1、 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 日商丘师范学院学士学位毕业论文I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、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商丘师范学院学士学位毕业论文II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
3、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 circuitAbstract:The design of high power electric tricycle charging circuit is the 220V voltage is rectified, filtered and the
4、n 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 fu
5、nction. Using a precision voltage reference circuit ASIC TL431 to accurately control the main circuit output voltage.KeywordsThe charger; power ; oscillation ; protection circuit 商丘师范学院学士学位毕业论文10 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
6、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，193
7、5 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
8、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
9、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
10、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。商丘师范学院学士学位毕业论文22 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
11、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
12、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
13、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
14、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。商丘师范学院学士学位毕业论文3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1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 15-May-2015 Sheet of File: G:
15、PROGRAM FILESPROTELL NEWEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:R10.33/3WR247K/3WR101KR148K2R164K7R1110KR27/247KR8RES2R9RES2R10RES2R2943KR264K7R1943KR242KR21680KR23R3R4R9 3KR27/11K5/3WR27RES2R154K7D2FR207D3FR207R240.1/3WD4FR207R2215KD1FR207E168U/400V12JP1220V12JP244VF12AD5FR207Q14N90CD154148D164148D174148D1241
16、48C3222/1000VD114148E322U/50VE422U/50VD8-D105404D7F18D6FR107D14/D185404R5100R747 R6 1K36V/12AHE610U/100VE2Q2H5609E710U/100VQ1PC817C5472/1000VU2CLM324LM324U2DU2BLM324U2ALM324C6 222C2104LED1REDZ215VZ1VTL431LED2GREEQ38050Q4805044V44VHVGHVG-VEEHVGB1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
17、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12URM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3U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3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
18、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，电源电路振荡电路电压保护电路充电状态指示电路商丘师范学院学士学位毕业论文4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
19、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
20、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
21、电状态指示电路设计这四个模块。商丘师范学院学士学位毕业论文55.1 电源电路的设计1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleN umber R evisio nSizeBD ate: 15 -May -2 015 Sh eet of File: G :PR O GR A M F IL ESPR O TEL L NE W EX AMP LESMyD esign.dd bD raw n B y:D 2FR207D 3FR207D 4FR207D 1FR207E168U/400V12JP122 0VF12AH VG+-30 0V图 3 电源电路如图 3，该电路为电源电路，用于整体电
22、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
23、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。商丘师范学院学士学位毕业论文61 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber Rev
24、isionSizeBDate: 15-May-2015 Sheet of File: G:PROGRAM FILESPROTELL NEWEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:R247K/3WR23R3R4C3222/1000VD5FR207Q14N90C36V/12AHE610U/100VC5472/1000VR747B1HVG300V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
25、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
26、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
27、。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。商丘师范学院学士学位毕业论文71 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 15-May-2015 Sheet of File: G:PROGRAM FILE
28、SPROTELL NEWEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:R10.33/3WR247K/3WR101KR164K7R148K2R11 10KR27/247KR27/11K5/3WR154K7R23R3R4R240.1/3WR2215KR9 3KC3222/1000VD5FR207Q14N90CD8-D105404D7F18D6FR107D14/D185404D154148D16414836V/12AHE610U/100VE2E710U/100VC5472/1000VR5100R747R6 1K Q2H5609Q1PC817LED1REDZ215VZ1VTL431U2CLM324LM324U2DC6 22244VB1HVGHVG-VEE300V2.5V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。
