一種新型快速脈沖充電電路的設(shè)計(jì)

馬麗麗等

摘 要 本文針對(duì)電動(dòng)自行車存在的充電器充電慢問題，提出一種快速脈沖充電方法，設(shè)計(jì)快速脈沖式充電器電路，采用PWM正負(fù)脈沖充電方式對(duì)電池充電，能大幅提高充電器中蓄電池的充電速率，并可延長(zhǎng)電池使用壽命。分析電路的工作原理，對(duì)電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證正負(fù)脈沖放對(duì)于提高電池充電電流接受率，加快充電速度的有效性。

關(guān)鍵詞 PWM快速脈沖 正負(fù)脈沖 蓄電池 充電效率

1 前 言

電動(dòng)自行車具有使用方便、靈活、環(huán)保、節(jié)能等特點(diǎn)。電動(dòng)自行車使用傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池成本低、容量大，但是不耐用，需充電頻繁，而且一次充電飽和，一般可以行駛?cè)镒笥遥ㄒ螂姵厝萘康牟煌町愝^大），不便于遠(yuǎn)距離行駛。而且充電時(shí)間長(zhǎng)，充電完畢需費(fèi)時(shí)數(shù)小時(shí)時(shí)間[1～5]。

本文針對(duì)電動(dòng)自行車充電器充電慢問題，采用PWM正負(fù)脈沖充電方式充電，可以在較短時(shí)間內(nèi)完成快速充電，解決使用電動(dòng)自行車遠(yuǎn)距離行駛的困擾。采用PWM正負(fù)脈沖充電方式對(duì)電池充電可以延長(zhǎng)電池的使用壽命，縮短電池充電時(shí)間。

2 蓄電池的充電方法

PWM正負(fù)脈沖充電方式是用脈沖電流對(duì)電池充電，之后讓電池放電，如此反復(fù)循環(huán)。在本設(shè)計(jì)中采用NE555多諧振蕩器作為脈沖產(chǎn)生電路，經(jīng)過十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CC4017轉(zhuǎn)換為正負(fù)脈沖對(duì)電池進(jìn)行充放電，放電脈沖的電流值很大，寬度很窄，通常放電脈沖幅值為充電脈沖的3倍左右。放電脈沖的幅值與電池容量有關(guān)，但是與充電電流幅值的比值保持不變，脈沖充電時(shí)，充電電流波形如圖1所示。

3 快速脈沖充電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 脈沖式充電器的電路結(jié)構(gòu)

圖2所示是脈沖充電器電路結(jié)構(gòu)，主要包括：電路濾波、一次整流濾波、PWM變換器、二次整流濾波、脈沖電路、充放電電路和反饋控制。與普通理論電源電路相比，該電路采用脈沖產(chǎn)生電路與充放電電路部分相組合結(jié)構(gòu)。

3.2 快速脈沖充電總體電路設(shè)計(jì)

總體電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。各元件標(biāo)參數(shù)值如表1所示。

如圖3所示，由NE555時(shí)基電路組成的多諧振蕩器的腳3輸出的脈沖方波送到十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CC4017的腳14，CC4017的十個(gè)輸出端將輪流輸出高電平。當(dāng)腳1至腳5輸出高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，然后Q3導(dǎo)通，直流電壓通過Q3與R5對(duì)電池進(jìn)行大電流充電。當(dāng)腳6與腳7輸出高電平時(shí)，Q1與Q3因沒有驅(qū)動(dòng)電平而截止。在此期間通過電壓比較電路，測(cè)量電池兩端的電壓，判斷電池是否充滿。當(dāng)腳8、9輸出高電平時(shí)使Q2導(dǎo)通，電池通過電阻R6進(jìn)行放電。當(dāng)腳10與腳11輸出高電平時(shí)，Q2截止。如此反復(fù)循環(huán)。以正負(fù)脈沖的形式給電池進(jìn)行充放電，脈沖充電方式不僅可以防止蓄電池充電時(shí)的極化現(xiàn)象，而且還可以大大加快蓄電池的充電速率。

3.3 PWM正負(fù)脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

由NE555多諧振蕩器和CC4017十進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成的PWM正負(fù)脈沖產(chǎn)生電路如圖4所示。

由NE555多諧振蕩器產(chǎn)生的矩形脈沖作為CC4017十進(jìn)制計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘輸入脈沖，通過調(diào)節(jié)R8的阻值大小可以改變脈沖寬度。CC4017的十個(gè)輸出引腳輪流輸出高電平，將其引腳順次任意連接起來，便可形成脈沖寬度可調(diào)的正負(fù)脈沖。

3.4 核心元件

3.4.1 NE555多諧振蕩器 555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字—模擬混合集成電路，它含有2個(gè)電壓比較器，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)放電開關(guān)T，比較器的參考電壓由3只5KW電阻器構(gòu)成的分壓器提供。分別利用555組成的多諧振器來實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)生電路。電路及輸出波形見圖5。

圖5（左）由555定時(shí)器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成，將555的2端與6端連接在一起成施密特觸發(fā)器，然后再3端經(jīng)RC積分部分回輸入端便構(gòu)成多諧振蕩器。在此設(shè)計(jì)中利用電源通過R1、R2向C充電，以及C通過R2向放電端放電，使電路產(chǎn)生震蕩。電容C在1/3VCC和2/3VCC之間進(jìn)行充電和放電，產(chǎn)生脈沖波形，其輸出波形如圖5（右）所示。通過改變R和C的參數(shù)即可改變振蕩頻率，此時(shí)輸出V0為矩形波。

3.4.2 CC4017十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 CC4017是一片5位計(jì)數(shù)器，具有10個(gè)譯碼輸出端及CP＼CR和INH 3個(gè)輸入端，時(shí)鐘輸出端CP的施密特觸發(fā)器對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖的上升和下降時(shí)間無限制，但具有脈沖整形功能。禁止端INH為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)，反之，計(jì)數(shù)功能無效；清零端CR為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。Johnson計(jì)數(shù)器提供了高速運(yùn)行，2個(gè)輸入譯碼選通和無毛刺譯碼輸出。其中防鎖選通保證了計(jì)數(shù)順序的正確。一般譯碼輸出為低電平，只有在對(duì)應(yīng)時(shí)鐘周期內(nèi)才保持高電平，在每10個(gè)時(shí)鐘輸入周期輸出CO信號(hào)完成一次進(jìn)位，并用作多級(jí)計(jì)數(shù)器的下級(jí)脈沖時(shí)鐘。CC4017的邏輯邏輯結(jié)構(gòu)和引腳結(jié)構(gòu)如圖6、圖7所示，CC4017的功能表如表2所示。圖中各引腳的功能為CO：僅為脈沖輸出端；CP：時(shí)鐘輸入端；CR：清零端；INH：禁止端；VDD：正電源；VSS：地；Q0～Q9：計(jì)數(shù)脈沖輸出端。

3.4.3 電壓比較電路 電壓比較器電路如圖8所示。

電壓比較電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與比較，是組成非正弦發(fā)生電路的基本單元電路，在測(cè)量和控制中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。電壓比較電路的基本功能是能對(duì)2個(gè)輸入電壓的大小進(jìn)行比較，判斷出其中哪一個(gè)比較大，比較的結(jié)果用輸出電壓的高電平和低電平來表示。電壓比較電路可以采用專用的集成比較器，也可以采用運(yùn)算放大器組成。由集成運(yùn)算放大器組成的比較器，其輸出電平在最大輸出電壓的正極限值和負(fù)極限值之間擺動(dòng)，當(dāng)要和數(shù)字電路相連接時(shí)，必須增添附加電路，對(duì)其輸出電壓采取箝位措施，使其高低輸出電平，滿足數(shù)字電路邏輯電平要求。

在本設(shè)計(jì)充電過程中，電壓比較電路的被測(cè)輸入電壓為電池電壓，即連接在電池的正端，也就是快速脈沖充電器總體電路的輸出端（見圖3）與電壓比較器的被測(cè)輸入端相連接。被測(cè)輸入電壓進(jìn)入電壓比較電路中，與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)輸入電壓值小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，電池繼續(xù)充電；當(dāng)輸入電壓大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，則停止充電，發(fā)光二極管熄滅。

4 仿真及驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)上述電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。結(jié)果分別如圖9、10、11所示。圖9為NE555多諧振蕩器仿真輸出波形，電源通

過R1、R2向C充電，以及C通過R2向放電端放電，通過調(diào)節(jié)電阻R8來調(diào)節(jié)占空比，使電路產(chǎn)生震蕩，圖10是555定時(shí)器組成的多諧振蕩電路輸出脈沖仿真波形。CC4017接受555定時(shí)器的脈沖，將其轉(zhuǎn)換為正負(fù)脈沖，引腳輸出的信號(hào)輪流給蓄電池充電。圖11為蓄電池充放電過程電壓仿真波形，接受CC4017輸出的PWM正負(fù)脈沖給蓄電池充電。

5 結(jié)束語

鉛酸蓄電池因其價(jià)格低廉、供電可靠、電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活多個(gè)領(lǐng)域。目前市場(chǎng)上鉛酸蓄電池充電器電池的充電方式有很多種，但大多數(shù)不能解決充電過程中的極化現(xiàn)象，極化現(xiàn)象嚴(yán)重影響電池性能及其使用壽命。本文利用CC4017十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和555組成多諧振器，設(shè)計(jì)出脈沖式快速充電器。該充電器提高充電速率，解決充電器的極化現(xiàn)象，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，應(yīng)用于電動(dòng)自行車可使車輛充電更為便捷。

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