【完整版】电动自行车智能充电器设计_毕业论文设计

电动自行车智能充电器设计
机械电子工程专业学生
指导教师
摘要：本课题综合应用所学的电路、电子技术、模拟电子线路的理论知识，深入学习及实践操作，提出并设计出一种智能控制电路。

通过对充电器的充电及工作原理的分析和电路的设计,并实际调试，来加强对开关电源产品的认知和接受，在研究电动自行车的基础上，通过认真调查铅酸蓄电池充电注意事项，电动车用铅酸蓄电池充电过程和充电曲线，综合运用开关电源技术，开发了一款基于UC3842和LM358的智能充电器，该充电器能够对蓄电池进行很好的监测与控制，从而在达到快速充电的同时又能够有效的对蓄电池起到保护作用。

充电过程分涓流充电、快速充电、均充电、浮充电四个部分。

主电源部分采用光电耦器PC817控制集成芯片UC3842中误差放大器的输入误差电压，实现稳压充电。

恒流电路实现对锂电池恒流充电。

该方案不仅可实现快速充电，同时可以减少析气，消除硫化，进行均衡充电，从而大大地延长了铅酸蓄电池的使用寿命。

关键词：智能；锂电池充电；开关电源；UC3842
Design of Intelligent Electric Bicycle Charger
Student majoring in mechatronic engineering
Tutor
Abstract：The circuit, electronic technology, analog electronic circuit theory knowledge comprehensive application of the theory, in-depth study and practice, put forward and design of an intelligent control circuit. Through the design analysis and the charging circuit and working principle of charger and the actual debugging, to strengthen and acceptance of switching power supply products, cognition, based on the electric bicycle, based on the investigation of lithium battery charging notice, lithium batteries for electric vehicle charging process and charging curve, the integrated use of switch power supply technology, development a intelligent charger based on UC3842 and LM358, the charger to the battery well monitored to control, which can effectively
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protect the battery work at the same time achieve rapid charging. The charging process of trickle charging, fast charging, charging, charging four parts. The input error voltage photoelectric coupler PC817 control error amplifier integrated chip UC3842 in the main power supply portion, to achieve voltage regulation. The constant current circuit of constant current charging lithium batteries. The scheme not only can realize the fast charge, also can reduce the gas evolution, eliminate sulfide, balanced charge, thereby greatly prolonging the service life of the lead-acid battery.
Keywords：Intelligent; Iithium battery; Switching power supply; UC3842
引言
电动车由于内燃机工业的逐渐成熟、相关周边设备的发明，使得其制造与生产一直处于停滞状态。

直到最近几年，随着油价的不断上涨和人们对环保的意识增强，使用高效、清洁的能源来取代以油的领导地位已成为社会发展的必然趋势。

拜近代科技与电子工业发达之赐，电动车产品已不若百年前的电动车一般，除了在电池科技有大幅的进步以外，在车辆的动力控制上亦将能源作有效的分配与撷取，以使得车辆功率与续航力大增，直逼一般内燃机车辆的水准。

然而由于内燃机车辆的发展亦有近百年的历史，其实用性与普遍性不容质疑，成为我们生活中不可或缺的一部份。

如何在目前数以亿计的内燃机车辆世界中，说服人们放弃原有的使用观与价值观，改用以无污染的电动车辆，并成为主流车种，实为一段艰巨又漫长的路。

电动车辆无法在短时间内取代原有内燃机车种的最主要原因不外乎以下三项：
1) 车辆的价格：由于电动车的发展尚在起步阶段，许多研发的成本加上制造的数量，均无法与年产百万的大汽车厂相比拟，因此在购车成本上亦相对提高。

2) 车辆的性能：由于目前并未发展出成熟性的高效率电池，以提供车辆装载大功率马达、提升整体续航力及短时间的能源补充等，因此仍无法与一般机动车辆的性能互相抗衡。

3) 能源的补充：电动车辆补充能源的唯一方式为充电，但是相对地充电设备必须与目前的加油站相当，具有一定的商业规模，并配合高效率电池的开发，降低充电的时间，方能符合现代生活的需求。

除此之外，电动车辆大量生产后，车上零组件的回收问题，尤其是电池，更成为未来环保工作上必须面临的重要课题。

有鉴于此，目前在发展电动车辆的同时，即应将周边设备与社会规模同时考量，逐步推广以鼓励民众购置，并规划长期目标，以避免空气污染改善完成后，另一种形式的污染问题又产生。

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，其价格低、绿色环保、使用安全方便等优势更是受到广大消费群众的喜爱。

中国已成为全球电动自行车的制造、消费大国，目前平均每四户居民家庭中就有一辆电动自行车，电动自行车已经成为城乡人民生活中的一种重要的消费品。

面对世界金融危机的挑战，电动自行车产业依然保持了平稳发展，以此足以说明，电动车的发展前景可期。

在我国，电动汽车动力电池是铅酸电池，这主要是由于铅酸蓄电池具有技术成熟，与负载输出特性良好，无记忆效应，电池容量大，成本低等优点。

当然，也有一些高性能电池，比如锂电池、燃料电池等。

铅酸电池是现今为止世界上广泛使用的一种无机化学电源，该产品具有良好的可逆性、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、原材料丰富及造价低廉等优点而得到了广泛的使用，同时也是社会生产经营活动中不可缺少的产品。

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。

其中充电器更是电动自行车的重要部件。

现在市场上的电动自行车多种多样，常见的种类有：按驱动传动方式分为摩擦轮传动、中轴链轮传动型和轮毂驱动型。

其中轮毂驱动型的优点是设计合理、结构紧凑，体积小，重量轻，传动效率比前两种都高，是目前多数电动自行车所选用的驱动方式。

按驱动电机类型分有刷直流电机型和无刷直流电机型。

按配备的附属装置分豪华型和经济型。

按自动化程度分为标准型：它即可以脚踏车，又能电动驱动助行，主要通过手把人为控制电动自行车在20Km
图1-5 铅酸蓄电池要求的充电电压电流曲线
1) 涓流充电
对长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池充电时，一开始就采用快速充电会影响电池的寿命。

为了避免这一问题要先对蓄电池实行稳定小电流充电，使电池电压上升，当电池电压上升到能接受大电流充电的阈值时再进行大电流快速充电。

2) 快速充电
在快速充电过程中，采用分级定电流脉冲快速充电法，将充电电流分成三级。

开始充电时采用大电流，随着电池容量的增加，电压逐渐升高，电流等级开始降低，使充电电流的脉冲幅度和宽度随蓄电池端电压的升高而分级减小。

这种方法可以用来消除振荡现象和过充电的问题。

在脉冲快速充电过程中，电池电压上升较快，当电压上升至补足
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充电电压值时，转入均充电阶段。

3) 均充电
该阶段为恒压充电，它可以快速恢复电池容量。

此时充电电流减小，当电流下降至某一固定值时，自动转入浮充电。

4) 浮充电
该阶段以较小的电流向蓄电池充电，使蓄电池经常处于满充电状态。

此时标志着充电过程结束。

2 总体设计方案
2.1 系统设计
根据课题的要求，系统采用开关电源，通过脉冲电流的方式来实现充电的目的]5[。

由市电送来的220V交流电经整流、滤波后，经脉冲变压器降压送给蓄电池进行充电。

对系统信号进行采样和控制，将充电的电压和电流信号反馈回PWM信号发生器，由PWM 信号发生器控制开关管通断的占空比完成充电的。

当蓄电池的电压达到额定值后，说明蓄电池已经充满电。

控制开关，断开电源，停止充电。

2.2 方案比较与方案选择
方案一：用PWM信号发生器(UC3842)实现。

蓄电池充电时，电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样的信号经过各种处理后，分别送进PWM信号发生器的电压和电流反馈引脚。

PWM信号发生器对反馈回来的电压、电流信号进行分析，然后调整PWM输出信号的占空比。

这个PWM信号送给开关电源开关管，从而便调节的开关管在一个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。

这种方法是目前市场充电器流行使用的方法，也是一种很技术非常成熟的方法。

这种方案的优点是，技术简单、成熟、有多年的实用经验、所需的元器件少、成本低。

如图2-1所示：
图2-1 方案一原理图
方案二：用单片机实现的方案。

由51系列单片机代替PWM信号发生器输出PWM 波形控制开关管在一个周期内的导通与断开。

电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样信号分别送进模数转换器，将电压和电流的模拟信号转换为数字信号。

数字信号送入单片机（MCU），由单片机对数字信号进行分析和处理。

然后单片机调整PWM输出信号的占空比。

这个PWM信号送给开关电源开关管，从而便调节的开关管在一个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。

当蓄电池充电满后，由单片机输出信号控制开关断开电源，充电器便停止对蓄电池的充电]6[。

这是充电器目前比较新的一种方法，这种方案的特点是，技术比较复杂、没有什么实用经验、所需的元器件少，成本比方案一要高，单片机使用软件来控制整个充电器，使得充电的过程易于控制。

在充满电的情况下才会产生过充电的现象，减少蓄电池的损耗，延长蓄电池的寿命，如图2-2所示：
图2-2 方案二原理图
方案三：用VHDL（超高速集成电路）设计实现。

用VHDL设计主要是利用有限状态机来实现。

用状态机来控制AD采样，包括将采得的数据存入RAM，整个采样周期需要4至5个状态即可完成。

由FPGA代替PWM信号发生器输出PWM波形控制开关管在一个周期内的导通与断开。

电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进
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行采样，采样信号分别送进模数转换器，将电压和电流的模拟信号转换为数字信号。

数字信号送入FPGA，由FPGA的有限状态机对数字信号进行分析和处理。

然后FPGA 调整PWM输出信号的占空比。

这个PWM信号送给开关电源开关管，从而便调节的开关管在一个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。

当蓄电池充电满后，由单片机输出信号控制开关断开电源，充电器便停止对蓄电池的充电。

这是充电器目前比较新的一种方法，这种方案的特点是，技术是最复杂、使用VHDL语言编程比较复杂，没有实用经验、所需的元器件少、成本比上两个方案都要高，但是由于FPGA能通过编程构造各种功能的模块，可以大大的减少外围电路，增加电路的抗干扰的能力，FPGA的晶振频率一般为几十MHz，故信号的采样频率高。

在充满电的情况下才会产生过充电的现象，减少蓄电池的损耗，延长蓄电池的寿命，如图2-3所示
图2-3 方案三原理图
综合以上三个方案，方案二成本比方案一高，利用到单片机，而且需要PLC编程，对于大规模生产方面不切实际，在此不选用这种方案。

方案三需要的成本最高，编写VHDL程序复杂，在此不选用这种方案。

方案一技术简单、成熟、有多年的实用经验、所需的元器件少、成本低，因此在本次设计选择此方案。

3 电路的设计
3.1 电路总体设计
由市电送来的220V的交流双向滤波抑制干扰进行整流滤波，得到大约300V的直流电送入给高频脉冲变压器，高频变压器的次级绕组输出电压给蓄电池充电。

在蓄电池的出口处分别的进行电压和电流的采样，采样信号送入低通滤波器以滤掉谐波的干扰。

以UC3842驱动场效应管的单管开关电源，然后再输出的PWM波形的频率和占空比，配合LM358双运放来实现阶段充电方式，如图3-1所示。

图3-1 电路总体设计原理图
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3.2 充电器电路图及各元件作用
T0为双向滤波抑制干扰，T1为高频脉冲变压器，其作用有三个：第一是把高压脉冲降压为低压脉冲；第二是起到隔离高压的作用，以防触电；第三是为UC3842提供工作电源。

D1整流为直流，D4为高频整流管（16A60V）,D5为12V稳压二极管，D6为充电指示灯，D10是电源指示灯。

C10为低压滤波电容，C11滤波形成约300V左右的直流电。

R28是电流取样电阻（0.1欧姆，5w）改变W1的阻值可以调整充电器转浮充的拐点电流（200－300 mA）。

U1 为UC3842脉宽调制集成电路，其5脚为电源负极，7脚为电源正极，6脚为脉冲输出直接驱动场效应管Q1, 3脚为最大电流限制，调整R7(2.5欧姆)的阻值可以调整充电器的最大电流，2脚为电压反馈，可以调节充电器的输出电压，4脚外接振荡电阻R1和振荡电容C1。

U3(TL431)为精密基准电压源，配合U2(光耦合器)起到自动调节充电器电压的作用并调整w2(微调电阻)可以细调充电器的电压。

如图3-2所示]9[。

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图3-2 充电器电路图
3.3 功能模块电路的设计
3.3.1 第一路通电开始第一路如图3-3：市电送来的220v交流电经T0双向滤波抑制干扰，D1整流为脉动直流，再经C11滤波形成约300V左右的直流电。

此电压一路经T1加载到Q1。

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图3-3 整流电路
3.3.2 第二路 UC3842电路UC3842是开关电源用电流控制方式的脉宽调制集成电路。

与电压控制方式相比在负载响应和线性调整度等方面有很多优越之处。

该电路主要特点有：内含欠电压锁定电路；低起动电流（典型值为0.12mA）；稳定的内部基准电压源；大电流推挽输出（驱动电流达1A）；工作频率可到500kHz；自动负反馈补偿电路；双脉冲抑制；较强的负载响应特性]11[。

UC3842的内部由启动电路，振荡电路，基准电压发生器，PWM特制电路，驱动电路等构成。

其各引脚功能如下，如图3-4所示：
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图3-4 UC3842引脚图
1脚COMP是内部误差放大器的输出端，通常此脚与2脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。

2脚VFB是反馈电压输入端（内部误差放大器反相输入端），此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压(一般为+2.5V)进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度。

3脚ISENSE是电流传感端又可定义为充电电流控制端。

在外围电路中，功率开关管的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入3 脚，控制脉宽。

此外，当电源电压异常时，功率开关管的电流增大，当取样电阻上的电压超过1V时，UC3842就停止输出，有效地保护了功率开关管。

4脚RTCT是外接振荡器定时端。

锯齿波振荡器外接定时电容C和定时电阻R的公共端。

5脚GND是接地。

6脚OUT是驱动脉冲输出端，此脚为图滕柱式输出，驱动能力是±lA。

这种图腾柱结构对被驱动的功率管的关断有利，因为当三极管VTl截止时，VT2导通，为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路，加速功率管的关断。

7脚Vcc是电源。

当供电电压低于＋16V时，UC3824不工作，此时耗电在1mA以下。

输入电压可以通过一个大阻值电阻从高压降压获得。

芯片工作后，输入电压可在+10～+30V之间波动，低于+10V停止工作。

工作时耗电约为15mA，此电流可通过反馈电阻提供。

8脚VREF是5V基准电压输出，可输出精确的+5V基准电压，电流可达50mA]7[。

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图3-5 UC3842电路
UC3842电路如图3-5，分析如下：300V的直流电压经过R2，C8，C3为脉宽调制集成电路U1的第七脚提供启动电压，U1的7脚的道启动电压后，（7脚电压高于14V 时，集成电路开始工作）强迫U1启动，6脚输出PWM脉冲，Q1开始工作，电流经R7到地，三脚为最大电流限制，经过R9，R10，到R7，调整R7阻值可以调整充电器的最大电流。

同时，T1变压器的副线圈产生感应电压，经D3，R4给U1提供可靠电源。

T1输出线圈的电压经D4高频整流管，低压滤波电容C10整流滤波后提供了稳定的工作电压。

此电压一路经D7（D7起到防止电池的电流倒灌给充电器的作用）给电池充电。

四脚外接振荡电阻R1和振荡电容C1决定U1的振荡频率]4[。

3.3.3 第三路 LM358电路LM358是内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补
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偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也使用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所用可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

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图3-6 LM358引脚图
LM358引脚功能：第3脚的+IN1和第5脚的+IN2是运放正向输入端；第2脚的-IN1和第6脚的-IN2是运放反向输入端；第1脚的OUT1和第7脚的OUT2 ：是运放的输出端；第8脚是12V供电；第4脚是接地。

结构如图3-6所示。

LM358电路如图3-7，分析如下：由一个稳定的电压由第二路流入LM358的R15，第三路经R15，D5，C9及其外围电路提供12V工作电源。

D9为LM358提供基准电压，经R25，R24分压到达LM358A的第2脚和LM358B的第5脚。

正常充电时，R28电流取样电阻上端有0.15-0.18V左右电压，此电压一路经R27加载到LM358A的第3脚，从1脚送出高电压，此电压一路经R18，强迫Q2导通，D6LED红灯点亮。

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图3-7 LM358电路第二路注入LM358B的6脚，7脚输出低电压，迫使Q3关断，D10LED绿灯熄灭，充电器进入恒流源充电阶段。

当电池电压上升到44.2V左右时，充电器进入恒压充电阶段，输出电压维持在44.2V左右，充电器进入恒压充电阶段，电流逐渐减少，当充电电流减少到200MA-300MA时，R28上端的电压下降，LM358的3脚电压低于2脚，1脚输出低电压，Q2关断，D6熄灭。

同时7脚输出高电压，此电压一路迫使Q3导通，D10点亮，另一路经D8，W1到达反馈电路，使电压降低，充电器进入涓流充电阶段。

由此进入快速充电阶段，1到2小时充电结束。

3.4 辅件散热风扇
因为没有加散热风扇，开关管很易过热损坏，可用一只小风扇。

由图3-8所示，左边是开关变压器及加绕的线圈，用漆包线在变压器空隙中穿绕3~5匝而成。

线圈输出的高频交流电压由VD整流，C滤波后给风扇M供电。

实践证明，12V风扇在8~12v范围内皆可工作，线圈实际绕的匝数有实验确定，由于M工作电流仅有100多ma。

因而不会对开关管及电路造成影响。

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图3-8 散热风扇图
4 总结
采用以UC3842驱动场效应管的单管开关电源配合LM358双运放电路设计的智能充电器，能够实现对电车的蓄电池进行充电，并能够根据充电过程自动调整控制参数，可以实现充电过程的无人值守，延长电池的使用寿命。

由于设计时间短，在电路设计与充电算法方面还存在不足，有待于以后不断改进。

因电动车智能充电器对可靠性要求很高，因此除了要对整体结构进行合理设计外，还要对保护电路进行完善考虑。

因此，我们需要对设置输入欠压、过压及过流；输出过流、过压及短路；功率管过流及过热保护；蓄电池的过热保护等方面进行进一步的研究和创新。

电动摩托车充电器已制造出实验样机，其性能方面已经达到了一个新的台阶。

我们坚信，电动自行车使用铅蓄电池是一个潜在的巨大的持久性产业，经过几年的努力它一定会演变成现实的生产，给人们的生活和工作带来巨大的变化。

通过本次的毕业论文设计，做为对大学四年所学知识的总结，我学到了很多东西，同时在设计制作的过程中也发现很多的问题，从最开始论文课题的选择到对相关课题资料的搜集，再到自己对论文内容思路的设计、编写以致最后阶段的修改与完善。

在这个过程里，加深了我对我们大学四年所学习的相关电子知识的理解，使我对自己所学的知识得到了更好的掌握。

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参考文献：
[1] 王鸿麟，钱建立，周晓军.智能快速充电器设计与制作[J].北京:科学出版社，2009
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[5] 刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M]．北京：电子工业出版社，2010
[6] 蔡纯洁,邢武.单片机原理和应用[M].合肥:中国科学技术大学出版社，2010.05
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[8] 姜绍信.铅酸蓄电池的快速充电[J].天津:天津科学技术出版社,2010
[9] 孙立群，张宝金.电动自行车充电器与维修[M].北京：人民邮电大学出版社，2009
[10] 薛金梅.图解维修电动自行车智能充电器和控制器[M]. 北京：机械工程出版社，2005.01
[11] 周志敏，周继海，纪爱华.充电器电路设计与应用[M]. 北京：人民邮电出版社，2003.10
致谢
通过本次设计，对充电器的整个流程的实现有了充分的了解，在这方面的知识面得到了很大的提高。

同时，在设计的过程中由于时间较短，自身技术的不成熟，设计中仍存在很大的不足，希望在之后的学习中能够不断改进。

在对设计实现过程中得到了任国军老师精心的辅导才在有限的时间内顺利地完成设计。

在毕业设计即将结束之即，再次对帮助过我的同学和教诲过我的各位老师表示衷心的感谢，特别是我的指导教师任国军老师，在此我对任老师能在百忙中不厌其烦的、精心的为我们辅导而表示深深的感谢！
感谢我的辅导员陈伟老师在学习和生活上对我的教育和关心，感谢所有任课老师教给我的基础与专业知识，让我能在这次论文及以后的工作中展开运用，感谢各位帮助我完成论文的同学。

最后感谢学院、母校对我的培养！祝母校明天更加辉煌！
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