1中文摘要：.2前言.3第一章充電器原理.41.1蓄電池與充電技術(shù).41.2密封鉛酸蓄電池的充電特性.41.3充電器充電原理.51.3.1蓄電池充電理論基礎(chǔ).51.3.2充電器的工作原理.7第二章總體設(shè)計方案.92.1系統(tǒng)設(shè)計.92.2方案策略.9第三章硬件電路設(shè)計.113.1電路總體設(shè)計.113.2芯片介紹.113.2.1LM358雙運放.113.2.2UC3842單管開關(guān)電源.123.2.3EL817光耦合器.133.2.4場效應(yīng)管K1358.143.3電動車充電器原理及各元件作用的概述.153.3.1充電器原理圖.15圖3.5充電器原理圖.153.3.2各元器件作用概述.153.4功能模塊電路設(shè)計.163.4.1第一路通電開始.163.4.2第二路UC3842電路.163.4.3第三路LM358（雙運算放大器）電路.173.5電動車充電器改進(jìn)方案.203.5.1增加充滿電發(fā)聲提示電路.203.5.2加散熱風(fēng)扇.21第四章總結(jié)與展望.22參考文獻(xiàn).23致謝.242電動車高效智能充電器設(shè)計中文摘要：本設(shè)計介紹了充電器對蓄電池充電的一般原理，從閥控蓄電池內(nèi)部氧循環(huán)的設(shè)計理念出發(fā)，研究各種充電方法對鉛酸蓄電池壽命的影響。針對蓄電池充電過程中出現(xiàn)的種種問題，分析現(xiàn)有各種充電方法存在的問題，提出一種可對鉛酸蓄電池實現(xiàn)四段式慢脈沖充電的智能充電器設(shè)計方案?？刂崎_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，實現(xiàn)對蓄電池的分級慢脈沖充電。這個方案不僅可實現(xiàn)快速高效充電，同時可以減少析氣，消除硫化，進(jìn)行均衡充電，從而大大地延長了鉛酸蓄電池的使用壽命。關(guān)鍵詞：慢脈沖充電；蓄電池；充電器；Abstract:Thedesigndescribesthechargertothebatterychargerofthegeneralprinciples,fromtheinternaloxygencycleofvalve-regulatedbatterydesignconceptsstartingtostudyavarietyofchargingmethodsforlead-acidbatterylifeimplications.Forbatterychargingproblemsarisingintheprocess,analysisofexistingproblemsinavarietyofchargingmethods,proposedalead-acidbatteriescouldachievetheFour-slowpulsechargeoftheintelligentchargerdesign.Controltheswitchingpowersupplypulsefrequencyanddutycycle,thusregulatingchargecurrentandvoltagetoachievetheclassificationofthebatterychargewithslowpulse.Thisprogramnotonlyforfastcharging,whilereducinganalysisofgas,toeliminatesulfide,abalancedcharge,thusgreatlyextendingtheservicelifeoflead-acidbatteries.Keywords:slowpulsecharge；batteries；charger；3前言以動力蓄電池為能源的電動車被認(rèn)為是21世紀(jì)的綠色工程，它的出現(xiàn)將汽車工業(yè)的發(fā)展帶入了一個全新的領(lǐng)域。目前，電動車核心部件中的電動機(jī)、控制器和車體三大部件在理論和技術(shù)上已較為成熟，而另兩大部件蓄電池、充電器的發(fā)展還不能滿足電動車的要求，有一些理論和技術(shù)問題還有待攻關(guān)，現(xiàn)已成為影響電動交通工具發(fā)展的瓶頸。目前，我國的電動車用動力蓄電池大多為鉛酸蓄電池，這主要是由于鉛酸蓄電池具有技術(shù)成熟、成本低、電池容量大、跟隨負(fù)荷輸出特性好、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點。當(dāng)然，也有一些高性能電池，比如鋰電池、燃料電池等。鋰離子電池電動車在深圳已投入試運營，由上海研制的第二代燃料電池轎車“超越二號”也于2004年5月在北京的國際氫能大會上露面，但都還未能得到廣泛的推廣應(yīng)用。鉛酸蓄電池具有價格低廉、供電可靠、電壓穩(wěn)定等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于國防、通信、鐵路、交通、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門。近年來全密封免維護(hù)鉛酸蓄電池其密封好、無泄漏、無污染等優(yōu)點，能夠保證人體和各種用電設(shè)備的安全，而且在整個壽命期間，無需任何維護(hù)，從而揭開了鉛酸蓄電池發(fā)展歷程新的一頁。眾所周知，通信設(shè)備一般都采用免維護(hù)電池作為備用電源，許多電子設(shè)備必須的不間斷電源系統(tǒng)（UPS）也離不開免維護(hù)電池，此外在應(yīng)急燈、汽車、游艇中也越來越多的選用免維護(hù)電池。然而，由于充電方法不正確，充電技術(shù)不能適應(yīng)免維護(hù)電池的特殊需求，造成電池很難達(dá)到規(guī)定的循環(huán)壽命。雖然近年來蓄電池自身的技術(shù)有了不小的進(jìn)步，但作為其能量再次補(bǔ)充的充電器的發(fā)展非常緩慢，傳統(tǒng)的常規(guī)充電時間過長，快速充電技術(shù)至今仍未能完全解決，嚴(yán)重地制約著電動車的發(fā)展。所以根據(jù)時代的發(fā)展及要求設(shè)計了一款目前市場充電器流行使用的方法，也是技術(shù)成熟的一種設(shè)計，采用UC3842驅(qū)動場效應(yīng)管的單管開關(guān)電源配合LM358雙運放電路設(shè)計的智能充電器。4第一章充電器原理1.1蓄電池與充電技術(shù)對于鉛酸、鎘鎳、鎳氫3類以水為溶劑的電解液蓄電池，為了使用上的安全、方便、長壽命和免維護(hù)，在全世界化學(xué)電源工作者數(shù)代人不懈的努力下，終于從大量的實驗中發(fā)現(xiàn)了內(nèi)部氧循環(huán)的理論機(jī)制，使得該3類蓄電池所有的充放電反應(yīng)，能在一個設(shè)計完好的帶閥控的密封容器中反復(fù)安全進(jìn)行。即蓄電池在充電和過充電期間，正電極析出的氧到達(dá)負(fù)電極后，能全部被負(fù)電極吸收還原，關(guān)系為i（O2析出）=i（O2還原），因而，蓄電池在長期的充放電過程中，不會造成電解液中水的損耗，以此來保證蓄電池的循環(huán)使用壽命與充電的安全。1.2密封鉛酸蓄電池的充電特性電池充電通常要完成兩個任務(wù)，首先是盡可能快地使電池恢復(fù)額定容量，另一是使用小電流充電，補(bǔ)充電池因自放電而損失的能量，以維持電池的額定容量。在充電過程中，鉛酸電池負(fù)極板上的硫酸鉛逐漸析出鉛，正極板上的硫酸鉛逐漸生成二氧化鉛。當(dāng)正負(fù)極板上的硫酸鉛完全生成鉛和二氧化鉛后，電池開始發(fā)生過充電反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和氧氣。這樣，在非密封電池中，電解液中的水將逐漸減少。在密封鉛酸蓄電池中，采用中等充電速率時，氫氣和氧氣能夠重新化合為水。過充電開始的時間與充電的速率有關(guān)。當(dāng)充電速率大于時，電池容量恢復(fù)到額定容量的以前，即開始發(fā)生過充電反應(yīng)。只有充電速率小于，才能使電池在容量恢復(fù)到后，出現(xiàn)過充電反應(yīng)。為了使電池容量恢復(fù)到，必須允許一定的過充電反應(yīng)。過充電反應(yīng)發(fā)生后，單格電池的電壓迅速上升，達(dá)到一定數(shù)值后，上升速率減小，然后電池電壓開始緩慢下降。由此可知，電池充足電后，維持電容容量的最佳方法就是在電池組兩端加入恒定的電壓。浮充電壓下，充入的電流應(yīng)能補(bǔ)充電池因自放電而失去的能量。浮充電壓不能過高，以免因嚴(yán)重的過充電而縮短電池壽命。采用適當(dāng)?shù)母〕潆妷海芊忏U酸蓄電池的壽命可達(dá)年以上。實踐證明，實際的浮充電壓與規(guī)定的浮充電壓相差時，免維護(hù)蓄電池的壽命將縮短一半。鉛酸電池的電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，5其單格值為。在環(huán)境溫度為時工作很理想的普通（無溫度補(bǔ)償）充電器，當(dāng)環(huán)境溫度降到時，電池就不能充足電，當(dāng)環(huán)境溫度上升到時，電池將因嚴(yán)重的過充電而縮短壽命。因此，為了保證在很寬的溫度范圍內(nèi)，都能使電池剛好充足電，充電器的各種轉(zhuǎn)換電壓必須隨電池電壓的溫度系數(shù)而變。1.3充電器充電原理1.3.1蓄電池充電理論基礎(chǔ)理論和實踐證明，蓄電池的充放電是一個復(fù)雜的電化學(xué)過程。一般地說，充電電流在充電過程中隨時間呈指數(shù)規(guī)律下降，不可能自動按恒流或恒壓充電。充電過程中影響充電的因素很多，諸如電解液的濃度、極板活性物的濃度、環(huán)境溫度等的不同，都會使充電產(chǎn)生很大的差異。隨著放電狀態(tài)、使用和保存期的不同，即使是相同型號、相同容量的同類蓄電池的充電也大不一樣。上世紀(jì)60年代中期，美國科學(xué)家馬斯對開口蓄電池的充電過程作了大量的試驗研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線，如圖1所示。實驗表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時間，并且對電池的容量和壽命也沒有影響。原則上把這條曲線稱為最佳充電曲線，從而奠定了快速充電方法的研究方向。圖1.1最佳充電曲線由圖1.1可以看出：初始充電電流很大，但是衰減很快。主要原因是充電過程中產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。在密封式蓄電池充電過程中，內(nèi)部產(chǎn)生氧氣和氫氣，當(dāng)氧6氣不能被及時吸收時，便堆積在正極板（正極板產(chǎn)生氧氣），使電池內(nèi)部壓力加大，電池溫度上升，同時縮小了正極板的面積，表現(xiàn)為內(nèi)阻上升，出現(xiàn)所謂的極化現(xiàn)象。蓄電池是可逆的。其放電及充電的化學(xué)反應(yīng)式如下：PbO2Pb2H2SO42PbSO42H2O（1）很顯然，充電過程和放電過程互為逆反應(yīng)?？赡孢^程就是熱力學(xué)的平衡過程，為保障電池能夠始終維持在平衡狀態(tài)之下充電，必須盡量使通過電池的電流小一些。理想條件是外加電壓等于電池本身的電動勢。但是，實踐表明，蓄電池充電時，外加電壓必須增大到一定數(shù)值才行，而這個數(shù)值又因為電極材料，溶液濃度等各種因素的差別而在不同程度上超過了蓄電池的平衡電動勢值。在化學(xué)反應(yīng)中，這種電動勢超過熱力學(xué)平衡值的現(xiàn)象，就是極化現(xiàn)象。一般來說，產(chǎn)生極化現(xiàn)象有3個方面的原因。1）歐姆極化充電過程中，正負(fù)離子向兩極遷移。在離子遷移過程中不可避免地受到一定的阻力，稱為歐姆內(nèi)阻。為了克服這個內(nèi)阻，外加電壓就必須額外施加一定的電壓，以克服阻力推動離子遷移。該電壓以熱的方式轉(zhuǎn)化給環(huán)境，出現(xiàn)所謂的歐姆極化。隨著充電電流急劇加大，歐姆極化將造成蓄電池在充電過程中的高溫。2）濃度極化電流流過蓄電池時，為維持正常的反應(yīng)，最理想的情況是電極表面的反應(yīng)物能及時得到補(bǔ)充，生成物能及時離去。實際上，生成物和反應(yīng)物的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上化學(xué)反應(yīng)速度，從而造成極板附近電解質(zhì)溶液濃度發(fā)生變化。也就是說，從電極表面到中部溶液，電解液濃度分布不均勻。這種現(xiàn)象稱為濃度極化。3）電化學(xué)極化這種極化是由于電極上進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)的速度，落后于電極上電子運動的速度造成的。例如：電池的負(fù)極放電前，電極表面帶有負(fù)電荷，其附近溶液帶有正電荷，兩者處于平衡狀態(tài)。放電時，立即有電子釋放給外電路。電極表面負(fù)電荷減少，而金屬溶解的氧化反應(yīng)進(jìn)行緩慢Me，不能及時補(bǔ)充電極表面電子的減少，電極表面帶電狀態(tài)發(fā)生變化。這種表面負(fù)電荷減少的狀態(tài)促進(jìn)金屬中電子離開電極，金屬離子Me轉(zhuǎn)入溶液，加速Me反應(yīng)進(jìn)行?？傆幸粋€時刻，達(dá)到新的動態(tài)平衡。但與放電前相比，電極表面所7帶負(fù)電荷數(shù)目減少了，與此對應(yīng)的電極電勢變正。也就是電化學(xué)極化電壓變高，從而嚴(yán)重阻礙了正常的充電電流。同理，電池正極放電時，電極表面所帶正電荷數(shù)目減少，電極電勢變負(fù)。這3種極化現(xiàn)象都是隨著充電電流的增大而嚴(yán)重。1.3.2充電器的工作原理目前，電動自行車主要以鉛酸蓄電池為動力。鉛酸蓄電池的主要優(yōu)點是：電池容量大、價格便宜并具有無記憶效應(yīng)；但存在的缺點是：體積大、重量重和不能過充或過放。根據(jù)鉛酸蓄電池的上述特點，鉛酸蓄電池的充電過程一般分為四個階段：涓流充電快速充電均充電浮充電1，2，如圖1.2所示圖1.2鉛酸蓄電池要求的充電電壓、電流曲線根據(jù)充電前蓄電池殘余電量的不同，每次充電的時間將有所不同。(1)涓流充電若蓄電池在充電初期已處于深度放電狀態(tài)，為避免對蓄電池充電電流過大，造成熱失控，微處理器通過監(jiān)測蓄電池的電壓，對蓄電池實行穩(wěn)定小電流涓流充電。在涓流充電階段，電池電壓開始上升，當(dāng)電池電壓上升到能接受大電流充電的閥值時則轉(zhuǎn)入快速充電階段。(2)快速充電該階段為大電流恒流充電，電池電壓上升較快，當(dāng)電壓上升至均充電壓閥值時，則轉(zhuǎn)入均充階段。(3)均充電該階段為恒壓充電，它可使電池容量快速恢復(fù)。這時充電電流逐漸減小，當(dāng)電流下降至某一固定值時，自動轉(zhuǎn)入浮充電。8(4)浮充電該階段主要用來補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量，此標(biāo)志著充電過程結(jié)束。9第二章總體設(shè)計方案2.1系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)課題的要求，系統(tǒng)采用開關(guān)電源，通過脈沖電流的方式來實現(xiàn)充電的目的。由市電送來的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。對系統(tǒng)信號進(jìn)行采樣和控制，將充電的電壓和電流信號反饋回PWM信號發(fā)生器，由PWM信號發(fā)生器控制開關(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，說明蓄電池已經(jīng)充滿電?？刂崎_關(guān)，斷開電源，停止充電。2.2方案策略用PWM信號發(fā)生器(比如UC3842)實現(xiàn)的方