充电满后，由单片机输出信号控制开关断开电源，充电器便停止对蓄电池的充电

。

这是充电器目前比较新的一种方法，这种方案的特点是，技术比较复杂、没有什么实用经验、所需的元器件少，成本比方案一要高，单片机使用软件来控制整个充电器，使得充电的过程易于控制。

在充满电的情况下才会产生过充电的现象，减少蓄电池的损耗，延长蓄电池的寿命，如图2-2所示：

图2-2方案二原理图

方案三：

用VHDL（超高速集成电路）设计实现。

用VHDL设计主要是利用有限状态机来实现。

用状态机来控制A/D采样，包括将采得的数据存入RAM，整个采样周期需要4至5个状态即可完成。

由FPGA代替PWM信号发生器输出PWM波形控制开关管在一个周期内的导通与断开。

电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样信号分别送进模数转换器，将电压和电流的模拟信号转换为数字信号。

数字信号送入FPGA，由FPGA的有限状态机对数字信号进行分析和处理。

然后FPGA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。

当蓄电池充电满后，由单片机输出信号控制开关断开电源，充电器便停止对蓄电池的充电。

这是充电器目前比较新的一种方法，这种方案的特点是，技术是最复杂、使用VHDL语言编程比较复杂，没有实用经验、所需的元器件少、成本比上两个方案都要高，但是由于FPGA能通过编程构造各种功能的模块，可以大大的减少外围电路，增加电路的抗干扰的能力，FPGA的晶振频率一般为几十MHz，故信号的采样频率高。

在充满电的情况下才会产生过充电的现象，减少蓄电池的损耗，延长蓄电池的寿命，如图2-3所示

图2-3方案三原理图

综合以上三个方案，方案二成本比方案一高，利用到单片机，而且需要PLC编程，对于大规模生产方面不切实际，在此不选用这种方案。

方案三需要的成本最高，编写VHDL程序复杂，在此不选用这种方案。

方案一技术简单、成熟、有多年的实用经验、所需的元器件少、成本低，因此在本次设计选择此方案。

3电路的设计

3.1电路总体设计

由市电送来的220V的交流双向滤波抑制干扰进行整流滤波，得到大约300V的直流电送入给高频脉冲变压器，高频变压器的次级绕组输出电压给蓄电池充电。

在蓄电池的出口处分别的进行电压和电流的采样，采样信号送入低通滤波器以滤掉谐波的干扰。

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LM358双运放来实现阶段充电方式，如图3-1所示。

图3-1电路总体设计原理图

3.2充电器电路图及各元件作用

T0为双向滤波抑制干扰，T1为高频脉冲变压器，其作用有三个：

第一是把高压脉冲降压为低压脉冲；第二是起到隔离高压的作用，以防触电；第三是为UC3842提供工作电源。

D1整流为直流，D4为高频整流管（16A/60V）,D5为12V稳压二极管，D6为充电指示灯，D10是电源指示灯。

C10为低压滤波电容，C11滤波形成约300V左右的直流电。

R28是电流取样电阻（0.1欧姆，5w）改变W1的阻值可以调整充电器转浮充的拐点电流（200－300mA）。

U1为UC3842脉宽调制集成电路，其5脚为电源负极，7脚为电源正极，6脚为脉冲输出直接驱动场效应管Q1,3脚为最大电流限制，调整R7（2.5欧姆）的阻值可以调整充电器的最大电流，2脚为电压反馈，可以调节充电器的输出电压，4脚外接振荡电阻R1和振荡电容C1。

U3（TL431）为精密基准电压源，配合U2（光耦合器）起到自动调节充电器电压的作用并调整w2（微调电阻）可以细调充电器的电压。

如图3-2所示

。

图3-2充电器电路图

3.3功能模块电路的设计

3.3.1第一路通电开始第一路如图3-3：

市电送来的220v交流电经T0双向滤波抑制干扰，D1整流为脉动直流，再经C11滤波形成约300V左右的直流电。

此电压一路经T1加载到Q1。

图3-3整流电路

3.3.2第二路UC3842电路UC3842是开关电源用电流控制方式的脉宽调制集成电路。

与电压控制方式相比在负载响应和线性调整度等方面有很多优越之处。

该电路主要特点有：

内含欠电压锁定电路；低起动电流（典型值为0.12mA）；稳定的内部基准电压源；大电流推挽输出（驱动电流达1A）；工作频率可到500kHz；自动负反馈补偿电路；双脉冲抑制；较强的负载响应特性

。

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，如图3-4