一種新型快速脈沖充電電路的設計

馬麗麗等

摘 要 本文針對電動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，設計快速脈沖式充電器電路，采用PWM正負脈沖充電方式對電池充電，能大幅提高充電器中蓄電池的充電速率，并可延長電池使用壽命。分析電路的工作原理，對電路進行仿真，仿真結果驗證正負脈沖放對于提高電池充電電流接受率，加快充電速度的有效性。

關鍵詞 PWM快速脈沖 正負脈沖 蓄電池 充電效率

1 前 言

電動自行車具有使用方便、靈活、環保、節能等特點。電動自行車使用傳統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，一般可以行駛三十公里左右（因電池容量的不同差異較大），不便于遠距離行駛。而且充電時間長，充電完畢需費時數小時時間[1～5]。

本文針對電動自行車充電器充電慢問題，采用PWM正負脈沖充電方式充電，可以在較短時間內完成快速充電，解決使用電動自行車遠距離行駛的困擾。采用PWM正負脈沖充電方式對電池充電可以延長電池的使用壽命，縮短電池充電時間。

2 蓄電池的充電方法

PWM正負脈沖充電方式是用脈沖電流對電池充電，之后讓電池放電，如此反復循環。在本設計中采用NE555多諧振蕩器作為脈沖產生電路，經過十進制計數器CC4017轉換為正負脈沖對電池進行充放電，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，但是與充電電流幅值的比值保持不變，脈沖充電時，充電電流波形如圖1所示。

3 快速脈沖充電結構設計

3.1 脈沖式充電器的電路結構

圖2所示是脈沖充電器電路結構，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，該電路采用脈沖產生電路與充放電電路部分相組合結構。

3.2 快速脈沖充電總體電路設計

總體電路設計圖如圖3所示。各元件標參數值如表1所示。

如圖3所示，由NE555時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制計數器CC4017的腳14，CC4017的十個輸出端將輪流輸出高電平。當腳1至腳5輸出高電平時，Q1導通，然后Q3導通，直流電壓通過Q3與R5對電池進行大電流充電。當腳6與腳7輸出高電平時，Q1與Q3因沒有驅動電平而截止。在此期間通過電壓比較電路，測量電池兩端的電壓，判斷電池是否充滿。當腳8、9輸出高電平時使Q2導通，電池通過電阻R6進行放電。當腳10與腳11輸出高電平時，Q2截止。如此反復循環。以正負脈沖的形式給電池進行充放電，脈沖充電方式不僅可以防止蓄電池充電時的極化現象，而且還可以大大加快蓄電池的充電速率。

3.3 PWM正負脈沖產生電路設計

由NE555多諧振蕩器和CC4017十進制計數器組成的PWM正負脈沖產生電路如圖4所示。

由NE555多諧振蕩器產生的矩形脈沖作為CC4017十進制計數器提供時鐘輸入脈沖，通過調節R8的阻值大小可以改變脈沖寬度。CC4017的十個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的正負脈沖。

3.4 核心元件

3.4.1 NE555多諧振蕩器 555定時器是一種多用途的數字—模擬混合集成電路，它含有2個電壓比較器，一個RS觸發器，一個放電開關T，比較器的參考電壓由3只5KW電阻器構成的分壓器提供。分別利用555組成的多諧振器來實現脈沖發生電路。電路及輸出波形見圖5。

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

3.4.2 CC4017十進制計數器 CC4017是一片5位計數器，具有10個譯碼輸出端及CP＼CR和INH 3個輸入端，時鐘輸出端CP的施密特觸發器對輸入時鐘脈沖的上升和下降時間無限制，但具有脈沖整形功能。禁止端INH為低電平時，計數器在時鐘上升沿計數，反之，計數功能無效；清零端CR為高電平時，計數器清零。Johnson計數器提供了高速運行，2個輸入譯碼選通和無毛刺譯碼輸出。其中防鎖選通保證了計數順序的正確。一般譯碼輸出為低電平，只有在對應時鐘周期內才保持高電平，在每10個時鐘輸入周期輸出CO信號完成一次進位，并用作多級計數器的下級脈沖時鐘。CC4017的邏輯邏輯結構和引腳結構如圖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：時鐘輸入端；CR：清零端；INH：禁止端；VDD：正電源；VSS：地；Q0～Q9：計數脈沖輸出端。

3.4.3 電壓比較電路 電壓比較器電路如圖8所示。

電壓比較電路對輸入信號進行檢測與比較，是組成非正弦發生電路的基本單元電路，在測量和控制中應用相當廣泛。電壓比較電路的基本功能是能對2個輸入電壓的大小進行比較，判斷出其中哪一個比較大，比較的結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，也可以采用運算放大器組成。由集成運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極限值之間擺動，當要和數字電路相連接時，必須增添附加電路，對其輸出電壓采取箝位措施，使其高低輸出電平，滿足數字電路邏輯電平要求。

在本設計充電過程中，電壓比較電路的被測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輸入端相連接。被測輸入電壓進入電壓比較電路中，與基準電壓進行比較，當輸入電壓值小于基準電壓時，電池繼續充電；當輸入電壓大于基準電壓時，則停止充電，發光二極管熄滅。

4 仿真及驗證結果

對上述電路結構進行仿真。結果分別如圖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，通過調節電阻R8來調節占空比，使電路產生震蕩，圖10是555定時器組成的多諧振蕩電路輸出脈沖仿真波形。CC4017接受555定時器的脈沖，將其轉換為正負脈沖，引腳輸出的信號輪流給蓄電池充電。圖11為蓄電池充放電過程電壓仿真波形，接受CC4017輸出的PWM正負脈沖給蓄電池充電。

5 結束語

鉛酸蓄電池因其價格低廉、供電可靠、電壓穩定等優點，被廣泛應用于生產、生活多個領域。目前市場上鉛酸蓄電池充電器電池的充電方式有很多種，但大多數不能解決充電過程中的極化現象，極化現象嚴重影響電池性能及其使用壽命。本文利用CC4017十進制計數器和555組成多諧振器，設計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象，延長蓄電池的使用壽命，應用于電動自行車可使車輛充電更為便捷。

參考文獻

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