【正文】 二十一世紀是 “綠色環(huán)保 ”的世紀，環(huán)境保護和能源節(jié)約問題己成為新世紀最為突出的兩大主題。 因此 研制出無污染、能耗小的交通工具來代替那些燃油車輛成為勢在必行的課題。 隨著工業(yè)的發(fā)展， 人們開始越來越多地使用便攜式設(shè)備，電力電子技術(shù)和微控制技術(shù)的迅猛發(fā)展而成熟起來的永磁無刷直流電機具有體積小、重量輕、效率高、噪音低、容量大且可靠性高的特點，從而使其極有希望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流電機成為電動自行車用電機的主流。充電電源的研究已經(jīng)向高頻化、集成化、智能化和綠色化方向發(fā)展。為了實現(xiàn)高功率密度，改善電源的動態(tài)性能，就必須提高電源系統(tǒng)的工作頻率。 本設(shè)計主要針對一款基于 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。 關(guān)鍵詞： 充電器、 TL49 鉛蓄電池、三段式 本科畢業(yè)設(shè)計論文 2 第 1章 電動自行車及充電器概述 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 等特點而成為國際上流行和大力推廣的綠色私人交通工具?，F(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 。 電動車各部件的主要作用 充電器 充電器是給電池補充電能的裝置，一般分二 階段充電模式與三階段充電模式兩種。三階段充電模式：充電開始時，先恒流充電，迅速給電池補充能量；等電池電壓上升以后，轉(zhuǎn)為恒壓充電，此時電池能量緩慢補充，電池電壓繼續(xù)上升；達到充電器的充電終止電壓值時，轉(zhuǎn)為涓流充電，以保養(yǎng)電池和供給電池的自放電電流。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。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。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。 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。 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。閘把信號是當 電動車 剎車時，閘把內(nèi)部電子電路輸出給控制器的一個電信號；控制器接收到這個信號后，就會切斷對電機的供電，從而實現(xiàn)剎車斷電功能?？刂破鞲鶕?jù)助力傳感器信號的大小，分配給電機不同的電驅(qū)動功率，以達到人力與電力自動匹配，共同驅(qū)動 電動車 旋轉(zhuǎn)。 電機 電機是將電池電能轉(zhuǎn)換成機械能，驅(qū)動 電動車 輪旋轉(zhuǎn)的部件。常見的有：有刷有齒輪轂電機、有刷無齒輪轂電機、無刷無齒輪轂電機、無刷有齒輪轂電機、側(cè)掛電機等。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。 本科畢業(yè)設(shè)計論文 4 167。 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行有效地補充。目前市售電動自行車充電器有正負脈沖式、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。 由于電動自行車生產(chǎn)廠家眾多，其充電器的外形各異。 圖 12 幾種常見的電動車充電器外形 167。 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。充電器在充電過程中采用了自適應(yīng)技術(shù)，能實時地檢測蓄電器的充電情況，自動調(diào)整充電器的充電模式，實現(xiàn)最佳模式控制，且具有完整的保護功能，最大限度地保證了充電器工作的穩(wěn)定性和可靠性。 本科畢業(yè)設(shè)計論文 5 167。使用充電器對蓄 電池 充電時，請先插上充電器的輸出插頭，后插輸入插頭。充滿后，充電指示燈為綠色。通常情況下，對 電池 的過度放電和過度充電是有害的。 電池 的使用壽命與其放電深度有很大的關(guān)系。虧電 電池 使用過后請盡快充電。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，必須更換蓄電池。充電器工作時有一定的溫升，請注意散熱，通常充電時間在 78 小時，視 電池 的使用狀態(tài)而不同 [9]。 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。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]。二次蓄電池工作時，在正極板上生成二氧化鉛，在負極板上生成海綿狀鉛，在電解液作用下，正極和負極發(fā)生的反應(yīng)均可為可逆反應(yīng)。故二次蓄電池的重要特性是能反復(fù)充電放電。二次蓄電池工作時，則化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，對負載進行供電，并伴隨吸熱過程。充電器的充放電時間、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。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。 167。不同的充電方法概述如下。 恒流充電法 顧名思義，恒流充電方法就是對蓄電池進行充電時，自始至終保持充電電流恒定不變。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。 條 件 ： 蓄 電 池 1 0 0 % 放 電 后 進 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刻接受電流的能力是不一樣的。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)計論文 8 定電流和時間去充電，勢必造成蓄電池放生不可逆轉(zhuǎn)的損壞。 167。恒壓充電電路如圖 23 所示。這種方法在充電過程中析氣量也很小，充電時間短，能耗低，充電 效率高，一般 8 小時即可充滿。低于這個電壓，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。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，當充電器的容量不夠大時，則充電器因過載而燒毀。故電動自行車蓄電池也不適用于恒壓充電。 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）對蓄電池進行充電，以確保蓄電池始終處于充滿電的狀態(tài)。浮充法電源的原理示意圖如圖 24 所示。 涓充法 涓流充電是指蓄電池與負載并聯(lián)后，與直流電源（充電器）相 連。只有當負載變得很大，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，為保證負載正常工作，蓄電池才對負載進行放電。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。 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，當蓄電池電壓達到控制點時，則將較大的充電電流轉(zhuǎn)為涓流充電。 D CG B負 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。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。 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 階段則采用恒電壓充電。三段式充電器的充電模式是把充電過程分為恒流、恒壓、浮充三個充電階段。） A,充電電壓逐漸上升至,充電時間為 46h。） V,充電電流逐漸降至（ 177。 第三階段采用浮充充電 ,恒壓為 （ 177。） A[ 4]。 充電器對蓄電池產(chǎn)生影響的是充電電壓、充電電流和充電波形及頻率。充電時三者各有側(cè)重，是相輔相成的關(guān)系。這樣，就不能在充電過程中有效地去除蓄電池電解液濃度極差、板柵硫酸鹽化和極化現(xiàn)象。 167。充電時間也 不能過長，充電時間過長，不僅拉長充電監(jiān)測時間，浪費電能，而且也限制了蓄電池的循環(huán)使用次數(shù)，增大了維護工作量。為了保證蓄電池不過充和不因大電流短時內(nèi)充滿而損壞，需加有控制電路。 檢測蓄電池電壓 在大電流充電末期，通過輔助電路檢測蓄電池電壓，當蓄電池電壓達到設(shè)定值時，即將大電流轉(zhuǎn)變成小電流充電，這是為了保證蓄電池的充電容量。 本科畢業(yè)設(shè)計論文 13 恒 流 電 源 開 關(guān) 電 源電 壓 檢 測 電 路 比 較 電 路 △ V 檢 測 電 路G B （ a） 系統(tǒng)框圖 △ V蓄 電 池 電 壓U充 電 電 流 I充 電 時 間U ( V ) 、 I （ A ）T （ H ） （ b）充電特性曲線 圖 28 △ V檢測控制系統(tǒng)框圖和充電特性曲線 檢測蓄電池端電壓降（ △ V） 充電時通過蓄電池的充電電流，是由輔助電路在大電流充電末期，檢測到的蓄電池端電壓降（ △ V）進行控制的， △ V 檢測控制系統(tǒng)框圖和充電特性曲線如圖 28 所示。 檢測蓄電池溫度 蓄電池在充電末期，會因其負極發(fā)生氧復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)生熱量，使蓄電池溫度升高。當蓄電池溫度升至設(shè)定值時，控制電路即改變充電器的充電方式，或切斷蓄電池的充電電路。 基本單元電路 167。 單相全波整流電路 圖 31（ a）是單相全波整流電路，波形如 31(b)所示 [1]。波形見圖 32（ b）所示。大家都比較熟悉我們這里就不再贅述。 濾波電路 由電路知識可知：理想電容的容抗對直流電 (f=0)是無窮大，而對交流成分，頻率越高容抗越小。 利用電容和電感的電抗特點，可以組成形式多樣的濾波器。一般最常見的就是電源濾波電路和電源噪聲濾波電路。理論和實踐都表明，它是直流電和許多頻率不同的交流電的混合物。這里堵?lián)蹙褪抢秒姼袑涣鞲锌勾?，串?lián)在電路中堵?lián)踅涣鞒煞郑慌月肪褪抢秒娙輰χ绷麟娙菘故菬o窮大，而對交流成分容抗小，并聯(lián)在電路中將交流成分短路入地。接在整流電路之后，本科畢業(yè)設(shè)計論文 17 輸入脈動直流電，輸出較平滑的直流電。圖中 C1 是容量大的分解電容，具有一定的寄生電感，其感抗的存在造成對高頻成分旁路效果差些。 常用 50HZ 交流市電，本來是光滑的正弦波，但是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活中使用的各種電器，在使用中對它造成污染，可以看作在 50HZ 正弦波交流市電中，摻進了許多高頻電流干擾。串聯(lián)在市電和橋式整流電路之間。 圖 33（ c）中左邊圖的 L 是雙線并聯(lián)繞在同 一個磁芯上的濾波電感。圖 33（ c）中右邊圖是左邊圖的改進，電容變成了四只 C C C C4。這幾只電容容量不大，但關(guān)系的人身安全，要求不能漏電，耐壓高。 輔助電路 167。見圖 34（ b）所示 電 阻室 溫05 1 0 Ω 本科畢業(yè)設(shè)計論文 18 （ a）負溫度系數(shù)電阻 NTC 特性曲線 D 4D 2D 3 D 1C市電R t+ （ b）使用負溫系熱敏電阻的放浪涌電路 圖 34 使用負溫系熱敏電阻的放浪涌電路 大多數(shù)導(dǎo)電材料的電阻具有正溫度系數(shù)，也就是隨溫度上升，電阻值上升，但是這種變化微不足道。 在充電器里 廣泛使用的是負溫度系數(shù)電阻其特性見 34（ a）所示。 熱敏電阻在原理圖中的代號是 Rt，在實際使用中無正負極之分。 167。這種電阻兩端電壓沒有超過保護值時，阻值呈現(xiàn)無窮大。壓敏電阻并聯(lián)在充電器的市電輸入短路中，在市電低于 240250V 時，它的阻值接近無窮大，當市電高于保護值時，其電阻值接近 0Ω，將市電輸入短路，造成保險管熔斷，從而切斷電源，起到過壓保護作用。 壓 敏電阻啟動電壓的測量可用搖表和電壓表配合進行，我們再此不作介紹。 全橋和半橋式開關(guān)電源的 DC/AC 功率轉(zhuǎn)換 開關(guān)電源的優(yōu)點是：比串聯(lián)式穩(wěn)壓器效率高省電； PWM 頻率高過幾十千赫；變壓電感的體積重量可以做得最??；節(jié)省鋼材銅材；保護電路動作時間可以做到小于半導(dǎo)體的（也叫焦爾）損壞時間。圖 36 給出了常用的全橋式和半橋式開關(guān)電源的工作過程，圖中 V 為直流電源； L1 為變壓器的初級繞組， L2 為次級繞組； K 是開關(guān)，實際電路中 K 是功率開關(guān)管；箭頭是電流方向。圖 36（ b）是充電器中半橋式開關(guān)電源主流電路，我們介紹的半橋式充電器就是屬于這類。用 PWM 控制功率開關(guān)管，就可以改變次級繞組輸出的電壓和電流。 本科畢業(yè)設(shè)計論文 20 VK 1K 2L 1L 2K 3K 4K 1K 2L 1L 2K 3K 4 VK 1K 2L 1L 2K 3K 4 （ a）全橋式結(jié)構(gòu) K K2 導(dǎo)通 K K3 導(dǎo)通 V / 2