電動(dòng)車(chē)電源充電器畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 恒電壓充電。 目前，電動(dòng)自行車(chē)所配置的充電器多是傳統(tǒng)的三段式充電器。三段式充電器的充電模式是把充電過(guò)程分為恒流、恒壓、浮充三個(gè)充電階段。以我國(guó)電動(dòng)自行車(chē)采用較多的 36V、 12Ah 鉛酸蓄電池為例，當(dāng)蓄電池放完電后，其充電參數(shù)為： 第一階段采用恒流充電，充電電流為（ 177。） A,充電電壓逐漸上升至,充電時(shí)間為 46h。 第二階段采用恒壓充電，充電電壓為 逐漸上升至（ 177。） V,充電電流逐漸降至（ 177。） A,充電時(shí)間在 24 h。 第三階段采用浮充充電 ,恒壓為 （ 177。） V, 浮充電流為（ 177。） A[ 4]。 鉛酸電池的充電方式曲線(xiàn)，如下頁(yè)圖 27 所示 分階段充電方式 ,雖是蓄電池充電的最理想方式 ,但充電器電路復(fù)雜 ,成本高 ,還需要有蓄電池電壓監(jiān)測(cè)控制電路。 充電器對(duì)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。其中 ,充電電壓與蓄電池是否充滿(mǎn)電有關(guān)，充電電流與蓄電池充得快或慢有關(guān)，而充電的波形與頻率則與蓄電池的容量與壽命 (即充得好壞 )有關(guān)。充電時(shí)三者各有側(cè)重，是相輔相成的關(guān)系。而三段式電動(dòng)自行車(chē)充電器的充電模 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 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 ) 圖 27 鉛酸電池的充電方式曲線(xiàn) 式，側(cè)重于充電電壓和充電電流，缺少充電波形和頻率方面的實(shí)施技術(shù)。這樣，就不能在充電過(guò)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。因此，理想的電動(dòng)自行車(chē)充電器應(yīng)具有脈沖充電、負(fù)脈沖激活，高頻充電和變頻充電等多種充電模式與充電技術(shù)，使電動(dòng)自行車(chē)充電器既有常規(guī)充電功能，又有修補(bǔ)性充電功能，成為多功能充電器。 167。 快速充電法 常規(guī)充電是采用小電流慢充方式，對(duì)新的鉛酸蓄電池而言，初充電需 70h以上，進(jìn)行普通充電也需 10h 以上。充電時(shí)間也 不能過(guò)長(zhǎng)，充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不僅拉長(zhǎng)充電監(jiān)測(cè)時(shí)間，浪費(fèi)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(hù)工作量。 快速充電法是用大電流在短時(shí)間內(nèi)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。為了保證蓄電池不過(guò)充和不因大電流短時(shí)內(nèi)充滿(mǎn)而損壞，需加有控制電路。此電路能在充電末期實(shí)時(shí)地檢測(cè)蓄電池的充電電壓、端電壓的溫度，并根據(jù)隨時(shí)檢測(cè)到的相關(guān)參數(shù)來(lái)控制充電過(guò)程。 檢測(cè)蓄電池電壓 在大電流充電末期，通過(guò)輔助電路檢測(cè)蓄電池電壓，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，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。為此，控制電路預(yù)設(shè)的充電截止電壓必 須比充電峰值電壓低。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 恒 流 電 源 開(kāi) 關(guān) 電 源電 壓 檢 測(cè) 電 路 比 較 電 路 △ V 檢 測(cè) 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(shí) 間U ( V ) 、 I （ A ）T （ H ） （ b）充電特性曲線(xiàn) 圖 28 △ V檢測(cè)控制系統(tǒng)框圖和充電特性曲線(xiàn) 檢測(cè)蓄電池端電壓降（ △ V） 充電時(shí)通過(guò)蓄電池的充電電流，是由輔助電路在大電流充電末期，檢測(cè)到的蓄電池端電壓降（ △ V）進(jìn)行控制的， △ V 檢測(cè)控制系統(tǒng)框圖和充電特性曲線(xiàn)如圖 28 所示。 △ V 檢測(cè)方式為電壓檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)充電器的充電峰值電壓確定后，若△ V 檢測(cè)電路檢測(cè)到蓄電池的端電 壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，由控制電路自動(dòng)改變充電器的充電方式。 檢測(cè)蓄電池溫度 蓄電池在充電末期，會(huì)因其負(fù)極發(fā)生氧復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)生熱量，使蓄電池溫度升高。蓄電池溫度的升高最終將導(dǎo)致充電電流增大，為控制因溫度升高所增大的電流，應(yīng)在蓄電池外殼上設(shè)置溫度傳感器或熱敏電阻等溫度檢測(cè)元件，實(shí)時(shí)地將蓄電池溫度信息傳遞給控制電路。當(dāng)蓄電池溫度升至設(shè)定值時(shí)，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。 蓄電池溫度檢測(cè)框圖和特性曲線(xiàn)如下頁(yè)圖 29 所示 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 開(kāi) 關(guān) 電 源恒 流 電 源G B溫 度 傳 感 器 （ a） 框圖 充 電 時(shí) 間T （ H ）U （ V ） I （ A ） T （ ℃ ）蓄 電 池 電 壓 U蓄 電 池 溫 度 T充 電 電 流 I關(guān) 閉 溫 度 （ b）特性曲線(xiàn) 圖 29 蓄電池溫度檢測(cè)框圖和特性曲線(xiàn) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 第 3章 充電基礎(chǔ)知識(shí) 167。 基本單元電路 167。 整流電路 在充電器中，必須把交流電變?yōu)橹绷麟?，這需要通過(guò)整流電路完成轉(zhuǎn)換，英文縮寫(xiě)交流為 AC,直流為 DC,交流變直流為 AC/DC。 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]。 V iO D 1 D 2 RCDABV o+V i0tV o0t （ a）單相全波整流電路 （ b）單相全波整流電路波形圖 圖 31 單相全波整流電路 橋式整流電路 圖 32(a）所示為基于變壓器中心抽頭的單相全波整流電路，而在實(shí)際應(yīng)用 D 1 D 3D 2 D 4 RV iABV 0V i0t0t （ a）橋式整流電路 （ b）橋式整流電路波形圖 圖 32 橋式整流電路 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 中，通常采用圖 32（ a）所示的另一種單相全波整流電路，叫橋式 全波整流電路。波形見(jiàn)圖 32（ b）所示。 在開(kāi)關(guān)電源式充電器中，這兩種整流電路都得到了應(yīng)用。大家都比較熟悉我們這里就不再贅述。 167。 濾波電路 由電路知識(shí)可知：理想電容的容抗對(duì)直流電 (f=0)是無(wú)窮大，而對(duì)交流成分，頻率越高容抗越小。理想電感的感抗對(duì)直流電（ f=0）是 0Ω，近似直通短路，而對(duì)交流成分，頻率越高越高 [16]。 利用電容和電感的電抗特點(diǎn)，可以組成形式多樣的濾波器。在波器電路中，通常，將電感串聯(lián)在電路中，利用的是電感對(duì)交流感抗對(duì)交流感抗大，阻擋交流成分；而將電容并聯(lián)在電路中，利用的就是電容對(duì) 交流容抗小，短路、旁路交流成分。一般最常見(jiàn)的就是電源濾波電路和電源噪聲濾波電路。 上節(jié)的整流電路之后輸出的是脈動(dòng)直流電。理論和實(shí)踐都表明，它是直流電和許多頻率不同的交流電的混合物。電源濾波電路的工作原理，也可解釋為：將交流成分堵?lián)趸蚺月罚ǘ搪罚?，保留直流成分。這里堵?lián)蹙褪抢秒姼袑?duì)交流感抗大，串聯(lián)在電路中堵?lián)踅涣鞒煞?；旁路就是利用電容?duì)直流電容抗是無(wú)窮大，而對(duì)交流成分容抗小，并聯(lián)在電路中將交流成分短路入地。 c 1 V i V oc 2 c 1 R V i V oc 2 （ a）電容電源濾波電路 （ b） RC 電源濾波電路 L C 1 C 2 V i V o L c 1 c 2 c 3c 4 V i V o （ c）噪聲濾波電路 圖 33 濾波電路 圖 33（ a）所示電路就是已經(jīng)介紹過(guò)的電容濾波電路。接在整流電路之后，本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 輸入脈動(dòng)直流電，輸出較平滑的直流電。圖 33（ b）所示電路由電容和電阻組合，叫 RC 濾波電路。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(duì)高頻成分旁路效果差些。因此，一 般并聯(lián)一只容量不大但寄生電感很小的高頻電容 C2，可以明顯改善對(duì)高頻濾波的效果，彌補(bǔ)電解電容的不足。 常用 50HZ 交流市電，本來(lái)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(duì)它造成污染，可以看作在 50HZ 正弦波交流市電中，摻進(jìn)了許多高頻電流干擾。圖 33（ c）所示電路就是開(kāi)關(guān)電源是充電器所特有的電源噪聲濾波電路。串聯(lián)在市電和橋式整流電路之間。一方面，它阻擋了市電中的干擾竄進(jìn)充電器，另一方面，它也阻擋了開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的干擾反竄回市電電網(wǎng)中造成電磁污染。 圖 33（ c）中左邊圖的 L 是雙線(xiàn)并聯(lián)繞在同 一個(gè)磁芯上的濾波電感。電感 L 串聯(lián)在電路中，利用其交流共模感抗大，阻擋共模高頻干擾成分。圖 33（ c）中右邊圖是左邊圖的改進(jìn)，電容變成了四只 C C C C4。它們的其中一端都接地，可將差模和共模的高頻干擾通過(guò)電源插頭的保護(hù)地，引入地。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。 167。 輔助電路 167。 防浪涌電路 關(guān)電源式充電器中，在市電橋式整流電路后面，幾乎所有電容濾波電路，濾波電路端的電壓通電前為 0V，加電瞬間，電容兩端的電壓不能跳變，相當(dāng)于短路，電流極大，這個(gè)沖擊電流，叫做浪涌電流，極易 損壞整流管等元件，為了保護(hù)它們，在電路里串聯(lián)一只 負(fù)溫度系數(shù) 的熱敏電阻。見(jiàn)圖 34（ b）所示 電 阻室 溫05 1 0 Ω 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 （ a）負(fù)溫度系數(shù)電阻 NTC 特性曲線(xiàn) D 4D 2D 3 D 1C市電R t+ （ b）使用負(fù)溫系熱敏電阻的放浪涌電路 圖 34 使用負(fù)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。這里講的熱敏電阻是有明顯正溫度系數(shù)（ PTC）或負(fù)溫度系數(shù)的（ NTC）的電阻 [1]。 在充電器里 廣泛使用的是負(fù)溫度系數(shù)電阻其特性見(jiàn) 34（ a）所示。在室溫下，通電前，它僅有 510Ω 電阻值，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，溫度會(huì)上升，其電阻會(huì)減小，這種負(fù)溫度系數(shù)電阻串聯(lián)在充電器的市電輸入電路里，加電瞬間，室溫下 510Ω 電阻的串聯(lián)大大降低了浪涌電流，隨通電時(shí)間增加， NTC 溫度升高，其電阻值下降接近 0Ω，但為了維持電阻發(fā)熱，需要保持一個(gè)非常小的電阻，這種小電阻對(duì)電路功率影響很小，因此，這種簡(jiǎn)單有效的防浪涌電路被廣泛應(yīng)用在開(kāi)關(guān)電源式的充電器中。 熱敏電阻在原理圖中的代號(hào)是 Rt，在實(shí)際使用中無(wú)正負(fù)極之分。在橋式整流電路的二 極管上并聯(lián)小電容，對(duì)二極管也有抗浪涌保護(hù)作用。 167。 防市電過(guò)壓電路 充 電器還使用一種壓敏電阻作市電輸入過(guò)壓保護(hù)。這種電阻兩端電壓沒(méi)有超過(guò)保護(hù)值時(shí)，阻值呈現(xiàn)無(wú)窮大。但是當(dāng)兩端電壓超過(guò)保護(hù)啟動(dòng)電壓時(shí)，其電阻值急劇下降，接近短路。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(shí)，它的阻值接近無(wú)窮大，當(dāng)市電高于保護(hù)值時(shí)，其電阻值接近 0Ω，將市電輸入短路，造成保險(xiǎn)管熔斷，從而切斷電源，起到過(guò)壓保護(hù)作用。壓敏電阻在原理圖中的代號(hào)是 Rv，在實(shí)際使用中無(wú)正負(fù)極之分，特性和應(yīng)用見(jiàn)下頁(yè)圖 35 所示 [2]。 壓 敏電阻啟動(dòng)電壓的測(cè)量可用搖表和電壓表配合進(jìn)行，我們?cè)俅瞬蛔鹘榻B。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 電 阻電 阻 值 無(wú) 窮 大電 阻 值 接近 零 歐 姆 V V (a)壓敏電阻特性曲線(xiàn) D 4D 2D 3 D 1C市電保 險(xiǎn) 管R V （ b）使用壓敏電阻的防過(guò)壓電路 圖 35 壓敏電阻特性線(xiàn)與使用壓敏電阻的防過(guò)壓電路 167。 全橋和半橋式開(kāi)關(guān)電源的 DC/AC 功率轉(zhuǎn)換 開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是：比串聯(lián)式穩(wěn)壓器效率高省電； PWM 頻率高過(guò)幾十千赫；變壓電感的體積重量可以做得最?。还?jié)省鋼材銅材；保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)間可以做到小于半導(dǎo)體的（也叫焦?fàn)枺p壞時(shí)間。 功 率轉(zhuǎn)換部分由變壓器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和傳遞，是個(gè)關(guān)鍵部位，由于變壓器能對(duì)交流進(jìn)行電能傳遞，對(duì)直流電需要通過(guò)開(kāi)關(guān)將通過(guò)初級(jí)繞阻的電流大小和方向進(jìn)行不斷交換，這就是開(kāi)關(guān)電源名字的來(lái)歷。圖 36 給出了常用的全橋式和半橋式開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程，圖中 V 為直流電源； L1 為變壓器的初級(jí)繞組， L2 為次級(jí)繞組； K 是開(kāi)關(guān)，實(shí)際電路中 K 是功率開(kāi)關(guān)管；箭頭是電流方向。圖 36（ a）是全橋式的，成本高，市場(chǎng)上不多見(jiàn)。圖 36（ b）是充電器中半橋式開(kāi)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(lèi)。 開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，傳輸電能多， 次級(jí)繞組的輸出電壓高，電流就相應(yīng)大。用 PWM 控制功率開(kāi)關(guān)管，就可以改變次級(jí)繞組輸出的電壓和電流。加上閉環(huán)反饋就可以穩(wěn)定電壓、電流或限制功率 [5]。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 VK 1K 2L 1L 2K 3K 4K 1K 2L 1L 2K 3K 4 VK 1K 2L 1L 2K 3K 4