电动自行车智能蓄电池充电器设计毕业论文

电动自行车智能蓄电池充电器设计毕业论文内容摘要：

(3)电压零增量 (0△ V):镍氢电池充电器中，为了避免等待出现电压负增量的时间过长而损坏电池，通常采用 0△ V 控制法。 其缺点是 :未充足电前，当电池电压在某一段时间内变化很小，会被系统误认为出现 0△ V 而停止充电，造成误操作。 目前大多数镍氢电池快速充电器都采用高 灵敏的 0△ V 检测，当电池电压略有下降时，立即停止快速充电。 :电池温度上升到规定数值后，必须立即停止快速充电，以避免电池 毕业设计 9 损坏。 电池温度控制主要有最高温度 (TMAX)和温度变化率 (△ T/△ t)两种。 (1)最高温度 (TMAX):充电过程中，通常当电池温度达到 40℃ 时，立即停止快速充电，否则会损坏电池。 电池的温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来检测。 其缺点是 :热敏电阻的响应时间较长，温度检测有一定滞后。 (2)温度变化率 (△ T/△ t):镍氢和福镍电池充足电后，电池温度会迅速上升，且上升 率△ T/△ t 基本相同，当电池温度每分钟上升 1℃时，应该立即终止快速充电。 由于热敏电阻与温度之间是非线性关系，因此为了提高检测精度，应设法减小热敏电阻非线性的影响。 采用温度控制法时，由于热敏电阻响应时间较长，再加上环境温度的影响，不能准确的检测电池是否充足电。 :以上三种方法各有优缺点，若只采用一种方法，则很难保证电池获得最好的充电性能。 为了保证在任何情况下均能可靠地检测到电池充足电的状态，可采用具有温度控制和电池电压控制功能的综合控制法。 智能充电器的主要参数 以密封铅酸蓄电池为例，对 于单体电池 : Voc= (Voc 为充满电的电压峰值 ) VD= (VD 为大电流充电时启动电压 ) VF= (VF 为开始进入浮充电压值 ) 本文设计的智能充电器主要参数见表 31 所示。 表 31 智能充电器主要参数 电池参数 名称 定义及计算公式 取值 V 电池组电压 12V NC 单格电池数量 串联电池个数 6 C 电池组容量 2Ah VD 单格大电流充电电压 @25176。 C，大电流充电状态 VF 单格浮充电压 @25176。 C，满充状态 单格最大电压 @25176。 C，过充状态 IBULK 最大充电电流 IBULK=C/10~C/2 700mA ITRICKLE 涓流充电电流 ITRICKLE=C/25 40mA IOCT 过充电电流 IOCT=IBULK/5 140mA IFLOAT 浮充电电流 IFLOAT=1/20C 20mA 毕业设计 10 TC 单格电池温度系数 温度上升 1 度，电压下降 TMIN 电池最低温度 0176。 C TMAX 电池允许最高温度 40176。 C VBULK 大电流充电电压 VBULK=VD NC VFLOAT 浮充电压 VFLOAT=VF NC 电池最低电压 =[VD+(TMAX25) TC] NC 电池最高电压 =[Voc+(TMIN25) TC] NC PMAX 最大输出功率 PMAX=IBULK 电动自行车智能充电器的硬件设计 电动自行车智能充电器电路主要包括电源部分、采集部分、主控电路部分、人机交互部分。 电源部分： 由电源变压器、桥式整流电路、滤波电路和稳压电路组成。 电源部分为单片机提供电压以及电池充电工作时需要的各种电压； 采集部分 ：由电压采样、电流采样、温度检测模块组成； 主控电路部分： 由电压检测取样电路将电池端电压的大小反馈回单片机系统内部，由单片机判断后确定应采用何种充电状态， PWM 脉宽调制作为占空比调节输出电流，来控制和完成四个充电过程； 人机交互部分： 由显示模块、声光报警和 按键部分 组成。 主要功能是接收来自系统的电压、温度、电流大小、电池充满百分比以及故障信息，并按要求给予实时显示。 当故障出现和充满电时 要发出声光报警，该部分信息交换以中断方式进行。 图 32 所示是智能充电器结构框图 [17]。 显 示 电 池 电压采样 电流调节 CPU 声光报警 交流 220V 输入 电流采样 AC/DC 转换器 温度检测 毕业设计 11 图 32 智能充电器结构框图 本文设计的电源实验装置的主要技术指标为 : 输入电压 :交流 220 士 10V， 50Hz 输出电压调节范围 :— 16V DC 输出电流 :额定 20— 700mA DC 效率 :80% 最大输出功率 : Pomax=UomaxIomax = = (31) 最大输入功率 : Pimax=Pomax/ηmin = (32) 开关频率 : fs = 20kHz (33) 最大占空比 : DMAX = (34) 直流电源电路设计 电源部分由电源变压器、桥式整流电路、滤波电路和稳压电路组成 [6]。 电路图见图33 所示。 直流电源部分的工作原理：交流 220V 的市电经变压器 T1 降压、桥式整流电路进行整流，然后通过 Cl滤波，所得到的电压 VIN=14V 同时提供给 BUCK 变换器和 LM7805，LM7805 三端稳压器稳压后的输出为单片机提供 +5V 的直流工作电源。 若电源准备就绪，发光二极管 POWER 亮，显示电源正常。 图 33 直流电源电路 变压器要求选用高频变压器，该变压器对磁性材料的要求较高。 本电路选用的是频 毕业设计 12 率可达 120KHz，绕组耦合性能好、分布电容、电感不太大的变压器。 变压器二次侧电压有效值为 24V，整流后输出电压平均值 U2=，整流二极管最大峰值电流 IDP=Pimax/Uomin ≈2A，每只二极管承受的最大电压 UDP=12≈17V。 根据计算结果，考虑安全裕量，选择整流二极管模块为 LSM345，最大允许电流为 3A。 LM7805 集成稳压器的选用 LM7805 是固定输出正电压的串联型三端集成稳压器，它把调整管、稳压管、比较放大器和多种保护电路集成到一块芯片上，具有体积小、可靠性高、使用简单等特点。 尤其是集成稳压器内部具有多种保护功能，包括过流保护、过压保护和过热保护等。 性能稳定，输出电流 1A 以上，无需外部元件，具有输出晶体管安全范围保护。 滤波电容 Cl选择 100μF/25V的电解电容。 C4 选择 100nF 的小电容。 在本电路中，因为电源的开关频率较高，一般的电容器的电容损耗较大，电感量较大，当 频率增加时，衰减很大，无法满足要求。 因此选用了专用的高频耐高温电容器，同时对电容容量和电容温度系数要求也较高，从而保证电路的稳定运行。 主控电路设计 单片机内核集成的 PWM 脉宽调制电路和 模数转换器（ A/D）、 BUCK 变换器组成开关型电流控制回路，即为本设计的主控电路。 主控电路图见图 34 所示。 图 34 智能充电器主控电路图 毕业设计 13 一、开关型电流控制回路（主控电路） 变换器的开关原理 开关电源是电路中容易发生故障的部分，因此开关管的选择要十分谨慎。 本电路选用型 号为 IRF630 的高频率开关管，其最大电流为 9A，耐压为 200V，导通后的电阻只有 ，线性转换特性好。 该管是专用的开关管，防止二次击穿性能较好。 BUCK 变换器包括由 NPN 晶体管驱动的 P 沟道 MOSFET 开关管与电感、二极管和电容相连，工作原理图见图 35。 图 35 BUCK 变换器开关原理 当开关管接通时 (原理图中以一个开关表示 )，电流按图 (A)所示方向流动，电容通过电感被充电 (电感也吸收了能量 )。 当开关管打开时，如图 (B)所示，电感试图保持 电流，从而导致电流流过二极管、电感和电容，这是一个 BUCK 变换器的工作周期。 如果减少占空比，开通时间减少，断开时间增加，则输出电压也将下降。 反之输出电压增加。 在占空比为 50%时， BUCK 变换器的效率最高。 图中二极管 D 是用来防止在断电时电池向微处理器供电。 充电电流是由 PWM 脉宽调制电路 (单片机内核集成 )的输出调节的。 当充电电流与给定值之间存在误差时，可通过改变微调电位器 RP 来调节该电源的输出电流，以获得所需要的充电电流。 通用型三极管 C1815 是激励放大管 (或称末前级放大管 )，利用它将 PWM 输出信号进行电压 放大，给功率放大输出级以足够的驱动电压。 BUCK 变换器的主要参数见表 32。 表 32 BUCK 变换器主要参数 参数 名称 计算公式 取值 最小输入电压 18V 最大输入电压 30V 开关频率 20kHz VD1F D1 压降 大电流充电状态 毕业设计 14 VD2F D2 压降 大电流充电状态 △ 电感纹波电流 △ = L1 变换器输出电感 sMAXLMAXIN fI VL 4.1.1  DMAX 最大占空比 FDM ININFDFDM A XBATM A X VV VVVD2.21.   DMIN 最小占空比 FDM ININFDFDM INB A TM IN VV VVVD2.21.   D1 击穿电压 MA XBATRRM VV . 额定电流 BULKOMIN II 2 D2 击穿电压 MAXINRRM VV . 45V 额定电流 BULKOMIN II 2 Q1 BUCK 主开关 MOSFET 晶体管 IRF630 击穿电压 MAXINDSSQ VV ..1 .51 45V 额定电流 BULKQ II 41  C6 输出电容额定电压 MAXBATC VV .5 .51 1000uF/25V 反向最大电流 1..5  108mA 开关管最大输出电流 PWM 脉宽调制作为占空比调节，来控制涓流充电、大电流充电、过充电、浮充电，完成四个状态充电的过程。 在目前广泛采用的开关电源供电方式中，由 PWM 控制器提供脉宽调制，并 发出脉冲信号，使 MOSFET 管导通。 同时扼流线圈作为储能电感使用并与相接的电容组成 LC滤波电路。 PWM 芯片包含内部和外部线路，当脉宽调制要做周期循环时将由它来决定这个频率的快慢，当一个信号要发送到每一个 MOSFET 用以接通这些 MOSFET 时它就可以直接控制进行速度调节。 本设计中由于单片机内核中集成了 PWM 驱动单元，它能 毕业设计 15 向系统提供更为准确的数字电压 (0~5V)[7]。 PWM 输出频率设定为 20kHz。 如图 26 所示 ： 图 36 PWM 输出 PWM 电压输出计算公式 : VPWM=VCCD% (25) 其中 (D%)为高电平的占空比 四种充电状态对应的 PWM 电压输出计算结果见表 23 表 33 PWM 输出电压 充电状态 VPWM 电压输出 充电电流 涓流 5V4%= Ia=4。