一种新型快速脉冲充电电路的设计

摘 要 本文针对电动自行车存在的充电器充电慢问题，提出一种快速脉冲充电方法，设计快速脉冲式充电器电路，采用PWM正负脉冲充电方式对电池充电，能大幅提高充电器中蓄电池的充电速率，并可延长电池使用寿命。分析电路的工作原理，对电路进行仿真，仿真结果验证正负脉冲放对于提高电池充电电流接受率，加快充电速度的有效性。

关键词 PWM快速脉冲 正负脉冲 蓄电池 充电效率

1 前 言

电动自行车具有使用方便、灵活、环保、节能等特点。电动自行车使用传统的铅酸蓄电池成本低、容量大，但是不耐用，需充电频繁，而且一次充电饱和，一般可以行驶三十公里左右（因电池容量的不同差异较大），不便于远距离行驶。而且充电时间长，充电完毕需费时数小时时间[1～5]。

本文针对电动自行车充电器充电慢问题，采用PWM正负脉冲充电方式充电，可以在较短时间内完成快速充电，解决使用电动自行车远距离行驶的困扰。采用PWM正负脉冲充电方式对电池充电可以延长电池的使用寿命，缩短电池充电时间。

2 蓄电池的充电方法

PWM正负脉冲充电方式是用脉冲电流对电池充电，之后让电池放电，如此反复循环。在本设计中采用NE555多谐振荡器作为脉冲产生电路，经过十进制计数器CC4017转换为正负脉冲对电池进行充放电，放电脉冲的电流值很大，宽度很窄，通常放电脉冲幅值为充电脉冲的3倍左右。放电脉冲的幅值与电池容量有关，但是与充电电流幅值的比值保持不变，脉冲充电时，充电电流波形如图1所示。

3 快速脉冲充电结构设计

3.1 脉冲式充电器的电路结构

图2所示是脉冲充电器电路结构，主要包括：电路滤波、一次整流滤波、PWM变换器、二次整流滤波、脉冲电路、充放电电路和反馈控制。与普通理论电源电路相比，该电路采用脉冲产生电路与充放电电路部分相组合结构。

3.2 快速脉冲充电总体电路设计

总体电路设计图如图3所示。各元件标参数值如表1所示。

如图3所示，由NE555时基电路组成的多谐振荡器的脚3输出的脉冲方波送到十进制计数器CC4017的脚14，CC4017的十个输出端将轮流输出高电平。当脚1至脚5输出高电平时，Q1导通，然后Q3导通，直流电压通过Q3与R5对电池进行大电流充电。当脚6与脚7输出高电平时，Q1与Q3因没有驱动电平而截止。在此期间通过电压比较电路，测量电池两端的电压，判断电池是否充满。当脚8、9输出高电平时使Q2导通，电池通过电阻R6进行放电。当脚10与脚11输出高电平时，Q2截止。如此反复循环。以正负脉冲的形式给电池进行充放电，脉冲充电方式不仅可以防止蓄电池充电时的极化现象，而且还可以大大加快蓄电池的充电速率。

3.3 PWM正负脉冲产生电路设计

由NE555多谐振荡器和CC4017十进制计数器组成的PWM正负脉冲产生电路如图4所示。

由NE555多谐振荡器产生的矩形脉冲作为CC4017十进制计数器提供时钟输入脉冲，通过调节R8的阻值大小可以改变脉冲宽度。CC4017的十个输出引脚轮流输出高电平，将其引脚顺次任意连接起来，便可形成脉冲宽度可调的正负脉冲。

3.4 核心元件

3.4.1 NE555多谐振荡器 555定时器是一种多用途的数字―模拟混合集成电路，它含有2个电压比较器，一个RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由3只5KW电阻器构成的分压器提供。分别利用555组成的多谐振器来实现脉冲发生电路。电路及输出波形见图5。

图5（左）由555定时器和外接元件R1、R2、C构成，将555的2端与6端连接在一起成施密特触发器，然后再3端经RC积分部分回输入端便构成多谐振荡器。在此设计中利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端放电，使电路产生震荡。电容C在1/3VCC和2/3VCC之间进行充电和放电，产生脉冲波形，其输出波形如图5（右）所示。通过改变R和C的参数即可改变振荡频率，此时输出V0为矩形波。

3.4.2 CC4017十进制计数器 CC4017是一片5位计数器，具有10个译码输出端及CP＼CR和INH 3个输入端，时钟输出端CP的施密特触发器对输入时钟脉冲的上升和下降时间无限制，但具有脉冲整形功能。禁止端INH为低电平时，计数器在时钟上升沿计数，反之，计数功能无效；清零端CR为高电平时，计数器清零。Johnson计数器提供了高速运行，2个输入译码选通和无毛刺译码输出。其中防锁选通保证了计数顺序的正确。一般译码输出为低电平，只有在对应时钟周期内才保持高电平，在每10个时钟输入周期输出CO信号完成一次进位，并用作多级计数器的下级脉冲时钟。CC4017的逻辑逻辑结构和引脚结构如图6、图7所示，CC4017的功能表如表2所示。图中各引脚的功能为CO：仅为脉冲输出端；CP：时钟输入端；CR：清零端；INH：禁止端；VDD：正电源；VSS：地；Q0～Q9：计数脉冲输出端。

3.4.3 电压比较电路 电压比较器电路如图8所示。

电压比较电路对输入信号进行检测与比较，是组成非正弦发生电路的基本单元电路，在测量和控制中应用相当广泛。电压比较电路的基本功能是能对2个输入电压的大小进行比较，判断出其中哪一个比较大，比较的结果用输出电压的高电平和低电平来表示。电压比较电路可以采用专用的集成比较器，也可以采用运算放大器组成。由集成运算放大器组成的比较器，其输出电平在最大输出电压的正极限值和负极限值之间摆动，当要和数字电路相连接时，必须增添附加电路，对其输出电压采取箝位措施，使其高低输出电平，满足数字电路逻辑电平要求。

在本设计充电过程中，电压比较电路的被测输入电压为电池电压，即连接在电池的正端，也就是快速脉冲充电器总体电路的输出端（见图3）与电压比较器的被测输入端相连接。被测输入电压进入电压比较电路中，与基准电压进行比较，当输入电压值小于基准电压时，电池继续充电；当输入电压大于基准电压时，则停止充电，发光二极管熄灭。

4 仿真及验证结果

对上述电路结构进行仿真。结果分别如图9、10、11所示。图9为NE555多谐振荡器仿真输出波形，电源通

过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端放电，通过调节电阻R8来调节占空比，使电路产生震荡，图10是555定时器组成的多谐振荡电路输出脉冲仿真波形。CC4017接受555定时器的脉冲，将其转换为正负脉冲，引脚输出的信号轮流给蓄电池充电。图11为蓄电池充放电过程电压仿真波形，接受CC4017输出的PWM正负脉冲给蓄电池充电。

5 结束语

铅酸蓄电池因其价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，被广泛应用于生产、生活多个领域。目前市场上铅酸蓄电池充电器电池的充电方式有很多种，但大多数不能解决充电过程中的极化现象，极化现象严重影响电池性能及其使用寿命。本文利用CC4017十进制计数器和555组成多谐振器，设计出脉冲式快速充电器。该充电器提高充电速率，解决充电器的极化现象，延长蓄电池的使用寿命，应用于电动自行车可使车辆充电更为便捷。

参考文献

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