電動自行車可預約安全充電器的產品化設計

宋秦中，章 丁，徐 波

（蘇州市職業大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215104）

電動自行車的需求市場越來越大，直接推動電動自行車充電器的市場需求，2011年全球電動自行車充電器產量達到了2 034萬個，2012年全球電動自行車充電器產量達到了2 467萬個，同比增長了21．3%，2013年全球電動自行車充電器產量達到了2 948萬個，同比增長了19．5%。據統計，全球電動自行車充電器新增產量主要來自于中國產量的增長。目前市場規模約為人民幣9．42億元，預計電動自行車充電器的全球市場規模在2015年將達到約人民幣11．48億元，2020年達到人民幣25．23億元[1]。

1.方案設計

現有的充電器或充電方案存在更換成本高、充電時間長、充電溫度不穩定（火災隱患的直接原因）、充不滿或者過充等一系列問題，且“長相”單調、平淡，廣受消費者詬病。因此，能夠提供“智慧”且一體化的電動自行車充放電解決方案，完整的解決上述詬病問題，具有較強的商業價值和社會價值[1]。

針對上述問題，技術上，需要從以下2個方面考慮：

第一，以較簡單的電路設計實現避免電動自行車充電過沖問題，實現安全充電，輔助延長電池使用壽命。

第二，實現可預約充電，避免電池虧電問題，輔助延長電池的使用壽命。

設計的可預約安全充電器包括：充電電路、充滿自停電路、上電隔離電路和預約電路4個部分組成，其系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

整個電路由單片機信號控制，當輸入電壓從電源電路進來，由硬件電路對輸入的電壓和電流監控并且穩定電壓與電流的輸出，減少紋波[2-5]。把輸出的電壓電流，再進過處理成單片機信號進行修正，然后輸送給繼電器電路待定，當蓄電池即將充滿電時，單片機MCU再次給繼電器輸出電路信號，切斷充電電路。當按下預約充電電路按鈕時段時（3天，6天，15天），由MCU計時讓各電路處于待定狀態，當計時時間到達時，由MCU給各電路發送信號充電，到即將充滿電時候，由MCU再次發送信號給繼電器電路，切斷充電電路。

2.技術設計

（1）充電電路

在充電電路中，電流始終恒定在一個數值，電源電壓過高、電流過大都不會對電池造成影響。如圖2（左）所示，輸入從VIN進入，進過三極管控制IRF5305對電壓可靠調控，防止電壓過大對后面電路沖擊。從VIN進過TL431分壓成2．5 V給LM358，再由LM358對輸出到R3，R5上的電壓調節，另一部分對R4上輸出的電流調控，保持恒定。恒流充電電路，還可運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，并且有單片機鎖定，不可反復充電，從而有效避免電池過沖問題，解決這個問題，設計的方案是：利用51單片機、ADC0808和74LS74對輸出微小電壓監控，一旦電池充滿后達到電池的飽和電壓時候，由單片機給ADC0808發送信號并且在LED上顯示電壓數值，并且控制繼電器對充電電路切斷，提示充電滿的綠燈點亮。

（3）上電隔離電路

為了防止出現誤操作，電路在充電起初做了一個基本保護，使充電更安全。產品方案是：在充電器連接電池充電的時候，由一個單片機進行充電保護，利用繼電器跳開并延遲500 ms再進行對電池的充電。3個繼電器，第一個對變壓器副邊側保護，防止電流過大，第二個對輸出到電池的保護，第三個是防止誤操作。繼電器控制測試如圖3所示，當數值顯示為1時表示充滿，充電自停，防止了誤操作，保證充電器可靠工作。

圖3 保護電路測試

（4）預約電路

采用51單片機進行預約定時，可定時3天，6天，15天，依據電池的實際情況進行選擇，定時過程中依舊可以充滿自我關斷。如圖4所示，利用51單片機實現充電的定時，三個按鈕分別對應充電的不同時間，當預約的時間到后繼電器RL4工作給電池充電，當充滿后轉換到充滿自停電路，切斷充電。圖4對預約電路進行測試。脈沖輸出正常，每一小格子代表1 秒。等待預約時間到，翻轉，實現預約充電功能，從測試結果可以看出：預約定時電路工作穩定。

圖4 預約電路及測試

3.結論

設計的安全可預約充電器可用于電動自行車蓄電池充電管理和充電器預約充電，在實現安全充電的同時，能夠防止電動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，穩定，可靠等優點。結合外觀設計，安全、可預約的新型充電器有廣闊的市場需求，具有較強的商業價值和社會價值。

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

[2]南華．智能數顯電動車充電器［J］．中國自行車，2009（8）：23．

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

[4]宋秦中，徐波，楊海娟．電動自行車調速控制實驗系統的設計與實現［J］．實驗科學與技術，2015（6）：23-25．

[5]徐文城，魏學業．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（5）：11-12．