基于TL494芯片的充电器电路分析电动车电源充电器毕业论文.docx
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基于TL494芯片的充电器电路分析电动车电源充电器毕业论文
目录
前 言1
第1章电动自行车及充电器概述2
§1.1电动自行车2
§1.1.1常见的电动自行车2
§1.1.2电动车各部件的主要作用2
§1.2充电器的分类和结构4
§1.2.1充电器的分类4
§1.2.2充电器的结构4
§1.2.3充电器的使用和保护5
第2章电动自行车充电器和充电方式6
§2.1电动车蓄电池6
§2.2蓄电池充电方式6
§2.2.1恒流充电法6
§2.2.2恒压充电法8
§2.2.3浮充法8
§2.2.4涓充法9
§2.2.5分阶段充电法10
§2.2.6快速充电法11
第3章充电基础知识14
§3.1基本单元电路14
§3.1.1整流电路14
§3.1.2滤波电路15
§3.2辅助电路16
§3.2.1防浪涌电路16
§3.2.2防市电过压电路17
§3.2.3全桥和半桥式开关电源的DC/AC功率转换18
§3.2.4推挽式变流电路19
§3.2.5电池防反接电路20
§3.2.6半桥式充电器辅助电路21
§3.2.7充电状态显示电路22
第4章充电器的原理23
§4.1TL494脉宽调制电路芯片23
§4.1.1TL494简介23
§4.1.2工作原理简述23
§4.2山东GD36充电器原理与分析25
§4.2.1山东GD36充电器电路框图与原理图25
§4.2.2山东GD36充电器工作原理28
结论31
参考文献32
致谢33
外文资料译文34
基于TL494芯片的充电器电路分析
摘要
近年来,电动自行车得到了日益广泛的应用。
传统的直流电机一直在电动自行车驱动系统中占据主导地位,但由于其本身固有的特性,迫使人们探索低噪音、高效率并且大容量的驱动电机。
为满足对便携式电源的新要求,铅酸蓄电池因为维护简单、价格低廉、供电可靠、使用寿命长,广泛用作汽车、飞机、轮船等机动车辆或发电机组的启动电源,也在各类需要不间断供电的电子设备和便携式仪器仪表中用作一些电器及控制回路的工作电源。
本文首先介绍了电动车的基本知识以及分类原理,然后介绍了电动车蓄电池的作用及原理,最后介绍并深入研究电动车的重要组成部分——充电器.它是以电压驱动型脉宽调制器TL494为核心,结合各个单元电路组成的一种智能充电器。
为延长蓄电池的使用寿命,综合浮充和循环充电两种充电方式的优点,提出和分析了快充、慢充和涓流充电三个阶段的充电过程,并以山东GD36三阶段充电方式的充电器为模板对TL494芯片的PWM控制进行分析。
关键词:
充电器,TL494,铅蓄电池,三段式
THECHARGERCIRCUITANALYSIS
BASEDONTL494CHIP
ABSTRACT
InRecentyears,theelectricalbikehasbeengotanincreasinglywidelyused.TraditionalBLDMhastakenholdofthedrivesystemallalong,butitscharacteristicitselfforcedpeopletoexploredrivemotors`lownoisehighefficiencyandhighcapacity.Tomeetthenewrequirementofportablepowersupply,Lead-acidbatterieswithsimplemaintenance,lowprice,supplyreliabilityandlonglife,havebeenwidelyusedasthestartpowerofcar,aircraft,steamshipetc.Andalsoactasthepowersupplyofsomeelectricequipmentandcontrollingloopofallelectronicequipmentandportableinstrumentationwhichneeduninterruptedpowersupply.
Thispaperfirstintroducesthedesignofthebasicknowledgeofelectricvehicles,thentheroleofclassificationprinciple,finally,electricvehiclesandin-depthstudyofanimportantpartthecharger.Itisbasedonvoltage-drivenTL494pulsewidthmodulatorasthecore,integrationofthevariousmodulesofanintelligentcircuitcharger.Toextendthebatterylifecycleoftheintegratedchargeandfloatchargemodesofthetwobenefitsoftherapidfillingandanalysis,theslowtricklechargerechargeableandathree-stagechargingprocess,andaccordingtotheaboveandanalysisedthePWMcontroloftheTL494chipbasedonshandongGD36charger.
KEYWORDS:
charger,TL494,lead-acidbattery,Triadic
前 言
二十一世纪是“绿色环保”的世纪,环境保护和能源节约问题己成为新世纪最为突出的两大主题。
能源与环境问题成为了“绿色交通工具”研究开发和推广应用的积极因素,尤其城市汽车数量急剧上升,石油资源严重匮乏随着电子技术日新月异的发展。
因此研制出无污染、能耗小的交通工具来代替那些燃油车辆成为势在必行的课题。
近年来,电动自行车得到了日益广泛的应用。
随着工业的发展,人们开始越来越多地使用便携式设备,电力电子技术和微控制技术的迅猛发展而成熟起来的永磁无刷直流电机具有体积小、重量轻、效率高、噪音低、容量大且可靠性高的特点,从而使其极有希望代替传统的直流电机成为电动自行车用电机的主流。
为满足对便携式电源的新要求,铅酸蓄电池因为维护简单、价格低廉、供电可靠、使用寿命长,广泛用作汽车、飞机、轮船等机动车辆或发电机组的启动电源,也在各类需要不间断供电的电子设备和便携式仪器仪表中用作一些电器及控制回路的工作电源。
充电电源的研究已经向高频化、集成化、智能化和绿色化方向发展。
同时,电磁兼容、智能化程度和自适应性等新的要求也在不断提出。
为了实现高功率密度,改善电源的动态性能,就必须提高电源系统的工作频率。
提高主功率变换器件的开关速度,可明显减少磁性变压器材料和大电解电容体积、重量等,这也使得开关器件的研制工作从改进电压、电流的二维体系发展到提高频率的三维体系。
本设计主要针对一款基于TL494芯片的充电器,对其电路与工作原理做出分析,文中详细叙述了硬件电路的工作原理、脉宽调制控制电路、充电方式等。
该充电器对充电过程进行全面管理,使充电过程按理想的充电曲线进行,充电电流可在一范围内任意设定,具有完善的声光保护装置,既能快速充电又能对蓄电池进行有效地保护。
关键词:
充电器、TL494、铅蓄电池、三段式
第1章
电动自行车及充电器概述
§1.1电动自行车
§1.1.1常见的电动自行车
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。
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。
现在市场上的电动自行车多种多样,常见的样式很多,如图1-1所示。
图1-1常见的电动车外形
§1.1.2电动车各部件的主要作用
1、充电器
充电器是给电池补充电能的装置,一般分二阶段充电模式与三阶段充电模式两种。
二阶段充电模式:
先恒压充电,充电电流随电池电压的上升逐渐减小,等电池电量补充到一定程度以后,电池电压会上升到充电器的设定值,此时转换为涓流充电。
三阶段充电模式:
充电开始时,先恒流充电,迅速给电池补充能量;等电池电压上升以后,转为恒压充电,此时电池能量缓慢补充,电池电压继续上升;达到充电器的充电终止电压值时,转为涓流充电,以保养电池和供给电池的自放电电流。
使用提示:
充电时,保持充电器通风良好。
如果在充电过程中闻到异味或充电器外壳温度过高,请立即停止充电,检查,处理。
2、电池
电池是提供电动车能量的随车能源,目前电动车主要采用铅酸电池组合。
另外镍氢电池与锂离子电池也已在一些轻便折叠电动车上开始使用了。
3、控制器
控制器是控制电机转速的部件,也是电动车电气系统的核心,具有欠压、限流或过流保护功能。
智能型控制器还具有多种骑行模式和整车电气部件自检功能。
控制器是电动车能量管理与各种控制信号处理的核心部件。
使用提示:
控制器主控板为电动车主回路,具有较大工作电流,会发出较大热量。
因此,电动车不要停放在阳光下曝晒,也不要长时间淋雨,以免控制器出故障。
4、转把、闸把、助力传感器
转把、闸把、助力传感器等是控制器的信号输入部件。
转把信号是电动车速度控制信号。
闸把信号是当电动车刹车时,闸把内部电子电路输出给控制器的一个电信号;控制器接收到这个信号后,就会切断对电机的供电,从而实现刹车断电功能。
助力传感器是当电动车处于助力状态时检测骑行脚蹬力矩或脚蹬速度信号的装置。
控制器根据助力传感器信号的大小,分配给电机不同的电驱动功率,以达到人力与电力自动匹配,共同驱动电动车旋转。
使用提示:
使用调速转把时,要求轻旋轻放,无须用力旋转。
5、电机
电机是将电池电能转换成机械能,驱动电动车轮旋转的部件。
在电动车上使用的电机,其机械结构、转速范围与通电形式有许多种。
常见的有:
有刷有齿轮毂电机、有刷无齿轮毂电机、无刷无齿轮毂电机、无刷有齿轮毂电机、侧挂电机等。
6、灯具、仪表
灯具、仪表部分是提供照明并批示电动车状态的部件组合。
仪表一般提供电池电压显示、整车速度显示、骑行状态显示、灯具状态显示等。
智能型仪表还能显示整车各电气部件的故障情况[18]。
§1.2
充电器的分类和结构
§1.2.1充电器的分类
为确保电动自行车有足够的功率正常行驶,就必须对蓄电池消耗减少的电能进行有效地补充。
因此,充电器是电动车五大核心部件之一,它的质量好坏将直接影响蓄电池的使用寿命。
目前市售电动自行车充电器有正负脉冲式、二段式、三段式和全智能脉冲充电器等,其中三段智能充电器用户较多。
充电器的规格依据蓄电池的容量不同,有24V、12V;36V、12A;36V、14A;48V、17A;48V、20A和36V/48V共用型充电器。
由于电动自行车生产厂家众多,其充电器的外形各异。
常见的电动自行车(二轮车)和电动三轮车的充电器外形,如图1-2所示。
图1-2几种常见的电动车充电器外形
§1.2.2充电器的结构
电动自行车充电器主要由整流滤波、高压开关、电压变换、恒流、恒压和充电控制等几个部分电路组成。
充电器内的主要元器件有脉宽调制专用集成电路、电压比较放大器、开关管、整流二极管、驱动三极管、电阻、电容及变压器等。
现代脉冲智能充电器还以高频开关电源技术为基础,嵌入先进的智能控制数字电路,采用智能检测和控制技术来调节充电器的脉冲输出比例,实现的脉冲输出比例,实现可控去极化功能。
充电器在充电过程中采用了自适应技术,能实时地检测蓄电器的充电情况,自动调整充电器的充电模式,实现最佳模式控制,且具有完整的保护功能,最大限度地保证了充电器工作的稳定性和可靠性。
因此,充电器的电路组成正由传统的分立元件,向集成化、数字化、智能化过渡,结构越来越紧凑,体积越变越小,重量越来越轻,工作越来越精确可靠[12]。
§1.2.3
充电器的使用和保护
充电器的正确使用,不仅影响到充电器自身的可靠性和使用寿命,而且还会影响到电池的寿命。
使用充电器对蓄电池充电时,请先插上充电器的输出插头,后插输入插头。
充电时,充电器的电源指示灯显示红色,充电指示灯也显示为红色。
充满后,充电指示灯为绿色。
停止充电时,请先拔下充电器的输入插头,后拔充电器的输出插头。
通常情况下,对电池的过度放电和过度充电是有害的。
因此,要勤充电,不要过充电。
电池的使用寿命与其放电深度有很大的关系。
铅酸蓄电池尤其怕亏电放量。
亏电电池使用过后请尽快充电。
对于长期不使用的电池,应每隔15天左右对电池充电一次,以补偿电池存放时的自放电电量的损失。
不得是蓄电池短路或倒置,如果发现蓄电池外壳破裂、渗漏时,必须更换蓄电池。
充电器在使用过程中需防潮、防湿,并放置在通风良好的地方。
充电器工作时有一定的温升,请注意散热,通常充电时间在7-8小时,视电池的使用状态而不同[9]。
第2章
电动自行车充电器和充电方式
§2.1电动车蓄电池
作为动力能源的蓄电池,在使用过程中其能量是被逐渐消耗减少的。
能够用于电动自行车的电池主要由5种,即铅酸电池、镉镍电池、铁镍电池、氢镍电池、锂二次电池。
目前市场上65%的电动自行车选择的是铅酸电池(本文所设计的充电器就是属于铅酸电池这一类),30%选择的是镉镍电池,5%选择的是氢镍电池或其他电池[13]。
铅酸电池主要有正极、负极和和电解质构成。
二次蓄电池工作时,在正极板上生成二氧化铅,在负极板上生成海绵状铅,在电解液作用下,正极和负极发生的反应均可为可逆反应。
它可看成一个多孔的铅负极(海绵状铅)和一个二氧化铅的正极,两电极都浸入硫酸水溶液中:
因此,二次蓄电池使用后,可用充电器对其进行充电,使蓄电池两个电极的活性物质恢复到初态,致使蓄电池具有再次放电的能量。
故二次蓄电池的重要特性是能反复充电放电。
当对二次蓄电池进行充电时,是电能转变为化学能储存在蓄电池中,并伴随放热过程。
二次蓄电池工作时,则化学能转变为电能,对负载进行供电,并伴随吸热过程。
这就要求对蓄电池充电时要注意充电环境温度,一般温度在15~30℃为宜,低于10℃或超过40℃,充电效果均很差。
充电器的充放电时间、充放电电流大小、电压高低以及充电方法必须预先设定适宜。
充电器的充电方法、充电电压和充电后蓄电池应达到的终止的电压值,均依据蓄电池的极板结构、材料而定。
不同厂家生产的蓄电池;即便规格相同、型号相同,由于工艺上的差别,其性能也有差异。
因此,充电器对所有的蓄电池的充电不能通用,必须相配套。
§2.2蓄电池充电方式
二次蓄电池的充电方式有许多种,应根据二次蓄电池的使用频率、放电倍率及用途等因素,选择最适宜的充电方法。
不同的充电方法概述如下。
§2.2.1恒流充电法
顾名思义,恒流充电方法就是对蓄电池进行充电时,自始至终保持充电电流恒定不变。
恒流电源电路如2-1图示
图2-1恒流电源充电器
恒流充电虽然具有较高的充电效率,能方便地根据充电时间来决定充电是否停止,也可以改变被充蓄电池的数目,但在开始时充电电流过小,而充电后期充电电流过大,不仅充电时间长,而且耗气量大,能量高,充电效率在65%以下。
恒流的电流在充电后期会电解水,产生气体,使蓄电池内部压力上升。
如不加控制极易使蓄电池因失水而干枯,最终将造成蓄电池容量急剧下降。
图2-2阀控铅酸蓄电池的充电特性曲线
如图2-2所示阀控铅酸电池的充电特性曲线I,可以清楚的看到充电过程中蓄电池在不同时刻接受电流的能力是不一样的。
I是一条变化很大的非线性曲线,在该曲线上哪一时刻的电流作为蓄电池充电恒定电流,能使蓄电池既安全又能在可接受的有限时间上把蓄电池充满,这是无法确定的。
蓄电池每次使用的放电深度、环境温度及新旧程度均不一样,若每次都用同样的恒定电流和时间去充电,势必造成蓄电池放生不可逆转的损坏。
因此,密封免
维护蓄电池不宜采用恒流充电法。
§2.2.2恒压充电法
恒压充电法是充电电源的电压在充电的整个过程中保持恒定不变。
恒压充电电路如图2-3所示。
图2-3恒压充电电路
这种充电方法充电初期充电电流很大,随着蓄电池端电压的逐渐升高,充电电流逐渐减小,充电过程不必调整电流。
这种方法在充电过程中析气量也很小,充电时间短,能耗低,充电效率高,一般8小时即可充满。
在阀控铅酸蓄电池的充电特性曲线V(图2-2)上,充电器的输出电压始终是在充电器设计人认为蓄电池安全受电的最高允许电压上。
低于这个电压,蓄电池则无法充满,在充电过程中,单体蓄电池的充电电压比蓄电池本身的实际电压高;通过蓄电池的充电电流,则比蓄电池的最大安全接受电流大10倍以上。
蓄电池在充电前大多已经放完电,其电压处在最低电压上。
若在采用恒压充电,通过蓄电池的充电电流将是蓄电池的安全接受电流的几十倍,当充电器的容量不够大时,则充电器因过载而烧毁。
因此,恒压充电法不适合放电较深的蓄电池充电,不适合数量多的蓄电池充电,因不能使所有的电池均衡。
故电动自行车蓄电池也不适用于恒压充电。
§2.2.3浮充法
浮充法是充电器以很小的充电电流(C/30~C/20,C是电池容量)对蓄电池进行充电,以确保蓄电池始终处于充满电的状态。
浮充法广泛用于蓄电池作为备用电源或应急电源的电器设备中,是一种有备而无患的充电方式。
浮充法电源的原理示意图如图2-4所示。
图2-4浮充法电源原理示意图
§2.2.4涓充法
涓流充电是指蓄电池与负载并联后,与直流电源(充电器)相连。
在正常情况下,直流电源是负载的工作电源并以涓流方式为负载充电,此时主要为负载提供工作电流。
只有当负载变得很大,直流电源的端电压低于蓄电池的端电压或电源停止供电时,为保证负载正常工作,蓄电池才对负载进行放电。
涓流充电的原理图如图2-5所示:
图2-5涓流充电的原理示意图
涓流充电电流的大小是由使用模式决定的。
这种充电方法多用于应急的电源、备用电源或电子表等不允许断电的场合。
§2.2.5分阶段充电法
分阶段充电法是在对蓄电池充电的最初阶段采用较大的充电电流,当蓄电池电压达到控制点时,则将较大的充电电流转为涓流充电。
分阶段充电的原理示意图如图2-6所示。
图2-6分阶段充电的原理示意图
常用的分阶段充电法有二阶段充电法和三阶段充电法。
①二阶段充电法是采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法。
它首先以恒电流将蓄电池充至预定的电压值,之后改为恒电压完成蓄电池的剩余充电。
通常两阶段之间的转换电压,就是第二阶段充电的恒电压。
②三阶段充电法是在对蓄电池充电开始和结束阶段采用恒电流充电,而中间阶段则采用恒电压充电。
目前,电动自行车所配置的充电器多是传统的三段式充电器。
三段式充电器的充电模式是把充电过程分为恒流、恒压、浮充三个充电阶段。
以我国电动自行车采用较多的36V、12Ah铅酸蓄电池为例,当蓄电池放完电后,其充电参数为:
第一阶段采用恒流充电,充电电流为(1.8±0.2)A,充电电压逐渐上升至43.2V,充电时间为4-6h。
第二阶段采用恒压充电,充电电压为43.2V逐渐上升至(44.5±0.1)V,充电电流逐渐降至(0.35±0.1)A,充电时间在2-4h。
第三阶段采用浮充充电,恒压为(41.4±0.2)V,浮充电流为(0.35±0.1)A[4]。
铅酸电池的充电方式曲线,如下页图2-7所示
分阶段充电方式,虽是蓄电池充电的最理想方式,但充电器电路复杂,成本高,还需要有蓄电池电压监测控制电路。
充电器对蓄电池产生影响的是充电电压、充电电流和充电波形及频率。
其中,充电电压与蓄电池是否充满电有关,充电电流与蓄电池充得快或慢有关,而充电的波形与频率则与蓄电池的容量与寿命(即充得好坏)有关。
充电时三者各有侧重,是相辅相成的关系。
而三段式电动自行车充电器的充电模
图2-7铅酸电池的充电方式曲线
式,侧重于充电电压和充电电流,缺少充电波形和频率方面的实施技术。
这样,就不能在充电过程中有效地去除蓄电池电解液浓度极差、板栅硫酸盐化和极化现象。
因此,理想的电动自行车充电器应具有脉冲充电、负脉冲激活,高频充电和变频充电等多种充电模式与充电技术,使电动自行车充电器既有常规充电功能,又有修补性充电功能,成为多功能充电器。
§2.2.6快速充电法
常规充电是采用小电流慢充方式,对新的铅酸蓄电池而言,初充电需70h以上,进行普通充电也需10h以上。
充电时间也不能过长,充电时间过长,不仅拉长充电监测时间,浪费电能,而且也限制了蓄电池的循环使用次数,增大了维护工作量。
快速充电法是用大电流在短时间内对蓄电池进行充电。
为了保证蓄电池不过充和不因大电流短时内充满而损坏,需加有控制电路。
此电路能在充电末期实时地检测蓄电池的充电电压、端电压的温度,并根据随时检测到的相关参数来控制充电过程。
1、检测蓄电池电压
在大电流充电末期,通过辅助电路检测蓄电池电压,当蓄电池电压达到设定值时,即将大电流转变成小电流充电,这是为了保证蓄电池的充电容量。
为此,控制电路预设的充电截止电压必须比充电峰值电压低。
(a)系统框图
(b)充电特性曲线
图2-8-△V检测控制系统框图和充电特性曲线
2、检测蓄电池端电压降(-△V)
充电时通过蓄电池的充电电流,是由辅助电路在大电流充电末期,检测到的蓄电池端电压降(-△V)进行控制的,-△V检测控制系统框图和充电特性曲线如图2-8所示。
-△V检测方式为电压检测系统,当充电器的充电峰值电压确定后,若-△V检测电路检测到蓄电池的端电压达到设定值时,由控制电路自动改变充电器的充电方式。
3、检测蓄电池温度
蓄电池在充电末期,会因其负极发生氧复合反应产生热量,使蓄电池温度升高。
蓄电池温度的升高最终将导致充电电流增大,为控制因温度升高所增大的电流,应在蓄电池外壳上设置温度传感器或热敏电阻等温度检测元件,实时地将蓄电池温度信息传递给控制电路。
当蓄电池温度升至设定值时,控制电路即改变充电器的充电方式,或切断蓄电池的充电电路。
蓄电池温度检测框图和特性曲线如下页图2-9所示
(a)框图
(b)特性曲线
图2-9蓄电池温度检测框图和特性曲线
第3章
充电基础知识
§3.1基本单元电路
§3.1.1整流电路
在充电器中,必须把交流电变为直流电,这需要通过整流电路完成转换,英文缩写交流为AC,直流为DC,交流变直流为AC/DC。
1、单相全波整流电路
图3-1(a)是单相全波整流电路,波形如3-1(b)所示[1]。
(a)单相全波整流电路(b)单相全波整流电路波形图
图3-1单相全波整流电路
2、桥式整流电路
图3-2(a)所示为基于变压器中心抽头的单相全波整流电路,而在实际应用
(a)桥式整流电路(b)桥式整流电路波形图
图3-2桥式整流电路
中,通常采用图3-2(a)所示的另一种单相全波整流电路,叫桥式全波整流电路。
波形见图3-2(b)所示。
在开关电源式充电器中,这两种整流电路都得到
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