電動(dòng)自行車可預(yù)約安全充電器的產(chǎn)品化設(shè)計(jì)

宋秦中，章 丁，徐 波

（蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

電動(dòng)自行車的需求市場越來越大，直接推動(dòng)電動(dòng)自行車充電器的市場需求，2011年全球電動(dòng)自行車充電器產(chǎn)量達(dá)到了2 034萬個(gè)，2012年全球電動(dòng)自行車充電器產(chǎn)量達(dá)到了2 467萬個(gè)，同比增長了21．3%，2013年全球電動(dòng)自行車充電器產(chǎn)量達(dá)到了2 948萬個(gè)，同比增長了19．5%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球電動(dòng)自行車充電器新增產(chǎn)量主要來自于中國產(chǎn)量的增長。目前市場規(guī)模約為人民幣9．42億元，預(yù)計(jì)電動(dòng)自行車充電器的全球市場規(guī)模在2015年將達(dá)到約人民幣11．48億元，2020年達(dá)到人民幣25．23億元[1]。

1.方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的充電器或充電方案存在更換成本高、充電時(shí)間長、充電溫度不穩(wěn)定（火災(zāi)隱患的直接原因）、充不滿或者過充等一系列問題，且“長相”單調(diào)、平淡，廣受消費(fèi)者詬病。因此，能夠提供“智慧”且一體化的電動(dòng)自行車充放電解決方案，完整的解決上述詬病問題，具有較強(qiáng)的商業(yè)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值[1]。

針對(duì)上述問題，技術(shù)上，需要從以下2個(gè)方面考慮：

第一，以較簡單的電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)避免電動(dòng)自行車充電過沖問題，實(shí)現(xiàn)安全充電，輔助延長電池使用壽命。

第二，實(shí)現(xiàn)可預(yù)約充電，避免電池虧電問題，輔助延長電池的使用壽命。

設(shè)計(jì)的可預(yù)約安全充電器包括：充電電路、充滿自停電路、上電隔離電路和預(yù)約電路4個(gè)部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)電路由單片機(jī)信號(hào)控制，當(dāng)輸入電壓從電源電路進(jìn)來，由硬件電路對(duì)輸入的電壓和電流監(jiān)控并且穩(wěn)定電壓與電流的輸出，減少紋波[2-5]。把輸出的電壓電流，再進(jìn)過處理成單片機(jī)信號(hào)進(jìn)行修正，然后輸送給繼電器電路待定，當(dāng)蓄電池即將充滿電時(shí)，單片機(jī)MCU再次給繼電器輸出電路信號(hào)，切斷充電電路。當(dāng)按下預(yù)約充電電路按鈕時(shí)段時(shí)（3天，6天，15天），由MCU計(jì)時(shí)讓各電路處于待定狀態(tài)，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，由MCU給各電路發(fā)送信號(hào)充電，到即將充滿電時(shí)候，由MCU再次發(fā)送信號(hào)給繼電器電路，切斷充電電路。

2.技術(shù)設(shè)計(jì)

（1）充電電路

在充電電路中，電流始終恒定在一個(gè)數(shù)值，電源電壓過高、電流過大都不會(huì)對(duì)電池造成影響。如圖2（左）所示，輸入從VIN進(jìn)入，進(jìn)過三極管控制IRF5305對(duì)電壓可靠調(diào)控，防止電壓過大對(duì)后面電路沖擊。從VIN進(jìn)過TL431分壓成2．5 V給LM358，再由LM358對(duì)輸出到R3，R5上的電壓調(diào)節(jié)，另一部分對(duì)R4上輸出的電流調(diào)控，保持恒定。恒流充電電路，還可運(yùn)用到其它種類充電電池充電。電路測試如圖2（右）所示，充電電路輸出電壓穩(wěn)定在48 V，輸出電壓幾乎不受周圍影響，保持輸出恒定，能夠避免過流沖擊。

圖2 充電電路及測試

（2）充滿自停電路

電池充滿電后，檢測電池電壓迅速切斷充電，并且有單片機(jī)鎖定，不可反復(fù)充電，從而有效避免電池過沖問題，解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)的方案是：利用51單片機(jī)、ADC0808和74LS74對(duì)輸出微小電壓監(jiān)控，一旦電池充滿后達(dá)到電池的飽和電壓時(shí)候，由單片機(jī)給ADC0808發(fā)送信號(hào)并且在LED上顯示電壓數(shù)值，并且控制繼電器對(duì)充電電路切斷，提示充電滿的綠燈點(diǎn)亮。

（3）上電隔離電路

為了防止出現(xiàn)誤操作，電路在充電起初做了一個(gè)基本保護(hù)，使充電更安全。產(chǎn)品方案是：在充電器連接電池充電的時(shí)候，由一個(gè)單片機(jī)進(jìn)行充電保護(hù)，利用繼電器跳開并延遲500 ms再進(jìn)行對(duì)電池的充電。3個(gè)繼電器，第一個(gè)對(duì)變壓器副邊側(cè)保護(hù)，防止電流過大，第二個(gè)對(duì)輸出到電池的保護(hù)，第三個(gè)是防止誤操作。繼電器控制測試如圖3所示，當(dāng)數(shù)值顯示為1時(shí)表示充滿，充電自停，防止了誤操作，保證充電器可靠工作。

圖3 保護(hù)電路測試

（4）預(yù)約電路

采用51單片機(jī)進(jìn)行預(yù)約定時(shí)，可定時(shí)3天，6天，15天，依據(jù)電池的實(shí)際情況進(jìn)行選擇，定時(shí)過程中依舊可以充滿自我關(guān)斷。如圖4所示，利用51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)充電的定時(shí)，三個(gè)按鈕分別對(duì)應(yīng)充電的不同時(shí)間，當(dāng)預(yù)約的時(shí)間到后繼電器RL4工作給電池充電，當(dāng)充滿后轉(zhuǎn)換到充滿自停電路，切斷充電。圖4對(duì)預(yù)約電路進(jìn)行測試。脈沖輸出正常，每一小格子代表1 秒。等待預(yù)約時(shí)間到，翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)預(yù)約充電功能，從測試結(jié)果可以看出：預(yù)約定時(shí)電路工作穩(wěn)定。

圖4 預(yù)約電路及測試

3.結(jié)論

設(shè)計(jì)的安全可預(yù)約充電器可用于電動(dòng)自行車蓄電池充電管理和充電器預(yù)約充電，在實(shí)現(xiàn)安全充電的同時(shí)，能夠防止電動(dòng)自行車過充和虧電等常見問題，輔助延長蓄電池壽命，具有智能化，操作簡單，成本低，穩(wěn)定，可靠等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合外觀設(shè)計(jì)，安全、可預(yù)約的新型充電器有廣闊的市場需求，具有較強(qiáng)的商業(yè)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

[1]宋秦中，徐波．新型安全電動(dòng)自行車充電器的市場分析［J］．電動(dòng)自行車，2015（1）：47-48．

[2]南華．智能數(shù)顯電動(dòng)車充電器［J］．中國自行車，2009（8）：23．

[3]祝敏．電動(dòng)自行車通用智能充電器的設(shè)計(jì)［J］．電動(dòng)自行車，2009（8）：25-27．

[4]宋秦中，徐波，楊海娟．電動(dòng)自行車調(diào)速控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2015（6）：23-25．

[5]徐文城，魏學(xué)業(yè)．基于微控制器的自適應(yīng)電動(dòng)自行車充電器的設(shè)計(jì)［J］．電氣自動(dòng)化，2012（5）：11-12．