基于單片機技術(shù)的電動自行車快速充電器設(shè)計

鄭強勝

（嘉興市建筑工業(yè)學校，浙江 嘉興314000）

近年來無論城市還是農(nóng)村很多家庭都擁有電動自行車。用它來代步，比自行車的速度快，比汽車的靈活性高，而且清潔無污染，無噪聲。它的動力為鉛酸蓄電池，但其充電技術(shù)一直處于未成熟狀態(tài)，所以經(jīng)常會出現(xiàn)騎行途中電能消耗完的情況，導致不能正常使用。傳統(tǒng)的恒壓充電與恒流充電都沒有去極化思路，大大影響了蓄電池的充電時間，縮短其壽命，已經(jīng)成為電動自行車領(lǐng)域共同的難題。本文研究的充電器旨在4 h以內(nèi)讓蓄電池達到快速充滿的目的。

1 脈沖快速充電法簡介

傳統(tǒng)的電動自行車充電器無去極化，導致了使用效果受到影響。定電壓正負脈沖快速充電法是保持電壓恒定的方法，隨著充電過程的進行把蓄電池兩端的電壓不斷提升，電流不斷減小，從而有效遏制極化的問題，克服了電流恒定的缺陷。但它的穩(wěn)定性會差一些，需要反饋補償網(wǎng)絡(luò)來改善系統(tǒng)的響應(yīng)。脈沖充電法則是對這些傳統(tǒng)充電方法的改進，它通過電流間歇對電池進行充電，在蓄電池的化學反應(yīng)產(chǎn)生氧氣與氫氣后重新進行化合，消除極化，達到減輕內(nèi)壓的效果。蓄電池通過這種充電方式可以吸收更多的電量，減少析氣量，提高充電效率［1］。

2 脈沖快速充電器工作原理

根據(jù)鉛酸蓄電池的特性，結(jié)合快速充電裝置，把電動車的充電過程分為4個主要階段：預充電、脈沖快速充電、補足充電、浮充電，如圖1所示。

圖1 分級定電流脈沖快速充電法原理圖

對于一些放電較深、長時間不用的電池或是新電池，如果突然使用快速充電，將會大大影響到電池的壽命，電池的內(nèi)部器件也將會受到?jīng)_擊。為了解決這一問題，首先要對電池進行穩(wěn)定的小電流充電，當電池的電壓上升到一定的水平，能夠接受大電流充電時，再進行大電流快速充電。在快速充電過程中，開始采用大電流充電，隨著電池能量的不斷增大，電壓不斷升高，電流等級則開始下降，使脈沖的幅度與寬度都有所下降，通過這種方法可以消除電池即將充滿電時出現(xiàn)的振蕩問題以及過度充電的問題。在充電即將終止時，電池不一定完全承載電荷，為了確保充電質(zhì)量，還需要進一步補足充電。采用恒壓充電技術(shù)，使電池的容量盡快恢復，充電電流會不斷減小，最后進入浮充階段。這一階段主要是用來補充蓄電池自放電的問題，不斷為電池補充電荷，使電池始終處于充滿的狀態(tài)，同時也標志著充電過程已經(jīng)完成［2］。

3 基于單片機的電動自行車快速充電器系統(tǒng)組成

快速充電器的系統(tǒng)主要組成有高頻穩(wěn)壓電源、基于單片機的控制電路。交流電通過濾波除去共模信號，再進行整流濾波與開關(guān)管連接，將正弦交流電轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，其電壓值略高于充電電壓，其后經(jīng)整流與LC濾波電路達到電壓的穩(wěn)定值［3］。

3.1 高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源

本文采用的是半橋式變換電路，主要優(yōu)點是抗不平衡性，使用的功率開關(guān)管的耐壓值低，輸入濾波電容的耐壓也會降低。

3.2 單片機控制

本文所設(shè)計的電動自行車快速充電器采用的是單片機電路，通過AT89C51單片機的P1作為輸入與輸出的接口，溫度傳感器所檢測到的溫度信號通過P3.2接口輸入，而電壓信號則通過P3.1接口輸入，它的輸出信號分別通過P1.1～P1.5接口來提供。

3.3 整體電路設(shè)計

電動自行車快速充電器的電路主要有：主電路、控制電路、檢測電路。主電路由橋式整流電路與逆變電路組合而成，控制電路由單片機AT89C51來實現(xiàn)，通過檢測到的電壓與其他信號做相應(yīng)的比較，可以輸出不同的脈沖電壓值，發(fā)出不同的指示動作。檢測電路主要有溫度檢測電路和電壓檢測電路，通過溫度傳感器與分壓電路來實現(xiàn)［4］。

3.4 控制電路的設(shè)計

（1）溫度傳感器

溫度檢測多是采用傳感器來完成的。熱敏電阻是一種非常好的敏感元件，其體積小、功耗低、價格低。采用熱敏電阻構(gòu)成的溫度傳感器比較簡單，可以利用分壓電路，把溫度變化情況轉(zhuǎn)變成電壓信號，傳送給單片機進行處理［5］。

當蓄電池溫度低時，熱敏電阻的阻值非常大，調(diào)節(jié)電位器使時基集成塊觸發(fā)端子的2腳電壓值比電源電壓低2／3，單穩(wěn)態(tài)電路觸發(fā)翻轉(zhuǎn)進入穩(wěn)態(tài)，輸出端3腳不斷輸出高電壓值，三極管觸發(fā)導通，給單片機傳送低電壓。通過可調(diào)電阻器RP來進行電路調(diào)節(jié)，在溫度為45℃時動作，達到檢測的效果。

（2）電壓檢測電路

正常充電時電池兩端電壓保持在0～15 V，通過單片機檢測端電壓的變化映射到0～5 V，需要采用低壓電器進行高壓測量，如果模擬與數(shù)字電路間沒有電氣隔離，高電壓與強電流容易串入低壓電器，導致危險。這種電壓檢測電路設(shè)計采用精密電阻進行比例衰減，通過把輸入電壓轉(zhuǎn)化到AD轉(zhuǎn)換器的量程范圍之內(nèi)，經(jīng)過濾波，再次通過轉(zhuǎn)換器進行測量［6］。

3.5 整流電路設(shè)計

單相半波整流利用了電源電壓的半個周期，整流電壓的脈動比較大，其可以通過采用全波整流電路來實現(xiàn)。單相橋式整流電路可以很好地解決以上問題。電壓無論在正半周還是在負半周，負載上都會有相同的電流經(jīng)過。電容濾波電路在直流輸出一側(cè)與負載并聯(lián)，對輸出電壓進行平滑濾波。如果輸出電壓幅度大，說明帶負載能力差。半橋逆變器采用兩個導電臂，由全控器與反并聯(lián)二極管組成［7］。此外還有開關(guān)變壓器的設(shè)計、雙管正激變換器反饋補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與變頻整流電路，在這里不一一敘述。

4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序主要包括溫度檢測中斷程序、電壓檢測子程序、充電脈沖控制子程序、單片機主程序等。本文中對程序的代碼不進行描述。

5 結(jié)束語

本文對基于AT89C51單片機的電動自行車快速充電器進行電路設(shè)計分析，包括電源電路、整流電路與控制電路等，通過信號的不斷變換與傳輸，達到合理控制的目的，提高了電池的使用壽命。隨著軟件與芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，更多集成電路的應(yīng)用，電動自行車也將向著更加智能化與人性化方向發(fā)展?？焖俪潆娂夹g(shù)不但會在電動自行車上發(fā)展更完善，而且還將會應(yīng)用于電動汽車、混合動力汽車等領(lǐng)域，為我國的環(huán)境保持與可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

［1］唐 菲.基于單片機AT89C51的電動自行車快速充電器的設(shè)計［J］.硅谷，2009，（22）：12.

［2］李 想.慎用電動自行車快速充電裝置［J］.電動自行車，2011，（12）：49－50.

［3］朱世盤，王春芳，張志勇.電動自行車快速充電器的研究［J］.電工電能新技術(shù)，2012，（02）：93－96.

［4］趙 波.電動汽車快速充電器的研究［D］.成都：西南石油大學，2012.

［5］徐文城，魏學業(yè)，惠子南.基于微控制器的自適應(yīng)電動自行車充電器的設(shè)計［J］.電氣自動化，2012，（05）：11－12＋31.

［6］別文群，王留芳.基于C504單片機的電動自行車智能充電器的設(shè)計［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2006，（07）：206－208.

［7］胡桂華.鋰電動自行車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計［D］.杭州：杭州電子科技大學，2013.