一种电动自行车用锂电池充电器方案设计.docx

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一种电动自行车用锂电池充电器方案设计

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李燕程鹏彭涛

【摘?要】随着能源及环境污染问题越来越受到人们的重视,近些年,以锂电池为动力的电动车发展越来越快。在我们国家,电动自行车以其极为亲民的价格,受到广大民众的青睐。锂电池电动自行车用的电池价格是总车价格的近30%,而锂电池的充电性能好坏将直接影响锂电池的使用寿命,因此一款性能更好的充电装置对锂电池的使用寿命有着至关重要的作用。本文设计了一种电动自行车用的锂电池组充电装置,能提高锂电池组在充电过程的安全性,延长锂电池组的使用寿命,且具有功率因数较正功能。

【关键词】锂电池;电动自行车;充电装置

0前言

当今世界,各个国家的经济发展日新月异,随着经济的发展人们出行的工具也发生了翻天覆地的变化,由最初的马拉车,到火车,到汽车等等。人们的出行越来越方便,但也因此产生了很多问题,比如环境污染问题,比如能源问题。电动车是以蓄电池为原动力,与普通的燃油汽车相比,对大气污染小,成为近些年很多国家研究的热点。锂电池电动自行车又以其亲民的价格,超高的性价比,成为许多工薪族日常出行的首选交通工具。其使用的锂电池充电器对锂电池的使用寿命起着至关重要的作用。

本文中的锂电池充电装置采用的充电方式是恒流、恒压两个阶段的充电方式。在刚开始恒流充电阶段,采用恒定不变的4A电流对锂电池进行充电,当锂电池的电压达到36V时,进入第二个阶段即恒压充电,此时电流开始减小,但是锂电池的电压持续增高,当锂电池的电压达到42V时,充电电流为0.5A时,系统判断充电结束。

1系统的结构

整个系统由三个功能模块组成:功率因数校正(PFC)模块,主要作用是提高电量的利用率;电源模块,一方面给锂电池充电提供充电电压和充电电流,另一方面给电路中使用的芯片提供工作电压;控制模块,一是控制电路中的开关器件,再就是单片机的控制。

PFC模块主要是用来提高电路的功率因数,从而提高电能的效率,减少电能的损耗,此模块主电路运用的是主动式有源升压型变换电路。电源模块选用开关电源电路,PFC模块输出400V高压直流电,通过滤波,采用脉宽控制的场效应管,完成直流-直流的变换后,输出充电电路需要的直流充电电压及直流充电电流。电源模块还包括PFC电路及电源主电路中开关器件的触发电路。

1.1功率因数校正电路

功率因数是有功功率与视在功率的比值,功率因数的值表示电能的有效利用率,功率因数越高,电能的有效利用率越高[1][2]。PFC指的是功率因数校正电路,现在有被动式和主动式两种。主动式的功率因数校正电路比被动式的功率因数校正電路校准因数更高,可以达到0.9以上,因此主动式功率因数校正电路能节约更多的电能。本文选用主动式的PFC电路。开关管的驱动电路主要采用L4981芯片实现对开关管的控制。

1.2电源电路

电源模块由主电源及辅助电源组成。通常我们见得较多的电源有线性电源,有开关电源。线性电源电路较简单,但体积大,重量大,性能不稳定。现下使用较多的是开关电源,开关电源由于使用了电力电子器件作为开关管,体积更小,重量更轻,本文中的电源模块电路选用的是开关电源。

开关电源电路的设计重点:

A)首先是电路拓扑的选择

开关电源的转换效率由电路的拓扑结构决定的。功率因数校正电路的拓扑结构能决定电能节约的数量,对使用者而言,适当的PFC拓扑结构能为他们节约使用电能的费用。

常见的开关电源的拓扑电路有以下3种:半桥拓扑电路、正激拓扑电路和全桥拓扑电路。

半桥拓扑电路实际应用中使用最多,因此技术比较成熟,不过半桥拓扑电路转换效率低,所以一般用于功率较低的电路。正激拓扑电路又分单管正激及双管正激,在一定的功率下,其电路的转换效率比半桥电路高,可是当功率提高时,其转换效率会随之降低。所以一般情况下,半桥拓扑和正激拓扑用在400W以下的电源电路。400W以上的电源电路用全桥拓扑,全桥拓扑电路结构复杂,一般需要2个变压器,4个开关管,电路功率在千瓦级以上仍能保证电路PF在0.8以上。

B)变压器的设计

在设计变压器时,首先选取合适的磁芯材料,我们选用的材料是铁氧体。再就是设定磁芯形状,本设计最终选用E型磁芯。最后根据理论设计的输入输出电压及电流计算一次线圈和二次线圈匝数,根据输入输出电压电流选取线圈的线径。

C)电路中的闭环的设计

闭环电路设计在整个充电器电路的设计中是最关键的一个环节,可以说环路的性能决定了充电器的性能。带负反馈的放大器电路,电路的通频带更宽,增益更大,因而能降低系统的干扰及线性、非线性失真,然而开关电源的反馈电路除了以上所述的原因,还要考虑以下因素:一、由于其电路中存在开关管,且动作频率很高,会产生很严重的内部干扰;二、其电路输入端的关系在变化,负载会变化,因此会产生很严重的外部干扰。闭环设计就是为了抑制电路的内部干扰及外部干扰

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