大功率电动三轮车电瓶充电电路的设计毕业论文.doc

商丘师范学院学士学位毕业论文 2015届本科毕业设计大功率电动三轮车电瓶充电电路的设计姓 名： 许申林 系 别： 物理与电气信息学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 号： 110314090 指导教师： 郑世旺 2015年5月14日11目 录摘要与关键词II0 引言11 电动车蓄电池12 蓄电池的充电方式12.1 恒流充电方式12.2 恒压充电方式22.3 阶段充电方式22.4 脉冲式充电方式23 系统总体的设计23.1 系统实现基本要求23.2 系统实现整体结构图24 整体硬件电路的设计44.1 整体电路的连接及工作原理44.2 调试及说明55 部分硬件电路的设计55.1 电源电路的设计65.2 振荡电路的设计65.2.1 振荡电路的振荡方式75.2.2 振荡电路的作用75.3 保护电路的设计75.3.1 过流保护电路的设计85.3.2 输出回路的设计85.3.3 基准电路的设计95.3.4 电压比较电路的设计95.4 充电状态指示电路的设计106 结语10参考文献11致谢11大功率电动三轮车电瓶充电电路的设计摘 要本次大功率电动三轮车充电电路的设计是将220V的电压经过整流、滤波后再对蓄电池进行充电，整体硬件电路设计包括了电源电路设计、振荡电路设计、保护电路设计、充电状态指示电路设计四大模块。其中四运算放大器LM324有充放电状态控制和过流保护等作用。基准电路采用了精密稳压专用集成电路TL431来精确控制主回路输出电压。 关键词充电器；电源； 振荡；保护电路 Design of high power electric tricycle charging circuit Abstract:The design of high power electric tricycle charging circuit is the 220V voltage is rectified, filtered and then charging the battery, the overall design of hardware circuit includes power circuit, oscillator circuit design, protection circuit design, charging state indication circuit design four modules. The four operational amplifier LM324 state of charge and discharge control and overcurrent protection function. Using a precision voltage reference circuit ASIC TL431 to accurately control the main circuit output voltage. Keywords The charger;  power  oscillation  protection circuit 0 引言近几年随着全世界工业化进程的突飞猛进，车辆越来越多，机动车燃油排放的尾气成为危机大气的一个重要污染源。而电动三轮车因其轻巧、安全、省力并有益于环保等优点,成为了人们青睐的理想交通工具。如今，铅酸蓄电池已获得人们的青睐，并得到普遍利用。主要在与其具有很多优点，比如能够保持平稳的电压，可以长时间使用，用于制造蓄电池的材料多且便宜等等。但是，在蓄电池的充电过程中，如果不能合理使用充电器或充电器选择不当，都会导致蓄电池的使用时间大大降低。在给蓄电池充电时一定要充足电，同时避免过充电来延长其充电寿命1。现在大部分蓄电池只能正常使用3-5 年,远远低于10-15 年的设计要求。研究发现:电池的过早损坏主要是由于充电方式不当和充电器质量差造成的。因此,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 2。蓄电池充放电的研究在很早以前就有人开始研究，人们从各个角度来探索影响蓄电池寿命的原因，1935年，伍德布里奇发现了影响蓄电池充电过程的有温度这个条件，温度不同，充电效率也不一样。麦斯在1967年发现了对蓄电池充电时析气的原因和规律。在人们的不断研究和探索下，创造出了很多种充电装置，例如随着电流的变化而变化的铅酸蓄电池充电装置等，但这些充电设备基本上是采用模拟电路实现，调试复杂，体积大，并且控制效果很差。随着时代的发展，集充放电于一体，检测和管理相结合的智能化充电控制器在90年代被开发出来3。在我国的蓄电池研究中，其充电装置中的整流设备多用晶闸管硅来制造，虽然其有功率密度低的缺点，但是由于它工作可靠的性能，仍然被大家所普遍应用。最近几年，由于快速充电技术用途越来越广泛，因此人们也是努力研究和探索，并且很成功的将这种技术应用到蓄电池中4。但是这些充电技术仍然有很多不理想之处，尤其是思想和方法的守旧，已经不符合蓄电池的性能指标。如今，一直有人提出一些新型的充电方法，但是更完善更快速的充电方式仍需要被探索和发现5。本次大功率电动三轮车充电电路的设计是将220V的电压经过整流、滤波后再对蓄电池进行充电，整体硬件电路设计包括了电源电路设计、振荡电路设计、保护电路设计、充电状态指示电路设计四大模块。其中LM324四运算放大器起到充放电状态控制和过流保护等作用。基准电路采用了精密稳压专用集成电路TL431来精确控制主回路输出电压。1 电动车蓄电池蓄电池是一种新能源动力，在使用过程中不断放电，电量逐渐降低。经过对蓄电池的研究和技术的发展，蓄电池种类越来越丰富，比如有氢镍电池、铁镍电池、镉镍电池、锂二次电池和铅酸电池。如今铅酸蓄电池已经普遍进入市场并为人们所用。本文即为铅酸电池充电电路的设计。由于电能源车具有环保节能的特点，国内外对其能源供应的蓄电池的研究和发展尤其重视，而当今社会节奏加快，机动车可以直接添加汽油保持其动力，如果电动车充电需要很长一段时间的话，那么其速度较慢的缺点将导致它不被大家所认可，因此，提出一种能够快速充电的充电方式和充电电路的设计来保证蓄电池能够快速充电及能够具有更长的寿命，具有深远的意义。随着人们对蓄电池的深入研究，现在人们已经清晰的了解到它的工作原理以及内部能量的转化，这将有助于了解影响电动车寿命的外界因素和内部电路设计优劣所在。铅酸电池的正极板和负极板放在电解质溶液里，在蓄电池放电时，二氧化铅和海绵状铅分别在正极板和负极板上相互转化，所以，在蓄电池放电至能量消耗完毕后，当再对蓄电池充电后还能回到原来的状态供电。如此循环，来达到持续循环供电的目的。2 蓄电池的充电方式 多次实践得出，正确的充电方法对蓄电池寿命的影响非常大，对蓄电池进行充电时经常把粗电池串联起来提高输出电压进行充电。但只有在充电过程中能够均衡的进行才能保证蓄电池的寿命持续。充电不均衡对蓄电池寿命影响很大。以下介绍了当下常用的充电方式6。2.1 恒流充电方式恒流充电法是将蓄电池放完电后，在蓄电池充电时，按照充电器的A.h数来确定一个稳定的输出电流对蓄电池进行充电。充电时充电电流一直不变，优点是方便控制，但是，充电的时间越长，电池的接受电流的能力也随之减弱。缺点是充电器出气量较大，这是由于充电后期电流电解水产生气体的结果。2.2 恒压充电方式恒压充电方式指在充电时一直用一个特定的电压，这种方式在充电开始阶段，由于蓄电池内部的电动势处于较低状态，则充电电流比较大。充电维持的时间越长，充电的电流也越少。这种充电方式的优点在于电流不剩余，很少用于电解水，电池出气量较少。缺点是充电开始时充电电流过大，容易导致电池极板变形，很大程度地缩短了蓄电池的寿命。由于这些原因，这种充电方式并不被人们所青睐，只有在电源电压低电流大时使用7。2.3 阶段充电方式 阶段充电方式可以利用二阶段充电方式进行，也可以使用三阶段充电方式来实现。其充电方式也是按照恒流充电方式维持电流不变和恒压充电方式保持电压不变来实现，但是还有区别在其中。二阶段充电方式是先使用恒流充电方式，等电压到一个确定的值后，再按照这个确定值，使用恒压充电法进行充电。三阶段充电方式同样先使用恒流充电方式，然后用恒压充电，当电流逐渐减少至一个预定值时，再使用恒流充电法进行充电。三阶段充电法虽然出气量很少，但是并不能快速充电方式的要求8。2.4 脉冲式充电方式脉冲式充电方式是充电理论的新发展，能够有效地提高蓄电池充电接受率。这种充电方式在充电前期使用脉冲电流，然后停止充电，接着再用脉冲电流充电，一直循环直到充电完成。脉冲电流将电池充满电后，停止充电这段时间可以将充电产生的气体重新化合吸收，消除掉欧姆极化和浓差极化来减轻蓄电池的内部压力，从而满足蓄电池充电程度的最大化。同样，在充电停止时有足够反应时间，减少析气量，有效地提升了蓄电池的充电电流接受率9。3 系统总体的设计3.1 系统实现基本要求（1） 电压参数：22V交流电经过整流和滤波转变成44V的直流电。（2） 充电显示：LED灯闪烁，充电正常。LED灯不闪烁，充电关断。（3） 充电保护：使充电电压大约为44V且输出的电流及电压能够自行调节。3.2 系统实现整体结构图由课题可知，整体电路必须满足有充电状态指示和充电保护等部分电路，这样有很多种方案供选择。进过多重的分析和筛选，最终确定了包括充电状态指示电路的设计、电源电路的设计、振荡电路的设计和保护电路的设计的整体电路图。系统实现整体结构图如图1。电源电路振荡电路 电压保护 电路充电状态指示电路图1 系统实现结构图4 整体硬件电路的设计4.1 整体电路的连接及工作原理图2 整体电路图如图2所示，插座JP1连接上220V交流电，JP2连接上蓄电池，此时有充电过程和充电结束两种状态。最大电压为 。当=220V电压加至变压器后，变压器出现了MOS场效应管Q14N90C的导通与闭合两种状态。变压器变压后输出电压 =44V和反向电压VEE，由于充电时，蓄电池电压约为36V，低于=44V，因此二极管D8导通，电流分为供给蓄电池充电和供给图上半部分电流两部分。当LED1导通时，会一直发出红光。Z2稳压后的电压供给充电状态指示电路，Z1稳压后的电压供给U2ALM324和U2BLM324两个比较器。对于U2ALM324和U2BLM324两个比较器来说，它们的正端接地，负端与2.5V电压与-VEE之间的两个电阻分压后相连接。当-VEE小于负向最大电压时，比较器U2BLM324输出的是低电平，比较器U2ALM324相反为高电平，因此，二极管D11截止，D12导通，无电流流向发光二极管，则二极管不发绿光。当-VEE负向电压为最大时，比较器U2BLM324负端电压变化低至小于正端电压时，其输出为高电平。二极管D12处于截止状态，对于比较器U2ALM324来说，状态刚好相反，二极管D11导通，发光二极管发出绿光。发光二极管在整个充电过程中一直处于闪烁状态。2.5V和-VEE由电阻R22和电阻R14分压后与U2CLM324负端相连接，当-VEE小于最大反向电压时，该比较器的负端输入小于0，输出为高电平，D15导通，U1PC817处于工作状态，Q2导通，场效应管由于没有电压，因此处于断开状态。当-VEE达到最大反向电压时，该比较器负端输入大于0，输出为低电平，D15截止，U1PC817不工作，Q2不导通，场效应管有电压供给，处于导通状态且D5截止。充电结束后，充电电压已经和蓄电池电压基本相等，这个时候二极管D8截止。对于比较器U2ALM324来说，其输入为低电平，LED2导通，并发出绿光。U2DLM324正极输入电压大于负极，其输出也一直处于高电平状态，光耦合器有输入电压，Q2正常工作，此时场效应管断开，充电结束。4.2 调试及说明在对整体电路进行调试时，用胶布将与插头相连接的220V电压的导线粘接好，这样可以有效避免导线接触短路，然后再用万用表进行测量。接着将充电电池接入220电源，充电开始时发光二极管亮起，过一段时间对电压是否变化做再一次检查。充放电电路检查一样。直流输出时，电压可以直接用万用表进行测量，将电阻和发光二极管相连，如果发光二极管发光，电源可以使用。5 部分硬件电路的设计在上文中介绍了整体电路的设计，下面详细介绍各个部分电路的设计方案和功能。其中包括电源电路的设计、振荡电路的设计、保护电路的设计和充电状态指示电路设计这四个模块。5.1 电源电路的设计图3 电源电路如图3，该电路为电源电路，用于整体电路的的电压供应，由JP1输入220V的电压，经过四个二极管和E1的整流和滤波转换成311V的直流电压。二极管是该电源电路中的主要原件，主要在于二极管的单向导电作用。电流经过整流后再经过滤波电路滤去电压中的纹波。整流电路一般包括桥式整流、全波和单相滤波。滤波电路可以由电感器、电容器和电感电容结合而成。电源电路见图3。5.2 振荡电路的设计振荡电路如图4所示，该电路由311V的直流电压进行供压，直流电压由JP1输入的220V电压经过整流和滤波所得。该311V直流电压经过R3、R4两个电阻串联接到场效应管栅极,同时与开关变压器的初级线圈上端相连。假设开始时Q1关断，因为R3、R4两个电阻的阻值比较大，从而造成场效应管由关断逐渐部分导通，并一直处于这个状态，则初级电势为上正下负，同时感应到下次级线圈，使其产生上负下正的电势，再经过C5进一步导通后，初级电势稳定，下次级电势消失，Q1从关断继而微导通，这个时候初期电势和下次级感应电势分别为上负下正和上正下负，随后Q1关断。Q1形成了一个不断循环的振荡周期，其过程为从关断变化为微导通，紧接着再导通，随后由导通再变化为微导通，再关断。因此，可以推断出该振荡电路为自激式电路10。图 4 振荡电路5.2.1 振荡电路的振荡方式本次设计所选用的绕组方式包括反馈绕组方式，初级绕组方式和负载绕组方式。其中初级绕组和反馈绕组分别参与振荡和维持振荡。本次振荡电路的电压是经过电源电路的整流滤波得到的300V直流电压。与开关管的集电极连接在一起，将直流电进行高频振荡。接着再由负载电路维持电路的振荡，负载所得的电能由负载绕组感应的电信号经过整流、滤波、稳压所得。同时，由于负载绕组能够监测电压的输出变化情况并将该情况反馈给振荡电路来调整振荡频率的功能，因此反馈绕组也具有稳定电压的功能。同时可看出该振荡电路为自激式振荡。5.2.2 振荡电路的作用振荡电路可以定义为自行将直流电转变为有一定频率和振幅的交流电信号，此过程不需外加信号。其重要作用在于能够产生交流信号。一般来说振荡器是由选频电路、正反馈电路和放大器三个部分组成。选频电路仅限某一个特定的频率通过，使振荡器的输出为一个单一频率。正反馈电路主要用来维持电路进行振荡，能够保证其提供的信号的相位相同。放大器能够放大输入信号并且使输出信号保持恒定不变。5.3 保护电路的设计如图5所示，本次保护电路的设计主要由电压比较电路、基准电路、输出回路和过流保护电路四部分组成。其中TL431用在基准电路上来促使电压为2.5V，并且提供电压给U2D，再通过U2D的稳定电压功能，使输出电压保持稳定。输出回路的主要功能在于对输出电流进行监测，同时为U2C供压，由于PC817的导通与截止功能，为电路提供过流保护的作用。图 5 保护电路5.3.1 过流保护电路的设计如图6所示，电阻R1、三极管Q2组成该过流保护电路。为了增强电路的可靠性，保护元件的安全，则必须使三极管Q1关断，因此必须促使电阻R1上的电压增大，使R1上的电压增大的方法可以增大Q1的漏极电流，而其源电流也必将随着漏极电流的增大而增大。如果电压增大到0.7V时，Q2饱和导通。使三极管Q1栅极电位限制，从而达到Q1关断的要求。图 6 过流保护电路5.3.2 输出回路的设计输出回路的设计如图7所示，它用来向需要供电的部分电路和负载供电的回路供电。电压经过二极管D8的整流，E2滤波，得到的电压来用于整个电路。电路中的电阻R12能够检测电路负载电流的大小，从而来控制输出电流。当电流过大时，D14导通的条件为其电压不高于电阻R12上的电压，当D14进入导通状态后，电阻R12才不会被损坏。同时，电路中各元件的供电由E7、D7的整流和滤波作用后的电压供应。图 7 输出回路电路5.3.3基准电路的设计基准电路的设计如图8所示，由于电路需要一个相对稳定的输出电压，因此必须有一个基准电压来参考比较，并且要用TL431精确控制，因为TL431是精密稳压专用集成电路。电压经过二极管Z2和Z1的稳压作用产生2.5V的基准电压，来达到主回路输出电压能够精确控制的目的。图 8 基准电路5.3.4电压比较电路的设计在电压比较电路中，U2C具有过流保护的作用，U2D具有使电压输出稳定的作用。电源由LM324中的运算放大器U2C和U2D供用，供电电压由稳压二极管及运算放大器供应。U2C的工作过程是1.6A的电流和-VEE=-0.16V经过电阻R14、R22的分压，将在0V以下的分压点电位送至U2C的反向输入端，使U2C输出电压大于0V,在经过电阻D15、R10送至PC817光电耦合器，发光强度越来越强，Q1电位降低，Q2接近饱和，输出电压降低，输出电流负载下降，从而实现过流保护的作用。U2D的工作过程为输出电压44V逐渐变小时，经过电阻的分压，将电压送到U2D的同向输入端，与反向输入端的2.5V电压比较，二极管D16二极管接近截止，经过电阻R10送到PC817光电耦合器，它的发光强度减弱，内部三极管接近截止，Q2接近截止，Q1栅极电位升高，漏源之间更趋向接通，达到输出电压升高和稳压的目的。5.4 充电状态指示电路的设计充电状态指示电路如图9所示，本电路主要是由LM324和双色发光管LED2构成。集成电路LM324电压变化信号由电阻R12取得，经过电阻送入U2B的反向输入端。由于在出点开始时，其电流比较大，则电阻R18上的压降也增大，正向输入端电位高于反向输入端电位，输出端输出为高电平，充电指示灯LED2点亮。当电池快充满时,电阻R18上的电压随着充电电流的减少而减低,当U2B反向输入端电位大于正向输入端电位时,U2A输入端为低电平,输出端输出高电平,LED2熄灭。图 9 充电状态指示电路6 结语本设计对蓄电池的结构、充放电原理进行了分析，简要分析和论述了蓄电池的充电方式，分析指出现在三段式是最为常见、理论最为成熟、也是最容易使用的充电方式。同时，重点分析了电动三轮车充电电路的设计，主要从总体方案设计、硬件电路设计、整体电路调试等方面做了详细介绍。电路设计是将220V的电压经过整流、滤波后再对蓄电池进行充电，整体硬件电路设计包括了振荡电路设计、充电状态指示电路设计、保护电路设计、电源电路设计四大模块。其中四运算放大器LM324有充放电状态控制和过流保护等作用。基准电路采用了精密稳压专用集成电路TL431来精确控制主回路输出电压。如今，影响铅酸蓄电池寿命的瓶颈主要在于充电电路的设计技术，未来的蓄电池的充电电路设计技术将向着更复杂的快速充电技术迈进，我相信在不久的将来，新一代的蓄电池充电技术将会诞生。参考文献1 AFFANNI A,BELLINI A,FRANCESCHINI G,el al.Battery choice and management for new generation electric vehiclesJ.IEEE Transactions on Industrial Eiectronics,2005,52(5):1343-13492 呼志刚,郑冰.一种新型电动自行车充电电路的设计J.微计算机信息,2010,26（11）：157-158.3 戚艳,铅酸蓄电池快速充电器的设计D.硕士学位论文,天津大学,2009.4 周时欣,铅酸蓄电池快速充电技术的研究D.硕士学位论文,安徽理工大学,2002.5 冯义,一种智能充电系统的初步研究D.硕士学位论文,中国农业大学,2000.6 KUKUT N H,WIEGMAN H L N,DIVAN D M.Design congidermion for charge equalzation of an electric vehicle battery systemJ.IEEE Transactions on Industry Applications,1999,35(1):28-35.7 包坤,白小军.蓄电池充电电路的研究J.河南科技,2011(05):70-71.8 刘炳权.蓄电池常规充电方法J.科技信息,2007,34：395-396. 9 李旺达,邓云霄.脉冲式快速智能充电技术的研究J.通信技术,2008,12.10 吴金,刘桂芝.一种脉冲振荡电路的分析与设计J.微电子学,2004,34:64-66.致 谢本论文的研究工作是在我的指导老师郑世旺老师的认真指导下完成的。在毕业设计研究过程中出现了很多问题，郑世旺老师每次都是很仔细的跟我讲述跟我一起解决这些问题，更重要的是通过这次论文，让我学会了如何利用各种资源，教会了我学习方法，使我少走了很多弯路，让我终身受益。在这里再次对郑世旺老师的关心和教导表示感谢。在撰写论文期间，因专业基础知识不够扎实，所以在电路图分析中遇到了很多困难，由于有时不能及时联系老师，所以会出现不少耽搁，这时候很多同学在我编写论文中给予了热情帮助，同时，宿舍里浓厚的学习氛围使我充实而快乐的度过了每一天，再次向他们表示诚挚的谢意。此外还有感谢我的父母和家人。大学期间，他们一直很关心我的学业，经常跟我通电话，支持和鼓励我的学习，他们是我强大的精神支持，使我能够在学校顺利完成我的学业。