基于单片机技术的电动自行车快速充电器设计

郑强胜

（嘉兴市建筑工业学校，浙江 嘉兴314000）

近年来无论城市还是农村很多家庭都拥有电动自行车。用它来代步，比自行车的速度快，比汽车的灵活性高，而且清洁无污染，无噪声。它的动力为铅酸蓄电池，但其充电技术一直处于未成熟状态，所以经常会出现骑行途中电能消耗完的情况，导致不能正常使用。传统的恒压充电与恒流充电都没有去极化思路，大大影响了蓄电池的充电时间，缩短其寿命，已经成为电动自行车领域共同的难题。本文研究的充电器旨在4 h以内让蓄电池达到快速充满的目的。

1 脉冲快速充电法简介

传统的电动自行车充电器无去极化，导致了使用效果受到影响。定电压正负脉冲快速充电法是保持电压恒定的方法，随着充电过程的进行把蓄电池两端的电压不断提升，电流不断减小，从而有效遏制极化的问题，克服了电流恒定的缺陷。但它的稳定性会差一些，需要反馈补偿网络来改善系统的响应。脉冲充电法则是对这些传统充电方法的改进，它通过电流间歇对电池进行充电，在蓄电池的化学反应产生氧气与氢气后重新进行化合，消除极化，达到减轻内压的效果。蓄电池通过这种充电方式可以吸收更多的电量，减少析气量，提高充电效率［1］。

2 脉冲快速充电器工作原理

根据铅酸蓄电池的特性，结合快速充电装置，把电动车的充电过程分为4个主要阶段：预充电、脉冲快速充电、补足充电、浮充电，如图1所示。

图1 分级定电流脉冲快速充电法原理图

对于一些放电较深、长时间不用的电池或是新电池，如果突然使用快速充电，将会大大影响到电池的寿命，电池的内部器件也将会受到冲击。为了解决这一问题，首先要对电池进行稳定的小电流充电，当电池的电压上升到一定的水平，能够接受大电流充电时，再进行大电流快速充电。在快速充电过程中，开始采用大电流充电，随着电池能量的不断增大，电压不断升高，电流等级则开始下降，使脉冲的幅度与宽度都有所下降，通过这种方法可以消除电池即将充满电时出现的振荡问题以及过度充电的问题。在充电即将终止时，电池不一定完全承载电荷，为了确保充电质量，还需要进一步补足充电。采用恒压充电技术，使电池的容量尽快恢复，充电电流会不断减小，最后进入浮充阶段。这一阶段主要是用来补充蓄电池自放电的问题，不断为电池补充电荷，使电池始终处于充满的状态，同时也标志着充电过程已经完成［2］。

3 基于单片机的电动自行车快速充电器系统组成

快速充电器的系统主要组成有高频稳压电源、基于单片机的控制电路。交流电通过滤波除去共模信号，再进行整流滤波与开关管连接，将正弦交流电转换成脉冲电压，其电压值略高于充电电压，其后经整流与LC滤波电路达到电压的稳定值［3］。

3.1 高频开关稳压电源

本文采用的是半桥式变换电路，主要优点是抗不平衡性，使用的功率开关管的耐压值低，输入滤波电容的耐压也会降低。

3.2 单片机控制

本文所设计的电动自行车快速充电器采用的是单片机电路，通过AT89C51单片机的P1作为输入与输出的接口，温度传感器所检测到的温度信号通过P3.2接口输入，而电压信号则通过P3.1接口输入，它的输出信号分别通过P1.1～P1.5接口来提供。

3.3 整体电路设计

电动自行车快速充电器的电路主要有：主电路、控制电路、检测电路。主电路由桥式整流电路与逆变电路组合而成，控制电路由单片机AT89C51来实现，通过检测到的电压与其他信号做相应的比较，可以输出不同的脉冲电压值，发出不同的指示动作。检测电路主要有温度检测电路和电压检测电路，通过温度传感器与分压电路来实现［4］。

3.4 控制电路的设计

（1）温度传感器

温度检测多是采用传感器来完成的。热敏电阻是一种非常好的敏感元件，其体积小、功耗低、价格低。采用热敏电阻构成的温度传感器比较简单，可以利用分压电路，把温度变化情况转变成电压信号，传送给单片机进行处理［5］。

当蓄电池温度低时，热敏电阻的阻值非常大，调节电位器使时基集成块触发端子的2脚电压值比电源电压低2／3，单稳态电路触发翻转进入稳态，输出端3脚不断输出高电压值，三极管触发导通，给单片机传送低电压。通过可调电阻器RP来进行电路调节，在温度为45℃时动作，达到检测的效果。

（2）电压检测电路

正常充电时电池两端电压保持在0～15 V，通过单片机检测端电压的变化映射到0～5 V，需要采用低压电器进行高压测量，如果模拟与数字电路间没有电气隔离，高电压与强电流容易串入低压电器，导致危险。这种电压检测电路设计采用精密电阻进行比例衰减，通过把输入电压转化到AD转换器的量程范围之内，经过滤波，再次通过转换器进行测量［6］。

3.5 整流电路设计

单相半波整流利用了电源电压的半个周期，整流电压的脉动比较大，其可以通过采用全波整流电路来实现。单相桥式整流电路可以很好地解决以上问题。电压无论在正半周还是在负半周，负载上都会有相同的电流经过。电容滤波电路在直流输出一侧与负载并联，对输出电压进行平滑滤波。如果输出电压幅度大，说明带负载能力差。半桥逆变器采用两个导电臂，由全控器与反并联二极管组成［7］。此外还有开关变压器的设计、双管正激变换器反馈补偿网络的设计与变频整流电路，在这里不一一叙述。

4 系统软件程序设计

系统软件程序主要包括温度检测中断程序、电压检测子程序、充电脉冲控制子程序、单片机主程序等。本文中对程序的代码不进行描述。

5 结束语

本文对基于AT89C51单片机的电动自行车快速充电器进行电路设计分析，包括电源电路、整流电路与控制电路等，通过信号的不断变换与传输，达到合理控制的目的，提高了电池的使用寿命。随着软件与芯片技术的不断发展，更多集成电路的应用，电动自行车也将向着更加智能化与人性化方向发展。快速充电技术不但会在电动自行车上发展更完善，而且还将会应用于电动汽车、混合动力汽车等领域，为我国的环境保持与可持续发展做出贡献。

［1］唐 菲.基于单片机AT89C51的电动自行车快速充电器的设计［J］.硅谷，2009，（22）：12.

［2］李 想.慎用电动自行车快速充电装置［J］.电动自行车，2011，（12）：49－50.

［3］朱世盘，王春芳，张志勇.电动自行车快速充电器的研究［J］.电工电能新技术，2012，（02）：93－96.

［4］赵 波.电动汽车快速充电器的研究［D］.成都：西南石油大学，2012.

［5］徐文城，魏学业，惠子南.基于微控制器的自适应电动自行车充电器的设计［J］.电气自动化，2012，（05）：11－12＋31.

［6］别文群，王留芳.基于C504单片机的电动自行车智能充电器的设计［J］.计算机技术与发展，2006，（07）：206－208.

［7］胡桂华.锂电动自行车电池管理系统的设计［D］.杭州：杭州电子科技大学，2013.