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毕业设计（文）
题目：电流充电器设计
学 生 姓 名： 学号：
学 部 （系）： 机械电气工程学部
专 业 年 级：电气工程动化
指 导 教 师： 职称：
20XX年X月X日
目 录
摘 ………………………………………………………………………………………Ⅱ
Abstract ………………………………………………………………………………Ⅱ
绪 ………………………………………………………………………………………1
1 铅酸蓄电池工作原理快速充电方法研究 ………………………………3
11 铅酸蓄电池工作原理 ……………………………………………………3
12 铅酸蓄电池快速充电方法………………………………………………3
121 麦斯定律……………………………………………………………3
122 快速充电分类……………………………………………………4
123 变电压变电流波浪式正负零脉快速充电法………………5
2 总体设计求…………………………………………………………………………6
21 系统设计求………………………………………………………………6
22 快速充电方法选择…………………………………………………………6
23 系统硬件电路实现…………………………………………………………6
24 充电方法控制实现简单介绍………………………………………7
3 系统硬件设计………………………………………………………………………7
31 充电电源部分…………………………………………………………………7
311 开关电源原理…………………………………………………7
312 开关电源回路设计……………………………………………8
313半桥变换器中功率变压器参数设计………………………13
314 半桥变换器中功率变压器参数设计结果………………17
32 开关电源PWM控制电路设计……………………………………………18
33 辅助电源部分设计实现………………………………………………22
34 充放电控制电路设计………………………………………………24
35 系统保护措施设计………………………………………………………26
4 充电方案软件实现……………………………………………………………28
41 软件流程………………………………………………………………………28
结束语………………………………………………………………………………29
参考文献……………………………………………………………………………29
致谢…………………………………………………………………………………30
电流充电器
摘
研究表明充电程电池实际寿命影响约占70％放电程保护限流控制器量回收驱动部分效率提高蓄电池寿命影响约占30％见充电器蓄电池寿命关重现电动行车普遍全密封型免维护铅酸蓄电池象分析充电程蓄电池部化学反应机理快速充电理基础分析较恒流充电法恒压充电法阶段充电法脉充电法变电流间歇充电法变电压间歇充电法等种充电方法然提出种新型波浪式正负零脉间歇充电方法通智充电算法研究采单片机作控制器实时监控电压电流充电程理想充电曲线进行达保护电池电池充满优效果系统新型充电电源充电方法研究仅电动行车等助力车行业应相关技术领域电力系统通信网络等鉴作
关键词：电动行车 铅酸蓄电池 快速充电 波浪式 正负零脉 间歇时间
Abstract
The charging process have a crucial influence on the battery lifefor the rest factorsthe protection from against over discharging inversing of the energy of controlling process respectively70％and 30％ The fully recombining sealed lead—acid battery is the main Subject investigated One new charging methodundulant variable current and voltage charge with positive—zero—negative and interval rest timeis put forward based on the constant current chargeconstant voltage chargepulse chargereflex chargevariable current charging 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．This charging system is simple and useful in electric bicycleeven in electric power system or communication networks．
Key Words：Electric bicycleLead—acid batteryFast chargeUndulant
Positivezeronegative pulseInterval
绪
缓解燃油机车环境造成严重污染日益突出源危机寻找新型交通工具势必行电动车零污染高效率低噪声展现良应前景中电动行车更实济广受关注庞口基数国电动行车广阔市场前景发展情况意中蓄电池特性蓄电池始终制约电动车进步发展问题目前蓄电池数采简单定电压恒流方式充电没解决充电特性电池致性会出现电池充满坏电池充坏现象达伤害充电求充电时间68时夜间说已满足求满足白天快速充电求蓄电池指标寿命重量量目前国产蓄电池电池寿命仅年左右者说难接受电池实际寿命然电动助力车瓶颈问题提高电池寿命成电动助力率开发研制技术关键事实辆电动助力车电池实际寿命函数关系式(1)表示：
Lf() (0—1)
中：—电池充电—电池放电—控制器—驱动器L—电池实际寿命相关素函数
齐国光等教授写文中谈八五九五期间电动汽车攻关时指出：充电程电池实际寿命影响约占70％放电程保护限流控制器量回收驱动部分效率提高蓄电池寿命影响约占30％电池质量电动助力车需解决关键问题充电器应伤害长寿命根目标采先进充电方法目前提高电池寿命关键途径
60年代中期美国科学家Max开口蓄电池充电程作量试验研究提出低出气率前提蓄电池接受充电曲线图l佳充电曲线示实验表明果充电电流条曲线变化缩短充电时间电池容量寿命没影响原条曲线作佳充电曲线
图1 佳充电曲线
恒压充电法充电时充电电源电压全部充电时间里保持定数值着蓄电池端电压逐渐升高电流逐渐减少恒流充电法较充电程更接佳充电曲线恒定电压快速充电充电初期蓄电池电动势较低充电电流着充电进行电流逐渐减少需简易控制系统然恒定电压法充电时控制电压值仅包括蓄电池电动势包括极柱连接条极板隔板电解液接触电阻极化现象引起电压降电压降结构型式蓄电池结构型式期限蓄电池引起误差影响充电质量避免蓄电池电阻压降充电影响采电阻恒压法充电电阻恒压法控制电压选电阻压降电压值电阻电压测定暂时中断充电电流恢复前快读出电压充电电流间断消极化现象利快速充电技术常规充电技术基础发展起种技术较流行脉式充电法RefleX充电法变电流间歇充电法变电压间歇充电法等方法围绕着佳充电曲线进行设计方法目充电曲线逼进佳充电曲线
系统面象电动助力车装配铅酸蓄电池铅酸蓄电池研究象考虑目前数助力车蓄电池然铅酸蓄电池密封免维护铅酸蓄电池般两节三节串连节蓄电池电压标准12V充电程中温升析气必须考虑问题课题研究包括方面：新型充电方法探讨现种充电方法分析研究基础提出种新型波浪式正负零脉充电方法二系统硬件设计部分新型充电电源研究设计较先进半桥逆变型高频开关电源三探讨充电方法控制实现问题通智充电算法研究采单片机作控制器实时监控电压电流便充电程理想充电曲线进行达低温升快速充电电池充满优效果系统新型充电电源充电方法研究仅电动行车电动摩托车等电动助力车行业中应相关技术领域指导鉴作电力系统通讯网等
1 铅酸蓄电池工作原理快速充电方法研究
11 铅酸蓄电池工作原理
铅酸蓄电池种原电池实现化学电间转变铅酸蓄电池正负极板电解液电解槽组成正极板活性物质二氧化铅()负极板活性物质灰色海绵状金属铅()电解液浓度27％—37％硫酸水溶液
放电反应式：
充电反应式：
12 铅酸蓄电池快速充电方法研究
121 麦斯定律
第定律：蓄电池定电流放电充电接受率a放电容量成反
(11)
第二定律：定放电深度蓄电池充电接受率放电电流数呈线性关系
(12)
根定律知电流长时间放电蓄电池充电接受率低相反电流短时间放电蓄电池充电接受率高
第三定律：蓄电池种放电率放电充电接受电流放电电率接受电流
(13)
时服规律：
式中—总接受电流
—放出总电量
—总充电接受率
放电全部放掉电量增加时总充电接受电流增加适放电增加增加快蓄电池充电前充电程中成功放电增加充电接受率
122 快速充电分类
(1)恒定电压法 恒定电压法确定保持充电电压某恒定值情进行充电方法电压值应选取蓄电池充电程中出气点相应电压值
图11 恒压充电电压电流 图12 恒流充电电压电流
(2)恒定电流法 恒定电流法充电程中直保持充电电流恒定充电方法实现快速充电必须采较电流进行充电造成充电期蓄电池量出气量出气允许般采
(3)阶段充电法 包括二阶段充电法三阶段充电法二阶段充电法般采恒定电流恒定电压相结合快速充电方法图13示首先恒定电流充电预定电压值然改定电压完成剩余充电般两阶段转换电压第二阶段恒定电压三阶段充电法充电开始结束采定电流中间定电压充电电流衰减预定值时第二阶段转换第三阶段种方法出气量衰减少作种快速充电方法受限制
图13 先恒流恒压充电电压电流波形
(4)Reflex快速充电法 Reflex充电模式周期3模式组成：正充电脉反瞬间放电脉维持检测脉 图14示
图 14 Reflex快速充电电流波形
(5)变电流间歇充电 建立恒流充电脉充电基础特点恒流充电段改限压变电流间歇充电段充电前期段采变电流间歇充电方法保证加充电电流获绝部分充电量充电期采定电压充电段获充电量电池恢复完全充电态图1—5示
图15 变电流间歇充电曲线
(6)变电压间歇充电法 变电路间歇充电基础提出变电压间歇充电法图16示法较变电流间歇充电更符合佳充电曲线
图16 变电压间歇充电曲线
123 变电压变电流波浪式正负零脉快速充电法
种充电制度必须规定充电电流变化规律缩短充电时间必须加充电电流值控制充电电流变化规律脉充电放电极化快速充电制度充电电流极化措施两方面确定实现蓄电池快速充电必须遵循原1快速充电电流值宜 2充电电流应着充电进行逐渐降低 3充电程中必须采适极化
通讨结合脉充电Relflex快速充电变电流间歇充电法变电压间歇充电法优点提出变电压变电流波浪式正负零脉间歇快速充电法图17示脉充电法充电电路控制两种：脉电流幅值固定变PWM(驱动充放电开关)信号频率调调节充电电流种脉电流幅值变PWM信号频率固定设计系统中采种两者控制模式脉电流幅值PWM信号频率固定PWM占空调基础加入间歇停充阶段提高蓄电池充电接受力
图17 波浪式正负零脉间歇快速充电电流波形
2 总体设计求
21 系统设计求
1．充电程实施智控制快速完成充电进行断电短路检测
2．充电程实时监测显示充电状态
3．电池充满动转入涓流补足充电状态
4 电源空载输出电压>36V调(目前电动行车配备2—3节12V7Ah蓄电池中2节情况占绝数)
5 电源充电电流08A范围调
22 快速充电方法选择
1快速充电般求 充电方法选择充电效果影响关重系统求快速充电方面求够程度加快蓄电池化学反应速度缩短蓄电池达满充状态时间：方面保证蓄电池正负极板极化现象量少轻种标准出发通较前面已分析种传统充电方法种快速充电方法提出变电压变电流间歇波浪式正负零脉充放电快速充电方法
该方法基认识：
(1) 极化始终存必须全程添加极化措施放电助极化进提高充电速率
(2) 充电电流着充电进行逐渐降必
(3) 充电电流宜选择08C宜：
(4) 间歇停充助消极化特浓差极化
2．充电中断控制方法快速充电系统中中断控制技术选择重常终止控制方法定时控制电压控制出气率控制温度控制
根讨结合系统实际需设计选电压变化率监测法作中断控制法外结合高电压法定时控制法作辅助中断控制方法
23 系统硬件电路实现
系统硬件包括两部分：充电电源设备控制电路硬件框图图21示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具流保护压保护结合软件实现电池接反掉电检测
图表 21 智充电系统框图
24 充电方法控制实现简单介绍
采集电池端电压充电电流电池温度等状态信息送入CPU进行必处理判断相应控制电压单片机输出充电信号间歇停止充电信号放电信号脉充电放电电路实现蓄电池充电停充放电持续时间控制阶段充电电流充电电压均值进行调节符合充电电流接受率降特点时充电程中通反馈电阻反馈信息PWM控制器部电流误差放器部电压误差放器反输入端实现充电电源输出恒流恒压控制通调节反馈电阻值实现限流值限压值调节适应蓄电池
3 系统硬件设计
31 充电电源部分
311 开关电源原理
图31 高频开关电源电路原理框图
图3—1示高频开关电源部分组成：输入滤波器整流滤波器开关逆变器(含高频变压器)输出整流滤波器检测电路控制电路保护动作电路辅助电源输入滤波器滤掉电网存杂波时阻止机产生噪音反馈公电网整流滤波器电网交流电源直接整流较滑直流电供级变换逆变器整流直流电逆变高频交流电高频开关电源核心部分频率越高体积重量输出功率越然频率越高越里涉元器件成干扰功耗等种素输出整流滤波器根负载需提供稳定直流电源控制电路方面输出端取样设定标准进行较然控制逆变器改变频率脉宽达输出稳定方面根测试电路提供数保护电路鉴提供控制电路整机进行种保护措旖检测电路提供保护电路中正进行中种参数提供种显示仪表数值班员观察等辅助电源提供单电路谓求电源
设计电路里采半桥型功率变换器中开关选双极型晶体交流输入滤波电路滤掉电网中杂波桥式整流电路高压直流输出直流输出继续输入电阻电容均压网络中半桥变换器提供幅值150V直流输出信号选普通双极型晶体适合驱动信号开关基极加加速开关电路加速开关导通
312 开关电源回路设计
1开关电源损耗：
PWM型开关电源中损耗分两类：导通损耗开关损耗现代开关电源中常功率开关元件MOSFET种器件具定导通电阻电流流类开关时导通电阻产生定功耗种损耗导通损耗损耗功率式计算：
(3—1)
功率开关开关关断程中开关仅流较电流承受较高电压开关产生较损耗种损耗称开关损耗开关损耗分开通损耗关断损耗电容放电损耗功率开关关断程中量等关断时间开关承受电压电流积积分：
(3—2)
假设关断程中开关承受电压电流线性变化式简化：
(3—3)
式中关断程中流开关电流值关断程中开关承受电压值式开关频率开关关断程中总功耗：
(3—4)
开通损耗式表示：
(3—5)
众周知功率MOSFET漏源极间具较电容该电容充电放电时产生损耗种损耗通常称电容放电损耗功率MOSFET漏源极寄生电容充放电产生功耗式计算：
(3—6)
2功率元件选择设计
图32 双极型晶体开通关断波形时间定义图
考虑系统实际应求功率低成开关频率(50)高选东芝(TOSHIBA)公司2SC3306N型硅双极型晶体具体参数：
滑滤波电路：
源滤波器电容滤波器(称C型滤波器)电感滤波器(称L型滤波器)复式滤波器复式滤波器r型LC滤波器型LC滤波器兀型RC滤波器考虑实际设计求特成考虑充电系统里然采低成源滤波器
1．输入滤波电路电源输入滤波电路接交流电网开关电源输入级间装置作隔离交流电网开关电源间相互干扰方面电源输入滤波电路消电网种干扰开关器件合闸关断雷击等产生尖峰干扰方面时防止开关电源产生高频噪声电网扩散污染电网输入滤波器接电网输入整流桥间具体图3—3示双型LC滤波器两兀型LC滤波器联整流输出电流首先型LC滤波器中电容滤波然型LC滤波器滤波够输出电压脉动系数幅度降滤波效果显著改善中L1扼电感两独立相匝数线圈绕铁芯
2．输出滤波器设计开关电源中电源输出滤波电路接开关电源整流电路输出端前高频开关电源输出滤波器件取值决定高频元件性低电压电流工作状态工作高频范围器件取值体积减考虑型化成选相简单输出滤波电路相应设计滤波电感滤波电容充电电源LC输出滤波辅助电源RC滤波参见图3—4
图33 输出滤波电路设计
图34 输出滤波电路设计
开关驱动电路设计
1基极驱动电路观察图3—2发现双极型晶体基极驱动电流波形完美脉波开始时驱动电流较慢慢衰减驱动变压器输出方波信号选择合适驱动电路驱动变压器输出信号量适合晶体基极驱动电流波形点开关迅速导通安全重系统中开关加速开关网络提供较理想驱动电流波形图3—5示电容构成开关加速开关网络变压器开始输出驱动脉信号加速开关网络中电容充电通二极流开关基极流晶体基极驱动电流较陡幅值着充电进行电容电压逐渐建立电容充满电驱动信号通二极网路显易见
图35 基极驱动电路
时基极驱动电流辐值跑电容未充满电前低构成基极驱动电流半部较缓分电阻开关处微导通状态果两开关均处关断状态集电极电流存开关集电极漏电流完全致导致A点电压位中点电压较误差种情况电路没输出疑降低变压器输出效率果分压网终开关基极提供电流褥集电极>>>>出漏电流致性导致中点电位影响微微A点电压位输入电压中点值图3—3中示脉信号驱动变压器产生TL494脉宽调制器8脚11脚器件末级两输出三极集电极输出分驱动晶体三极放驱动变压器样实现强电弱电信号隔离图中二极射级举电路旁路电容次级输出实际波形图3—6示图37初级波形示意图
图36 驱动变压器T1次级输出波形
图37 驱动变压器T1初级波行
开关稳压电源功率变换器形式功率变揆器电路输入功率变压器波形工作特点通常功率变压器工作状态分两类
2双端功率变压器双端功搴变压器存全桥半桥推挽等形式变压器初级组周期正负半周加幅值导通脉宽楣方相反脉方波电压变压器初级绕组正负半周激励电流相等方相反变压器磁芯中产生磁通着交流磁滞网线称移动图38示磁芯工作整磁滞回线周期中磁感应强度正值变化负值磁芯中直流磁化分量基零
图38 交变磁化磁滞回线
3单端功率变压器 单端功率变压器单正激式反激式双簧正激式反激式等电路形式变压器初级绕组周期加单脉方波电压变压器磁芯中磁通单磁滞回线第象限部分移动变压器磁芯单激励磁感应强度剩余磁感应强度间变化
选择功率变压器初次级绕组导线线径时应遵循导线直径两倍穿透深度原导线求截面穿透深度决定效直径时应采直径股导线绕尤副边电流绕组采宽扁铜带宽度变压器磁芯窗13高度接厚度穿透深度两倍限制
313半桥变换器中功率变压器参数设计
变压器设计般求磁感应强度电流密度变压器定设计条件进行设计时必须出设计参数电路形式工作频率磁芯尺寸出变压器功率PBJ积成正
中：B—工作磁感应强度(T)
J—电流密度(A／)
变压器尺寸定时BJ选高某定磁芯输出更高功率反某定输出功率BJ选高变压器尺寸减体积减轻重量降低成BJ值提高会受电性项技术求制约例B值高激磁电流造成波形畸变严重会影响电路安全工作输出纹波增加J值高铜损增温升超规定值确定磁感应强度电流密度时应考虑电性求济设计条件
1确定磁感应强度B 设置必须考虑两问题：输入电压达设计高值时磁芯饱变压器总损耗产生温升满足设计求理实际表明定温升条件磁芯损耗铜线损耗耦等时开关电源变压器输出功率时求确保磁芯会饱设计时初选磁感应强度根功率P(w)工作频率f(kHz)均温升(℃)强5—9查出系数式39计算工作磁感应强度
B (39)
式中： B—工作磁感应强度（T）
—磁感应强度系数
—磁性材料工作磁感应强度（T）
图39 磁感应强度系数
般R2K铁氧体磁芯取03TIJ85—1含金取05TCO基非
晶态合金取0．6T
2 计算变压器铜耗
根温升条件确定变压器总损耗减磁芯损耗铜耗根铜耗计算电流密度计算铜耗应磁芯规格确定进行
（310）
式中：变压器锅耗(W)
q交压器单位表面积损耗均功率（W／)
变压器表面积()
工作磁感应强发积频率单位质量磁芯损耗(W／kg)
磁芯质量(kg)
3 计算电流密度J
式311计算电流密度：
（311）
式中：Z—铜耗子见式312
—铜线质量(kg)见式313
（312）
（313）
式中：线圈均匝长(cm)
磁芯窗口面积()：
铜线窗口占空系数
双极性开关电源变压器具体设计：
双极性开关电源变压器全桥半桥推挽等种次级整流方式全波整流桥式整流般言种变换器开关变压器工作状态类似普通电源变压器设计方法
(1) 级绕组电压幅值
（313）
式中—初级输入额定电压变压器初幅值(V)
—变压器输入直流电压(V)
—变压器初级绕组电阻压降开关晶体导通电压降(v)
(2) 次级绕组电压幅值
（314）
式中—变压器输出电压幅值(V)：
—变压器次级负载直流电压(V)
—变压器次级绕组电阻压降整流压降(V)
(3) 次级绕组峰值电流变压器次级绕组峰值电流等开关电源直流输出电流
（315）
式中 —变压器次级峰值电流(A)
—输出直流电源(A)
(4) 次级电流效值全波整流时：
（316）
式中次缀电流效值(A)
(5) 初级绕组峰值电流
（317）
式中—初级绕组峰值电流(A)
(6) 初级电流效值 半桥桥式变换器言
（318）
式中—初级电流效值(A)
(7) 变压器输出功率
（319）
式中—变压器输出功率(W)
变压器计算功率开关电源变压器工作时磁芯需功率容量值开关电源变压器计算功率计算功率取决输出功率整流电路形式双极性开关电源变压器身效率接95％设计时1设定半桥式变换器全波整流输出言计算功率计算式：
（320）
式中：—包括整流元件变压器负载功率(w)
—包括开关元件整流元件仅交压器效率
（8）确定需磁芯结构常数
（321）
式中：Y—变压器需磁芯结构常数()
根计算结果选择磁芯结构常数≥Y查变压器散热表面积等效截面积等磁芯参数初级绕组匝数
（322）
式中—初级绕组匝数
(9) 次级绕终匝数
（323）
（324）
式中次级绕组匝数
(10) 确定导线规格
（325）
（326）
式中 —绕组导线需截面积()：
—绕组导线直径(mm)
—绕组效电流(A)
计算需导线直径时应考虑趋肤效应影响直径两倍穿透深度时应采股导线绕采n股导线绕时股导线直径式计算：
（327）
式中：n—导线股数
—n股导线绕时股直径
(11) 损耗温升 开关电源变压器损耗绕组铜损耗磁芯损耗两部分组成绕组铜损耗取决绕组电流效值导线交流电阻
（328）
式中—绕组铜损耗(W)
—绕组交流电阻()
(12) 变压器总铜损耗：
（329）
式中Pm变压器总铜耗
磁芯损耗取决磁感应强度工作频率电路工作状态选磁性材料性双极性开关变换器磁芯损耗：
（330）
式中—磁芯损耗(W)
—工作频率工作磁感应强度单位质量磁芯损耗(W／kg)
—磁芯质量(kg)
314半桥变换器中功率变压器参数设计结果
1 变压器设计条件
开关频率：f50KHz
输入电压：130V(130V200V)
输出电压：V0136VV0212V
输出电流：Iol8AI023A
占空：D04
环境温度： r25℃
允许均温升：50℃
磁芯材料工作磁感应强度：BmO3T
2 变压器参数设计结果
节述序计算参数：
次级电流效值536A2A
初级绕组峰值电流2．49A
初级绕组电流效值223A
变压器绕组输出功率173W215W
铜耗子Z235
变压器计算功率P468W
需磁芯结构常数Y18207x
查表选磁芯规格E1405675465x效截面积149
散热表面积525 均匝长8．94cm满足≥Y
确定绕组匝数初级绕组匝数22(匝)6(匝)2(匝)
32 开关电源PWM控制电路设计
图310 部等效电路
调节开关电源占空输出电压基负载变化输入电压变化变化种方法实质晶体导通脉宽进行调节控制称脉宽调制法设计程中选美国TI公司脉宽调制控制器TL494够产生两路PWM输出具稳压限流保护功
1TL494基原理：
TL494种脉宽调制型开关电源集成控制器特点：
(1) 推挽单端输出
(2) 高工作频率300
(3) 部基准电压5V：
(4) 输入电压≤4lV
(5) 较宽工作温度范围：TL494I40—85℃TL494C2085℃
图311 TL494脚分配图
部等效电路图310示锯齿波发生器D触发器较器l2误差放器125V基准电源两驱动晶体等组成脚分配图5—11示脚12脚1516分两较器输入端脚3相位控制端脚4死区电控制端脚56振荡器RC输入端：脚89脚1110分两部驱动晶体集电极发射极通发出脉控制变换器开关交导通脚1 3输出状态控制端脚13低电时两部驱动晶体时导通截止时控制变换器开关形成单端输出脚13高电时推挽输出
TL494工作时工作频率仅取决外接锯齿波发生器定时元件数值旦定时元件固定TL494输出信号工作频率固定变般通脚56分接定时元件锯齿波发生器启振该锯齿波片分送较器12相输入端般开关电源稳压控制流保护控制压保护控制等采样电压加误差放电器相输入端(脚116)死区控制输入端(脚4)片误差放器输出电锯齿波较器2中进行较死区控制电锯齿波较器1中进行较二者输出分串具定宽度矩形脉时送门电路D触发器分频相应门电路控制TL494部两驱动三极交导通截止通脚8脚11外输出相位相差180度脉宽控制脉工作波形图312示知TL494片两误差放器反相输入端(脚2脚15)参考电位定相输入端电升高时片两驱动三极输出脉宽调制控制脉宽度变窄反脉宽度变宽外死区控制端电位高C电压时片两晶体截止死区控制端电位断降时两驱动晶体输出脉宽调制脉宽度增加实际中应TL494部基准电源外
提供+5V基准参考电压通设置电阻分压器两误差放器反相输入端提供参考电位
图 312 TL494脚工作波形
图313 TL494外围电路设计
图313示TL494外围电路设计较固定里分部分简单介绍
1软启动保护：前面介绍知TL4944脚芯片死区控制端该脚落电阻跨接14脚(部基准电源端)间电容开机时落电阻没电流流电压着输入电源电容充电开始流电流4脚开始建立定电压片予开始工作软启动见充电电容值决定软稿动快慢越软启动程越短死区时间落电阻电压决定该值越高死区时间越长
2限流输出开关电源输出电压电流稳定重求TL494提供部基准电源两误差放电器方便实现功设计系统里基准电源14脚变压器输出端间连接电阻调电阻电流误差放电器反相输入端15脚接两电阻间调电阻电压15脚电压相端16脚通限流电阻变压器端相连电阻R约50K调电阻约lK空载允许输出电流值16脚电压总低15脚电压说电流误差放器总输出0两驱动三极输出固定宽度脉电源输出限定电流值果输出电滚高16脚(限流电阻)电压高15脚放器输出高电降低驱动三极输出PWM脉宽调节输出电流值限定值调节调电阻值调节输出电流
3电压稳定输出限流保护类似电压稳定措施利部电压误差放器输出电压间构成负反馈图5—7示14脚电压电阻分压接电压误差放器反相输入端2脚均压值2．5V：相输入端接输出电压反馈电路中反馈支路RR调电阻VR组成输出电压允许电压值时误差放器没输出驱动晶体输出固定占空脉信号旦输出电压反馈l脚电压高2脚电压放器输出高电降低驱动晶体输出脉占空输出电压稳定调节调电阻调节高输出电压充电系统实现定幅度变电流变电压充电适应蓄电池
456分接定时元件构成三角波振荡器中221000PF三角波振荡频率：f1．2／Rc()3脚1 5脚间3脚2脚间RC网络滤波电路分根电容电阻设定值相应频段干扰13脚直接接14脚(5V基准电压)两驱动晶体工作推挽输出方式芯片驱动晶体射级910脚接集电极811脚输出分驱动外部电路中晶体放进输出驱动变压器激励开关
33 辅助电源部分设计实现
图314 辅助电源部分电路设计
电路开始工作输入电压双n型滤波电路全桥整流送入等构成半桥式变换器中开关口TL494控制两交导通截止直流电转换成高频交流电高频振荡电压变压器副绕组分两路输出图33示路MA651R12R13C5C6整流滤波输出滤波电感￡电容易组成LC滤波电路滤波约36V直流电压供充电放电回路蓄电池进行充电：外路195／96E5E6R14整流滤波约1 2V直流电压路输出分两路支路供脉宽度调制器TL494专中E5E6R14RC滤波电路改善输出电压波形稳定性外支路作稳压电源L7805C(POSITIVE VOLTAGE REGULATORS)输入电源输出高精度5V电压L7805C宽输入电压(725V)保持输出5V电压稳定电压波动3mY左右L7805C输出电压作控制电路中单片机输入电源充放电电路驱动电源系统里需独立辅助电源方便工作电路简单容易实现
功率变压器初级两路次级波形图315316317示
图315 功率变压器T2初级波形示意图
图316 功率变压器次级路输出波形示意图
图317 功率变压器次级第二路输出波形
34 充放电控制电路设计
图318 系统充放电电路设计图
根系统工作特点硬件电路采单片机控制系统实现控制系统硬件电路求高简单起见中心控制芯片选PIC系列单片机PIcl6C711微处理器图318示简单言控制系统包括功单元：
1信息检测系统：包括数采集处理系统部分监测电路充电状态时显示输出设备便者解蓄电池充电状态严格说电池充电测量包括电池端电压充电电流电池温度三参数较准确表征蓄电池充电状态系统出实际应考虑控制温升情况充电程中没采集电池温度温升情况作控制参数试验结果证明设计充电系统温升5℃相较充电系统言着较明显优势说明没采集温度参数控制蓄电池充电行简单成低廉图3—18示电池电压采集通联蓄电池两端两分压电阻 (l：6例采集蓄电池端电压)滤波电容构成采集电路然送单片机PICl6C7lAA口(PORTA)RA2脚PICl6C71A4路置A／D转换电路需外接A／D转换器实现采集数模拟数字化通蓄电池端电压检测实现蓄电池短路检测样充电电流采集通充放电回路中串联低阻值电阻 (约10)单电源运放LM358实现R42电压放器放送单片机A日(PORT A)RA1端鼹A／O转换电路实现充电电流值采样通充电电流值采样实现蓄电池组中否断电接线障检测
2输入输出系统：完成电池参数输入充电状态显示系统中等功率充电系统配备高额示设备然实际应角度出发采简单低廉发光晶体组显示电池充电状态4绿色发光1红色发光组合起实现种状态显示开始绿灯亮表示充电红灯亮表示充满电绿灯亮数表示电池充满电程度1绿灯亮似表示已遮满充20％2绿灯亮表示已达满充40％3绿灯亮表示已达满充60％4绿灯亮表示融达满充80％完全充满红灯亮表示5灯起闪灭表示障具体区分断电障短路障等方便实现RB1外接风扇开始充电启动风扇直涓流充电直结束充电
3图318 示充放电电路中开关采MOSFET里什电路中样选择晶体出考虑：低压开关中MOSFET价格普通晶体价格已差工作低频时MOSFET驱动电路简单功耗单片机RB2RBO口分驱动晶体N3N4进驱动两MOSFETQ4Q3实现电池充电放电停充停放RBO1时N4导通Q3受驱动导通输出电压v电池充电反RBO0时N4导通Q3关断停止充电RB21时N3导通Q4关断放电终止反RB20时N3关断Q4导通蓄电池进行放电程
占空充放电脉波形示意图
图319 D20充电脉 图320 D40充电脉
图3 21 D60充电脉 图322 D80充电脉
图323 放电脉波形 图324 充电脉零脉序列
35 系统保护措施设计
1 流保护：系统滤保护两部分第硬件实现流保护图313 电路中调节限流电阻R实现限流输出起第重流保护第二软件实现流保护图325通电流采样电阻监视充电电流调节输出充放电脉宽度停充时间长短改变充电电流均值实现定电流保护
2． 压保护：流保护类似压保护硬件软件两部分硬件压保护调节调电阻VR实现调电压值稳定输出：软件压保护通采集蓄电池端电压调节输出充放电脉宽度停充时间长短改变充电电压均值实现定电压保护
3．蓄电池组接反检测：里设计充电系统针两节12V9Ah铅酸蓄电池串联充电：果两蓄电池没短路蓄电池端电压少6V甚更高电压1：6采样蓄电池组端电压反馈RA2脚1V左右电压更坏情况电池严重放电电池端电压达3V反馈RA2脚寄05V左右电压接电源果RA2脚没采样02V庄右电压说明蓄电没组接反发出报警示意绿灯闪灭果蓄电池组接反单片机采样负电
4 蓄电池组断电检测：蓄电池接反检测类似进行蓄电池缎断电检测蓄电池充电特性知蓄电浊开始充电短时间端电压快升果短时间没检测蓄电池端电压升趋势说明蓄电池组接头松动者断电障发出报警示意设计充电系统里约开机分钟果RA2脚电压然低0．3V说明断电障发出报警示意提醒工作员做出检查
图325 障检测电路设计
4 充电方案软件实现
41软件流程
图41软件流程图
结束语
文针电动行车配备铅酸蓄电池动力系统提出种新颖波浪式正负零脉间歇柔性快速充电方式够效较短时间（23h）充满电池充进电量电流长时间充电相显示出较实际应价值研究包括两部分：
1．新型充电方法提出通蓄电浊电化学规机理研究特极化现象成分析提出零脉细负脉极化充电方法较传统恒流充电恒压充电方案二阶段充电方案正零脉充电方案变电流间歇充电方案变电压间歇充电方案充分分析特点基础提出利动态调节占空间歇时间实现变电压变电流波浪式正负零脉快速充电方法
2．充电电源硬究目前较成熟PWM调制技设计半桥变换器实现限压限流（值调)输出外系统成低廉MICROCHIP公司生产PICl6C71A单片机实现充电状态智控制采集蓄电池端电压结合软件实现变电压波浪式柔性充电实现短路障检测电池接反检测通采集充电电流实现变电流波浪式柔性充电面实现断电障检测
参考文献
1谢美等 电子线路综合设计 出版社：华中科技学出版社
2张庆双 典实电路全 出版社：机械工业出版社
3张占松 开关电源原理设计（修订版） 出版社：电子工业出版社
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10黄继昌等 电源专集成电路应 出版社：民邮电出版社
11 S．k song and k．h．kim． a dynamic state of charge model for electric
vehicle batteries
12 q．guoganL．jiangmingand j．hang a new battery state of charge
indicator for electric vehicles
13．M．kitagawa．development of battery state of charge indicator for
electric vehicles
致谢
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学院
毕业设计（文）
题目：电流充电器设计
学 生 姓 名： 学号：
学 部 （系）： 机械电气工程学部
专 业 年 级：电气工程动化
指 导 教 师： 职称：
20XX年X月X日
目 录
摘 ………………………………………………………………………………………Ⅱ
Abstract ………………………………………………………………………………Ⅱ
绪 ………………………………………………………………………………………1
1 铅酸蓄电池工作原理快速充电方法研究 ………………………………3
11 铅酸蓄电池工作原理 ……………………………………………………3
12 铅酸蓄电池快速充电方法………………………………………………3
121 麦斯定律……………………………………………………………3
122 快速充电分类……………………………………………………4
123 变电压变电流波浪式正负零脉快速充电法………………5
2 总体设计求…………………………………………………………………………6
21 系统设计求………………………………………………………………6
22 快速充电方法选择…………………………………………………………6
23 系统硬件电路实现…………………………………………………………6
24 充电方法控制实现简单介绍………………………………………7
3 系统硬件设计………………………………………………………………………7
31 充电电源部分…………………………………………………………………7
311 开关电源原理…………………………………………………7
312 开关电源回路设计……………………………………………8
313半桥变换器中功率变压器参数设计………………………13
314 半桥变换器中功率变压器参数设计结果………………17
32 开关电源PWM控制电路设计……………………………………………18
33 辅助电源部分设计实现………………………………………………22
34 充放电控制电路设计………………………………………………24
35 系统保护措施设计………………………………………………………26
4 充电方案软件实现……………………………………………………………28
41 软件流程………………………………………………………………………28
结束语………………………………………………………………………………29
参考文献……………………………………………………………………………29
致谢…………………………………………………………………………………30
电流充电器
摘
研究表明充电程电池实际寿命影响约占70％放电程保护限流控制器量回收驱动部分效率提高蓄电池寿命影响约占30％见充电器蓄电池寿命关重现电动行车普遍全密封型免维护铅酸蓄电池象分析充电程蓄电池部化学反应机理快速充电理基础分析较恒流充电法恒压充电法阶段充电法脉充电法变电流间歇充电法变电压间歇充电法等种充电方法然提出种新型波浪式正负零脉间歇充电方法通智充电算法研究采单片机作控制器实时监控电压电流充电程理想充电曲线进行达保护电池电池充满优效果系统新型充电电源充电方法研究仅电动行车等助力车行业应相关技术领域电力系统通信网络等鉴作
关键词：电动行车 铅酸蓄电池 快速充电 波浪式 正负零脉 间歇时间
Abstract
The charging process have a crucial influence on the battery lifefor the rest factorsthe protection from against over discharging inversing of the energy of controlling process respectively70％and 30％ The fully recombining sealed lead—acid battery is the main Subject investigated One new charging methodundulant variable current and voltage charge with positive—zero—negative and interval rest timeis put forward based on the constant current chargeconstant voltage chargepulse chargereflex chargevariable current charging 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．This charging system is simple and useful in electric bicycleeven in electric power system or communication networks．
Key Words：Electric bicycleLead—acid batteryFast chargeUndulant
Positivezeronegative pulseInterval
绪
缓解燃油机车环境造成严重污染日益突出源危机寻找新型交通工具势必行电动车零污染高效率低噪声展现良应前景中电动行车更实济广受关注庞口基数国电动行车广阔市场前景发展情况意中蓄电池特性蓄电池始终制约电动车进步发展问题目前蓄电池数采简单定电压恒流方式充电没解决充电特性电池致性会出现电池充满坏电池充坏现象达伤害充电求充电时间68时夜间说已满足求满足白天快速充电求蓄电池指标寿命重量量目前国产蓄电池电池寿命仅年左右者说难接受电池实际寿命然电动助力车瓶颈问题提高电池寿命成电动助力率开发研制技术关键事实辆电动助力车电池实际寿命函数关系式(1)表示：
Lf() (0—1)
中：—电池充电—电池放电—控制器—驱动器L—电池实际寿命相关素函数
齐国光等教授写文中谈八五九五期间电动汽车攻关时指出：充电程电池实际寿命影响约占70％放电程保护限流控制器量回收驱动部分效率提高蓄电池寿命影响约占30％电池质量电动助力车需解决关键问题充电器应伤害长寿命根目标采先进充电方法目前提高电池寿命关键途径
60年代中期美国科学家Max开口蓄电池充电程作量试验研究提出低出气率前提蓄电池接受充电曲线图l佳充电曲线示实验表明果充电电流条曲线变化缩短充电时间电池容量寿命没影响原条曲线作佳充电曲线
图1 佳充电曲线
恒压充电法充电时充电电源电压全部充电时间里保持定数值着蓄电池端电压逐渐升高电流逐渐减少恒流充电法较充电程更接佳充电曲线恒定电压快速充电充电初期蓄电池电动势较低充电电流着充电进行电流逐渐减少需简易控制系统然恒定电压法充电时控制电压值仅包括蓄电池电动势包括极柱连接条极板隔板电解液接触电阻极化现象引起电压降电压降结构型式蓄电池结构型式期限蓄电池引起误差影响充电质量避免蓄电池电阻压降充电影响采电阻恒压法充电电阻恒压法控制电压选电阻压降电压值电阻电压测定暂时中断充电电流恢复前快读出电压充电电流间断消极化现象利快速充电技术常规充电技术基础发展起种技术较流行脉式充电法RefleX充电法变电流间歇充电法变电压间歇充电法等方法围绕着佳充电曲线进行设计方法目充电曲线逼进佳充电曲线
系统面象电动助力车装配铅酸蓄电池铅酸蓄电池研究象考虑目前数助力车蓄电池然铅酸蓄电池密封免维护铅酸蓄电池般两节三节串连节蓄电池电压标准12V充电程中温升析气必须考虑问题课题研究包括方面：新型充电方法探讨现种充电方法分析研究基础提出种新型波浪式正负零脉充电方法二系统硬件设计部分新型充电电源研究设计较先进半桥逆变型高频开关电源三探讨充电方法控制实现问题通智充电算法研究采单片机作控制器实时监控电压电流便充电程理想充电曲线进行达低温升快速充电电池充满优效果系统新型充电电源充电方法研究仅电动行车电动摩托车等电动助力车行业中应相关技术领域指导鉴作电力系统通讯网等
1 铅酸蓄电池工作原理快速充电方法研究
11 铅酸蓄电池工作原理
铅酸蓄电池种原电池实现化学电间转变铅酸蓄电池正负极板电解液电解槽组成正极板活性物质二氧化铅()负极板活性物质灰色海绵状金属铅()电解液浓度27％—37％硫酸水溶液
放电反应式：
充电反应式：
12 铅酸蓄电池快速充电方法研究
121 麦斯定律
第定律：蓄电池定电流放电充电接受率a放电容量成反
(11)
第二定律：定放电深度蓄电池充电接受率放电电流数呈线性关系
(12)
根定律知电流长时间放电蓄电池充电接受率低相反电流短时间放电蓄电池充电接受率高
第三定律：蓄电池种放电率放电充电接受电流放电电率接受电流
(13)
时服规律：
式中—总接受电流
—放出总电量
—总充电接受率
放电全部放掉电量增加时总充电接受电流增加适放电增加增加快蓄电池充电前充电程中成功放电增加充电接受率
122 快速充电分类
(1)恒定电压法 恒定电压法确定保持充电电压某恒定值情进行充电方法电压值应选取蓄电池充电程中出气点相应电压值
图11 恒压充电电压电流 图12 恒流充电电压电流
(2)恒定电流法 恒定电流法充电程中直保持充电电流恒定充电方法实现快速充电必须采较电流进行充电造成充电期蓄电池量出气量出气允许般采
(3)阶段充电法 包括二阶段充电法三阶段充电法二阶段充电法般采恒定电流恒定电压相结合快速充电方法图13示首先恒定电流充电预定电压值然改定电压完成剩余充电般两阶段转换电压第二阶段恒定电压三阶段充电法充电开始结束采定电流中间定电压充电电流衰减预定值时第二阶段转换第三阶段种方法出气量衰减少作种快速充电方法受限制
图13 先恒流恒压充电电压电流波形
(4)Reflex快速充电法 Reflex充电模式周期3模式组成：正充电脉反瞬间放电脉维持检测脉 图14示
图 14 Reflex快速充电电流波形
(5)变电流间歇充电 建立恒流充电脉充电基础特点恒流充电段改限压变电流间歇充电段充电前期段采变电流间歇充电方法保证加充电电流获绝部分充电量充电期采定电压充电段获充电量电池恢复完全充电态图1—5示
图15 变电流间歇充电曲线
(6)变电压间歇充电法 变电路间歇充电基础提出变电压间歇充电法图16示法较变电流间歇充电更符合佳充电曲线
图16 变电压间歇充电曲线
123 变电压变电流波浪式正负零脉快速充电法
种充电制度必须规定充电电流变化规律缩短充电时间必须加充电电流值控制充电电流变化规律脉充电放电极化快速充电制度充电电流极化措施两方面确定实现蓄电池快速充电必须遵循原1快速充电电流值宜 2充电电流应着充电进行逐渐降低 3充电程中必须采适极化
通讨结合脉充电Relflex快速充电变电流间歇充电法变电压间歇充电法优点提出变电压变电流波浪式正负零脉间歇快速充电法图17示脉充电法充电电路控制两种：脉电流幅值固定变PWM(驱动充放电开关)信号频率调调节充电电流种脉电流幅值变PWM信号频率固定设计系统中采种两者控制模式脉电流幅值PWM信号频率固定PWM占空调基础加入间歇停充阶段提高蓄电池充电接受力
图17 波浪式正负零脉间歇快速充电电流波形
2 总体设计求
21 系统设计求
1．充电程实施智控制快速完成充电进行断电短路检测
2．充电程实时监测显示充电状态
3．电池充满动转入涓流补足充电状态
4 电源空载输出电压>36V调(目前电动行车配备2—3节12V7Ah蓄电池中2节情况占绝数)
5 电源充电电流08A范围调
22 快速充电方法选择
1快速充电般求 充电方法选择充电效果影响关重系统求快速充电方面求够程度加快蓄电池化学反应速度缩短蓄电池达满充状态时间：方面保证蓄电池正负极板极化现象量少轻种标准出发通较前面已分析种传统充电方法种快速充电方法提出变电压变电流间歇波浪式正负零脉充放电快速充电方法
该方法基认识：
(1) 极化始终存必须全程添加极化措施放电助极化进提高充电速率
(2) 充电电流着充电进行逐渐降必
(3) 充电电流宜选择08C宜：
(4) 间歇停充助消极化特浓差极化
2．充电中断控制方法快速充电系统中中断控制技术选择重常终止控制方法定时控制电压控制出气率控制温度控制
根讨结合系统实际需设计选电压变化率监测法作中断控制法外结合高电压法定时控制法作辅助中断控制方法
23 系统硬件电路实现
系统硬件包括两部分：充电电源设备控制电路硬件框图图21示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具流保护压保护结合软件实现电池接反掉电检测
图表 21 智充电系统框图
24 充电方法控制实现简单介绍
采集电池端电压充电电流电池温度等状态信息送入CPU进行必处理判断相应控制电压单片机输出充电信号间歇停止充电信号放电信号脉充电放电电路实现蓄电池充电停充放电持续时间控制阶段充电电流充电电压均值进行调节符合充电电流接受率降特点时充电程中通反馈电阻反馈信息PWM控制器部电流误差放器部电压误差放器反输入端实现充电电源输出恒流恒压控制通调节反馈电阻值实现限流值限压值调节适应蓄电池
3 系统硬件设计
31 充电电源部分
311 开关电源原理
图31 高频开关电源电路原理框图
图3—1示高频开关电源部分组成：输入滤波器整流滤波器开关逆变器(含高频变压器)输出整流滤波器检测电路控制电路保护动作电路辅助电源输入滤波器滤掉电网存杂波时阻止机产生噪音反馈公电网整流滤波器电网交流电源直接整流较滑直流电供级变换逆变器整流直流电逆变高频交流电高频开关电源核心部分频率越高体积重量输出功率越然频率越高越里涉元器件成干扰功耗等种素输出整流滤波器根负载需提供稳定直流电源控制电路方面输出端取样设定标准进行较然控制逆变器改变频率脉宽达输出稳定方面根测试电路提供数保护电路鉴提供控制电路整机进行种保护措旖检测电路提供保护电路中正进行中种参数提供种显示仪表数值班员观察等辅助电源提供单电路谓求电源
设计电路里采半桥型功率变换器中开关选双极型晶体交流输入滤波电路滤掉电网中杂波桥式整流电路高压直流输出直流输出继续输入电阻电容均压网络中半桥变换器提供幅值150V直流输出信号选普通双极型晶体适合驱动信号开关基极加加速开关电路加速开关导通
312 开关电源回路设计
1开关电源损耗：
PWM型开关电源中损耗分两类：导通损耗开关损耗现代开关电源中常功率开关元件MOSFET种器件具定导通电阻电流流类开关时导通电阻产生定功耗种损耗导通损耗损耗功率式计算：
(3—1)
功率开关开关关断程中开关仅流较电流承受较高电压开关产生较损耗种损耗称开关损耗开关损耗分开通损耗关断损耗电容放电损耗功率开关关断程中量等关断时间开关承受电压电流积积分：
(3—2)
假设关断程中开关承受电压电流线性变化式简化：
(3—3)
式中关断程中流开关电流值关断程中开关承受电压值式开关频率开关关断程中总功耗：
(3—4)
开通损耗式表示：
(3—5)
众周知功率MOSFET漏源极间具较电容该电容充电放电时产生损耗种损耗通常称电容放电损耗功率MOSFET漏源极寄生电容充放电产生功耗式计算：
(3—6)
2功率元件选择设计
图32 双极型晶体开通关断波形时间定义图
考虑系统实际应求功率低成开关频率(50)高选东芝(TOSHIBA)公司2SC3306N型硅双极型晶体具体参数：
滑滤波电路：
源滤波器电容滤波器(称C型滤波器)电感滤波器(称L型滤波器)复式滤波器复式滤波器r型LC滤波器型LC滤波器兀型RC滤波器考虑实际设计求特成考虑充电系统里然采低成源滤波器
1．输入滤波电路电源输入滤波电路接交流电网开关电源输入级间装置作隔离交流电网开关电源间相互干扰方面电源输入滤波电路消电网种干扰开关器件合闸关断雷击等产生尖峰干扰方面时防止开关电源产生高频噪声电网扩散污染电网输入滤波器接电网输入整流桥间具体图3—3示双型LC滤波器两兀型LC滤波器联整流输出电流首先型LC滤波器中电容滤波然型LC滤波器滤波够输出电压脉动系数幅度降滤波效果显著改善中L1扼电感两独立相匝数线圈绕铁芯
2．输出滤波器设计开关电源中电源输出滤波电路接开关电源整流电路输出端前高频开关电源输出滤波器件取值决定高频元件性低电压电流工作状态工作高频范围器件取值体积减考虑型化成选相简单输出滤波电路相应设计滤波电感滤波电容充电电源LC输出滤波辅助电源RC滤波参见图3—4
图33 输出滤波电路设计
图34 输出滤波电路设计
开关驱动电路设计
1基极驱动电路观察图3—2发现双极型晶体基极驱动电流波形完美脉波开始时驱动电流较慢慢衰减驱动变压器输出方波信号选择合适驱动电路驱动变压器输出信号量适合晶体基极驱动电流波形点开关迅速导通安全重系统中开关加速开关网络提供较理想驱动电流波形图3—5示电容构成开关加速开关网络变压器开始输出驱动脉信号加速开关网络中电容充电通二极流开关基极流晶体基极驱动电流较陡幅值着充电进行电容电压逐渐建立电容充满电驱动信号通二极网路显易见
图35 基极驱动电路
时基极驱动电流辐值跑电容未充满电前低构成基极驱动电流半部较缓分电阻开关处微导通状态果两开关均处关断状态集电极电流存开关集电极漏电流完全致导致A点电压位中点电压较误差种情况电路没输出疑降低变压器输出效率果分压网终开关基极提供电流褥集电极>>>>出漏电流致性导致中点电位影响微微A点电压位输入电压中点值图3—3中示脉信号驱动变压器产生TL494脉宽调制器8脚11脚器件末级两输出三极集电极输出分驱动晶体三极放驱动变压器样实现强电弱电信号隔离图中二极射级举电路旁路电容次级输出实际波形图3—6示图37初级波形示意图
图36 驱动变压器T1次级输出波形
图37 驱动变压器T1初级波行
开关稳压电源功率变换器形式功率变揆器电路输入功率变压器波形工作特点通常功率变压器工作状态分两类
2双端功率变压器双端功搴变压器存全桥半桥推挽等形式变压器初级组周期正负半周加幅值导通脉宽楣方相反脉方波电压变压器初级绕组正负半周激励电流相等方相反变压器磁芯中产生磁通着交流磁滞网线称移动图38示磁芯工作整磁滞回线周期中磁感应强度正值变化负值磁芯中直流磁化分量基零
图38 交变磁化磁滞回线
3单端功率变压器 单端功率变压器单正激式反激式双簧正激式反激式等电路形式变压器初级绕组周期加单脉方波电压变压器磁芯中磁通单磁滞回线第象限部分移动变压器磁芯单激励磁感应强度剩余磁感应强度间变化
选择功率变压器初次级绕组导线线径时应遵循导线直径两倍穿透深度原导线求截面穿透深度决定效直径时应采直径股导线绕尤副边电流绕组采宽扁铜带宽度变压器磁芯窗13高度接厚度穿透深度两倍限制
313半桥变换器中功率变压器参数设计
变压器设计般求磁感应强度电流密度变压器定设计条件进行设计时必须出设计参数电路形式工作频率磁芯尺寸出变压器功率PBJ积成正
中：B—工作磁感应强度(T)
J—电流密度(A／)
变压器尺寸定时BJ选高某定磁芯输出更高功率反某定输出功率BJ选高变压器尺寸减体积减轻重量降低成BJ值提高会受电性项技术求制约例B值高激磁电流造成波形畸变严重会影响电路安全工作输出纹波增加J值高铜损增温升超规定值确定磁感应强度电流密度时应考虑电性求济设计条件
1确定磁感应强度B 设置必须考虑两问题：输入电压达设计高值时磁芯饱变压器总损耗产生温升满足设计求理实际表明定温升条件磁芯损耗铜线损耗耦等时开关电源变压器输出功率时求确保磁芯会饱设计时初选磁感应强度根功率P(w)工作频率f(kHz)均温升(℃)强5—9查出系数式39计算工作磁感应强度
B (39)
式中： B—工作磁感应强度（T）
—磁感应强度系数
—磁性材料工作磁感应强度（T）
图39 磁感应强度系数
般R2K铁氧体磁芯取03TIJ85—1含金取05TCO基非
晶态合金取0．6T
2 计算变压器铜耗
根温升条件确定变压器总损耗减磁芯损耗铜耗根铜耗计算电流密度计算铜耗应磁芯规格确定进行
（310）
式中：变压器锅耗(W)
q交压器单位表面积损耗均功率（W／)
变压器表面积()
工作磁感应强发积频率单位质量磁芯损耗(W／kg)
磁芯质量(kg)
3 计算电流密度J
式311计算电流密度：
（311）
式中：Z—铜耗子见式312
—铜线质量(kg)见式313
（312）
（313）
式中：线圈均匝长(cm)
磁芯窗口面积()：
铜线窗口占空系数
双极性开关电源变压器具体设计：
双极性开关电源变压器全桥半桥推挽等种次级整流方式全波整流桥式整流般言种变换器开关变压器工作状态类似普通电源变压器设计方法
(1) 级绕组电压幅值
（313）
式中—初级输入额定电压变压器初幅值(V)
—变压器输入直流电压(V)
—变压器初级绕组电阻压降开关晶体导通电压降(v)
(2) 次级绕组电压幅值
（314）
式中—变压器输出电压幅值(V)：
—变压器次级负载直流电压(V)
—变压器次级绕组电阻压降整流压降(V)
(3) 次级绕组峰值电流变压器次级绕组峰值电流等开关电源直流输出电流
（315）
式中 —变压器次级峰值电流(A)
—输出直流电源(A)
(4) 次级电流效值全波整流时：
（316）
式中次缀电流效值(A)
(5) 初级绕组峰值电流
（317）
式中—初级绕组峰值电流(A)
(6) 初级电流效值 半桥桥式变换器言
（318）
式中—初级电流效值(A)
(7) 变压器输出功率
（319）
式中—变压器输出功率(W)
变压器计算功率开关电源变压器工作时磁芯需功率容量值开关电源变压器计算功率计算功率取决输出功率整流电路形式双极性开关电源变压器身效率接95％设计时1设定半桥式变换器全波整流输出言计算功率计算式：
（320）
式中：—包括整流元件变压器负载功率(w)
—包括开关元件整流元件仅交压器效率
（8）确定需磁芯结构常数
（321）
式中：Y—变压器需磁芯结构常数()
根计算结果选择磁芯结构常数≥Y查变压器散热表面积等效截面积等磁芯参数初级绕组匝数
（322）
式中—初级绕组匝数
(9) 次级绕终匝数
（323）
（324）
式中次级绕组匝数
(10) 确定导线规格
（325）
（326）
式中 —绕组导线需截面积()：
—绕组导线直径(mm)
—绕组效电流(A)
计算需导线直径时应考虑趋肤效应影响直径两倍穿透深度时应采股导线绕采n股导线绕时股导线直径式计算：
（327）
式中：n—导线股数
—n股导线绕时股直径
(11) 损耗温升 开关电源变压器损耗绕组铜损耗磁芯损耗两部分组成绕组铜损耗取决绕组电流效值导线交流电阻
（328）
式中—绕组铜损耗(W)
—绕组交流电阻()
(12) 变压器总铜损耗：
（329）
式中Pm变压器总铜耗
磁芯损耗取决磁感应强度工作频率电路工作状态选磁性材料性双极性开关变换器磁芯损耗：
（330）
式中—磁芯损耗(W)
—工作频率工作磁感应强度单位质量磁芯损耗(W／kg)
—磁芯质量(kg)
314半桥变换器中功率变压器参数设计结果
1 变压器设计条件
开关频率：f50KHz
输入电压：130V(130V200V)
输出电压：V0136VV0212V
输出电流：Iol8AI023A
占空：D04
环境温度： r25℃
允许均温升：50℃
磁芯材料工作磁感应强度：BmO3T
2 变压器参数设计结果
节述序计算参数：
次级电流效值536A2A
初级绕组峰值电流2．49A
初级绕组电流效值223A
变压器绕组输出功率173W215W
铜耗子Z235
变压器计算功率P468W
需磁芯结构常数Y18207x
查表选磁芯规格E1405675465x效截面积149
散热表面积525 均匝长8．94cm满足≥Y
确定绕组匝数初级绕组匝数22(匝)6(匝)2(匝)
32 开关电源PWM控制电路设计
图310 部等效电路
调节开关电源占空输出电压基负载变化输入电压变化变化种方法实质晶体导通脉宽进行调节控制称脉宽调制法设计程中选美国TI公司脉宽调制控制器TL494够产生两路PWM输出具稳压限流保护功
1TL494基原理：
TL494种脉宽调制型开关电源集成控制器特点：
(1) 推挽单端输出
(2) 高工作频率300
(3) 部基准电压5V：
(4) 输入电压≤4lV
(5) 较宽工作温度范围：TL494I40—85℃TL494C2085℃
图311 TL494脚分配图
部等效电路图310示锯齿波发生器D触发器较器l2误差放器125V基准电源两驱动晶体等组成脚分配图5—11示脚12脚1516分两较器输入端脚3相位控制端脚4死区电控制端脚56振荡器RC输入端：脚89脚1110分两部驱动晶体集电极发射极通发出脉控制变换器开关交导通脚1 3输出状态控制端脚13低电时两部驱动晶体时导通截止时控制变换器开关形成单端输出脚13高电时推挽输出
TL494工作时工作频率仅取决外接锯齿波发生器定时元件数值旦定时元件固定TL494输出信号工作频率固定变般通脚56分接定时元件锯齿波发生器启振该锯齿波片分送较器12相输入端般开关电源稳压控制流保护控制压保护控制等采样电压加误差放电器相输入端(脚116)死区控制输入端(脚4)片误差放器输出电锯齿波较器2中进行较死区控制电锯齿波较器1中进行较二者输出分串具定宽度矩形脉时送门电路D触发器分频相应门电路控制TL494部两驱动三极交导通截止通脚8脚11外输出相位相差180度脉宽控制脉工作波形图312示知TL494片两误差放器反相输入端(脚2脚15)参考电位定相输入端电升高时片两驱动三极输出脉宽调制控制脉宽度变窄反脉宽度变宽外死区控制端电位高C电压时片两晶体截止死区控制端电位断降时两驱动晶体输出脉宽调制脉宽度增加实际中应TL494部基准电源外
提供+5V基准参考电压通设置电阻分压器两误差放器反相输入端提供参考电位
图 312 TL494脚工作波形
图313 TL494外围电路设计
图313示TL494外围电路设计较固定里分部分简单介绍
1软启动保护：前面介绍知TL4944脚芯片死区控制端该脚落电阻跨接14脚(部基准电源端)间电容开机时落电阻没电流流电压着输入电源电容充电开始流电流4脚开始建立定电压片予开始工作软启动见充电电容值决定软稿动快慢越软启动程越短死区时间落电阻电压决定该值越高死区时间越长
2限流输出开关电源输出电压电流稳定重求TL494提供部基准电源两误差放电器方便实现功设计系统里基准电源14脚变压器输出端间连接电阻调电阻电流误差放电器反相输入端15脚接两电阻间调电阻电压15脚电压相端16脚通限流电阻变压器端相连电阻R约50K调电阻约lK空载允许输出电流值16脚电压总低15脚电压说电流误差放器总输出0两驱动三极输出固定宽度脉电源输出限定电流值果输出电滚高16脚(限流电阻)电压高15脚放器输出高电降低驱动三极输出PWM脉宽调节输出电流值限定值调节调电阻值调节输出电流
3电压稳定输出限流保护类似电压稳定措施利部电压误差放器输出电压间构成负反馈图5—7示14脚电压电阻分压接电压误差放器反相输入端2脚均压值2．5V：相输入端接输出电压反馈电路中反馈支路RR调电阻VR组成输出电压允许电压值时误差放器没输出驱动晶体输出固定占空脉信号旦输出电压反馈l脚电压高2脚电压放器输出高电降低驱动晶体输出脉占空输出电压稳定调节调电阻调节高输出电压充电系统实现定幅度变电流变电压充电适应蓄电池
456分接定时元件构成三角波振荡器中221000PF三角波振荡频率：f1．2／Rc()3脚1 5脚间3脚2脚间RC网络滤波电路分根电容电阻设定值相应频段干扰13脚直接接14脚(5V基准电压)两驱动晶体工作推挽输出方式芯片驱动晶体射级910脚接集电极811脚输出分驱动外部电路中晶体放进输出驱动变压器激励开关
33 辅助电源部分设计实现
图314 辅助电源部分电路设计
电路开始工作输入电压双n型滤波电路全桥整流送入等构成半桥式变换器中开关口TL494控制两交导通截止直流电转换成高频交流电高频振荡电压变压器副绕组分两路输出图33示路MA651R12R13C5C6整流滤波输出滤波电感￡电容易组成LC滤波电路滤波约36V直流电压供充电放电回路蓄电池进行充电：外路195／96E5E6R14整流滤波约1 2V直流电压路输出分两路支路供脉宽度调制器TL494专中E5E6R14RC滤波电路改善输出电压波形稳定性外支路作稳压电源L7805C(POSITIVE VOLTAGE REGULATORS)输入电源输出高精度5V电压L7805C宽输入电压(725V)保持输出5V电压稳定电压波动3mY左右L7805C输出电压作控制电路中单片机输入电源充放电电路驱动电源系统里需独立辅助电源方便工作电路简单容易实现
功率变压器初级两路次级波形图315316317示
图315 功率变压器T2初级波形示意图
图316 功率变压器次级路输出波形示意图
图317 功率变压器次级第二路输出波形
34 充放电控制电路设计
图318 系统充放电电路设计图
根系统工作特点硬件电路采单片机控制系统实现控制系统硬件电路求高简单起见中心控制芯片选PIC系列单片机PIcl6C711微处理器图318示简单言控制系统包括功单元：
1信息检测系统：包括数采集处理系统部分监测电路充电状态时显示输出设备便者解蓄电池充电状态严格说电池充电测量包括电池端电压充电电流电池温度三参数较准确表征蓄电池充电状态系统出实际应考虑控制温升情况充电程中没采集电池温度温升情况作控制参数试验结果证明设计充电系统温升5℃相较充电系统言着较明显优势说明没采集温度参数控制蓄电池充电行简单成低廉图3—18示电池电压采集通联蓄电池两端两分压电阻 (l：6例采集蓄电池端电压)滤波电容构成采集电路然送单片机PICl6C7lAA口(PORTA)RA2脚PICl6C71A4路置A／D转换电路需外接A／D转换器实现采集数模拟数字化通蓄电池端电压检测实现蓄电池短路检测样充电电流采集通充放电回路中串联低阻值电阻 (约10)单电源运放LM358实现R42电压放器放送单片机A日(PORT A)RA1端鼹A／O转换电路实现充电电流值采样通充电电流值采样实现蓄电池组中否断电接线障检测
2输入输出系统：完成电池参数输入充电状态显示系统中等功率充电系统配备高额示设备然实际应角度出发采简单低廉发光晶体组显示电池充电状态4绿色发光1红色发光组合起实现种状态显示开始绿灯亮表示充电红灯亮表示充满电绿灯亮数表示电池充满电程度1绿灯亮似表示已遮满充20％2绿灯亮表示已达满充40％3绿灯亮表示已达满充60％4绿灯亮表示融达满充80％完全充满红灯亮表示5灯起闪灭表示障具体区分断电障短路障等方便实现RB1外接风扇开始充电启动风扇直涓流充电直结束充电
3图318 示充放电电路中开关采MOSFET里什电路中样选择晶体出考虑：低压开关中MOSFET价格普通晶体价格已差工作低频时MOSFET驱动电路简单功耗单片机RB2RBO口分驱动晶体N3N4进驱动两MOSFETQ4Q3实现电池充电放电停充停放RBO1时N4导通Q3受驱动导通输出电压v电池充电反RBO0时N4导通Q3关断停止充电RB21时N3导通Q4关断放电终止反RB20时N3关断Q4导通蓄电池进行放电程
占空充放电脉波形示意图
图319 D20充电脉 图320 D40充电脉
图3 21 D60充电脉 图322 D80充电脉
图323 放电脉波形 图324 充电脉零脉序列
35 系统保护措施设计
1 流保护：系统滤保护两部分第硬件实现流保护图313 电路中调节限流电阻R实现限流输出起第重流保护第二软件实现流保护图325通电流采样电阻监视充电电流调节输出充放电脉宽度停充时间长短改变充电电流均值实现定电流保护
2． 压保护：流保护类似压保护硬件软件两部分硬件压保护调节调电阻VR实现调电压值稳定输出：软件压保护通采集蓄电池端电压调节输出充放电脉宽度停充时间长短改变充电电压均值实现定电压保护
3．蓄电池组接反检测：里设计充电系统针两节12V9Ah铅酸蓄电池串联充电：果两蓄电池没短路蓄电池端电压少6V甚更高电压1：6采样蓄电池组端电压反馈RA2脚1V左右电压更坏情况电池严重放电电池端电压达3V反馈RA2脚寄05V左右电压接电源果RA2脚没采样02V庄右电压说明蓄电没组接反发出报警示意绿灯闪灭果蓄电池组接反单片机采样负电
4 蓄电池组断电检测：蓄电池接反检测类似进行蓄电池缎断电检测蓄电池充电特性知蓄电浊开始充电短时间端电压快升果短时间没检测蓄电池端电压升趋势说明蓄电池组接头松动者断电障发出报警示意设计充电系统里约开机分钟果RA2脚电压然低0．3V说明断电障发出报警示意提醒工作员做出检查
图325 障检测电路设计
4 充电方案软件实现
41软件流程
图41软件流程图
结束语
文针电动行车配备铅酸蓄电池动力系统提出种新颖波浪式正负零脉间歇柔性快速充电方式够效较短时间（23h）充满电池充进电量电流长时间充电相显示出较实际应价值研究包括两部分：
1．新型充电方法提出通蓄电浊电化学规机理研究特极化现象成分析提出零脉细负脉极化充电方法较传统恒流充电恒压充电方案二阶段充电方案正零脉充电方案变电流间歇充电方案变电压间歇充电方案充分分析特点基础提出利动态调节占空间歇时间实现变电压变电流波浪式正负零脉快速充电方法
2．充电电源硬究目前较成熟PWM调制技设计半桥变换器实现限压限流（值调)输出外系统成低廉MICROCHIP公司生产PICl6C71A单片机实现充电状态智控制采集蓄电池端电压结合软件实现变电压波浪式柔性充电实现短路障检测电池接反检测通采集充电电流实现变电流波浪式柔性充电面实现断电障检测
参考文献
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2张庆双 典实电路全 出版社：机械工业出版社
3张占松 开关电源原理设计（修订版） 出版社：电子工业出版社
4王昊 李昕 集成运放应电路设计360例电路应系列 出版社：电子工业出版社
5鲍尔奇 完整数字设计 出版社：清华学出版社
6陈坚 电力电子学 出版社：高等教育出版社
7康华光 电子技术基础 出版社：高等教育出版社
8杨恒 开关电源典型设计实例精选 出版社：中国电力出版社
9韩国栋等 Altium Designer 电路设计入门提高 出版社：化学工业出版社
10黄继昌等 电源专集成电路应 出版社：民邮电出版社
11 S．k song and k．h．kim． a dynamic state of charge model for electric
vehicle batteries
12 q．guoganL．jiangmingand j．hang a new battery state of charge
indicator for electric vehicles
13．M．kitagawa．development of battery state of charge indicator for
electric vehicles
致谢
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