电动自行车可预约安全充电器的产品化设计

2018-05-31宋秦中

新能源科技 2018年4期

宋秦中，章丁，徐波

（苏州市职业大学机电工程学院，江苏苏州 215104）

电动自行车的需求市场越来越大，直接推动电动自行车充电器的市场需求，2011年全球电动自行车充电器产量达到了2 034万个，2012年全球电动自行车充电器产量达到了2 467万个，同比增长了21．3%，2013年全球电动自行车充电器产量达到了2 948万个，同比增长了19．5%。据统计，全球电动自行车充电器新增产量主要来自于中国产量的增长。目前市场规模约为人民币9．42亿元，预计电动自行车充电器的全球市场规模在2015年将达到约人民币11．48亿元，2020年达到人民币25．23亿元[1]。

1.方案设计

现有的充电器或充电方案存在更换成本高、充电时间长、充电温度不稳定（火灾隐患的直接原因）、充不满或者过充等一系列问题，且“长相”单调、平淡，广受消费者诟病。因此，能够提供“智慧”且一体化的电动自行车充放电解决方案，完整的解决上述诟病问题，具有较强的商业价值和社会价值[1]。

针对上述问题，技术上，需要从以下2个方面考虑：

第一，以较简单的电路设计实现避免电动自行车充电过冲问题，实现安全充电，辅助延长电池使用寿命。

第二，实现可预约充电，避免电池亏电问题，辅助延长电池的使用寿命。

设计的可预约安全充电器包括：充电电路、充满自停电路、上电隔离电路和预约电路4个部分组成，其系统结构图如图1所示。

图1 系统结构框图

整个电路由单片机信号控制，当输入电压从电源电路进来，由硬件电路对输入的电压和电流监控并且稳定电压与电流的输出，减少纹波[2-5]。把输出的电压电流，再进过处理成单片机信号进行修正，然后输送给继电器电路待定，当蓄电池即将充满电时，单片机MCU再次给继电器输出电路信号，切断充电电路。当按下预约充电电路按钮时段时（3天，6天，15天），由MCU计时让各电路处于待定状态，当计时时间到达时，由MCU给各电路发送信号充电，到即将充满电时候，由MCU再次发送信号给继电器电路，切断充电电路。

2.技术设计

（1）充电电路

在充电电路中，电流始终恒定在一个数值，电源电压过高、电流过大都不会对电池造成影响。如图2（左）所示，输入从VIN进入，进过三极管控制IRF5305对电压可靠调控，防止电压过大对后面电路冲击。从VIN进过TL431分压成2．5 V给LM358，再由LM358对输出到R3，R5上的电压调节，另一部分对R4上输出的电流调控，保持恒定。恒流充电电路，还可运用到其它种类充电电池充电。电路测试如图2（右）所示，充电电路输出电压稳定在48 V，输出电压几乎不受周围影响，保持输出恒定，能够避免过流冲击。

图2 充电电路及测试

（2）充满自停电路

电池充满电后，检测电池电压迅速切断充电，并且有单片机锁定，不可反复充电，从而有效避免电池过冲问题，解决这个问题，设计的方案是：利用51单片机、ADC0808和74LS74对输出微小电压监控，一旦电池充满后达到电池的饱和电压时候，由单片机给ADC0808发送信号并且在LED上显示电压数值，并且控制继电器对充电电路切断，提示充电满的绿灯点亮。

（3）上电隔离电路

为了防止出现误操作，电路在充电起初做了一个基本保护，使充电更安全。产品方案是：在充电器连接电池充电的时候，由一个单片机进行充电保护，利用继电器跳开并延迟500 ms再进行对电池的充电。3个继电器，第一个对变压器副边侧保护，防止电流过大，第二个对输出到电池的保护，第三个是防止误操作。继电器控制测试如图3所示，当数值显示为1时表示充满，充电自停，防止了误操作，保证充电器可靠工作。

图3 保护电路测试

（4）预约电路

采用51单片机进行预约定时，可定时3天，6天，15天，依据电池的实际情况进行选择，定时过程中依旧可以充满自我关断。如图4所示，利用51单片机实现充电的定时，三个按钮分别对应充电的不同时间，当预约的时间到后继电器RL4工作给电池充电，当充满后转换到充满自停电路，切断充电。图4对预约电路进行测试。脉冲输出正常，每一小格子代表1 秒。等待预约时间到，翻转，实现预约充电功能，从测试结果可以看出：预约定时电路工作稳定。