基于單片機技術的電動自行車快速充電器設計

鄭強勝

（嘉興市建筑工業學校，浙江 嘉興314000）

近年來無論城市還是農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，但其充電技術一直處于未成熟狀態，所以經常會出現騎行途中電能消耗完的情況，導致不能正常使用。傳統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，已經成為電動自行車領域共同的難題。本文研究的充電器旨在4 h以內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。但它的穩定性會差一些，需要反饋補償網絡來改善系統的響應。脈沖充電法則是對這些傳統充電方法的改進，它通過電流間歇對電池進行充電，在蓄電池的化學反應產生氧氣與氫氣后重新進行化合，消除極化，達到減輕內壓的效果。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

根據鉛酸蓄電池的特性，結合快速充電裝置，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，電池的內部器件也將會受到沖擊。為了解決這一問題，首先要對電池進行穩定的小電流充電，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，為了確保充電質量，還需要進一步補足充電。采用恒壓充電技術，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，同時也標志著充電過程已經完成［2］。

3 基于單片機的電動自行車快速充電器系統組成

快速充電器的系統主要組成有高頻穩壓電源、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管連接，將正弦交流電轉換成脈沖電壓，其電壓值略高于充電電壓，其后經整流與LC濾波電路達到電壓的穩定值［3］。

3.1 高頻開關穩壓電源

本文采用的是半橋式變換電路，主要優點是抗不平衡性，使用的功率開關管的耐壓值低，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，通過檢測到的電壓與其他信號做相應的比較，可以輸出不同的脈沖電壓值，發出不同的指示動作。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［4］。

3.4 控制電路的設計

（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，調節電位器使時基集成塊觸發端子的2腳電壓值比電源電壓低2／3，單穩態電路觸發翻轉進入穩態，輸出端3腳不斷輸出高電壓值，三極管觸發導通，給單片機傳送低電壓。通過可調電阻器RP來進行電路調節，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計采用精密電阻進行比例衰減，通過把輸入電壓轉化到AD轉換器的量程范圍之內，經過濾波，再次通過轉換器進行測量［6］。

3.5 整流電路設計

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。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過。電容濾波電路在直流輸出一側與負載并聯，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，由全控器與反并聯二極管組成［7］。此外還有開關變壓器的設計、雙管正激變換器反饋補償網絡的設計與變頻整流電路，在這里不一一敘述。

4 系統軟件程序設計

系統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的不斷發展，更多集成電路的應用，電動自行車也將向著更加智能化與人性化方向發展。快速充電技術不但會在電動自行車上發展更完善，而且還將會應用于電動汽車、混合動力汽車等領域，為我國的環境保持與可持續發展做出貢獻。

［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，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，惠子南.基于微控制器的自適應電動自行車充電器的設計［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計［J］.計算機技術與發展，2006，（07）：206－208.

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