电动自行车的快速充电系统设计

1、电动自行车的快速充电系统设计 1 摘摘 要要 为了解决能源与环境污染问题，世界各国都在大力发展电动车辆。电池的质量和使 用是电动自行车需要解决的关键问题，充电器应以无伤害，长寿命为根本目标。论文 研究的对象是全密封型免维护铅酸蓄电池。采用先进的充电方法这是目前提高电池使 用寿命的关键所在。本课题在分析比较几种充电方法后采用一种新型的波浪式正负零 脉冲间歇充电方法，硬件部分设计了半桥逆变型高频开关电源，通过对智能充电方法 的研究，采用单片机做控制器，实时监控电压，电流使充电过程按理想的充电曲线进 行，既延长了电池的使用寿命，又使电池充满电的最优效果。 关键词关键词: : 电动自行车，铅酸蓄电池，

2、快速充电，脉冲 电动自行车的快速充电系统设计 2 Abstract In order to settle energy crisis and environmental contamination, many institutes have been developing the electric vehicle in worldwide. The electrochemical battery used in electric vehicle limit the development. So the charging method of the battery is the key fac

3、tor in the electric bicycle acceptance by consumers. One new charging method, undulant variable current and voltage charge with positive-zero-negative and interval rest time, is put forward based on the constant current charge, constant voltage charge, pulse charge, reflex charge, variable current c

4、harging with interval rest time and variable voltage charging with interval rest time. Charging power consist of half-bridge converter and auxiliary units. Charging and discharging process are controlled by MCU to realize the intelligent safe full charge. Key Words :electric bicycle，lead-acid batter

5、y，fast charge，pulse 电动自行车的快速充电系统设计 3 目录目录 第 1 章 绪 论 .4 1.1 铅酸蓄电池快速充电理论概述.4 1.1.1 快速充电的技术指标 .4 1.1.2 实现快速充电必须遵循的原则 .4 1.1.3 变电压变电流波浪式正负零脉冲快速充电法 .6 1.2 本课题的研究内容.7 第 2 章 总体设计思路及硬件选择 .8 2.1 总体设计要求.8 2.1.1 系统的设计要求 .8 2.1.1.1 系统的基本功能 .8 2.1.1.2 系统的理想技术指标 .8 2.2 系统硬件电路的实现.8 2.3 充电方法的控制与实现的简单介绍.8 2.4 硬件设备选择

6、.9 2.4.1 硅双极型晶体管的选择 .9 2.4.2 TL494 的选择 .9 第 3 章 系统硬件设计.11 3.1 充电电源部分.11 3.1.1 开关电源主回路设计 .11 3.1.2 平滑滤波电路 .11 3.1.3 半桥变换器中功率变压器参数的设计 .12 3.2 开关电源控制电路的设计.13 3.3 辅助电源部分的设计与实现.14 3.4 充放电及其控制电路的设计.15 3.4.1 信息监测系统 .15 3.4.2 输入输出系统.16 3.4.3 充放电控制系统 .16 第 4 章 充电方案的软件实现 .17 4.1 软件流程.17 4.2 软件编程.18 本系统由单片机做控制

7、器，实时监控电压，电流使充电过程按理想的充电曲线进行，其 程序见附录。结论 .18 结论 .19 参考文献 .20 附录 1 完整电路图.21 附录 2 软件流程图.22 附录 3 软件充电程序.23 谢辞 .33 电动自行车的快速充电系统设计 4 第第 1 章章 绪绪 论论 1.11.1 铅酸蓄电池快速充电铅酸蓄电池快速充电理论概述理论概述 1.1.11.1.1 快速充电的技术指标快速充电的技术指标 1快速性。评价铅酸蓄电池快速充电的重要技术指标是完成充电的时间。 2出气量和出气率。出气是蓄电池充电过程中极其重要的问题。出气量是指完成蓄 电池完全充电的整个充电过程中，在一个大气压下，正负极板

8、析出气体的总和。出气率 是指蓄电池充电的某一阶段，在一个大气压下，单位时间内气体正负极板析出气体的量。 3温升。铅酸蓄电池在快速充电时，可能会产生较大的温升。高温会缩短蓄电池的 使用寿命。 4寿命。快速充电由于充电电流大，容易出现出气率大和温升高的现象，影响蓄电 池的寿命。应用快速充电时，蓄电池所能达到的充放电循环次数，是衡量充电设备质量 的重要指标。根据部颁标准 JB1057-67（起动型蓄电池标准） ，要求这种蓄电池的充、放 电循环寿命平均值不应低于 280 次，每块被试验的蓄电池寿命不低于 220 次。 1.1.21.1.2 实现快速充电必须遵循的原则实现快速充电必须遵循的原则 1快速充

9、电电流值不宜过大 为了提高充电速度，缩短充电时间，总是要加大充电电流值。然而加大充电电流值 是有一定限度的。过大的电流值容易引发下述一些缺点： （1）充电设备的容量将很大，而且充电电流值越大，在充电过程中大电流持续的时 间越短，充电电流（平均值）下降的速率越快，充电设备的容量利用率越低。 （2）国产的蓄电池结构上不适应过大电流充电。因为国产现有的蓄电池结构中的桩 头、连接条等导电元件的电阻较大，因而充电电流越大，消耗热能越大，这些导电元件 和整个蓄电池的温升就越高。 （3）充电电流越大，充电脉冲宽度越小，从而充电电流有效值将比平均值大得多， 发热就较严重。 按照目前的电池结构的承受能力和实际情

10、况，0.8C 的充电电流己经是比较满意的数 值了。比如目前绝大多数电动自行车用蓄电池多为 12V9Ah 了，那么最高充电电流就应以 6A 为宜。实际设计中还要取得更低一些，这个和蓄电池品质的好坏有很大关系。 2充电电流应随着充电的进行而逐渐降低 由文献可知，充电电流如果能真实再现矩形充电特性，则是一种非常理想的情况。 不但能够在短时间内充满电，而且设备的利用率高，对蓄电池的寿命也没有影响。但前 文已述及实际上国内外都没有按照这种矩形充电特性曲线实施充电。这是由于实际中的 电动自行车的快速充电系统设计 5 实际需要、设备造价、难控制以及难再现这种充电特性等很多实际因素决定的。根据电 极过程反 电

11、动自行车的快速充电系统设计 6 应速度基本公式可知，电极过程反应速度和电极的交换电流密度成正比。而随着充 入电量的增加，蓄电池进行充电反应的极板真实表面积减小，交换电流密度减小。充电 反应速度逐渐降低，充电电流也应逐渐降低，这是必要的。否则，蓄电池接受不了，必 然造成出气和温升的增加。 3充电过程全过程都必须采取适当的去极化措施 (1) 在开始充电的同时，蓄电池可接受电流随时间呈指数规律下降，充电电流终究 会超过可接受电流；若采用大电流充电几秒钟，最多几分钟就会因可接受电流下降而产 生气体，故前期也应有去极化措施，始终不使极化过分严重。 (2) 去极化措施应能自动地适应整个充电时间内的不同要求

12、。在充电初期、中期和 后期，蓄电池的极化情况是不同的。如果只选择适合去中期极化的放电程度，则在充电 初期放电就过多，而在充电后期又去极化不足。 (3) 在充电过程中，蓄电池电压升高到一定程度时，也就是极化现象达到一定程度 时，就应当停止充电，转向放电去极化。最好此去极化电压上限选在低于出气点电压， 即去极化措施应能抑制超电势，使其达不到气体析出的电势。 (4) 去极化应该是有限度的，收到一定的效果时，就应该适时停止去极化，转到再 次充电。如何确定是否收到了去极化效果，简单控制应以电动势是否下降到一定值为依 据。 遵循上述原则，即可使充电全过程去极化效果适当，并能以较高的充电平均电流进 行充电，

13、还可有效地抑制气体析出。 1.1.31.1.3 变电压变电流波浪式正负零脉冲快速充电法变电压变电流波浪式正负零脉冲快速充电法 图 11 波浪式正负零脉冲间歇快速充电电流波形 通过以上的讨论，结合了脉冲充电、快速充电、变电流间歇充电、变电压Re TM flex 间歇充电法的优点，提出了变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法。脉冲充电 法充电电路的控制有两种：脉冲电流幅值固定不变，PWM（驱动充放电开关管）信号的频 率可调，从而调节充电电流；另一种就是脉冲电流的幅值是可变的，而 PWM 信号的频率 是固定的。本课题设计的系统中采用了一种不同于这两者的控制模式，脉冲电流幅值和 PWM 信号的频率

14、都是固定的，而 PWM 占空比可调，并在此基础上加入了间歇停充阶段，提 电动自行车的快速充电系统设计 7 高蓄电池的充电接受能力。充放电电流波形如图 11 所示。 1.21.2 本课题的研究内容本课题的研究内容 本系统的面向对象是电动助力车装配用的铅酸蓄电池。以铅酸蓄电池为研究对象是 考虑到目前大多数助力车所使用的蓄电池仍然是铅酸蓄电池，而且是密封免维护铅酸蓄 电池，一般为两节或三节串连，每节蓄电池电压为标准的 12V。本课题的研究主要包括以 下几个方面：一是对新型充电方法的探讨。在对现有多种充电方法分析研究的基础上， 提出了一种新型的波浪式正负零脉冲充电方法。二是系统的硬件设计，主要部分是对

15、新 型充电电源的研究，采用了比较先进的半桥逆变型高频开关电源。三是探讨充电方法的 控制和实现问题。采用单片机作控制器，实时监控电压、电流，使充电过程按理想的充 电曲线进行，达到低温升快速充电、又能使电池充满的最优效果。 电动自行车的快速充电系统设计 8 第第 2 2 章章 总体设计总体设计思路及硬件选择思路及硬件选择 2.1 总体设计总体设计要求要求 2.1.12.1.1 系统的设计要求系统的设计要求 2.1.1.12.1.1.1 系统的基本功能系统的基本功能 （1）充电过程实施智能控制，快速完成充电，主要能进行断电和短路检测。 （2）充电过程实时监测和显示充电状态。 （3）电池充满后自动转入

16、涓流补足充电状态。 2.1.1.22.1.1.2 系统的技术指标系统的技术指标 根据实际的对象，设计的充电器应该满足对相应的铅酸蓄电池进行的安全快速充电。 因此对本系统提出如下的设计要求： 1电源空载输出电压36V 可调。前文述及，目前电动自行车多配备 23 节 12V7Ah 蓄电池，其中又以 2 节的情况占绝大多数。因此本系统充电器的电源输出达到 36V 并且 可调，是能够满足目前电动自行车领域动力要求的。 2电源的充电电流可在 08A 范围内调整。在充电的过程中，最好根据使用者的需 要来改变充电电流的大小。但是作为电动自行车配备的蓄电池专用的充电系统，为了减 少设备的容量，降低成本，不应把

17、输出范围定得过宽。前文述及 0.8C 的充电电流已经是 比较合适的数值。最高充电电流应以 6A 为宜。 2.22.2 系统硬件电路的实现系统硬件电路的实现 系统硬件包括两个大部分：充电电源设备以及控制电路。硬件框图如图 21 所示。 主要由半桥功率变换器、驱动器、PWM 控制器、微处理器、充电电路、放电电路六部分组 成，并具有过流保护，过压保护。结合软件还可实现电池接反和掉电检测。 图 21 智能充电系统框图 采集到的电池端电压、充电电流、电池温度等状态信息，送入 CPU 后要进行必要的 处理和判断，才能得到相应的控制电压，单片机输出充电信号、间歇停止充电信号、放 电动自行车的快速充电系统设计

18、 9 电信号脉冲到充电、放电电路，从而实现对蓄电池充电、停充和放电持续时间的控制， 对各个阶段内充电电流以及充电电压的平均值进行调节，使其符合充电电流接受率下降 的特点。同时在充电过程中，通过反馈电阻反馈信息到 PWM 控制器的内部电流误差放大 器和内部电压误差放大器的反向和同向输入端，实现充电电源输出恒流和恒压的控制， 并且通过调节反馈电阻值的大小，实现限流值和限压值的调节，以适应不同的蓄电池。 2.32.3 硬件设备选择硬件设备选择 2.3.12.3.1 硅双极型晶体管的选择硅双极型晶体管的选择 考虑到本系统的实际应用要求是小功率、低成本，开关频率（50kHz）不是很高，选 用东芝（TOS

19、HIBA）公司的 2SC3306N 型硅双极型晶体管。具体参数如下： 12 1004000 170 50010 40010 1.550.5 1.00.5 2.5 ECBO MAXCB EBCEBO MAX CEBR CBO MIN CBBR CEO MIN CBCE SATMAX BBr MAX stg MAX IA VVI ImA VVI VV ImAI VV ImAI VV IAIA ts IIA ts ，； ，； ，； ，； ，； ； 。 主要基于以下考虑：一是本系统所需的开关电源设计为 250W，控制电路没有附加变 压器供电，完全是开关瞬态自激启动，较小的基极驱动电流也可使 2SC33

20、06 工作，而工 作在高频时 MOSFET 则需要一定的驱动功率，不易产生自激启动。IGBT 虽然集 MOSFET 的告诉开关特性、电压驱动特性和双极型晶体管的低饱和电压特性于一身，但 目前由于价格方面的原因，还只能用在功率变换的场合。本文选择的东芝公司的双极型 晶体管 2SC3306 的饱和电压最大值只有 1.5，在高反压场合，双极型晶体管的饱和压降还 是比较小。特别是成本也比 MOSFET 要低得多。 2.3.22.3.2 TL494TL494 的选择的选择 TL494 是一种脉宽调制型开关电源集成控制器，它的特点： （1） 推挽或单端输出； （2） 最高工作频率为 300kHz； （3）

21、 内部基准电压 5V； （4） 输入电压41V； （5） 较宽的工作温度范围：TL494 为-40-85，TL494 为-20-85。 其内部等效电路如图 22 所示。它由锯齿波发生器、D 触发器、比较器 1 和 2、误 差放大器 1 和 2、5V 基准电源与两个驱动晶体管等组成。管脚分配如图 39 所示。脚 电动自行车的快速充电系统设计 10 1、2 和脚 15、16 分别为两个比较器输入端； 脚 3 为相位控制端；脚 4 为死区电平控制 端：脚 5、6 为振荡器的 R、C 输入端：脚 8、9 和脚 11、10 分别为两个内部驱动晶体管 的集电极发射极，通过它们发出的脉冲可以控制变换器开关管

22、的交替导通。脚 13 为输出 状态控制端，当脚 13 为低电平时，两个内部驱动晶体管同时导通或截止，此时只能控制 变换器的一个开关管，就形成单端输出：当脚 13 为高电平时，就可推挽输出。 图 22 TL494 管脚分配图 TL494 在工作时，其工作频率仅取决于外接在锯齿波发生器上的定时元件和的 T R T C 数值，一旦定时元件固定后，TL494 输出信号的工作频率也就固定不变了。一般通过脚 5、6 分别接定时元件和。锯齿波发生器启振后，该锯齿波在片内分别被送到比较器 T R T C 1 和 2 的同相输入端。一般开关电源的稳压控制、过流保护控制、过压保护控制等采样电 压是加在误差放电器的

23、同相输入端（脚 1 或 16）或死区控制输入端（脚 4）的。 因此， 在片内误差放大器的输出电平与锯齿波在比较器 2 中进行比较，而死区控制电平与锯齿 波在比较器 1 中进行比较，二者的输出分别得到一串具有一定宽度的矩形脉冲。它们同 时送门电路，经 D 触发器分频后，再经相应的门电路去控制 TL494 内部的两个驱动三极 管交替导通和截止， 通过脚 8 和脚 11 向外输出相位相差 180 度的脉宽控制脉冲。工作 波形如图 23 所示。 图 23 TL494 个管脚工作波形 第第 3 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 3.13.1 充电电源部分充电电源部分 电动自行车的快速充电系统设计 11

24、 3.1.13.1.1 开关电源主回路设计开关电源主回路设计 在本设计电路里，采用了半桥型功率变换器，其中开关管选用了双极型晶体管。交 流输入经过滤波电路滤掉电网中的杂波，再经过桥式整流电路，得到一个高压直流输出。 这个直流输出继续输入到一个电阻电容均压网络中，从而为半桥变换器提供一个幅值为 150V 的直流输出信号。由于选用了普通双极型晶体管，为了得到适合的驱动信号，在开 关管的基极各自加了一个加速开关电路，来加速开关管的导通。 3.1.23.1.2 平滑滤波电路平滑滤波电路 考虑到实际的设计要求，特别是成本的考虑，在本充电系统里采用了低成本的无源 滤波器。 （1） 输入滤波电路 如图 31

25、 所示，是一个双型 LC 滤波器。它是两个型 LC 滤波器的并联。整流输 出的电流首先经过每个型 LC 滤波器中的电容滤波，然后再经型 LC 滤波器滤波，从 而能够使输出电压的脉动系数大幅度下降，滤波效果显著改善。其中 L1 是一个共轭电感， 它有两个独立的却有相同匝数的线圈，绕在同一个铁芯上。 图31 输入滤波电路 （2） 输出滤波器的设计 考虑到小型化以及成本，选用了相对简单的输出滤波电路，相应的设计了滤波电感 和滤波电容。主要有充电电源的 LC 输出滤波和辅助电源的 RC 滤波。参见图 32。 电动自行车的快速充电系统设计 12 图 32 输出滤波电路 3.1.33.1.3 半桥变换器中

26、功率变压器参数的设计半桥变换器中功率变压器参数的设计 根据相关工具书，查验计算得： （1）变压器设计条件 开关频率：50fkHz 输入电压：130V(130V-200V) 输出电压 ： 12 3612 oo VVVV， 输出电流： 12 83 oo IAIA， 最大占空比： 0.4D 环境温度：25 允许平均温升：50 磁芯材料的最大工作磁感应强度：0.3 m BT （2）变压器参数设计结果 按照上一节所述顺序，计算各参数得： 次级电流有效值 23 5.362IAIA， 初级绕组峰值电流 1 2.49 P IA 初级绕组电流有效值 1 2.23IA 变压器各绕组输出功率 23 17321.5P

27、WPW， 铜耗因子2.35Z 变压器计算功率468 i PW 所需磁芯结构常数 55 1820.7 10Ycm 查表，选磁芯规格 EI40，有效截面积散热表面 55 5675.465 10 C Ycm 2 1.49 e Acm 电动自行车的快速充电系统设计 13 积，平均匝长。满足。 2 52.5 i Scm8.94 m lcm C YY 确定绕组匝数初级绕组匝数（匝） ，（匝） ，（匝） 1 22N 2 6N 3 2N 导线规格计算如下：实际设计中先根据温升确定总损耗，因为变压器损耗最终转换 成为变压器温度上升。考虑到设计的变压器要承受大约 50的温升，查温升曲线17得单 位表面所耗散的平均

28、功率： 2 0.07qW cm i 得：P =q S=0. 07 52. 5=3. 675 W， 式中变压器总损耗。 P 因为设计的变压器要达到铜损耗和磁芯损耗相等，因此铜损耗按总损耗的一半计算， 。 0.05 3.6751.8375 m PW 计算铜重：； 3 8.9108.9 8.94 2.2 2.8 0.1992.7 mmWm GlSKg 计算电流密度 ； 2 3 1.8375 2.9043 2.35 92.7 10 JA mm 初级绕组导线所需截面积； 2 1 2.23 0.93 2.9043 i m I Smm J 初级绕组线径，选用直径 0.70mm 的漆包线。同 11 1.131

29、.13 0.930.70 m dSmm 样的可以计算其它各绕组所需导线规格，次级绕组均选用直径 0.60mm 的漆包线。经过验 算，温升只有 40，满足温升条件，实验运行证明所设计的参数也是满足条件的。 3.23.2 开关电源控制电路的设计开关电源控制电路的设计 TL494 的外围电路的设计比较固定。 图 33 TL494 外围电路设计 （1） 软启动保护 TL494 的 4 脚是芯片的死区控制端。该脚上的落地电阻，还有 26 R 跨接在 14 脚（内部基准电源端）之间的电容，在开机时，落地电阻上没有电流流过， 10 C 上无电压。随着输入电源给电容的充电，上开始流过电流，即 4 脚上开始建立

30、 26 R 10 C 26 R 一定的电压，片子开始工作。这就是软启动。可见，充电电容的值决定了软启动的快 10 C 慢。越大，软启动过程越短。而死区时间的大小由落地电阻上的电压决定，该值 10 C 26 R 越高，死区时间越长。 （2） 限流输出 开关电源输出电压电流稳定是一个很重要的要求。TL494 提供的内部 电动自行车的快速充电系统设计 14 基准电源和两个误差放电器可以很方便的实现这些功能。在设计的系统里，在基准电源 14 脚和变压器输出地端之间连接了电阻和可调电阻。电流误差放电器的反相输入 25 R 18 R 端 15 脚接在两个电阻之间，因此可调电阻上的电压就是 15 脚的电压。

31、同相端 16 脚则 18 R 通过一个的限流电阻和变压器地端相连。电阻约 50K，可调电阻约 1K，在5m 17 R 25 R 18 R 空载或允许输出电流值之内，16 脚电压总是低于 15 脚电压，也就是说电流误差放大器总 是输出为 0，两个驱动三极管输出固定宽度的脉冲，电源输出限定的电流值。如果输出电 流过高，则 16 脚上（限流电阻）的电压将高于 15 脚，放大器输出高电平，降低驱动三 极管输出的 PWM 脉宽，从而调节输出电流值，使之在限定值之内。调节可调电阻的值， 18 R 可以调节最大输出电流。 （3） 电压稳定输出 同限流保护类似，电压稳定措施也是利用了内部电压误差放 大器和输出

32、电压之间构能的负反馈。14 脚电压经电阻分压接到电压误差放大器的 2930 RR、 反相输入端 2 脚，比如均压值 2.5V，同相输入端接输出电压的反馈电路中，反馈支路由 以及可调电阻 VR 组成。当输出电压在允许电压值之内时，误差放大器没有输出， 1516 RR、 驱动晶体管输出固定占空比的脉冲信号；一旦输出过电压，反馈到 1 脚的电压高于 2 脚 电压，则放大器输出高电平，降低驱动晶体管输出脉冲的占空比，可以使出输出电压稳 定。调节可调电阻可以调节最高输出电压。因此本充电系统可以实现一定幅度之内的变 电流变电压充电，适应不同的蓄电池。 （4） 其他 5、6 分别接定时元件和，构成三角波振荡

33、器，其中， T R T C22 T Rk 。三角波振荡频率为：。3 脚和 15 脚之间、3 脚和 2 脚之1000 T CpF1.2fRC kHz 间的 RC 网络都是滤波电路，分别根据电容电阻设定值去除相应的频段的干扰。13 脚直 接接到 14 脚（5V 基准电压） ，使两个驱动晶体管工作于推挽输出方式。芯片内驱动晶体 管射级 9、10 脚接地，集电极 8、11 脚输出分别驱动外部电路中的晶体管，放大 12 NN、 进而输出给驱动变压器，激励主开关管。 12 QQ、 3.33.3 辅助电源部分的设计与实现辅助电源部分的设计与实现 电动自行车的快速充电系统设计 15 图 34 辅助电源部分电路

34、设计 主电路开始工作后，输入电压经过双型滤波电路以及全桥整流之后，送入由 等构成的半桥式变换器中，开关管在 TL494 的控制下，两管 1 R 21212 、R、E、E、Q、Q 12 Q、Q 交替导通截止，将直流电转换成高频交流电，高频振荡电压由变压器副绕组分两路输 2 T 出。如图 412 所示，一路由 MA651、R12、R13、C5、C6 整流滤波，经输出滤波电感 L、电容组成的 LC 滤波电路滤波得到约 36V 直流电压供给充电、放电回路，给蓄电池 7 E 进行充电；另外一路由 D5、D6、E5、E6、R14 整流滤波得到约 12V 直流电压。这一路 输出又分为两路，一支路供给脉冲宽度

35、调制器 TL494 专用。其中 E5, E6, R14 是 RC 滤波 电路，用于改善输出电压的波形和稳定性；另外一支路作为一稳压电源 L7805C 的输入电 源，输出高精度 5V 电压。L7805C 在很宽的输入电压(比如 7-25V)内保持输出 5V 电压稳 定，电压波动只有 3mV 左右。L7805C 的输出电压即作为控制电路中单片机的输入电源， 又是充放电电路的驱动管的电源。因此，这个系统里不需要任何独立的辅助电源，可以 方便的工作，电路简单，容易实现。 3.43.4 充放电及其控制电路的设计充放电及其控制电路的设计 为实现信息监测、输入输出控制、充放电控制等功能，中心控制芯片选用 P

36、IC 系列 单片机的 PIC16C711 微处理器，设计如图 35 所示。 电动自行车的快速充电系统设计 16 图 35 系统中充放电电路图 3.4.13.4.1 信息监测系统信息监测系统 电池电压的采集是通过并联在蓄电池两端的两个分压电阻 (按 1:6 的比例采 4647 RR、 集蓄电池端电压)，滤波电容构成的采集电路，然后送到单片机 PIC16C7lA 的 A 口 19 C (PORTA)的 RA2 脚。因为 PIC16C71A 有 4 路内置的 A/D 转换电路，因此不需要另外接 A/D 转换器就可以实现采集的数据的模拟-数字化。通过蓄电池端电压的检测还可以实现蓄电 池组短路检测。 同

37、样的，充电电流的采集是通过在充放电主回路中串联一个低阻值电阻 (约)和 42 R10m 一个单电源运放 LM358 来实现的。上的电压经过放大器放大之后被送到单片机的 A 42 R 口（PORT A）的 RA1 端，再经内置的 A/D 转换电路实现充电电流值的来样。通过对充 电电流值的采样，可以实现蓄电池组中是否有断电或接线故障的检测。 3.4.23.4.2 输入输出系统输入输出系统 采用了简单低廉的发光晶体管组显示电池的充电状态。一共 4 个绿色发光管和 1 个红 色发光管，组合起来可以实现多种状态的显示。如一开始绿灯亮表示充电，到最后红灯 亮表示充满电；绿灯亮的个数表示了电池的充满电程度，

38、1 个绿灯亮近似表示己达满充的 20%，2 个绿灯亮表示己达满充的 40%，3 个绿灯亮表示己达满充的 60%，4 个绿灯亮表 示已达满充的 80%，完全充满则用红灯亮表示。5 个灯一起闪灭表示有故障，具体还可以 区分是断电故障还是短路故障等，可以很方便的实现。RB1 外接了一个风扇，一开始充 电就启动风扇直到涓流充电，直至结束充电。 3.4.33.4.3 充放电控制系统充放电控制系统 如图 35 所示，充放电电路中的主开关管采用的是 MOSFFT 管。在低压的开关管中， MOSFET 的价格和普通晶体管的价格已经不差上下，工作在低频时 MOSFET 的驱动电路 却要简单得多，且功耗小。单片机

39、的 RB2、RBO 口分别驱动晶体管 N3、N4，进而驱动 两个 MOSFET 管 Q4、Q3，实现对电池的充电、放电和停充停放。如 RBO= 1 时，N4 导 电动自行车的快速充电系统设计 17 通，Q3 受驱动而导通，输出电压得以对电池充电；反之，RBO = 0 时，N4 不导通， O V Q3 关断，停止充电。RB2 = 1 时，N3 导通，Q4 关断，放电终止；反之，RB2=0 时，N3 关 Q4 导通，蓄电池进行放电过程。 3.53.5 系统总电路图系统总电路图 综合以上各部分电路的设计，设计系统的总电路图如附录 1 所示 电动自行车的快速充电系统设计 18 第第 4 4 章章 充电

40、方案的软件实现充电方案的软件实现 4.14.1 软件流程软件流程 本系统所提出的波浪式正负零脉冲间歇快速充电方案，严格按照三个充电阶段执行。 一是快速充电阶段，主要以较大占空比的正脉冲充电，当然也有零脉冲间歇，只是脉宽 相对其它阶段较小，这样可以获得较大的充电电流平均值，以达到在较小的时间内充进 较多的电量；第二阶段是补足充电阶段。充电达到这个阶段，极化现象己经比较严重， 因此应该采取负脉冲去极化，零脉冲给予蓄电池更多的反应时间以接受较大的充电电流， 提高蓄电池的可接收率。这两个阶段可以充进 90%以上的电量。第三阶段为涓流充电阶 段，因蓄电池本身具有自放电特性。这个阶段充电器将以某一较小的充

41、电电流给蓄电池 补充电荷，让使用者在任何时候使用蓄电池，蓄电池总是处于充足电状态。附录 3 是软 件流程示意图。可见在每个充电阶段中，应根据充电过程中蓄电池端电压的变化率动态 的调节充电脉宽、间歇时间和放电脉宽，以改变充电电流和电压的平均值，尽量对蓄电 池进行柔性充电，减少对其的损伤，其软件流程图如图 4.1 所示 电动自行车的快速充电系统设计 19 4.24.2 软件编程软件编程 本系统由单片机做控制器，实时监控电压，电流使充电过程按理想的充电曲线进行， 其程序见附录。 开始 初始化 电池接反 快充一分钟 断路？ 电压采样 数字滤波 计算dv/dt v=? dv/dt=? 停充 快充阶段结束

42、 灯闪 报警 YES NO 灯闪 报警 YES NO 可调D充电可调D放电 YESNO v=? dv/dt=? 停充 可调D充电可调D放电 可调D充电停充 v=? dv/dt=? 可调D放电 补足充电结束 YES NO 补足充电阶段 涓流充电 电动自行车的快速充电系统设计 20 电动自行车的快速充电系统设计 21 结论结论 本文针对电动自行车所配备的铅酸蓄电池动力系统，提出了一种新颖的波浪式正负 零脉冲间歇柔性快速充电方式，能够有效地在较短的时间内(23h)充满电池，而且所充 进的电量可以和小电流长时间充电相当，显示出较大的实际应用价值。研究主要包括以 下两个部分： 1新型充电方法的提出 通过

43、对蓄电池电化学机理的研究，特别是极化现象成因的 分析，提出了用零脉冲和负脉冲去极化的充电方法；比较了传统的恒流充电和恒压充电 方案，二阶段充电方案，以及正、零脉冲充电方案，变电流间歇充电方案，变电压间歇 充电方案，在充分分析它们各自的特点的基础上提出了利用动态调节占空比和间歇时间 以实现变电压变电流波浪式正负零脉冲快速充电方法。 （1）小电流恒流充电固然可以充进更多的电量，但由于充电时间过长，不适合于电 动助力车，只适合直流配电柜等浮充状态下使用的电池； （2）大电流恒流充电由于不满足蓄电池可接受率下降的特点，很容易造成过充，对 蓄电池造成极大的损伤。 （3）恒压充电虽然控制简单，也符合充电电

44、流自动下降的特点，但往往由于极柱、 连接条、极板、隔板、电解液、接触电阻以及极化现象引起的电压降，使得产生较大的 误差，难以准确地充满电。 （4）正、零脉冲充电方案、变电压间歇充电、变电流间歇充电方案，固然可以消除 一定的极化现象的影响，但效果还不是很理想，极化现象越严重，蓄电池可接收率越低， 越难以大电流持续充电。所能充的电量受到一定的限制。 （5）波浪式正负零脉冲间歇快速充电方法。通过实验验证了负脉冲对于去极化是有 帮助的。通过放电去极化可以进一步的提高充电电流，在较短的时间内充进更多的电量。 通过调节充电脉冲、零脉冲、负脉冲的脉宽是实现调节充电电流和充电电压平均值，实 现波浪式柔性充电。

45、 2充电电源 研究使用了当前比较成熟 PWM 调制技术，设计了一半桥变换器，实现 限压限流(其值均可调)输出。另外，系统使用了 MICROCHIP 公司生产的 PIC16C71A 单片 机，实现对充电状态的智能控制，采集蓄电池端电压，结合软件可实现变电压波浪式柔 性充电，而且可以实现短路故障检测，电池接反检测；通过采集充电电流，可以实现变 电流波浪式柔性充电，而且也可实现断电故障检测。 电动自行车的快速充电系统设计 22 参考文献参考文献 1 朱绍文，王正强电动助力车发展现状分析M轻工机械出版社1999，1：3539 2 李开贵，电动自行车专用充电器的设计及实践J电动车用蓄电池专 辑2000，

46、1：1216 3 孙晓民，齐国光电动自行车关键技术研究及总体设计的几点体会J97 中国电动车 研究与开发北京，1997：12169 4 张延鹏，吴铁军通信用高频开关电源M第 1 版人民邮电出版社，1998： 4397 5 冯义一种智能充电系统的初步研究C中国农业大学优秀硕士学位论文， 2000：l60 6 伊晓波电动自行车用铅酸蓄电池质量分析及标准的制定与研究J 蓄电池 ， 2001，4：3033 7 朱松然蓄电池手册M天津大学出版社第 1 版1998：177 8 上海煤矿机械研究所等译 国外快速充电资料选编M上海科学技术文献出版 社第 1 版1979，1979，10：181 9 姜绍信铅酸蓄

47、电池快速充电M天津科学技术出版社第 1 版1984，1：1327 10 陈体衔VRLA 蓄电池变电流间歇快速充电方法J电池厦门大学化学 系1998，12：68 11 王鸿麟，钱建立，周晓军智能快速充电器设计与制作M科学出版社第 1 版2001，9：612 12 王先泉，张海呈PWM 型开关电源中的损耗与谐振型开关电源的进展J国外电子 元器件1997，10：36 13 张占松，蔡宣三开关电源的原理与设计M电子工业出版社第 1 版1998，105186 14 胡铭，陈折有源滤波技术及其应用J电力系统自动化2000，2：6670 15 彭龙商，邓亚美，姚长安摸拟与数字电路M四川科学技术出版社第 1

48、版1984：534540 16 电子变压器专业委员会编电子变压器手册S辽宁科学技术出版社第 1 版1998：381397 17 何希才新型开关电源及其应用M第 1 版人民邮电出版社，1996：3945 18 蔡纯洁，刑武PIC16/17 单片机原理和应用M中国科学技术大学出版社第 4 版1997：l127 19 王有绪，许杰，李拉成PIC 系列单片机接口技术及应用系统设计M北京航空航 天大学出版社第 1 版2002：179 电动自行车的快速充电系统设计 23 附录附录 1 1 完整电路图完整电路图 L N C1 3A 104AC250V L1 C2 BQ D20 2 C3 3AB00V 3 1

49、 4 42 13 Q2 Q1 E4 D2R R8 R10 R7 R6 R3D1 9 R R5 3 E R17 R26 R30 C13 R28 R27 R25 R29 C12 11 1514 R24 R17 VR C8 C7 E6 E5 D6 D5 R14R16 E7 R15 L2 C6 R13 R12 T2 36V 8A DC 输出 R39 NPN NPN NPN R36 Q MOS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 18 17 16 15 14 13 12 11 10 PIC16C711 BL2 BL1 RA2 VSS VFP RA1 C10 E9 R32 R31R33 C17C16 R3

50、5 Q3 R47 BATTERY R37 R42 R34 R43 N4 R46 R38 R2 E2 R1 E1 C41 4 C4 R1 7805 C5 T R23 R19R21 R20 D8 D9 R22 E8 D10 D7 R24 电动自行车的快速充电系统设计 24 附录附录 2 2 软件流程图软件流程图 开始 初始化 电池接反 快充一分钟 断路？ 电压采样 数字滤波 计算dv/dt v=? dv/dt=? 停充 快充阶段结束 灯闪 报警 YES NO 灯闪 报警 YES NO 可调D充电可调D放电 YESNO v=? dv/dt=? 停充 可调D充电可调D放电 可调D充电停充 v=? dv

51、/dt=? 可调D放电 补足充电结束 YES NO 补足充电阶段 涓流充电 电动自行车的快速充电系统设计 25 附录附录 3 3 软件充电程序软件充电程序 1快速充电阶段 RAP_CHARGE: JBC FLAG, FNOBATT RET REPEAD_RAP: BS P5, CTRL RE_RC: MOV A, CNT XOR A, 0 JBS R3, Z JMP RC_1 MOV A, 0B00001110 IOW IOCA0 MOV A, 0 MOV ADCON, A CLR A IOW IOC90 CALL DELAY1MS BS ADCON, ADPD CALL DELAY2MS B

52、S ADCON, ADRUN JBC ADCON, ADRUN JMP $_1 BC RF, ADIF BC ADCON, ADPD MOV A, I_AD3 MOV I_ AD4, A MOV A, I_AD2 MOV I_AD3, A MOV A, I_AD1 MOV I_AD2, A MOV A, ADDATA MOV I_AD1, A MOV A, 1 MOV CNT, A JMP RC_ISLOW 电动自行车的快速充电系统设计 26 RC_1: MOV A, CNT XOR A, 1 JBS R3, Z JMP RC_2 MOV A, 0B00001110 IOW IOCA0 MOV

53、 A, 2 MOV ADCON, A CLR A IOW IOC90 CALL DELAY1MS BS ADCON, ADPD CALL DELAY2MS BS ADCON, ADRUN JBC ADCON, ADRUN JMP $-1 BC RF, ADIF BC ADCON, ADPD MOV A, T_AD3 MOV T_AD4, A MOV A, T_AD2 MOV T_AD3, A MOV A, T_AD1 MOV T_AD2, A MOV A, ADDATA MOV T_AD1, A MOV A, 2 MOV CNT, A JMP RC_ISLOW RC_2: MOV A, 0B0

54、0001110 IOW IOCA0 MOV A, 3 MOV ADCON, A CLR A IOW IOC90 电动自行车的快速充电系统设计 27 CALL DELAY1MS BS ADCON, ADPD CALL DELAY2MS BS ADCON, ADRUN JBC ADCON, ADRUN JMP $-1 BC RF, ADIF BC ADCON, ADPD MOV A, P_AD3 MOV P_AD4, A MOV A, P_AD2 MOV P_AD3, A MOV A, P_AD1 MOV P-AD2, A MOV A, ADDATA MOV P_AD1, A MOV A, 0 M

55、OV CNT, A RC_IS: BC P5, CTRL MOV A, I_AD CALL RAP_TABLE MOV D_CNT, A RCI: CALL DELAY200US DJZ D_CNT JMP RCI MOV A, 0B00001110 IOW IOCA0 MOV A, 1 MOV ADCON, A CLR A IOW IOC90 BS ADCON, ADPD BS ADCON, ADRUN JBC ADCON, ADRUN JMP $-1 电动自行车的快速充电系统设计 28 BC RF, ADIF BC ADCON, ADPD MOV A, U_AD3 MOV U_AD4, A

56、 MOV A, U_AD2 MOV U_AD3, A MOV A, U_AD1 MOV U_AD2, A MOV A, ADDATA MOV U_AD1, A MOV A, P_AD1 MOV R4, A CALL AVERAGE MOV A, R_ADL MOV A, R_ADL MOV P_AD, A SUB A, _5V4 JBC R3, C JMP POW_NORMAL ABNORMALT: BS FLAG, FABNORMALT JMP RE_RC ;转至快速充电阶段 ABNORMALP: BS FLAG, FABNORMALP JMP RE_RC POW_NORMAL: BC FL

57、AG, FABNORMA;P MOV A, T_AD1 MOV R4, A CALL AVERAGE MOV A, R_ADL MOV T_AD, A SUB A, _43C JBC R3, C JMP ABNORMALT MOV A, T_AD SUB A, _0C JBS R3, C 电动自行车的快速充电系统设计 29 JMP ABNORMALT BC FLAG, FABNORMALT MOV A, U_AD1 MOV R4, A CALL AVREAGE MOV A.R_ADL MOV U_AD, A SUB A, _4V2 JBS R3, C RET RAP_SHOW: BS P5,

58、RED BC P5, GREEN MOV A, U_AD SUB A, _2V0 JBS R3, C JMP RS0 BS FLAG, FNOBATT BC P5, RED BC P5, GREEN RET RS0: MOV A, U_AD SUB A, U_AD JBS R3, C JMP RS0 BS FLAG, FNOBATT BC P5, RED BC P5, GREEN RET RS0A: MOV A, U_AD SUB A, _3V9 JBS R3.C JMP RS JBS FLAG, _180MFLAG JMP REPEAD_RAP BS FLAG, FTIME 电动自行车的快速

59、充电系统设计 30 JMP RE_RC RS: JBS FLAG, _180MFLAG JMP REPEAD_RAP 2涓流充电阶段 FULL_CHARGE: JBC FLAG, FNOBATT RET REPEAD_FULLA: BS P5, CTRL RE_FC: MOV A, CNT XOR A, 0 JBS R3, Z JMP RC_1 MOV A, 0B00001110 IOW IOCA0 MOV A, 0 MOV ADCON, A CLRA IOW IOC90 CALL DELAY1MS BS ADCON, ADPD CALL DELAY2MS BS ADCON, ADRUN JBC ADCON ADRUN JMP $-1 BC RF, ADIF BC ADCON, ADPD MOV A, I_AD3 MOV I_AD4, A MOV A, I_AD2 MOV I_AD3, A MOV A, I_AD1 MOV I_AD2, A MOV A, ADDATA MOV