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1、1 / 9 电动自行车通用智能充电器的设计http:/ 2018-1-22 21:05:57 网络摘要:给出了一种基于单片机和开关电源 的电动自行车用智能充电器的设计方案，同时给出了该智能充电器的硬件电路和软件实现方法。该充电器可以根据蓄电池的特点设定充电参数，以对充电过程进行实时采样和智能控制，并可对采集的数据进行实时显示，还可通过串口和上位机进行通讯。此外，该电路还具有双环控制、多路保护、原副边电气完全隔离等特点。关 键 词:智能充电器 单片机 开关电源 蓄电池随着油价的不断上涨和人们环保意识的增强，电动自行车以其价格低、绿色环保，使用安全方便等优点越来越受到消费者的喜爱。评价电动自行车质
2、量好坏的重要参数之一是其蓄电池的使用寿命。而蓄电池的充电过程对其寿命影响最大。研究表明：过充电，可使蓄电池发热，电解液失水；而充电不足，则可使蓄电池内化学反应不充分，长期充电不足会导致蓄电池容量下降。由此可见，充电器性能的好坏直接影响着蓄电池的使用效果和使用寿命。目前市场上的充电器存在的主要不足，第一不是从副边绕组直接获得取样信号，因而稳压效果不理想；第二是输出电流和电压调节范围窄，因而只适用于固定负载。为此，本文介绍了一种以单片机为控制器的通用智能充电器的设计方案。该装置能根据蓄电池的充电特性或实时监测到的充电状态，来智能化地调节充电电压和充电电流，而且调节范围宽，并具有过流、过压、过温等保
3、护功能。1 系统结构本智能充电器的结构如图1 所示。该系统主要由电源变换电路、采精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 9 页2 / 9 样电路、微处理器，脉宽调制器、键盘、显示器和温度传感器等部分组成，是一个闭环的智能充电系统。2硬件电路本智能充电器的硬件电路如图2 所示，整个电路分为开关电源 部分、以单片机为主的控制电路和以UC3842 为核心的脉宽调制电路三部分。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 9 页3 / 9 21开关电源 设计本设计采用电流控制型
4、脉宽调制方式。其整个工作过程是将交流输入经滤波、整流后变为直流高压，再由开关管斩波、高频变压器降精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 9 页4 / 9 压后得到高频矩形电压，最后经过输出整流滤波获得所需要的直流输出电压。系统对 开关电源 的要求是其交流输入电压范围为90270 V，能同时输出 +5V(作为控制部分电源 及 1260 V(主回路 的电压。输出电流为13 A。22单片机控制电路设计单片机控制电路主要由单片机AT89S52、ADC(TLC0832 、多路选择开关 (CD4051、数字电位器 (X9C102、数字温度传
5、感器DSl8820、取样电阻 Rs和 Rw、2 4键盘、液晶显示 (CONl6 等组成。本部分设计时应先根据蓄电池的型号参数，来通过键盘设计与之对应的充电电流、充电电压以及充电时间，当电路接上蓄电池后，充电过程开始，此后由单片机通过取样电阻RM 检测电池电压，若检测到蓄电池因过渡放电而使电压低于正常范围。那么，为了避免充电电流过大而造成蓄电池损坏，应先对蓄电池实行稳定的小电流充电(本设计程序中设为l5的设定充电电流 ，同时，单片机开始计时，之后单片机将不断检测电池电压和充电电流并显示在液晶屏上，随着充电的进行，电池电压不断上升，当上升到正常范围时，单片机可通过控制数字电位器来调节输出电压，从而
6、转入大电流恒流充电 (即设定电流 方式，此后，单片机一直保持不停地检测电池电压，当电压达到设定值时，单片机发出指令，以增大数字电位器的阻值，并通过脉宽调制减小输出电压。从而使充电电流减小，当充电电流减小到15的设定电流时，再转为涓流充电，最后在充电时间到时关闭电源，这样就避免了因电池温升过快或严重极化而影响充电质量，提高蓄电池的使用寿命。当检测到电池电压、充电电精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 9 页5 / 9 流和温度超过设定值的110倍时 (由程序设定 ，单片机立即输出报警信号报警。同时使继电器动作并切断总电源，以提高
7、充电的安全性和可靠性。显示器可用于显示单片机实时采样到的蓄电池电压、充电电流、已充电时间和蓄电池的温度，键盘则用于设定充电电压(充电极限电压、恒流充电电流 (极限充电电流 和充电时间。电路中的单片机可通过串口 RS232和上位机相连，以用于存储数据和虚拟显示充电参数的设定。当检测到充电电流为零时，单片机转入休眠状态。而当检测到充电电流不为零时，单片机被激活。23 PWM 控制器设计PW M 控制器部分是以UC3842 为核心。 UC3842 芯片内含有 5.0 V基准电压稳压器、高增益误差放大器和脉冲宽度比较器，它可以控制芯片内的驱动器。而驱动器则可提供25 mA 的输出电流可直接驱动 NOS
8、FET 调整管，从而调整充电器的输出电压和电流。由于该驱动器同时具有过流、过压保护，工作电源电压可以在840 V，而启动电流小于 1 mA，工作温度为 O70，因而是目前较理想的新型脉宽调制器。该 PWM 控制器在启动时，是由R1、Rw。为 UC3842 提供启动电压，待其工作后，其辅助绕组3、4 端的电压经 D1整流、 C4、C5滤波、DW1稳压后得到的16 V 直流电压，一路加到UC38427 的 7 脚为其供电，另一路经R3和数字电位器X9C102 分压后加到 UC3842 的2脚。以作为脉宽调制的输入信号。一般在这类电源的设计中，输出电压取样可与 UC3842 的供电电压相连。为了反映
9、输出电压变化，本精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 9 页6 / 9 设计没有加稳压管，但这会使UC3842 的工作电压不稳，输出谐波成分增多，为了克服此不足，本设计中UC3842 的供电电压采用由3、4绕组端压单独整流、滤波、稳压后，提供给UC3842 芯片 16 V 的稳定电压。充电电压的调节是将电池电压经外环电压取样电路R12、RM取样，再经多路电子开关选择、MD 变换，单片机处理后，送入数字电位器，以控制数字电位器的有效电阻。从而间接控制UC3842的 2脚电压，进而控制脉冲占空比，以改变充电电压。当充电器输出电压偏
10、高时，反馈回UC3842 的 2脚电压也升高 (超过参考电压 2.5 V之后，驱动信号的脉冲占空比减小，使输出电压下降，从而达到稳压的目的。充电电流的调节主要是先将充电电流经外环电流取样电阻Rs取样和 LM358 放大(可用 R1调节放大倍数 、多路电子开关选择、 MD 变换，再送单片机处理，然后调节数字电位器的阻值。其调节过程与电压调节相似，实际上，电流调节也是通过电压调节实现的。24保护电路设计当过流或短路时，内环取样电阻R10两端的电压升高。当3 脚电压超过 1伏时，通过 UC3842 的内部调制可使其停止脉宽输出，开关管截止，输出电压和电流均为0，从而保护电源。过压时，DW1和 DW2
11、会击穿而短路，也会造成过流保护，DW2可用以保护场效应管和UC3842。而当发生欠压时，即当UC3842 的 7脚电压降至 10 V 以下时，UC3842 将启动欠压锁定电路而关闭开关控制器。内环的这种反馈调整是在输出电压尚未发生变化时，通过检测内环电流使脉宽提前得到调整， (前馈控制 ，从而加快了变换器对异常情况的动态响精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 9 页7 / 9 应速度。以便更加快速有效地起到保护作用。当然，外环电流、电压的取样 (Rs、Rw亦可通过单片机的调节作用来达到对异常情况的保护，但响应速度比内环慢510
12、 个工频周期，因此，外环取样主要是调节充电电流和充电电压，兼作二次保护，而内环取样则是主要的，它是一次的保护，这种双环保护方式会更加安全可靠。3软件设计在程序的初始阶段，首先是对单片机进行初始化，即根据不同的电池设定不同的充电参数，选择不同的充电策略。其后是判断电池是否连接正确，根据电池电压值判断应该进入哪一个充电阶段(即小电流预充电，大电流恒流充电或恒压涓流充电方式。在预充阶段，应降低充电电压，而在恒流方式时，应不断检测充电电流是否达到恒定电流 (如 1.8 A，如果小于 1.8 A，则抬高电池两端的电压，使之达到 1.8 A，以上调节过程均可采用比例控制。在电池两端电压达到设定值后，系统再
13、进入涓流充电模式。该充电器的程序流程如图3所示。图 3 中，Is为设定的充电电流 (即恒流充电电流 ，Umin为蓄电池的放电极限电压， Umax为蓄电池的充电极限电压。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 9 页8 / 9 4应用实验本设计选用了电动自行车常用的36 V12 Ah 铅酸蓄电池作为测试对象，其恒压充电电压设定为43 V，恒流充电电流Is 为 1.8 A，起始时，随着充电的进行，充电电流几乎维持1.8 A 不变，但电池电压不断升高，当充电3小时后。电压上升减慢；当充电到4小时后，充电电压接近 43 V；之后电压上升
14、更加缓慢。而且充电下降较快。当充到 43 V 时，充电器自动停止。从测试数据来看，该设计达到了恒流快充，恒压涓充，充满自行关断的设计要求。5结束语本文设计的过度放电预充、恒流快充、恒压涓充、智能控制的充电方案，能很好地解决电动自行车用电池在充电过程中存在的过充电、充电不足和发热等问题，并能根据不同电池选择不同的充电方案。而且具有通用性。能实时检测并显示充电电流、充电电压、充电时间和蓄电池温度等参数。由于电路具有内外环控制，符合最优精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 9 页9 / 9 控制规律。最具有过流、过压和超温保护功能，同时由于UC3842 采用稳压供电，因此，不但谐波污染程度低，原副边电气隔离安全可靠，同时还可根据负载情况通过单片机来进行控制，并可实现跳周期模式工作。故可提高电源的效率。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 9 页