摘要：介紹了一種用于電動(dòng)車(chē)高性能鉛酸蓄電池的間歇式脈沖三段式充電器的設(shè)計(jì)方法，該充電器不僅對(duì)鉛酸蓄電池有良好的充電效果，而且還對(duì)電池的充電損耗有修復(fù)功能，故可大大提高鉛酸蓄電池的使用壽命。
關(guān)鍵詞：充電器；蓄電池；開(kāi)關(guān)電源；三段式充電

0 引言
    近幾年，電動(dòng)自行車(chē)由于具有不用汽油，無(wú)廢氣，低噪音，低耗電，使用方便等特點(diǎn)，已經(jīng)成為一種非常受歡迎的交通工具。電動(dòng)自行車(chē)中最重要的部分是蓄電池，它直接決定著電動(dòng)自行車(chē)的性能和使用受命，而蓄電池的性能和壽命又受充電器的影響，所以，設(shè)計(jì)合理的蓄電池充電器對(duì)于電動(dòng)自行車(chē)非常重要。目前，電動(dòng)車(chē)普遍使用三段式充電器，第一階段為恒流階段，第二階段為恒壓階段，第三階段為涓流階段。由于間歇式脈沖充電方法能有效的修復(fù)蓄電池，因此，將三段式充電和間歇式脈沖充電方式進(jìn)行有效的結(jié)合，可形成一種新的充電方法，即歇式脈沖三階段充電器。采用此充電方法，既可保持三階段充電器的優(yōu)點(diǎn)，也有間歇式脈沖充電修復(fù)式充電器的特點(diǎn)，故可大大提高蓄電池的使用壽命。

1 充電器的電路組成
    本充電器電路主要由開(kāi)關(guān)電源、充電電路和變壓器三部分組成。開(kāi)關(guān)電源部分包括輸入防雷抗擾整流濾波電路、開(kāi)關(guān)電路、開(kāi)關(guān)變壓器、振蕩電路、反饋電路、取樣電路、過(guò)流短路保護(hù)、過(guò)壓欠壓保護(hù)等；充電電路部分包括第一階段脈沖恒流源、第二階段恒壓源、第三階段恒流源、間歇脈沖電路、散熱電路等；變壓器部分包括線圈(初級(jí)繞組、次級(jí)繞組、反饋電源繞組)和鐵芯。

2 開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)
    在開(kāi)關(guān)電源電路中，本設(shè)計(jì)選用一塊核心電源芯片UC3842。這是一種高性能，固定頻率的電流型控制器，可直接驅(qū)動(dòng)晶體管和MOSFET，
并具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡(jiǎn)單、安裝與調(diào)試簡(jiǎn)便、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)充分使用UC3842的控制功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的負(fù)反饋調(diào)節(jié)以及各種保護(hù)。這種開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。對(duì)提高充電器的整體性能大有益處。
    圖1所示是本設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源部分電路，該電路主要由輸入防雷抗擾電路、整流濾波電路、UC3842芯片電路、振蕩電路、反饋電路、過(guò)流、短路保護(hù)電路以及開(kāi)關(guān)管和開(kāi)關(guān)變壓器等部分組成。

    圖1中T1、C1、C2、C3電路可組成EMI濾波器，以濾除外界電網(wǎng)的高頻脈沖對(duì)電源的干擾，同時(shí)也可減少開(kāi)關(guān)電源本身對(duì)外界的電磁干擾。D1～D4組成二極管橋式整流電路，C5為濾波電容，R3、C9為UC342的振蕩元件，T為開(kāi)關(guān)變壓器，Q1為開(kāi)關(guān)管。當(dāng)充電器接上電源，電路得電后，電源經(jīng)D1～D4和C5整流濾波，即可輸出310V直流電壓，該310V電壓經(jīng)啟動(dòng)電阻R2給UC3842的7腳供電，當(dāng)啟動(dòng)電阻R2給C12充電時(shí)，電容兩端電壓上升，當(dāng)上升到大于16V時(shí)，UC3842開(kāi)啟并輸出脈沖，以推動(dòng)Q1場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)入開(kāi)關(guān)狀態(tài)，變壓器輸出電壓，同時(shí)反饋繞組經(jīng)D7、C12整流濾波后輸出13V～15V的電壓給UC3842的7腳供電，使UC3842進(jìn)入正常工作，以驅(qū)動(dòng)Q1正常工作。Q1進(jìn)入正常工作時(shí)，變壓器輸出繞組同時(shí)輸出電壓。電阻R0為取樣電阻，當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)額定值時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)電流增加，R0上的電壓反饋至CSEN(UC3842的第3腳)，并通過(guò)內(nèi)部電流檢測(cè)比較器輸出復(fù)位信號(hào)，最后導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管關(guān)閉。而且只有在下一個(gè)基準(zhǔn)脈沖到來(lái)時(shí)，才可能重新開(kāi)啟開(kāi)關(guān)管，當(dāng)出現(xiàn)輸出短路時(shí)，輸出電壓下降，同時(shí)為UC3842供電的反饋繞組也會(huì)出現(xiàn)輸出電壓下降。當(dāng)輸入電壓低于10 V時(shí)，UC3842停止工作，停止觸發(fā)脈沖輸出，以使場(chǎng)效應(yīng)管截止。當(dāng)短路現(xiàn)象消失后，電源重新啟動(dòng)并自動(dòng)恢復(fù)正常工作。光電耦合器4N35、電阻R4、R9、R10組成反饋網(wǎng)絡(luò)，它可使各路反饋信號(hào)經(jīng)這些元件反饋到UC3842的第2腳來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。從而達(dá)到穩(wěn)壓穩(wěn)流的目的。
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3 三段式充電電路設(shè)計(jì)
3．1 第一階段恒流源的設(shè)計(jì)
    該電路采用高精度運(yùn)算放大器LM393為核心器件，其電路如圖2所示。當(dāng)該電路通電工作時(shí)，變壓器次級(jí)整流輸出一個(gè)電壓加到電池正負(fù)級(jí)以對(duì)電池充電，電流流過(guò)電阻R34(電阻阻值為0．05Ω)時(shí)，電阻兩端的電壓為Ui=IoR，則Uil的電壓隨電壓比較放大器放大，當(dāng)放大到能夠開(kāi)啟三極管Q2時(shí)， (三極管Q2工作在臨界導(dǎo)通狀態(tài))，三極管Q2將工作在放大狀態(tài)，從而拉低其CE兩極的電壓，從而使光電耦合器耦合加強(qiáng)，并使UC3842的2腳電壓上升，同時(shí)使調(diào)寬脈沖導(dǎo)通寬度變窄，從而使場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間變短，以穩(wěn)定充電電流。充電電流的大小可由RP2決定。

3．2 第二階段恒壓源的設(shè)計(jì)
    該電路采用TL431精密可調(diào)基準(zhǔn)電源。TL431的穩(wěn)壓值從2．5～36V連續(xù)可調(diào)，其電路如圖3所示。當(dāng)電路通電工作，圖3中的變壓器次級(jí)將整流輸出一個(gè)電壓加到電池正級(jí)以對(duì)電池充電。該電流流過(guò)電阻R11給4N35供電，再經(jīng)TL431到地。TL431兩端的電壓由RP1決定，調(diào)節(jié)RP1可改變TL431兩端的電壓，從而改變4N35內(nèi)發(fā)光二極管兩端的電壓，從而控制發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度，進(jìn)而控制反饋大小。通過(guò)控制4N35的第四腳輸出到UC3842的第2腳的輸出電壓大小，再由RP1進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可得到所要輸出的電壓。

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3．3 第三階段涓流充電電路的設(shè)計(jì)
    涓流充電用主要來(lái)彌補(bǔ)電池在充滿電后由于自放電而造成的容量損失。一般采用脈沖充電來(lái)實(shí)現(xiàn)，其電路主要由LM393與TL431組成，具體如圖4所示，當(dāng)電路通電工作時(shí)，變壓器次級(jí)整流輸出一個(gè)電壓加到電池正負(fù)級(jí)對(duì)電池充電，電流流過(guò)電阻R34(電阻阻值為0．05Ω)，則U5+的電壓與U5-的電壓將與電阻兩端電壓相比較，當(dāng)電壓U5+=IoR>U5-時(shí)，電路輸出高電平，綠燈熄、紅燈亮，代表正在充電；當(dāng)電流下降到U5+<U5-時(shí)，LM393的U5B關(guān)閉輸出低電平，三極管Q2工作在放大狀態(tài)，從而拉低CE兩極電壓，從而使光電耦合器耦合加強(qiáng)，可使UC3842的2腳電壓上升，進(jìn)而使調(diào)寬脈沖導(dǎo)通寬度變窄，并使場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間變短，從而穩(wěn)定充電電流。充電電流大小可由RP2決定。

3．4 間歇脈沖電路的設(shè)計(jì)
    間歇式脈沖電路如圖5所示。當(dāng)電路通電工作后，變壓器次級(jí)將整流輸出一個(gè)電壓加到電池正負(fù)級(jí)以對(duì)電池充電，當(dāng)電流流過(guò)電阻R34(電阻阻值為0．05Ω)，當(dāng)電阻兩端電壓為V5(U5B v5=IoR34)且當(dāng)U5B(5腳)電壓高于6腳電壓時(shí)，7腳輸出高電平，間歇電路開(kāi)啟，此時(shí)U6 555定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，3腳輸出高電平，5秒鐘后計(jì)時(shí)結(jié)束，3腳輸出低電平。3腳電平通過(guò)D15鉗位，并通過(guò)限流電阻R46拉低TL431的1腳電位，以使輸出降底20％。同時(shí)開(kāi)啟U7，U7亦為555定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間為1秒，U7的3腳輸出高電平，控制其同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，Q3導(dǎo)通放電。當(dāng)計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，U7的3腳輸出低電平，Q3截止放電，依次循環(huán)。當(dāng)充電電流Io下降到一定程度時(shí)，即IoR3<U5B的6腳電壓時(shí)，間歇電路停止工作。截止間歇脈沖電流的大小由R44和R45決定。

3．5 散熱電路的設(shè)計(jì)
    散熱電路由7812、風(fēng)扇電機(jī)、集成運(yùn)放LM393等器件組成，其電路如圖6所示，當(dāng)?shù)谌A段工作時(shí)，散熱電路停止工作，涓充充電電流設(shè)計(jì)為500mA，當(dāng)充電電流下降到500ms時(shí)，將開(kāi)啟涓流充電電路，即U5B的5腳電壓低于6腳電壓時(shí)，7腳輸出高電平，U5A的1腳輸出低電平。嵌位二極管D11鉗位TL431的1腳電壓，使輸出下降到41．3V并進(jìn)行涓流充電，LED綠燈亮，散熱電路停止工作，即風(fēng)扇電路停止工作。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本充電器由間歇式充電、脈沖充電、三階段充電等三種充電方法的優(yōu)點(diǎn)合成設(shè)計(jì)。三段充電可自動(dòng)完成切換，并具有充電快，充電滿，充電對(duì)電池?fù)p耗小，充電時(shí)可對(duì)電池進(jìn)行修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，間歇式脈沖三階段充電器排除了其它充電器的大電流充電使蓄電池硫化問(wèn)題以及大電流對(duì)蓄電池充電的發(fā)熱問(wèn)題，同時(shí)還可解決電池充不足，電池過(guò)充等問(wèn)題?？傊?，間歇式脈沖三階段充電器是充電器的又一大創(chuàng)新和改革。