基于单片机的电动车智能充电器的设计

基于单片机的电动车智能充电器的设计内容摘要：

为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图 1 所示。 实验表明，如果充电电流按 这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。 原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向。 图 最佳充电 曲线 由图 可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快。 主要原因是充电过程中产生了极化现象。 在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧 7 气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。 蓄电池是可逆的。 其放电及充电的化学反应式如下： PbO2＋ Pb＋ 2H2SO4→2P bSO4＋ 2H2O （ 1） 很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。 可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。 理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。 但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行，而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。 在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。 一般来说，产生极化现象有 3 个方面的原因。 1）欧姆极化 充电过程中，正负离子向两极迁移。 在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。 为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。 该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。 随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。 2）浓度极化电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。 实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。 也就是说，从电极表面到中部溶 液，电解液浓度分布不均匀。 这种现象称为浓度极化。 3）电化学极化这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。 例如：电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。 放电时，立即有电子释放给外电路。 电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢 Me－ ＋，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。 这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，金属离子 Me＋转入溶液，加速 Me－＋反应进行。 总有一个时刻，达到新的动态平 衡。 但与放电前相比，电极表面所 8 带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。 也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。 同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。 这 3 种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。 充电器的工作原理 目前， 电动自行车主要以铅酸蓄电池为动力。 铅酸蓄电池的主要优点是： 电池容量大、价格便宜并具有无记忆效应。 但存在的缺点是： 体积大、重量重和不能过充或过放。 根据铅酸蓄电池的上述特点， 铅酸蓄电池的充电过程一般分为四个阶段： 涓流充电 —快速充 电 —均充电 —浮充电 [1， 2] ，如图 所示 图 铅酸蓄电池要求的充电电压、电流曲线 根据充电前蓄电池残余电量的不同， 每次充电的时间将有所不同。 (1) 涓流充电 若蓄电池在充电初期已处于深度放电状态 ，为避免对蓄电池充电电流过大，造成热失控， 微处理器通过监测蓄电池的电压，对蓄电池实行稳定小电流涓流充电。 在涓流充电阶段，电池电压开始上升，当电池电压上升到能接受大电流充电的阀值时则转入快速充电阶段。 (2) 快速充电 该阶段为大电流恒流充电，电池电压上升较快，当电压上升至均充电压阀值时，则转入均充阶段。 (3) 均充电 该阶段为恒压充电，它可使电池容量快速恢复。 这时充电电流逐渐减小，当电流下降至某一固定值时，自动转入浮充电。 9 (4) 浮充电 该阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，此标志着充电过程结束。 10 第二章 总体设计方案 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。 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。 方案策略 用 PWM 信号发生器 (比如 UC3842)实现的方案。 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。 如下 方框图： 11 图 方案方框图 高频变压器 蓄电池 PWM 波形发生器 电流电压反馈 12 第三章 硬件电路设计 电路总体设计 图 电路总体设计方框图 如图 所示，由市电送来的 220V 的交流双向滤波抑制干扰进行整流滤波，得到太约 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为 48V 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 个双运放来实现阶段充电方式。 芯片介绍 LM358 双运放 LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，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。 结构如图。 13 特性：内部频率补。