【正文】 設(shè)計(jì)主要針對一款基于 TL494 芯片的充電器，對其電路與工作原理做出分析，文中詳細(xì)敘述了硬件電路的工作原理、脈寬調(diào)制控制電路、充電方式等。該充電器對充電過程進(jìn)行全面管理，使充電過程按理想的充電曲線進(jìn)行，充電電流可在一范圍內(nèi)任意設(shè)定，具有完善的聲光保護(hù)裝置，既能快速充電又能對蓄電池進(jìn)行有效地保護(hù)。 關(guān)鍵詞： 充電器、 TL49 鉛蓄電池、三段式 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 第 1章 電動自行車及充電器概述 167。 電動自行車 167。 常見的電動自行車 電動自行車是集蓄電池技術(shù)、電力電子技術(shù)、電動機(jī)技術(shù)和精密傳動技術(shù)于一體的新型特種自行車，因其無污染、低噪音、低能耗、占道少、方便快捷 等特點(diǎn)而成為國際上流行和大力推廣的綠色私人交通工具。 電動自行車有五大部件組成，即：電機(jī)、控制器、電池、充電器和車架。現(xiàn)在市場上的電動自行車多種多樣，常見的樣式很多，如圖 11 所示 。 圖 11 常見的電動車外形 167。 電動車各部件的主要作用 充電器 充電器是給電池補(bǔ)充電能的裝置，一般分二 階段充電模式與三階段充電模式兩種。二階段充電模式：先恒壓充電，充電電流隨電池電壓的上升逐漸減小，等電池電量補(bǔ)充到一定程度以后，電池電壓會上升到充電器的設(shè)定值，此時(shí)轉(zhuǎn)換為涓流充電。三階段充電模式：充電開始時(shí)，先恒流充電，迅速給電池補(bǔ)充能量；等電池電壓上升以后，轉(zhuǎn)為恒壓充電，此時(shí)電池能量緩慢補(bǔ)充，電池電壓繼續(xù)上升；達(dá)到充電器的充電終止電壓值時(shí)，轉(zhuǎn)為涓流充電，以保養(yǎng)電池和供給電池的自放電電流。 使用提示：充電時(shí)，保持充電器通風(fēng)良好。如果在充電過程中聞到異味或充電器外殼溫度過高，請立即停止充電，檢查，處理。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 電池 電池是提供 電動車 能量的隨車能源，目前 電動車 主要采用鉛酸電池組合。另外鎳氫電池與鋰離子電池也已在一些輕便折疊 電動車 上開始使用了。 控制器 控制器是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的部件，也是 電動車 電氣系統(tǒng)的核心，具有欠壓、限流或過流保護(hù)功能。智能型控制器還具有多種騎行模式和整車電氣部件自檢功能?？刂破魇?電動車 能量管理與各種控制信號處理的核心部件。 使用提示：控制器 主控板為 電動車 主回路，具有較大工作電流，會發(fā)出較大熱量。因此， 電動車 不要停放在陽光下曝曬，也不要長時(shí)間淋雨，以免控制器出故障。 轉(zhuǎn)把、閘把、助力傳感器 轉(zhuǎn)把、閘把、助力傳感器等是控制器的信號輸入部件。轉(zhuǎn)把信號是 電動車 速度控制信號。閘把信號是當(dāng) 電動車 剎車時(shí)，閘把內(nèi)部電子電路輸出給控制器的一個(gè)電信號；控制器接收到這個(gè)信號后，就會切斷對電機(jī)的供電，從而實(shí)現(xiàn)剎車斷電功能。助力傳感器是當(dāng) 電動車 處于助力狀態(tài)時(shí)檢測騎行腳蹬力矩或腳蹬速度信號的裝置?？刂破鞲鶕?jù)助力傳感器信號的大小，分配給電機(jī)不同的電驅(qū)動功率，以達(dá)到人力與電力自動匹配，共同驅(qū)動 電動車 旋轉(zhuǎn)。 使用提示：使用調(diào)速轉(zhuǎn)把時(shí)，要求輕旋輕放，無須用力旋轉(zhuǎn)。 電機(jī) 電機(jī)是將電池電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動 電動車 輪旋轉(zhuǎn)的部件。在 電動車上使用的電機(jī)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速范圍與通電形式有許多種。常見的有：有刷有齒輪轂電機(jī)、有刷無齒輪轂電機(jī)、無刷無齒輪轂電機(jī)、無刷有齒輪轂電機(jī)、側(cè)掛電機(jī)等。 燈具、儀表 燈具、儀表部分是提供照明并批示 電動車 狀態(tài)的部件組合。儀表一般提供電池電壓顯示、整車速度顯示、騎行狀態(tài)顯示、燈具狀態(tài)顯示等。智能型儀表還能顯示整車各電氣部件的故障情況 [ 18]。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 167。 充電器的分類和結(jié)構(gòu) 167。 充電器的分類 為確保電動自行車有足夠的功率正常行駛，就必須對蓄電池消耗減少的電能進(jìn)行有效地補(bǔ)充。因此，充電器是電動車五大核心部件之一，它的質(zhì)量好壞將直接影響蓄電池的使用壽命。目前市售電動自行車充電器有正負(fù)脈沖式、二段式、三段式和全智能脈沖充電器等， 其中三段智能充電器用戶較多。 充電器的規(guī)格依據(jù)蓄電池的容 量不同，有 24V、 12V； 36V、 12A； 36V、14A； 48V、 17A； 48V、 20A 和 36V/48V 共用型充電器。 由于電動自行車生產(chǎn)廠家眾多，其充電器的外形各異。常見的電動自行車（二輪車）和電動三輪車的充電器外形，如圖 12 所示。 圖 12 幾種常見的電動車充電器外形 167。 充電器的結(jié)構(gòu) 電動自行車充電器主要由整流濾波、高壓開關(guān)、電壓變換、恒流、恒壓和充電控制等幾個(gè)部分電路組成。 充電器內(nèi)的主要元器件有脈寬調(diào)制專用集成電路、電壓比較放大器、開關(guān)管、整流二極管、驅(qū)動三極管、電阻、電容及變壓器 等?，F(xiàn)代脈沖智能充電器還以高頻開關(guān)電源技術(shù)為基礎(chǔ)，嵌入先進(jìn)的智能控制數(shù)字電路，采用智能檢測和控制技術(shù)來調(diào)節(jié)充電器的脈沖輸出比例，實(shí)現(xiàn)的脈沖輸出比例，實(shí)現(xiàn)可控去極化功能。充電器在充電過程中采用了自適應(yīng)技術(shù)，能實(shí)時(shí)地檢測蓄電器的充電情況，自動調(diào)整充電器的充電模式，實(shí)現(xiàn)最佳模式控制，且具有完整的保護(hù)功能，最大限度地保證了充電器工作的穩(wěn)定性和可靠性。 因此，充電器的電路組成正由傳統(tǒng)的分立元件，向集成化、數(shù)字化、智能化過渡，結(jié)構(gòu)越來越緊湊，體積越變越小，重量越來越輕，工作越來越精確可靠 [12]。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 167。 充電器的使用和保 護(hù) 充電器的正確使用，不僅影響到充電器自身的可靠性和使用壽命，而且還會影響到 電池 的壽命。使用充電器對蓄 電池 充電時(shí)，請先插上充電器的輸出插頭，后插輸入插頭。充電時(shí)，充電器的電源指示燈顯示紅色，充電指示燈也顯示為紅色。充滿后，充電指示燈為綠色。停止充電時(shí)，請先拔下充電器的輸入插頭，后拔充電器的輸出插頭。通常情況下，對 電池 的過度放電和過度充電是有害的。因此，要勤充電，不要過充電。 電池 的使用壽命與其放電深度有很大的關(guān)系。鉛酸蓄 電池 尤其怕虧電放量。虧電 電池 使用過后請盡快充電。對于長期不使用的 電池 ，應(yīng)每隔 15 天左右對 電池 充電一次，以 補(bǔ)償 電池 存放時(shí)的自放電電量的損失。不得是蓄電池短路或倒置，如果發(fā)現(xiàn)蓄電池外殼破裂、滲漏時(shí)，必須更換蓄電池。 充電器在使用過程中需防潮、防濕，并放置在通風(fēng)良好的地方。充電器工作時(shí)有一定的溫升，請注意散熱，通常充電時(shí)間在 78 小時(shí)，視 電池 的使用狀態(tài)而不同 [9]。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 第 2章 電動自行車充電器和充電方式 167。 電動車蓄電池 作為動力能源的蓄電池，在使用過程中其能量是被逐漸消耗減少的。能夠用于電動自行車的電池主要由 5 種，即鉛酸電池、鎘鎳電池、鐵鎳電池、氫鎳電池、鋰二次電池。目前市場上 65%的電動自行車選擇的是鉛酸電池（本文所設(shè)計(jì)的充電器就是屬于鉛酸電池這一類 ）， 30%選擇的是鎘鎳電池， 5%選擇的是氫鎳電池或其他電池 [13]。 鉛酸電池主要有正極、負(fù)極 和和電解質(zhì)構(gòu)成。二次蓄電池工作時(shí)，在正極板上生成二氧化鉛，在負(fù)極板上生成海綿狀鉛，在電解液作用下，正極和負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)均可為可逆反應(yīng)。它可看成一個(gè)多孔的鉛負(fù)極（海綿狀鉛）和一個(gè)二氧化鉛的正極，兩電極都浸入硫酸水溶液中： )()()()()()( 24424 sPbsPb OsPb S OaqSOHsPb S OsPb ????? 因此，二次蓄電池使用后，可用充電器對其進(jìn)行充電，使蓄電池兩個(gè)電極的活性物質(zhì)恢復(fù)到初態(tài)，致使蓄電池具有再次放電的能量。故二次蓄電池的重要特性是能反復(fù)充電放電。 當(dāng)對二次蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，是電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存在蓄電池中，并伴隨放熱過程。二次蓄電池工作時(shí)，則化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，對?fù)載進(jìn)行供電，并伴隨吸熱過程。這就要求對蓄電池充電時(shí)要注意充電環(huán)境溫度，一般溫度在 15~30℃ 為宜，低于 10℃ 或超過 40℃ ，充電效果均很差。充電器的充放電時(shí)間、充放電電流大小、電壓高低以及充電方法必須預(yù)先設(shè)定適宜。 充電器的充電方法、充電電壓和充電后蓄電池應(yīng)達(dá)到的終止的電壓值，均依據(jù)蓄電池的極板結(jié)構(gòu)、材料而定。不同廠家生產(chǎn)的蓄電池；即便規(guī)格相同、型號相同，由于工藝上的差別，其性能也有差異。因此，充電器對所有的蓄電池的充電不能通用，必須相配套。 167。 蓄電池充電方式 二次蓄電池的充電方式有許多種，應(yīng)根據(jù)二次蓄電池的使用頻率、 放電倍率及用途等因素，選擇最適宜的充電方法。不同的充電方法概述如下。 167。 恒流充電法 顧名思義，恒流充電方法就是對蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，自始至終保持充電電流恒定不變。恒流電源電路如 21 圖示 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 T R 1R 2VD 1 ~ VD 4VT 1GBVT 2 圖 21 恒流電源充電器 恒流充電雖然具有較高的充電效率，能方便地根據(jù)充電時(shí)間來決定充電是否停止，也可以改變被充蓄電池的數(shù)目，但在開始時(shí)充電電流過小，而充電后期充電電流過大，不僅充電時(shí)間長，而且耗氣量大，能量高，充電效率在 65%以下 。恒流的電流在充電后期會電解水，產(chǎn)生氣體，使蓄電池內(nèi)部壓力上升。如不加控制極易使蓄電池因失水而干枯，最終將造成蓄電池容量急劇下降。 條 件 ： 蓄 電 池 1 0 0 % 放 電 后 進(jìn) 行 充 電V （ 充 電 電 壓 曲 線 ）C （ 回 復(fù) 容 量 曲 線 ）I （ 充 電 電 流 曲 線 ）4 82 03 62 1 52 2 02 2 52 1 02 04 06 08 01 0 0 圖 22 閥控鉛酸蓄電池的充電特性曲線 如圖 22 所示閥控鉛酸電池的充電特性曲線 I，可以清楚的看到充電過程中蓄電池在不同時(shí)刻接受電流的能力是不一樣的。 I 是一條變化很大的非線性曲線，在該曲線上哪一時(shí)刻的電流作為蓄電池充電恒定電流，能使蓄電池既安全又能在可接受的有限時(shí)間上把蓄電池充滿，這是無法確定的。蓄電池每次使用的 放電深度、環(huán)境溫度及新舊程度均不一樣，若每次都用同樣的恒本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 定電流和時(shí)間去充電，勢必造成蓄電池放生不可逆轉(zhuǎn)的損壞。因此，密封免 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 維護(hù)蓄電池不宜采用恒流充電法。 167。 恒壓充電法 恒壓充電法是充電電源的電壓在充電的整個(gè)過程中保持恒定不變。恒壓充電電路如圖 23 所示。 TV D 1 ~ V D 4G BV T 2R 1R 2V T 1V S 圖 23 恒壓充電電路 這種充電方法充電初期充電電流很大，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，充電電流逐漸減小，充電過程不必調(diào)整電流。這種方法在充電過程中析氣量也很小，充電時(shí)間短，能耗低，充電 效率高，一般 8 小時(shí)即可充滿。 在閥控鉛酸蓄電池的充電特性曲線 V（圖 22）上 ,充電器的輸出電壓始終是在充電器設(shè)計(jì)人認(rèn)為蓄電池安全受電的最高允許電壓上。低于這個(gè)電壓，蓄電池則無法充滿，在充電過程中，單體蓄電池的充電電壓比蓄電池本身的實(shí)際電壓高；通過蓄電池的充電電流，則比蓄電池的最大安全接受電流大 10倍以上。蓄電池在充電前大多已經(jīng)放完電，其電壓處在最低電壓上。若在采用恒壓充電，通過蓄電池的充電電流將是蓄電池的安全接受電流的幾十倍，當(dāng)充電器的容量不夠大時(shí)，則充電器因過載而燒毀。因此，恒壓充電法不適合放電較深的蓄電 池充電，不適合數(shù)量多的蓄電池充電，因不能使所有的電池均衡。故電動自行車蓄電池也不適用于恒壓充電。 167。 浮充法 浮充法是充電器以很小的充電電流（ C/30～ C/20， C 是電池容量）對蓄電池進(jìn)行充電，以確保蓄電池始終處于充滿電的狀態(tài)。浮充法廣泛用于蓄電池作為備用電源或應(yīng)急電源的電器設(shè)備中，是一種有備而無患的充電方式。浮充法電源的原理示意圖如圖 24 所示。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 充 電 器G B繼 電 器K AD C負(fù) 載 圖 24 浮充法電源原理示意圖 167。 涓充法 涓流充電是指蓄電池與負(fù)載并聯(lián)后，與直流電源（充電器）相 連。在正常情況下，直流電源是負(fù)載的工作電源并以涓流方式為負(fù)載充電，此時(shí)主要為負(fù)載提供工作電流。只有當(dāng)負(fù)載變得很大，直流電源的端電壓低于蓄電池的端電壓或電源停止供電時(shí)，為保證負(fù)載正常工作，蓄電池才對負(fù)載進(jìn)行放電。涓流充電的原理圖如圖 25 所示： D C 負(fù) 載RV DG B 圖 25 涓流充電的原理示意圖 涓流充電電流的大小是由使用模式?jīng)Q定的。這種充電方法多用于應(yīng)急的電源、備用電源或電子表等不允許斷電的場合。 167。 分階段充電法 分階段充電法是在對蓄電池充電的最初階段采用較大 的充電電流，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到控制點(diǎn)時(shí)，則將較大的充電電流轉(zhuǎn)為涓流充電。分階段充電的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 原理示意圖如圖 26 所示。 D CG B負(fù) 載R 2S A 1 圖 26 分階段充電的原理示意圖 常用的分階段充電法有二階段充電法和三階段充電法。 ① 二階段充電法是采用恒電流和恒電壓相結(jié)合的快速充電方法。它首先以恒電流將蓄電池充至預(yù)定的電壓值，之后改為恒電壓完成蓄電池的剩余充電。通常兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓，就是第二階段充電的恒電壓。 ② 三階段充電法是在對蓄電池充電開始和結(jié)束階段采用恒電流充電，而中間 階段則采用