基于单片机的电动车智能充电器的设计.doc

湖南生物机电职业技术学院毕业设计（论文） 题目： 电动车充电器 专 业 机电一体化 班 级 一体化09319 姓 名 邓 敏 指导教师 刁一峰 2011年 11月1日中文摘要：2前 言3第一章 充电器原理41.1 蓄电池与充电技术41.2 密封铅酸蓄电池的充电特性41.3 充电器充电原理51.3.1 蓄电池充电理论基础51.3.2 充电器的工作原理7第二章 总体设计方案92.1 系统设计92.2 方案策略9第三章 硬件电路设计113.1 电路总体设计113.2 芯片介绍113.2.1 LM358双运放113.2.2 UC3842单管开关电源123.2.3 EL817光耦合器133.2.4 场效应管K1358143.3 电动车充电器原理及各元件作用的概述153.3.1 充电器原理图15图3.5 充电器原理图153.3.2 各元器件作用概述153.4 功能模块电路设计163.4.1 第一路通电开始163.4.2 第二路UC3842电路163.4.3 第三路LM358（双运算放大器）电路173.5 电动车充电器改进方案203.5.1 增加充满电发声提示电路203.5.2 加散热风扇21第四章 总结与展望22参考文献23致谢2426电动车智能充电器设计及应用中文摘要： 本设计介绍了充电器对蓄电池充电的一般原理，从阀控蓄电池内部氧循环的设计理念出发，研究各种充电方法对铅酸蓄电池寿命的影响。针对蓄电池充电过程中出现的种种问题，分析现有各种充电方法存在的问题，提出一种可对铅酸蓄电池实现四段式慢脉冲充电的智能充电器设计方案。控制开关电源的脉冲频率和占空比，从而调节充电电流和电压，实现对蓄电池的分级慢脉冲充电。这个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：慢脉冲充电；蓄电池；充电器；前 言以动力蓄电池为能源的电动车被认为是21世纪的绿色工程，它的出现将汽车工业的发展带入了一个全新的领域。目前，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，现已成为影响电动交通工具发展的瓶颈。目前，我国的电动车用动力蓄电池大多为铅酸蓄电池，这主要是由于铅酸蓄电池具有技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点。当然，也有一些高性能电池，比如锂电池、燃料电池等。锂离子电池电动车在深圳已投入试运营，由上海研制的第二代燃料电池轿车“超越二号”也于2004年5月在北京的国际氢能大会上露面，但都还未能得到广泛的推广应用。铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，因此广泛应用于国防、通信、铁路、交通、工农业生产部门。近年来全密封免维护铅酸蓄电池其密封好、无泄漏、无污染等优点，能够保证人体和各种用电设备的安全，而且在整个寿命期间，无需任何维护，从而揭开了铅酸蓄电池发展历程新的一页。众所周知，通信设备一般都采用免维护电池作为备用电源，许多电子设备必须的不间断电源系统（UPS）也离不开免维护电池，此外在应急灯、汽车、游艇中也越来越多的选用免维护电池。然而，由于充电方法不正确，充电技术不能适应免维护电池的特殊需求，造成电池很难达到规定的循环寿命。虽然近年来蓄电池自身的技术有了不小的进步，但作为其能量再次补充的充电器的发展非常缓慢，传统的常规充电时间过长，快速充电技术至今仍未能完全解决，严重地制约着电动车的发展。所以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LM358双运放电路设计的智能充电器。第一章 充电器原理1.1 蓄电池与充电技术对于铅酸、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 密封铅酸蓄电池的充电特性 电池充电通常要完成两个任务，首先是尽可能快地使电池恢复额定容量，另一是使用小电流充电，补充电池因自放电而损失的能量，以维持电池的额定容量。在充电过程中，铅酸电池负极板上的硫酸铅逐渐析出铅，正极板上的硫酸铅逐渐生成二氧化铅。当正负极板上的硫酸铅完全生成铅和二氧化铅后，电池开始发生过充电反应，产生氢气和氧气。这样，在非密封电池中，电解液中的水将逐渐减少。在密封铅酸蓄电池中，采用中等充电速率时，氢气和氧气能够重新化合为水。过充电开始的时间与充电的速率有关。当充电速率大于时，电池容量恢复到额定容量的以前，即开始发生过充电反应。只有充电速率小于，才能使电池在容量恢复到后，出现过充电反应。为了使电池容量恢复到，必须允许一定的过充电反应。过充电反应发生后，单格电池的电压迅速上升，达到一定数值后，上升速率减小，然后电池电压开始缓慢下降。由此可知，电池充足电后，维持电容容量的最佳方法就是在电池组两端加入恒定的电压。浮充电压下，充入的电流应能补充电池因自放电而失去的能量。浮充电压不能过高，以免因严重的过充电而缩短电池寿命。采用适当的浮充电压，密封铅酸蓄电池的寿命可达年以上。实践证明，实际的浮充电压与规定的浮充电压相差时，免维护蓄电池的寿命将缩短一半。铅酸电池的电压具有负温度系数，其单格值为。在环境温度为时工作很理想的普通（无温度补偿）充电器，当环境温度降到时，电池就不能充足电，当环境温度上升到时，电池将因严重的过充电而缩短寿命。因此，为了保证在很宽的温度范围内，都能使电池刚好充足电，充电器的各种转换电压必须随电池电压的温度系数而变。1.3 充电器充电原理1.3.1 蓄电池充电理论基础 理论和实践证明，蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程。一般地说，充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降，不可能自动按恒流或恒压充电。充电过程中影响充电的因素很多，诸如电解液的浓度、极板活性物的浓度、环境温度等的不同，都会使充电产生很大的差异。随着放电状态、使用和保存期的不同，即使是相同型号、相同容量的同类蓄电池的充电也大不一样。 上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图1所示。实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向。图1.1最佳充电曲线由图1.1可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。蓄电池是可逆的。其放电及充电的化学反应式如下：PbO2Pb2H2SO42PbSO42H2O （1）很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行，而这个数值又因为电极材料，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，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。一般来说，产生极化现象有3个方面的原因。1）欧姆极化充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。2）浓度极化电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。这种现象称为浓度极化。3）电化学极化这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。例如：电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。放电时，立即有电子释放给外电路。电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢MeeMe，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，金属离子Me转入溶液，加速MeeMe反应进行。总有一个时刻，达到新的动态平衡。但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。这3种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。1.3.2 充电器的工作原理目前， 电动自行车主要以铅酸蓄电池为动力。铅酸蓄电池的主要优点是： 电池容量大、价格便宜并具有无记忆效应;但存在的缺点是： 体积大、重量重和不能过充或过放。根据铅酸蓄电池的上述特点， 铅酸蓄电池的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1， 2 ，如图 1.2 所示 图 1.2 铅酸蓄电池要求的充电电压、电流曲线根据充电前蓄电池残余电量的不同， 每次充电的时间将有所不同。(1) 涓流充电若蓄电池在充电初期已处于深度放电状态，为避免对蓄电池充电电流过大，造成热失控， 微处理器通过监测蓄电池的电压，对蓄电池实行稳定小电流涓流充电。在涓流充电阶段，电池电压开始上升，当电池电压上升到能接受大电流充电的阀值时则转入快速充电阶段。(2) 快速充电该阶段为大电流恒流充电，电池电压上升较快，当电压上升至均充电压阀值时，则转入均充阶段。(3) 均充电该阶段为恒压充电，它可使电池容量快速恢复。这时充电电流逐渐减小，当电流下降至某一固定值时，自动转入浮充电。(4) 浮充电该阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，此标志着充电过程结束。第二章 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 方案策略用PWM信号发生器(比如UC3842)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。如下2.1方框图：高频变压器蓄电池PWM波形发生器电流电压反馈 图2.1方案方框图第三章 硬件电路设计3.1 电路总体设计图3.1 电路总体设计方框图如图3.1所示，由市电送来的220V的交流双向滤波抑制干扰进行整流滤波，得到太约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为48V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个双运放来实现阶段充电方式。3.2 芯片介绍3.2.1 LM358双运放LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也使用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所用可用单电源供电的使用运算放大器的场合。结构如图3.2;特性：内部频率补偿 直流电压增益高（约100db） 单位增益频带宽（约1mhz） 电源电压范围宽：单电源（330V）双电源（+-1.5+-15v） 低功耗电流，适合于电池供电 低输入偏流 低输入失调电压和失调电流 共模输入电压范围宽，包括接地 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 输出电压摆幅大（0至vcc-1.5V）图3.2 LM358引脚图3.2.2 UC3842单管开关电源图3.3 UC3842引脚图-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，以确定误差放大器的增益和频响。-2脚VFB是反馈电压输入端，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。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OUT是输出端，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是基准电压输出，可输出精确的+5V基准电压，电流可达50mA。3.2.3 EL817光耦合器对输入、输出电信号起隔离作用，光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，在经过进一步放大后输出。这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。它主要通过电光电这种转换，利用“光”这一环节完成隔离功能，因为光信号的传送不受电场、磁场的干扰，可以有效地隔离电信号，提高电路的抗干扰能力。组成如图3.4下：图3.4 EL817内部结构图3.2.4 场效应管K1358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.。它的分类：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。主要参数：Idss饱和漏源电流.是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压UGS=0时的漏源电流。Up夹断电压.是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时的栅极电压。Ut开启电压.是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。gM跨导。是表示栅源电压UGS对漏极电流ID的控制能力，即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值。gM是衡量场效应管放大能力的重要参数。BVDS漏源击穿电压。是指栅源电压UGS一定时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压.这是一项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于BVDS。PDSM最大耗散功率，也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率.使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。IDSM最大漏源电流.是一项极限参数，是指场效应管正常工作时，漏源间所允许通过的最大电流.场效应管的工作电流不应超过IDSM。3.3 电动车充电器原理及各元件作用的概述3.3.1 充电器原理图图3.5 充电器原理图3.3.2 各元器件作用概述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。U1 为TL3842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(K1358) 3脚为最大电流限制，调整R25(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。T1为高频脉冲变压器，其作用有三个。第一是把高压脉冲将压为低压脉冲。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。D4为高频整流管（16A60V）C10为低压滤波电容，D5为12V稳压二极管， U3(TL431)为精密基准电压源，配合U2(光耦合器4N35) 起到自动调节充电器电压的作用。调整w2(微调电阻)可以细调充电器的电压。D10是电源指示灯。D6为充电指示灯。 R27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（200300 mA）。3.4 功能模块电路设计3.4.1 第一路通电开始图3.6 整流电路 由3.6图：市电送来的220V的交流电经过T0双向滤波器，通电开始时，通过双向滤波器送入D1整流电路，到达C11滤波电容后形成了300V左右的电压，此电压一路经T1加载到Q1.3.4.2 第二路UC3842电路图3.7 UC3842电路 第二路由上图3.7 ：300V的直流电压经过R5，C8，C3为脉宽调制集成电路U1的第七脚提供启动电压，U1的7脚的道启动电压后，（7脚电压高于14V时，集成电路开始工作）强迫U1启动，6脚输出PWM脉冲，Q1开始工作，电流经R25到地，三脚为最大电流限制，经过R23，R3，到R25，调整R25阻值可以调整充电器的最大电流。同时，T1变压器的副线圈产生感应电压，经D3，R12给U1提供可靠电源。T1输出线圈的电压经D4高频整流管，低压滤波电容C10整流滤波后提供了稳定的工作电压。此电压一路经D7（D7起到防止电池的电流倒灌给充电器的作用）给电池充电。四脚外接振荡电阻R1和振荡电容C1决定U1的振荡频率。3.4.3 第三路LM358（双运算放大器）电路图3.8 LM358电路 由3.8图：LM358有第二路电路得到一个稳定的电压流入R14，再分析第三路经R14，D5，C9为（运算放大器的1脚为电源地，8脚为电源正）及其外围电路提供12V工作电源。D9为LM358提供基准电压，经R26，R4分压到达LM358A/B的第二脚和第五脚，正常充电时，R27电流取样电阻上端有0.150.18V左右电压，此电压一路经R17加载到LM358A的第三脚，从一脚送出高电压，此电压一路经R18，强迫Q2导通，D6LED红灯点亮，第二路注入LM358B的6脚，7脚输出低电压，迫使Q3关断，D10LED绿灯熄灭，充电器进入恒流源充电阶段。 如图3.9：图3.9 恒流充电曲线 当电池电压上升到44.2V左右时，充电器进入恒压充电阶段，输出电压维持在44.2V左右，充电器进入恒压充电阶段，电流逐渐减少，当充电电流减少到200MA-300MA时，R27上端的电压下降，LM358的三脚电压低于2脚，1脚输出低电压，Q2关断，D6熄灭。同时7脚输出高电压，此电压一路迫使Q3导通，D10点亮，另一路经D8，W1到达反馈电路，是电压降低，充电器进入涓流充电阶段。如图3.10：图3.10涓流充电阶段4脚振荡波形6脚输出波形1到2小时候充电结束。3.5 电动车充电器改进方案图3.11 增加充满电发声提示电路3.5.1 增加充满电发声提示电路增加充满电发声提示电路原理。如图3.11所示，图中左边是原充电器的发光指示电路。其中一只双集成运放中的两个运放。充电时，LM358A输出高电平，D6发光，充满电时，LM358B输出高电平，D10发光。右边是增加电路，正常充电时，VT基极为高电平截止，充满电后，VT基极被上面输出端的低电平正偏置而导通，蜂鸣器发音提示。VD1VD4是为降低VT射极电位而设置的，否则因为LM358A的高电平与VT发射极电位差太低而不能使VT在充电时可靠截止。蜂鸣器带音源的，一般在615v直流电压范围内部都可靠发声。此举可避免充电器长时间接通电源造成充满电后待机消耗。以及导致蓄电池过充而缩短寿命。3.5.2 加散热风扇图3.12 加散热风扇图因为没有加散热风扇，开关管很易过热损坏，可用一只小风扇。由图3.12所示，左边是开关变压器及加绕的线圈，用漆包线在变压器空隙中穿绕35匝而成。线圈输出的高频交流电压由VD整流，C滤波后给风扇M供电。实践证明，12V风扇在812v范围内皆可工作，线圈实际绕的匝数有实验确定，由于M工作电流仅有100多ma。因而不会对开关管及电路造成影响。第四章 总结与展望采用以UC3842驱动场效应管的单管开关电源配合LM358双运放电路设计的智能充电器，能够实现对电车的蓄电池进行充电，并能够根据充电过程自动调整控制参数以，可以实现充电过程的无人值守，延长电池的使用寿命。由于设计时间短，在电路设计与充电算法方面还存在不足，有待于以后不断改进。因电动车智能充电器对可靠性要求很高，因此除了要对整体结构进行合理设计外，还要对保护电路进行完善考虑。为此，我们在下一步研究充电器可以设置输入欠压、过压及过流；输出过流、过压及短路；功率管过流及过热保护；蓄电池的过热保护。电动摩托车充电器已制造出实验样机，相关参数如下：输入电压：AC220V；主充电器输出