毕业设计---电动自行车充电器的设计与制作.doc

编号 毕毕业业论论文文 题 目电动自行车充电器的设计与制作 学生姓名 学 号71091130 系 部电子工程学院 专 业电子信息工程技术 班 级710911 指导教师 顾问教师 二一一年六月 摘 要 i 摘摘 要要 文章主要介绍近年来，电动自行车市场与其相关的配套产品和技术的不 断发展。电动自行车作为新一代的绿色环保的代步工具，其技术也是我们要 讨论的内容，其核心问题就是充电器。本文将讨论密封铅酸蓄电池的分类， 充电特性，工作原理，硬件电路的设计以及其未来的发展趋势。随着电动车 的普及，电动车充电器的使用也越来越广泛。充电器的种类很多，其原理大 同小异。物美价廉使其得到广泛应用。本设计是基于对电动车充电，采用普 通的电子元件、不用昂贵的专用集成电路，既便于制作又降低制作费用。 本次电动车充电器的设计是将 220v 市电经整流、滤波、稳压输出 44v 对电池进行充电，同时本电路具有电压保护电路及灯光指示充电状态的功能。 主电路主要分为电源电路、振荡电路、电压保护电路、充电状态指示电路四 个单元电路。基准电路采用 tl431 精密基准稳压源输出 2.5v 电压以控制电 压变化，lm324 四运算放大器起到过流保护、稳定输出电压、控制充放电 状态等作用。本次设计主要从总体方案设计、基本电路介绍、单元电路设计 等方面进行详细的介绍。 关键词关键词：充电器 类型 振荡 保护电路 abstract ii a abstractbstract（外语专业的需要）（外语专业的需要） this paper mainly introduces the recent, electric bicycle market and the relevant supporting products and the development of technology. electric bicycle as a new generation of green environmental protection, the technology of transport is also our to talk about the content, the key issue is the charger. this paper will discuss the classification of sealing lead-acid battery charging, characteristics and work principle, the hardware circuit design and its future development trend is predicted. with the popularity of the electric car, the use of the electric car charger more and more widely. there are many kinds of charger, the principle of the same. cheap and fine make its widely used. this design is based on electric vehicle charging, using common electronic components, need not expensive application-specific integrated circuit, convenient for production and reduce the production cost. the electric car charger design is 220 v, filter, the utility the rectifier voltage output 44 v battery charging for, at the same time this circuit has a voltage protection circuit and the function of the charging light instructions. main circuit are divided into power supply circuit, oscillating circuit, voltage protection circuit, indications for charging status circuit four unit circuit. benchmark circuits using tl431 precision voltage source output benchmark 2.5 v voltage to control the voltage change, lm324 four operational amplifier has been to the current protection, stable output voltage, control charging and discharging the effect such as state. this design mainly from the overall design, the basic circuit is introduced, unit circuit design in detail. keywords: charger type oscillation protection circuit 目 录 iii 目目 录录 摘摘 要要i abstract（外语专业的需要）（外语专业的需要）ii 绪论绪论.1 第一章铅酸蓄电池特点第一章铅酸蓄电池特点.3 1.1 铅酸蓄电池的历史3 1.2 密封铅酸蓄电池的分类3 1.3 密封铅酸蓄电池的充电方法3 1.4 密封铅酸蓄电池的使用4 第二章第二章 电动自行车充电器发展与类型电动自行车充电器发展与类型.5 2.1 电动自行车充电器的发展概论5 2.2 充电器的分类5 2.3 充电器的几种常见充电模式5 第三章第三章 电动车充电器的关键技术电动车充电器的关键技术.9 3.1 蓄电池及其应用技术9 3.2 密封铅酸蓄电池的充电特性9 第四章第四章 充电器硬件电路设计充电器硬件电路设计.11 4.1 电源电路的设计11 4.1.1 单相整流电路.11 4.1.2 滤波电路.14 4.2 振荡电路的设计16 4.2.1 振荡电路的振荡方式16 4.2.2 振荡电路的分类17 4.3 保护电路设计17 4.3.1 过流保护电路设计.18 4.3.2 输出回路的设计.19 4.3.3 基准电路的设计.19 4.3.4 电压比较电路的设计.20 4.4 充电状态指示电路的设计20 4.5 整体电路的连接及工作原理21 第五章第五章 电动车充电其发展的最新动态电动车充电其发展的最新动态.25 5.1 太阳能充电器25 第六章第六章 总结与展望总结与展望.27 致致 谢谢.28 参考文献参考文献.29 绪 论 1 绪论绪论 电池是一种能提供直流电的装置或系统，也可以说电池是指将化学能、热 能、光能等各种形式的能量转化为电能的装置。按照电池提供电能的方法不同， 分为化学电池和物理电池两大类。化学电池是将化学能直接转换为电能的一种 装置，如目前得到广泛应用的铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、锂电池和镍氢电池等。 从电池的使用角度，又可以将化学电池分为原电池（又称为一次电池） 、蓄 电池（又称为储能电池或二次电池） 、储备电池和燃料电池。 而物理电池是指在一定条件下实现能量直接转换的物理器件，如温差发电 器、太阳电池等。 目前市场上的电动自行车大多数采用成本相对较低的免维护密封的 36v12ah 铅酸蓄电池，该蓄电池在正常充电式，比较好的充电方式是恒压限 流充电方式，即在充电初期以较大电流，充到一定时间后，改用较小的电流涡 流充电。 第一章 铅酸蓄电池特点 3 第一章第一章 铅酸蓄电池特点铅酸蓄电池特点 1.1 铅酸蓄电池的历史铅酸蓄电池的历史 自从 1860 年法国科学家普朗发明了铅酸蓄电池以来，已经历了 100 多年的 历史。自 20 世纪 60 年代起，科学家在铅酸蓄电池体系中进行了气体复合原理 的基础研究和开发工作。20 世纪 60 年代中期，德国阳光公司开发出实用性胶体 电解液密封铅酸蓄电池，美国 gates 公司也研制出以纯铅为电极、超细玻璃纤 （agm）为隔膜的圆筒形密封铅酸蓄电池。 1.2 密封铅酸蓄电池的分类密封铅酸蓄电池的分类 密封铅酸蓄电池也叫阀控密封铅酸电池。这是因为电池在充电，尤其是过 充电时间时产生的气体不能完全被电池内部吸收时，当内部气体压力超过电池 上部阀门（胶帽）设置的释放压力时，就会放气，以避免电池外壳变形甚至爆 炸。 密封铅酸电池按不同电解液形式，可以氛围吸液式电池和胶体电解液电池； 按使用方式分为循环充电、放点使用电池和浮充电使用电池；按外形，又可分 为方形电池和圆筒形电池等。 1.3 密封铅酸蓄电池的充电方法密封铅酸蓄电池的充电方法 1.浮充电 当环境温度高于 25时，为（2.290.02）v/单替电池浮充电，浮 充电压应降低；当环境温度低于 25时，浮充电压应提高。浮充电压增减幅度 为温度每变化 1，每个单体电池电压增加或减少 0.03v。 如果单体电池的浮充电压低于 2.20v，则应对电池进行浮充电。其方法是：当 环境温度为 2132时，电池以 2.40v/单体电池的电压为电池充电 10h；如果环 境温度为 1020时，则充电时间应延长至 20h。 2.循环使用 采用限电压、恒电流充电法，初始充电率不大于 0.3，充电电压为 2.352.40v（2v 大容量单体电池） 。 图 1-1 36v/12ah 铅酸蓄电池 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 4 1.4 密封铅酸蓄电池的使用密封铅酸蓄电池的使用 密封铅酸蓄电池是核电出厂，电池在运输、搬动、安装过程中必须特别小 心，防止电池短路，搬运时，不要牵拉蓄电池的电极柱。密封铅酸蓄电池在安 装连接时，应严格按规定的连接线路图进行连接，不同容量、不同性能的电池 不可以连接在一起使用。 密封铅酸蓄电池可以连续浮充电使用,也可用于循环充电、放电使用。充电 设备的充电电压精度必须保持在1%的范围内。 密封铅酸蓄电池在使用过程中，不要单独增加蓄电池组中某几个电池的负 载，这会造成单体电池之间容量的不平衡。当使用过程中，如果发现电池电压 不正常、电池外壳破损或严重变形、电解液泄漏、电池内部温度异常等现象时， 应找出原因并更换电池。 第二章 电动自行车充电器发展与类型 5 第二章第二章 电动自行车充电器发展与类型电动自行车充电器发展与类型 2.1 电动自行车充电器的发展概论电动自行车充电器的发展概论 自上世纪的六、七十年代以来，电子技术领域得到了飞速发展。在 21 世纪， 电子技术在以更快的速度前进，新一代的电子产品更广泛地应用在我们生活的 各个方面。 电子产业的发展，也极大的推进了电力的利用。各种各样的充电式产品诞 生并得到极大的发展，其高效、环保、便捷等优点正逐步渗入我们的生活。根 据电动自行车铅酸蓄电池的特点，当其为 36v/12ah 时，采用限压恒流充电方 式，初始充电电流最大不宜超过 3a。也就是说，充电器输出的最大达到 44v/3a/130w，已经满足。在充电过程中，充电电流还将逐渐降低。 2.2 充电器的分类充电器的分类 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。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。 常见的电动自行车（二轮车）和电动三轮车的充电器外形 图 2-1 常用的几种充电器 2.3 充电器的几种常见充电模式充电器的几种常见充电模式 1.恒流充电法 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。 恒流电源电路如图所示 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 6 图 2-2 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： 图 2-3 阀控铅酸蓄电池工作特性曲线 阀控铅酸电池的充电特性曲线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。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.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。恒压充电电路如图所示。 图 2-4 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。 第二章 电动自行车充电器发展与类型 7 在阀控铅酸蓄电池的充电特性曲线 v（图 2-3）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。 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 2-5 图 2-5 浮充法电源原理示意 第三章 电动车充电器的关键技术 9 第三章第三章 电动车充电器的关键技术电动车充电器的关键技术 3.1 蓄电池及其应用技术蓄电池及其应用技术 蓄电池及其应用水平始终是制约包括电动自行车在内的电动车辆进步的瓶 颈。日前已达到实用程度的新型蓄电池性能比较见表一。 电动车对蓄电池的主要要求是；高能量密度，使电动车有较长的一次充电 续驶里程；高功率密度，赋予电动车良好的起动、加速、爬坡性能；长寿命， 可有效降低车辆的运行成本。表格： 特性铅酸型电池镉镍电池氢镍电池锂离子电池 比能量 /wh.kg-1 355560120 能量密度 /wh.l-1 6585140250 单元电压/v2.01.21.23.7 放电曲线平坦平坦平坦平坦 循环寿命/次150140500100050010006001000 月自放电率/%615255 制造成本 /（美元 /kwh） 75-150100-200230-500120-200 记忆效应有有无无 环境保护有污染有污染无污染无污染 安全性安全安全安全潜在问题 研制生产情况生产中生产中生产中实验中 表 3-1新型蓄电池性能比较表 3.2 密封铅酸蓄电池的充电特性密封铅酸蓄电池的充电特性 电池充电通常要完成两个任务，首先是尽可能快地使电池恢复额定容量， 另一是使用小电流充电，补充电池因自放电而损失的能量，以维持电池的额定 容量。在充电过程中，铅酸电池负极板上的硫酸铅逐渐析出铅，正极板上的硫 酸铅逐渐生成二氧化铅。当正负极板上的硫酸铅完全生成铅和二氧化铅后，电 池开始发生过充电反应，产生氢气和氧气。这样，在非密封电池中，电解液中 的水将逐渐减少。在密封铅酸蓄电池中，采用中等充电速率时，氢气和氧气能 够重新化合为水。 过充电开始的时间与充电的速率有关。当充电速率大于时，电 池容量恢复到额定容量的以前，即开始发生过充电反应。只有充电速率 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 10 小于，才能使电池在容量恢复到后，出现过充电反应。为 了使电池容量恢复到，必须允许一定的过充电反应。过充电反应发生 后，单格电池的电压迅速上升，达到一定数值后，上升速率减小，然后电池电 压开始缓慢下降。由此可知，电池充足电后，维持电容容量的最佳方法就是在 电池组两端加入恒定的电压。浮充电压下，充入的电流应能补充电池因自放电 而失去的能量。浮充电压不能过高，以免因严重的过充电而缩短电池寿命。采 用适当的浮充电压，密封铅酸蓄电池的寿命可达年以上。实践证明，实际 的浮充电压与规定的浮充电压相差时，免维护蓄电池的寿命将缩短一半。 铅酸电池的电压具有负温度系数，其单格值为。在环境温 度为时工作很理想的普通（无温度补偿）充电器，当环境温度降到 时，电池就不能充足电，当环境温度上升到时，电池将因严重的过充电 而缩短寿命。因此，为了保证在很宽的温度范围内，都能使电池刚好充足电， 充电器的各种转换电压必须随电池电压的温度系数而变。 常见的几种充电模式为： 限流恒压充电模式，其充电曲线和转换电压如图所示。 两阶段恒流充电模式，其充电曲线和转换电压如图所示。 恒流脉冲充电模式，其 充电曲线和转换电压如图所示。此三种充电模式均为业界推荐采用，其各阶段充电电流间的 转换，都分别受有温度补偿的转换电压（快充最低允许电压）、（快充终止 电压）和（浮充电压）控制。国外已开发出多款具有上述功能的专用充电集成电路， 如，等。 第四章 充电器硬件电路设计 11 第四章第四章 充电器硬件电路设计充电器硬件电路设计 电动自行车充电器的设计方案可谓是多种多样，本次设计主要以模拟器件 为核心器件设计并制作了充电电源及控制电路。本次设计主要分为四个模块， 即电源电路、振荡电路、电压保护电路及灯光指示电路。通过这几部分的整合， 从而实现充电器的功能。下面将具体介绍这四大模块的电路设计。 4.1 电源电路的设计电源电路的设计 图 4-1 电源电路 由图 4-1 可知，电源电路是由桥式整流及滤波电路组成。整流电路的任务是 将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此 二极管是构成整流电路的关键元件。该电路是将市电 220v 由 jp1 输入，经 d1- d4 桥式整流变成脉动直流，再经 e1 滤波将脉动直流转换成约 311v 的直流电压。 4.1.1 单相整流电路单相整流电路 (1) 单相桥式整流电路 1) 工作原理 单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图 4-2（a）所 示。 在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有 单向导电性。根据图 4-2（a）的电路图可知： 当正半周时，二极管 d1、d3 导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。 当负半周时，二极管 d2、d4 导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。 在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。 单相桥式整流电路的波形图见图 4-2（b） 。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 12 （a）桥式整流电路 （b）波形图 图 4-2 单相桥式整流电路 2) 单相桥式整流电路的负载特性曲线 单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系 该曲线如图 4-3 所示，曲线的斜率代表了整流电路的内阻。 图 4-3 单相桥式整流电路的负载特性曲线 (3) 单相半波整流电路 单相整流电路除桥式整流电路外还有有单相半波和单相全波两种形式。单 相半波整流电路如图 4-4(a)所示，波形图如图 4-4(b)所示。 根据图 4-4 可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负 载上得到的是半个正弦波。 第四章 充电器硬件电路设计 13 (a)电路图 (b)波形图 图 4-4 单相半波整流电路 (3) 单相全波整流电路 单相全波整流电路如图 4-5(a)所示，波形图如图 4-5(b)所示。 (a)电路图 (b)波形图 图 4-5 单相全波整流电路 单相全波整流电路的脉动系数 s 与单相桥式整流电路相同。 通过对比可知，单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波 和全波整流电路中均有直流分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较 高，单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用 于直流电源之中。因此，设计中采用单向桥式整流电路对 220v 交流电压进行整 流，从而得到 311v 左右的脉动直流。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 14 4.1.2 滤波电路滤波电路 整流电路输出的直流电压脉动大，仅适用于对直流电压要求不高的场合， 如电镀、电解等设备。而在有些设备中，如电子仪、自动控制装备等，则要求 直流电压非常稳定。为了获得平滑的直流电压，可采用滤波电路。 滤电容滤波的特点为结构简单、输出电压高、脉动小。在接通电源的瞬间， 将产生强大的充电电流，这种电流称为“浪涌电流” ；同时，因负载电流太大， 电容器放电的速度加快，回事负载电压变得不够平稳，所以电容滤波电路适用 于负载电流较小的场合。而本次设计恰是将整流桥送出的脉动直流 311v 经电容 滤波转换成近似直流 311v，故选用电容滤波电路。 1) 电路的组成 现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图 4-6 所示， 在负载电阻上并联了一个滤波电容 c。 图 4-6 电容滤波电路 2) 电容滤波电路工作原理 若 v2 处于正半周，二极管 d1、d3 导通，变压器次端电压 v2 给电容器 c 充电。此时 c 相当于并联在 v2 上，所以输出波形同 v2 ，是正弦波。 当 v2 到达t=/2 时，开始下降。先假设二极管关断，电容 c 就要以指 数规律向负载l 放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过t=/2 时， 正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过t=/2 时二极管仍然导通。在超过t=/2 后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率 时，二极管关断。所以在 t2 到 t3 时刻，二极管导电，充电，vi=vo 按正弦规 律变化；t1 到 t2 时刻二极管关断，vi=vo 按指数曲线下降，放电时间常数为 rlc。电容滤波过程见图 4-7。 第四章 充电器硬件电路设计 15 图 4-7 电容滤波电路波形 需要指出的是，当放电时间常数 rlc 增加时，t1 点要右移，t2 点要左移， 二极管关断时间加长，导通角减小；反之，rlc 减少时，导通角增加。显然。 当l 很小，即 il 很大时，电容滤波的效果不好，见图 4-8 滤波曲线中的 2。反 之，当l 很大，即 il 很小时，尽管 c 较小, rlc 仍很大,电容滤波的效果也很 好，见滤波曲线中的 3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。 图 4-8 电容滤波的效果 3) 电容滤波电路的外特性 图 4-9 电容滤波外特性曲线 整流滤波电路中，输出直流电压 vo 随负载电流 io 的变化关系曲线如图 4-9 所 示。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 16 此外，对滤波电容器的选择除电容量外，还有耐压值。一般耐压值取（1.5- 2）v2.。 4.2 振荡电路的设计振荡电路的设计 本设计中与振荡相关的电路见 4-10 所示，市电 220v 由 jp1 输入，经整流 和滤波后，形成约 311v 的直流电压。 该 311v 直流电压加到开关变压器的初级线圈的上端，经下端接到场效应管 q1 的漏极，同时 311v 还经 r3、r4 两个 2.2m 电阻串联接到场效应管栅极，设 初始时 q1 处于关断状态，由于 r3、r4 阻值较大，300v 经过 r3、r4 到 q1 栅 极只能使得场效应管处于由关断到微导通的过度过程，则初级产生上正下负的 电势，并感应到下次级线圈，下次级线圈产生下正上负的电势，经 c5 使 q1 进 一步导通，到一定程度后，初级电势不再升高,下次级原感应的电势也消失，q1 退出导通状态复又进入微导通状态，此时初级产生下正上负的电势，下次级感 应出上正下负的电势，则负电压通过 c5 加到栅极，使 q1 迅速关断。这样，q1 完成了一个由关断微导通导通微导通迅速关断的过程，形成一个振荡 周期。以后，将周而复始的这样继续运行第二个、第三个相同的振荡周 期。由此可见这是一自激式电路。 图 4-10 第四章 充电器硬件电路设计 17 4.2.1 振荡电路的振荡方式振荡电路的振荡方式 振荡电路一般可分为自激式和它激式两种。自激式是无须外加信号源能自 行振荡，自激式完全可以把它看作是一个变压器反馈式振荡电路，而它激式则 完全依赖于外部维持振荡，在实际应用中自激式应用比较广泛。 本设计所选用的变压器的绕组方式分为三种类型，一组是参与振荡的初级 绕组，一组是维持振荡的反馈绕组，还有一组是负载绕组。将 220v 的交流电经 过桥式整流，变换成 300v 左右的直流电，滤波后进入变压器后加到开关管的集 电极进行高频振荡，反馈绕组反馈到基极维持电路振荡，负载绕组感应的电信 号，经整流、滤波、稳压得到的直流电压给负载提供电能。负载绕组在提供电 能的同时，也肩负起稳定电压的能力，其原理是在电压输出电路接一个电压取 样装置，监测输出电压的变化情况，及时反馈给振荡电路调整振荡频率，从而 达到稳定电压的目的。 由此可见，本次设计中的振荡电路应选择自激式振荡。 4.2.2 振荡电路的分类 常见的振荡电路为变压器反馈式振荡电路和三点式振荡电路。 本设计选用的是变压器反馈式振荡电路，它能够将电路工作时所产生的电 流电压通过相关器件自行反馈，从而改变振荡频率维持充电状态的稳定性。 图 4-13（a)为变压器反馈振荡电路，其正反馈过程是：若输入 ui 为上正下 负，对于振荡频率，回路谐振的并联阻抗为电阻性，所以输出电压 uo 与 ui 反 相，即 uo 为上负下正，由于同名端决定了 uf 为上正下负，uf 正好与 ui 同相， 只要晶体管的 足够大和变压器的匝数比合适，电路一定能够振荡，还可以证 明电路的起振条件和振荡频率分别为：rberc/m f1/2 式中：rbe 为基极与射极度之间的交流等效电阻，r 为次级折算到初级的等 效电阻，m 为互感系数。 图 4-11 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 18 4.3 保护电路设计保护电路设计 本次设计保护电路部分输出回路用于监测输出电流，并为 u2c 提供供电电 压，u2c 通过比较运算控制光电耦合器 pc817 的导通与截止，从而起到过流保 护的作用。tl431 为精密稳压专用集成电路，用于基准电路中产生 2.5v 的基准 电压，为 u2d 提供电压，u2d 通过比较运算稳定输出电压。保护电路设计如图 4-12 所示，主要包括过流保护电路、输出回路、基准电路及电压比较电路。 图 4-12 4.3.1 过流保护电路设计过流保护电路设计 过流保护电路由 r1、q2 组成，见图 4-13。 当因某种原因使场效应管 q1 的漏极电流增大并即将达到极限时，其源极电 流势必也增大（漏、源电流是相等的） ，则 r1 上的电压增大，如果到达 0.7v 时， 则三极管 q2 饱和导通，实现限制了 q1 栅极电位，使 q1 进入关断状态，从而 有效保护了相关元件的安全，提高了整机电路得可靠性。 第四章 充电器硬件电路设计 19 图 4-13 4.3.2 输出回路的设计输出回路的设计 输出回路是向负载供电的回路和电路中控制部分需要供电的供电回路，见 图 4-14 所示。由高频开关变压器上次级线圈感应的电压经过 d8 二次整流 e2 高 频滤波得到的主输出电压可供各负载使用。电路中 r12 的作用在与检测负载中 电流的大小以便后续电路进行对输出电流的控制。如果电流过大，r12 上的电压 超过 d14 的正向导通电压时,d14 导通，从而保护 r12 不被烧坏。显然 d14 负极 的电压为负值，用于检测输出电流。另外，d7、e7 整流滤波后的电压用于系统 中各相关元件的供电，称辅助控制回路用电压。 图 4-14 4.3.3 基准电路的设计基准电路的设计 稳压电源的输出电压（或输出电流）需要精确控制，要想获得精确、稳定 的输出电压（或输出电流） ，必须有一个参数相对准确、稳定的基准电压（或电 流）作参考，该部分电路见图 4-15 所示。由于需要稳定的输出电压，所以该稳 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 20 压源提供的是一基准电压。由辅助控制回路用电压经 z2 稳压，进一步由 z1 进 行能隙电路 tl431 稳压，产生 2.5v 的基准，用于精确控制主回路输出电压。 tl431 是精密稳压专用集成电路。 图 4-15 4.3.4 电压比较电路的设计电压比较电路的设计 由图 4-16 所示，z2 为 15v 稳压二极管，提供给运算放大器做供电电压。 u2c 和 u2d 为 lm324 内含两个完全独立的运算放大器，仅供用电源。u2c 为 运算放大器用于限制输出电流，即起到过流保护的作用，u2d 运算放大器用于 稳定输出电压。 u2c 的工作原理为：当输出电流达到 1.6a，-vee 为-1.6a*0.1=-0.16v， 经过 r14、r22 的分压，使得分压点电位为低于 0v（r22 的另一端电位为 2.5v） ，送到 u2c 的反向输入端，与其同相输入端的 0v 比较，使得 u2c 输出 为趋向于增大，经 d15、r10 送到 pc817 光电耦合器，其发光强度增强内部三 极管易于导通，q2 趋于饱和，q1 栅极电位降低，漏源之间趋向断开，从而使 输出电压降低，输出的电流负载下降，实现过流保护的作用。 u2d 的工作原理为当输出电压 44v 因负载或来电的原因逐渐减小时，经 r27/2、r9 的分压，将低于 2.5v，送到 u2d 的同向输入端，与反向输入端的 2.5v 比较（r11 直接接到 tl431 的 2.5v） ，使 d16 二极管趋于截止，经 r10 送 到 pc817 光电耦合器，其发光强度削弱，内部三极管趋于截止，q2 趋于截止， q1 栅极电位升高，漏源之间更趋向接通，从而使输出电压升高，实现稳压作用。 4.4 充电状态指示电路的设计充电状态指示电路的设计 该电路主要是由 lm324 和双色发光管 led2 构成。lm324 是双运放集成电 路,这里接成两个电压比较器。由充电电流取样电阻 r12 取得的电压变化信号,经 第四章 充电器硬件电路设计 21 r18 送入 u2b 的反向输入端。充电初期,充电电流较大,r18 上压降增大(注意: r18 上的电压对地为负电压)。反向输入端电位低于正向输入端电位,输出端输出 高电平,充电指示灯 led2 点亮。当电池接近充满时,充电电流减小,r18 上的电压 也减低,当 u2b 反向输入端电位大于正向输入端电位时,u2a 输入端变为低电平, 输出端输出高电平,充满指示灯 led2 熄灭。电路设计如图 4-16。 图 4-16 充电状态指示电路 4.5 整体电路的连接及工作原理整体电路的连接及工作原理 在连接完各部分电路后对整体电路进行连接，整体电路如图 4-17 所示。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 22 图 4-17 整体电路图 如图 4-17 的左半部所示，当插座 jp1 接上 220v 交流电，且 jp2 与电瓶蓄 电池相连接时，有两种状态，一是充电过程，二是充电结束。 在充电过程中，=220v 交流电经整流桥整流和电容滤波后，形成约为 1u =300v 的电压，该电压只有正向，无反向电压，最大电压为 。 2u 12uurm 当=220v 电压加至变压器后，变压器的工作出现两种状态，即 mos 场效应 1u 管 q14n90c 的导通与闭合。变压器变压后输出两个电压 =44v 和反向电压 3u vee，由于充电时，蓄电池电压约为 36v，低于=44v，因此二极管 d8 导通， 3u 电流分为两部分，一部分供给蓄电池充电，另一部分供给图上半部分。led1 导 通，一直发出红光。上半部分电流经稳压二极管 z2 稳压后形成 =15v 电压， 4u 同时 z1 稳压后形成=2.5v 电压。 =15v 电压供给右半部分的指示灯控制 5u4u 部分，而=2.5v 电压则供给右半部分 u2alm324 和 u2blm324 两个比较器 5u 使用。 =2.5v 电压与-vee 之间连接 2 个电阻，经电阻分压后送给 u2alm324 5u 和 u2blm324 两个比较器的负端使用，而正端接地，电压为 0。由于-vee 电压 在不断变化，因此输入比较器负端的电压也发生变化。当-vee 达到负向最大电 压时，u2blm324 负端电压小于 0v，比正端电压低，u2blm324 输出高电平。 二极管 d12 负端高，正端低，处于截止状态，同时，u2alm324 状态相反，输 第四章 充电器硬件电路设计 23 出低电平，二极管 d11 导通，因此电流流向发光二极管 led2，二极管发出绿光。 当-vee 未达到负向最大电压时，u2blm324 输出低电平，u2alm324 输出高电 平，二极管 d12 导通，d11 截止，此时发光二极管处于截止状态，不发绿光。 在整个充电过程，发光二极管 led2 处于闪烁状态。 对于左面的比较器 u2clm324，-vee 和=2.5v 经两个电阻 r14、r22 构 5u 成分压，-vee 的变化决定了 u2clm324 正负两个输入端的高低，其正输入端一 直处于 0v 电压状态，当-vee 达到最大反向电压时，u2clm324 负端输入大于 0，比较器输出低电平，d15 处于截止状态，光耦合器 u1pc817 无输入电压，处 于不工作状态，因此 q2 基极无电压，无法导通，300v 电压经 r3、r7 供给场 效应管 q14n90c，场效应管处于导通状态，二极管 d5 截止。而当-vee 未达到 最大反向电压时，u2clm324 负端输入小于 0，比较器输出高电平，d15 处于导 通状态，光耦合器 u1pc817 有输入电压，处于工作状态，因此 q2 基极有电压， 处于导通状态，300v 电压经 r3 流入地，场效应管无电压供给，处于断开状态。 在充电完毕时，蓄电池电压非常接近充电电压，此时二极管 d8 处于截止状 态，反向电压-vee 较大，u2blm324 正极输入电压大于负极，一直处于输出高 电平状态，u2alm324 则相反，一直处于输入低电平状态，因此 led2 一直处 于导通状态，一直发出绿光。对于比较器 u2dlm324，正极输入电压此时一直 大于负极输入电压输出为高，而 u2clm324 也输出高电平，光耦合器 u1pc817 一直有输入电压，因此 q2 一直处于工作状态，300v 电压直接经过 r3 流入地。 此时的场效应管 q14n90c 无电压提供，处于断开状态，充电完毕。 第五章 电动车充电其发展的最新动态 25 第五章第五章 电动车充电其发展的最新动态电动车充电其发展的最新动态 5.1 太阳能充电器太阳能充电器 1、整套太阳能供电系统必要部件介绍： 太阳能供电系统由太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。 如输出电源为交流 220v 或 110v，还需要配置逆变器。各部分的作用为： （一）太阳能电池组件：太阳能电池组件是太阳能供电系统中的核心部 分，也是太阳能供电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能量转换 为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池组件的质量 和成本将直接决定整个系统的质量和成本。 （二）太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态， 并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的 控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当 是控制器的可选项。 （三）蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉 电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池组件所供出的电能储存起来， 到需要的时候再释放出来。 （四）逆变器：在很多场合，都需要提供 220vac、110vac 的交流电源。 由于太阳能的直接输出一般都是 12vdc、24vdc、48vdc。为能向 220vac 的 电器提供电能，需要将太阳能供电系统所供出的直流电能转换成交流电能，因 此需要使用 dc