与论文基于TL494的电动车充电器设计毕业论文

第 1 页摘 要本文为基于 TL494 芯片的电动自行车充电器设计及分析，简明扼要地概述了充电器的电路结构，其中主要包括：整流滤波电路、防浪涌电路、防市电过压电路、推挽式变流电路、电池防反接电路、充电状态显示电路，半桥式充电器辅助电源电路等。详细介绍了各种充电方式，包括恒流充电法、恒压充电法、浮充法、涓充法、分阶段充电法、快速充电法等。最后说明了 PWM 脉宽调制集成电路芯片工作原理。并主要分析了一个基于 TL494 芯片的山东 GD36 半桥式充电器，介绍了它的工作原理，工作过程及对电动自行车充电器使用时的维护。关键词：TL494；开关电源；整流滤波；脉宽调制技术；集成电路芯片第 2 页ABSTRACTThis paper is based on the analysis of the design of the charger of TL494 electric bicycle , which mainly includes the application of the rectifier filter and various ways of charging, the application of the switching power supply and PWM working principle; also the explanation of DC or AC power conversion of the full-bridge and half-bridge switching power and of the chip of TL494 PWM IC .The paper mainly analyzes the TL494 chip “Shandong GD36 half-bridge charger” and its working principle , working process,its advantages and disadvantages.Key words：TL494;switch power supply ;the explanation of DC or AC power;IC chip第 3 页第一章：电动自行车及充电器概述1.1 电动自行车简介电动自行车是集蓄电池技术，电力电子技术，电动机技术，和精密传动技术于一体的新型特种自行车，因其无污染，低噪音，低能耗，占道少，方便快捷等特点而成为国际上流行和大力推广的绿色私人交通工具。电动自行车有五大部件组成，即：电机、控制器、电池、充电器和车架。现在市场上的电动自行车多种多样，常见的样式很多，如图 1-1 所示 。图 1-1 常见的电动车外形1.2 充电器的分类和结构.充电器的分类为确保电动自行车有足够的功率正常行驶，就必须对蓄电池消耗减少的电能进行有效地补充。因此，充电器是电动车五大核心部件之一，它的质量好坏将直接影响蓄电池的使用寿命。目前市售电动自行车充电器有正负脉冲式、二段式、三段式和全智能脉冲充电器等， 其中三段智能充电器用户较多。充电器的规格依据蓄电池的容量不同，有24V、12V；36V、12A；36V、14A ；48V、17A；48V、20A 和 36V/48V 共用型充电器。由于电动自行车生产厂家众多，其充电器的外形各异。常见的电动自行车（二轮车）和电动三轮车的充电器外形，如图 1-2 所示。第 4 页图 1-2 几种常见的电动车蓄电池充电器外形. 充电器的结构电动自行车充电器主要由整流滤波、高压开关、电压变换、恒流、恒压和充电控制等几个部分电路组成。充电器内的主要元器件有脉宽调制专用集成电路、电压比较放大器、开关管、整流二极管、驱动三极管、电阻、电容及变压器等。现代脉冲智能充电器还以高频开关电源技术为基础，嵌入先进的智能控制数字电路，采用智能检测和控制技术来调节充电器的脉冲输出比例，实现的脉冲输出比例，实现可控去极化功能。充电器在充电过程中采用了自适应技术，能实时地检测蓄电器的充电情况，自动调整充电器的充电模式，实现最佳模式控制，且具有完整的保护功能，最大限度地保证了充电器工作的稳定性和可靠性。因此，充电器的电路组成正由传统的分立元件，向集成化、数字化、智能化过渡，结构越来越紧凑，体积越变越小，重量越来越轻，工作越来越精确可靠。第 5 页第二章 电动自行车蓄电池和充电方式2.1 电动车蓄电池作为动力能源的蓄电池，在使用过程中其能量是被逐渐消耗减少的。能够用于电动自行车的电池主要由 5 种，即铅酸电池、镉镍电池、铁镍电池、氢镍电池、锂二次电池。目前市场上 65%的电动自行车选择的是铅酸电池（本文所设计的充电器就是属于铅酸电池这一类 ），30%选择的是镉镍电池，5%选择的是氢镍电池或其他电池。铅酸电池主要有正极、负极和和电解质构成。二次蓄电池工作时，在正极板上生成二氧化铅，在负极板上生成海绵状铅，在电解液作用下，正极和负极发生的反应均可为可逆反应。它可看成一个多孔的铅负极（海绵状铅）和一个二氧化铅的正极，两电极都侵入硫酸水溶液中：P b ( s ) | P b S O 4 ( s ) | H 2 S O 4 ( a q ) | P b S O 4 ( s ) | P b O 2 ( s ) | P b ( s )因此，二次蓄电池使用后，可用充电器对其进行充电 使用蓄电池两个电极的活性物质恢复到初态，致使蓄电池具有再次放电的能量。故二次蓄电池的重要特性是能反复充电放电。当对二次蓄电池进行充电时，是电能转变为化学能储存在蓄电池中，并伴随放热过程。二次蓄电池工作时，则化学能转变为电能，对负载进行供电，并伴随吸热过程。这就要求对蓄电池充电时要注意充电环境温度，一般温度在1530为宜，低于 10或超过 40，充电效果均很差。充电器的充放电时间、充放电电流大小、电压高低以及充电方法必须预先设定适宜。充电器的充电方法、充电电压和充电后蓄电池应达到的终止的电压值，均依据蓄电池的极板结构、材料而定。不同厂家生产的蓄电池；即便规格相同、型号相同，由于工艺上的差别，其性能也有差异。因此，充电器对所有的蓄电池的充电不能通用，必须相配套。第 6 页2.2：蓄电池充电方式二次蓄电池的充电方式有许多种，应根据二次蓄电池的使用频率、放电倍率及用途等因素，选择最适宜的充电方法。不同的充电方法概述如下。2.2.1、恒流充电法顾名思义，恒流充电方法就是对蓄电池进行充电时，自始至终保持充电电流恒定不变。恒流电源电路如 2-1 图示TR 1R 2V D 1 V D 4V T 1G BV T 2图 2-1 恒流电源充电电路恒流充电虽然具有较高的充电效率，能方便地根据充电时间来决定充电是否停止，也可以改变被充蓄电池的数目，但在开始时充电电流过小，而充电后期充电电流过大，不仅充电时间长，而且耗气量大，能量高，充电效率在 65%以下。恒流的电流在充电后期会电解水，产生气体，是蓄电池内部压力上升，如不加控制极易是蓄电池因失水而干枯，最终将造成蓄电池容量急剧下降。如下图 2-2 所示：条件 ： 蓄电池 1 0 0 % 放电后进行充电V （ 充电电压曲线 ）C （ 回复容量曲线 ）I （ 充电电流曲线 ）4 82 03 62 1 52 2 02 2 52 1 02 04 06 08 01 0 0图 2-2 阀控铅酸蓄电池的充电特性曲线阀控铅酸电池的充电特性曲线 I 可以清楚的看到充电过程中蓄电池在不同时刻接受电流的能力是不一样的。I 是一条变化很大的非线性曲线，在该曲线上哪一时刻的电流作为蓄电池充电恒定电流，能使蓄电池既安全又能在可接受的有限时间上把蓄电池充满，这是无法确定的。蓄电池每次使用的放电深度、环境温度及新旧程度均不一样，若每次都用同样的恒定电流和时间去充电，势第 7 页必造成蓄电池放生不可逆转的损坏。因此，密封免维护蓄电池不宜采用恒流充电法。2.2.2、恒压充电法恒压充电法是充电电源的电压在充电的整个过程中保持恒定不变。恒压充电电路如图 2-3 所示。TV D 1 V D 4G BV T 2R 1R 2V T 1V S图 2-3 恒压充电电路这种充电方法充电初期充电电流很大，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电流逐渐减小，充电过程不必调整电流。这种方法在充电过程中析气量也很小，充电时间短，能耗低，充电效率高，一般 8 小时即可充满。在阀控铅酸蓄电池的充电特性曲线 V（图 2-2）上,充电器的输出电压始终是在充电器设计人认为蓄电池安全受电的最高允许电压上，低于这个电压，则蓄电池无法充满，在充电过程中，单体蓄电池的充电电压比蓄电池本身的实际电压高；通过蓄电池的充电电流，则比蓄电池的最大安全接受电流大 10 倍以上。蓄电池在充电前多已经放完电，其电压处在最低电压上。若在采用恒压充电，通过蓄电池的充电电流将是蓄电池的安全接受电流的几十倍，当充电器的容量不够大时，则充电器因过载而烧毁。因此，恒压充电法不适合放电较深的蓄电池充电；不适合数量多的蓄电池充电，因不能使所有的电池均衡。故电动自行车蓄电池也不适用于恒压充电。2.2.3、浮充法浮充法是充电器以很小的充电电流（C/30C/20）对蓄电池进行充电，以确保蓄电池始终处于充满电的状态。浮充法广泛用于蓄电池作为备用电源或应急电源的电器设备中，是一种有备而无患的充电方式。浮充法电源的原理示意图如图 2-4第 8 页充电器G B继电器K AD C负载图 2-4 浮充法电源原理示意2.2.4、涓充法涓流充电是指蓄电池与负载并联后，与直流电源（充电器）相连。在正常情况下，直流电源是负载的工作电源并以涓流方式为负载充电，此时主要为负载提供工作电流。只有当负载变得很大，直流电源的端电压低于蓄电池的端电压或电源停止供电时，为保证负载正常工作，蓄电池才对负载进行放电。涓流充电的原理图如图 2-5 所示：D C负载RV DG B图 2-5 涓流充电的原理示意图涓流充电电流的大小是由使用模式决定的。这种充电方法多用于应急的电源、备用电源或电子表等不允许断电的场合。2.2.5分阶段充电法分阶段充电法是在对蓄电池充电的最初阶段采用较大的充电电流，当蓄电池电压达到控制点时，则将较大的充电电流转为涓流充电。分阶段充电的原理示意图如图 2-6 所示D CG B负载R 2S A 1图 2-6 分阶段充电的原理示意图第 9 页常用的分阶段充电法有二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段充电法是采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法。它首先以恒电流将蓄电池充至预定的电压值，之后改为恒电压完成蓄电池的剩余充电。通常两阶段之间的转换电压，就是第二阶段充电的恒电压。三阶段充电法是在对蓄电池充电开始和结束阶段采用恒电流充电，而中间阶段则采用恒电压充电。目前，电动自行车所配置的充电器多是传统的三段式充电器。三段式充电器的充电模式是把充电过程分为恒流、恒压、浮充三个充电阶段。以我国电动自行车采用较多的 36V、12Ah 铅酸蓄电池为例，当蓄电池放完电后，其充电参数为：。第一阶段采用恒流充电，充电电流为（1.80.2）A,充电电压逐渐上升至43.2V,充电时间为 4-6h。第二阶段采用恒压充电，充电电压为 43.2V 逐渐上升至（44.50.1）V,充电电流逐渐降至（0.350.1） A,充电时间在 2-4 h。第三阶段采用浮充充电,恒压为（41.40.2）V,浮充电流为（0.350.1）A。铅酸电池的充电方式曲线，如图 2-7 所示U ( v )4 3 . 2 v 4 4 . 5 V + - 0 . 1 V4 1 . 4 V + - 0 . 1 VI ( A )1 . 8 A0 . 3 5 A + - 0 . 1 AU ( V ) I ( A )图 2-7 铅酸电池的充电方式曲线分阶段充电方式,虽是蓄电池充电的最理想方式,但充电器电路复杂,成本高,还需要有蓄电池电压监测控制电路.充电器对蓄电池产生影响的是充电电压、充电电流和充电波形及频率.其中,充电电压与蓄电池是否充满电有关,充电电流与蓄电池充得快或慢有关,而充电的波形与频率则与蓄电池的容量与寿命(即充得好坏)有关.充电时三者各有侧重,是相辅相成的关系.而三段式电动自行车充电器的充电模式,侧重于充电电压和充电电流,缺少充电波形和频率方面的实施技术.这样,就不能在充电过程中有效地去除蓄电池电解液浓度极差、板栅硫酸盐化和极化现象.因此,理想的电动自行车充电器应具有脉冲充电、负脉冲激活,高频充电和变频充电等多种充电模式第 10 页与充电技术,使电动自行车充电器既有常规充电功能 ,又有修补性充电功能,成为多功能充电器.2.2.6快速充电法常规充电是采用小电流慢充方式，对新的铅酸蓄电池而言，初充电需 70h以上，进行普通充电也需 10h 以上。充电时间也不能过长，充电时间过长，不仅拉长充电监测时间，浪费电能，而且也限制了蓄电池的循环使用次数，增大了维护工作量。快速充电法是用大电流在短时间内对蓄电池进行充电。为了保证蓄电池不过充和不因大电流短时内充满而损坏，需加有控制电路。此电路能在充电末期实时地检测蓄电池的充电电压、端电压的温度，并根据随时检测到的相关