一种新型多功能电动自行车充电站的设计

孙春虎 陈海波 方愿捷

（巢湖学院，安徽 巢湖 238000）

一种新型多功能电动自行车充电站的设计

孙春虎 陈海波 方愿捷

（巢湖学院，安徽 巢湖 238000）

为了解决电动自行车在行驶过程中由于电量不足而无法行驶的问题，很有必要在道路两侧普及安装电动自行车充电站，还应满足快速充电和多功能充电的需求。这里介绍了一种新型多功能电动自行车充电站的设计。系统采用恒流、恒压、涓流的三阶段充电法；主电路主要由单相不控整流和两级Buck电路组成；控制系统采用了凌阳SPCE061A单片机，借助UC3842、SG3525、TL494来实现充电控制。该系统有较好的人机交互界面，不仅能快速充电，而且能对不同电压和容量的蓄电池进行充电，提高了电动自行车充电站的交互性、快速性与多功能性。

Buck 电路；SPCE061A；UC3842；SG3525；TL494

1 引言

当前的电动车充电站大都只能对某一特定电压和容量的蓄电池组进行充电，充电速度较慢，人机交互性差；针对以上几点，本设计采用恒流、恒压、涓流的三阶段快速充电法[1]，以缩短充电时间；主电路采用单相不控整流和两级Buck电路；控制系统以SPCE061A单片机为核心，借助UC3842、SG3525、TL494芯片，以实现对不同电压和容量的蓄电池的充电；所设计的充电器能显示充电状态信息，交互性良好，充电时间短，具有一定的多功能性。

2 充电站总体结构设计

充电站总体结构设计[2]如图1所示，它主要由主电路和控制电路组成。主电路包括滤波电路、不控整流电路以及两级Buck充电电路；控制电路以SPCE061A单片机为核心，借助电压、电流采样电路、UC3842控制电路、SG3525恒流充电电路和TL494恒压充电电路实现了蓄电池组的三阶段快速充电；键盘和LCD显示电路用于用户设定蓄电池电压和容量以及显示充电状态信息。

图1 充电站总体结构图

2 充电站主电路设计

充电站主电路如图2所示，它主要通过两级Buck电路对蓄电池进行充电。滤波电路既防止电网中的高频干扰串入开关电源，又避免开关电源对电网的反干扰；前级Buck电路实现200v直流电压的稳定输出；后级Buck电路实现对72v及以下规格的蓄电池的恒流充电和恒压充电。

图2 充电站主电路图

3 充电站控制系统硬件设计

充电站控制系统硬件设计[3]总图如图3所示。它主要包括SPCE061A单片机系统、UC3842控制电路、SG3525恒流充电电路、TL494恒压充电电路、辅助电源电路和驱动电路。由于这里涉及到实时的电压检测与充电控制，故选用16位的凌阳单片机SPCE061A[4]。该单片机程序存储器容量为32K字，指令执行速度为16MIPS，2个16位的I/O端口，16位定时器2个，提供7路10位分辨率的A/D转换器，2路10位分辨率的D/A转换器，具有丰富的片内外设。

图3 充电站控制系统硬件图

3.1 UC3842控制电路设计

单相电容滤波不控整流一般输出电压为300v左右且波动较大，UC3842、SG3525芯片和电压电流传感器需要±15v的工作电压，故充电站主电路若只用一级Buck电路实现充电电路，那么必然还要设计另一个复杂的辅助电源电路来实现波动的300v电压转换为±15v。这样势必会带来蓄电池充电电路设计的复杂性，因此这里充电站主电路采用两级Buck电路。前级Buck电路实现波动的300v电压转换为稳定的200v电压，既为后级Buck电路提供电源，又为辅助电源电路提供电源，简化了辅助电源电路的设计。

UC3842控制电路[5]如图4所示，电压传感器的输出一路经过R1、C1送入引脚1以改善控制系统的频率特性，另一路直接送入引脚2作为反馈电压输入；不控滤波整流电路输出电压U经过R2、R3分压给引脚7供电；引脚6输出PWM波经驱动电路控制开关Q通断。

图4 UC3842控制电路图

3.2 SG3525恒流充电控制电路设计

恒流充电能使蓄电池充满绝大部分电量，为实现三阶段充电法中的恒流充电控制，本文设计了SG3525恒流充电控制电路[6]，如图5所示。PWM集成控制芯片选用SG3525，SG3525单端输出时若不考虑死区时间，那么最大占空比可为50%，故后级Buck电路最大输出为100v。在图5中，电流传感器采样电流送入引脚1；凌阳单片机经内部D/A转换模块输出给定充电电流Ig送入引脚2；引脚5、6、7可设置振荡频率和死区时间，计算公式如式（1）、式（2）所示，引脚 5、7 短接用于将死区时间设为0，CT、RT可设置振荡频率，这里取10kHz；本设计利用引脚11输出单端PWM1波控制开关Q1，另一PWM波输出口引脚14不接；引脚10由单片机IOA0引脚控制实现恒流充电电路的启停。

图5 SG3525恒流充电控制电路图

3.3 TL494恒压充电控制电路设计

恒压充电控制电路设计的主要目的是实现蓄电池三阶段充电法中的恒压充电，以防止大电流对蓄电池的过充，保护蓄电池，此阶段随着充电的进行，充电电流不断减少，电量接近充满。

恒压充电控制电路[7]如图6所示，TL494输出PWM波采用单端输出方式。在图6中，电压传感器采样电压送入引脚2；单片机经内部D/A转换模块输出给定充电电压Ug送入引脚1；引脚5、引脚6的CT、RT用于设置振荡频率，计算公式如式（3）所示，这里也取为10k Hz；引脚8输出单端PWM2波控制开关Q1，引脚4用于设置死区时间，由单片机IOA1引脚控制实现恒压充电电路的启停。

图6 TL494恒压充电控制电路图

3.4 辅助电源设计

辅助电源设计的主要目的是产生±15v电压给UC3842、SG3525、TL494芯片和电压电流传感器供电，辅助电源原理图[8]如图7所示，核心控制芯片为RC4558运算放大器。

如图7所示，U1电压经R1、R2分压并滤波后为30v，30v电压再经过R3、R4分压后得到15v然后送到通道1同相输入口（3端口）；通道1反相输入口（2端口）和通道1输出口（1端口）短接构成射极跟随器；端口8、4为30v电源供电口的正、负极；由于1端口接地，那么端口8、4将被钳位在+15v、-15v，经过 C2、C3稳压后输出。

图7 辅助电源原理图

4 充电站控制系统软件设计

控制系统的软件设计主要包括充电主程序设计、恒流充电阶段程序设计、恒压充电阶段程序设计和涓流充电阶段程序设计。

4.1 充电主程序设计

充电主程序的主要功能是根据用户选择的蓄电池电压E和容量C信息来设定恒流、恒压和涓流充电阶段的充电电流和充电电压。主程序主要包括恒流充电阶段程序、恒压充电阶段程序和涓流充电阶段程序。

充电主程序流程图如图8所示，首先用户选择蓄电池电压和容量，然后单片机计算三阶段的充电电流和充电电压，系统依次进入恒流、恒压和涓流三充电阶段，最后若停充按下，充电过程结束，否则系统将一直处于涓流充电阶段，实现浮充[9]。

图8 充电主程序

图9 恒流充电阶段程序

4.2 恒流充电阶段程序设计

恒流充电阶段程序如图9所示，首先给定蓄电池充电电流Ig1；然后将IOA0置0、IOA1置1，以分别打开恒流充电控制电路和关闭恒压充电控制电路；接着写充电电流Ig1到D/A模块通道1，并启动转换，系统开始恒流充电；当蓄电池电压达到（13*E/12）v时，恒流充电阶段结束。

充电电流Ig1选取时，若过大，则易导致蓄电池寿命会降低；若过小，又会延长充电时间；这里综合蓄电池安全和充电时间，这里充电电流Ig1选取如式（4）所示，其中C为蓄电池容量。

4.3 恒压充电阶段程序设计

恒压充电阶段程序如图10所示，首先给定蓄电池充电电压Ug；然后将IOA0置1、IOA1置0，以分别打开恒压充电控制电路和关闭恒流充电控制电路；接着写充电电压Ug到D/A模块通道12，并启动转换，系统开始恒压充电；当蓄电池电压达到（13.3*E/12）v时，恒压充电阶段结束；由于蓄电池充满电的电压与蓄电池新旧程度有关，普遍在（13.3*E/12）v 到（13.5*E/12）v 之间，故这里充满电的电压取为（13.3*E/12）v。

12V蓄电池恒压充电时，充电电压通常为14.4V，因此，充电电压 Ug选取为式（5）所示。

图10 恒压充电阶段程序

图11 涓流充电程序

4.4 涓流充电阶段程序设计

涓流充电阶段的主要目的是补足由于蓄电池的自放电所造成的电量未充满状况。图11为涓流充电阶段程序，单片机首先读取蓄电池电压，若电压大于（13*E/12）v，则等待蓄电池自放电到（13*E/12）v 以下，若电压小于（13*E/12）v，则进行涓流充电；涓流充电时，先给定蓄电池充电电流 Ig2；然后将 IOA0置 0、IOA1置 1，以分别打开恒流充电控制电路和关闭恒压充电控制电路；接着写充电电流Ig2到D/A模块通道1，并启动转换，充电过程不断检测蓄电池电压，当蓄电池电压达到（13*E/12）v时，将 IOA0置 1，以关闭涓流充电电路，之后，后级Buck电路处于关断状态，蓄电池停止充电。涓流充电电流Ig2一般取0.01C—0.03C 之间，这里按式（6）进行选取，至此，整个三阶段充电过程结束。

5 结论

本文所设计的新型多功能电动自行车充电站能对72V20AH及以下规格容量的蓄电池进行快速充电，实现了恒流、恒压和涓流的三阶段充电。该充电站能够显示蓄电池充电信息，并配有按键与显示屏，从而使使用者了解详细的充电信息和参数设置，达到人机交互智能充电的目的，具有一定的参考与应用价值。

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[2]陈坚.电力电子变换和控制技术[M].北京:高等教育出版社，2004.

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[4]黄军辉，董晓倩，李建波.单片机原理与应用——凌阳SPCE061A[M].北京:人民邮电出版社，2008.

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THE DESIGN OF CHARGING STATIONS FOR NEW MULTIFUNCTIONAL ELECTRIC BICYCLES

SUN Chun-hu CHEN Hai-boFANG Yuan-jie
（Chaohu College， Chaohu Anhui 238000）

In order to solve the problem that the electric bicycles can not travel due to the lack of electricity,it is necessary to install the electric bicycle charging stations on both sides of the road and meet the needs of fast charging and multifunctional charging.This paper introduces a new design of charging stations for multifunctional electric bicycles.The system adopts the three-stage charging method:constant current,constant pressure and trickle.The main circuit is mainly composed of singlephase uncontrolled rectifier and two-stage Buck circuit.The control system uses Sunplus SPCE061A single-chip microcomputer to achieve charging control,with the help of UC3842,SG3525 and TL494;the system has a better human-computer interaction interface,which can not only quickly charge,but can also charge for the battery with different voltage and capacity,improving the interaction,rapidity and versatility of charging stations for electric bicycles.

Buck circuit； SPCE061A； UC3842； SG3525； TL494

TM910.6

A

：1672-2868（2017）03-0083-07

责任编辑：陈小举

2017-02-23

巢湖学院校级自然科学研究项目（项目编号：XLY-201508）

孙春虎（1986-），男，安徽巢湖人。巢湖学院机械与电子工程学院，助教。研究方向：电气与自动化。