一種新型多功能電動自行車充電站的設(shè)計

孫春虎 陳海波 方愿捷

（巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

一種新型多功能電動自行車充電站的設(shè)計

孫春虎 陳海波 方愿捷

（巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

為了解決電動自行車在行駛過程中由于電量不足而無法行駛的問題，很有必要在道路兩側(cè)普及安裝電動自行車充電站，還應滿足快速充電和多功能充電的需求。這里介紹了一種新型多功能電動自行車充電站的設(shè)計。系統(tǒng)采用恒流、恒壓、涓流的三階段充電法；主電路主要由單相不控整流和兩級Buck電路組成；控制系統(tǒng)采用了凌陽SPCE061A單片機，借助UC3842、SG3525、TL494來實現(xiàn)充電控制。該系統(tǒng)有較好的人機交互界面，不僅能快速充電，而且能對不同電壓和容量的蓄電池進行充電，提高了電動自行車充電站的交互性、快速性與多功能性。

Buck 電路；SPCE061A；UC3842；SG3525；TL494

1 引言

當前的電動車充電站大都只能對某一特定電壓和容量的蓄電池組進行充電，充電速度較慢，人機交互性差；針對以上幾點，本設(shè)計采用恒流、恒壓、涓流的三階段快速充電法[1]，以縮短充電時間；主電路采用單相不控整流和兩級Buck電路；控制系統(tǒng)以SPCE061A單片機為核心，借助UC3842、SG3525、TL494芯片，以實現(xiàn)對不同電壓和容量的蓄電池的充電；所設(shè)計的充電器能顯示充電狀態(tài)信息，交互性良好，充電時間短，具有一定的多功能性。

2 充電站總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

充電站總體結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]如圖1所示，它主要由主電路和控制電路組成。主電路包括濾波電路、不控整流電路以及兩級Buck充電電路；控制電路以SPCE061A單片機為核心，借助電壓、電流采樣電路、UC3842控制電路、SG3525恒流充電電路和TL494恒壓充電電路實現(xiàn)了蓄電池組的三階段快速充電；鍵盤和LCD顯示電路用于用戶設(shè)定蓄電池電壓和容量以及顯示充電狀態(tài)信息。

圖1 充電站總體結(jié)構(gòu)圖

2 充電站主電路設(shè)計

充電站主電路如圖2所示，它主要通過兩級Buck電路對蓄電池進行充電。濾波電路既防止電網(wǎng)中的高頻干擾串入開關(guān)電源，又避免開關(guān)電源對電網(wǎng)的反干擾；前級Buck電路實現(xiàn)200v直流電壓的穩(wěn)定輸出；后級Buck電路實現(xiàn)對72v及以下規(guī)格的蓄電池的恒流充電和恒壓充電。

圖2 充電站主電路圖

3 充電站控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

充電站控制系統(tǒng)硬件設(shè)計[3]總圖如圖3所示。它主要包括SPCE061A單片機系統(tǒng)、UC3842控制電路、SG3525恒流充電電路、TL494恒壓充電電路、輔助電源電路和驅(qū)動電路。由于這里涉及到實時的電壓檢測與充電控制，故選用16位的凌陽單片機SPCE061A[4]。該單片機程序存儲器容量為32K字，指令執(zhí)行速度為16MIPS，2個16位的I/O端口，16位定時器2個，提供7路10位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，2路10位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)。

圖3 充電站控制系統(tǒng)硬件圖

3.1 UC3842控制電路設(shè)計

單相電容濾波不控整流一般輸出電壓為300v左右且波動較大，UC3842、SG3525芯片和電壓電流傳感器需要±15v的工作電壓，故充電站主電路若只用一級Buck電路實現(xiàn)充電電路，那么必然還要設(shè)計另一個復雜的輔助電源電路來實現(xiàn)波動的300v電壓轉(zhuǎn)換為±15v。這樣勢必會帶來蓄電池充電電路設(shè)計的復雜性，因此這里充電站主電路采用兩級Buck電路。前級Buck電路實現(xiàn)波動的300v電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的200v電壓，既為后級Buck電路提供電源，又為輔助電源電路提供電源，簡化了輔助電源電路的設(shè)計。

UC3842控制電路[5]如圖4所示，電壓傳感器的輸出一路經(jīng)過R1、C1送入引腳1以改善控制系統(tǒng)的頻率特性，另一路直接送入引腳2作為反饋電壓輸入；不控濾波整流電路輸出電壓U經(jīng)過R2、R3分壓給引腳7供電；引腳6輸出PWM波經(jīng)驅(qū)動電路控制開關(guān)Q通斷。

圖4 UC3842控制電路圖

3.2 SG3525恒流充電控制電路設(shè)計

恒流充電能使蓄電池充滿絕大部分電量，為實現(xiàn)三階段充電法中的恒流充電控制，本文設(shè)計了SG3525恒流充電控制電路[6]，如圖5所示。PWM集成控制芯片選用SG3525，SG3525單端輸出時若不考慮死區(qū)時間，那么最大占空比可為50%，故后級Buck電路最大輸出為100v。在圖5中，電流傳感器采樣電流送入引腳1；凌陽單片機經(jīng)內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出給定充電電流Ig送入引腳2；引腳5、6、7可設(shè)置振蕩頻率和死區(qū)時間，計算公式如式（1）、式（2）所示，引腳 5、7 短接用于將死區(qū)時間設(shè)為0，CT、RT可設(shè)置振蕩頻率，這里取10kHz；本設(shè)計利用引腳11輸出單端PWM1波控制開關(guān)Q1，另一PWM波輸出口引腳14不接；引腳10由單片機IOA0引腳控制實現(xiàn)恒流充電電路的啟停。

圖5 SG3525恒流充電控制電路圖

3.3 TL494恒壓充電控制電路設(shè)計

恒壓充電控制電路設(shè)計的主要目的是實現(xiàn)蓄電池三階段充電法中的恒壓充電，以防止大電流對蓄電池的過充，保護蓄電池，此階段隨著充電的進行，充電電流不斷減少，電量接近充滿。

恒壓充電控制電路[7]如圖6所示，TL494輸出PWM波采用單端輸出方式。在圖6中，電壓傳感器采樣電壓送入引腳2；單片機經(jīng)內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出給定充電電壓Ug送入引腳1；引腳5、引腳6的CT、RT用于設(shè)置振蕩頻率，計算公式如式（3）所示，這里也取為10k Hz；引腳8輸出單端PWM2波控制開關(guān)Q1，引腳4用于設(shè)置死區(qū)時間，由單片機IOA1引腳控制實現(xiàn)恒壓充電電路的啟停。

圖6 TL494恒壓充電控制電路圖

3.4 輔助電源設(shè)計

輔助電源設(shè)計的主要目的是產(chǎn)生±15v電壓給UC3842、SG3525、TL494芯片和電壓電流傳感器供電，輔助電源原理圖[8]如圖7所示，核心控制芯片為RC4558運算放大器。

如圖7所示，U1電壓經(jīng)R1、R2分壓并濾波后為30v，30v電壓再經(jīng)過R3、R4分壓后得到15v然后送到通道1同相輸入口（3端口）；通道1反相輸入口（2端口）和通道1輸出口（1端口）短接構(gòu)成射極跟隨器；端口8、4為30v電源供電口的正、負極；由于1端口接地，那么端口8、4將被鉗位在+15v、-15v，經(jīng)過 C2、C3穩(wěn)壓后輸出。

圖7 輔助電源原理圖

4 充電站控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括充電主程序設(shè)計、恒流充電階段程序設(shè)計、恒壓充電階段程序設(shè)計和涓流充電階段程序設(shè)計。

4.1 充電主程序設(shè)計

充電主程序的主要功能是根據(jù)用戶選擇的蓄電池電壓E和容量C信息來設(shè)定恒流、恒壓和涓流充電階段的充電電流和充電電壓。主程序主要包括恒流充電階段程序、恒壓充電階段程序和涓流充電階段程序。

充電主程序流程圖如圖8所示，首先用戶選擇蓄電池電壓和容量，然后單片機計算三階段的充電電流和充電電壓，系統(tǒng)依次進入恒流、恒壓和涓流三充電階段，最后若停充按下，充電過程結(jié)束，否則系統(tǒng)將一直處于涓流充電階段，實現(xiàn)浮充[9]。

圖8 充電主程序

圖9 恒流充電階段程序

4.2 恒流充電階段程序設(shè)計

恒流充電階段程序如圖9所示，首先給定蓄電池充電電流Ig1；然后將IOA0置0、IOA1置1，以分別打開恒流充電控制電路和關(guān)閉恒壓充電控制電路；接著寫充電電流Ig1到D/A模塊通道1，并啟動轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)開始恒流充電；當蓄電池電壓達到（13*E/12）v時，恒流充電階段結(jié)束。

充電電流Ig1選取時，若過大，則易導致蓄電池壽命會降低；若過小，又會延長充電時間；這里綜合蓄電池安全和充電時間，這里充電電流Ig1選取如式（4）所示，其中C為蓄電池容量。

4.3 恒壓充電階段程序設(shè)計

恒壓充電階段程序如圖10所示，首先給定蓄電池充電電壓Ug；然后將IOA0置1、IOA1置0，以分別打開恒壓充電控制電路和關(guān)閉恒流充電控制電路；接著寫充電電壓Ug到D/A模塊通道12，并啟動轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)開始恒壓充電；當蓄電池電壓達到（13.3*E/12）v時，恒壓充電階段結(jié)束；由于蓄電池充滿電的電壓與蓄電池新舊程度有關(guān)，普遍在（13.3*E/12）v 到（13.5*E/12）v 之間，故這里充滿電的電壓取為（13.3*E/12）v。

12V蓄電池恒壓充電時，充電電壓通常為14.4V，因此，充電電壓 Ug選取為式（5）所示。

圖10 恒壓充電階段程序

圖11 涓流充電程序

4.4 涓流充電階段程序設(shè)計

涓流充電階段的主要目的是補足由于蓄電池的自放電所造成的電量未充滿狀況。圖11為涓流充電階段程序，單片機首先讀取蓄電池電壓，若電壓大于（13*E/12）v，則等待蓄電池自放電到（13*E/12）v 以下，若電壓小于（13*E/12）v，則進行涓流充電；涓流充電時，先給定蓄電池充電電流 Ig2；然后將 IOA0置 0、IOA1置 1，以分別打開恒流充電控制電路和關(guān)閉恒壓充電控制電路；接著寫充電電流Ig2到D/A模塊通道1，并啟動轉(zhuǎn)換，充電過程不斷檢測蓄電池電壓，當蓄電池電壓達到（13*E/12）v時，將 IOA0置 1，以關(guān)閉涓流充電電路，之后，后級Buck電路處于關(guān)斷狀態(tài)，蓄電池停止充電。涓流充電電流Ig2一般取0.01C—0.03C 之間，這里按式（6）進行選取，至此，整個三階段充電過程結(jié)束。

5 結(jié)論

本文所設(shè)計的新型多功能電動自行車充電站能對72V20AH及以下規(guī)格容量的蓄電池進行快速充電，實現(xiàn)了恒流、恒壓和涓流的三階段充電。該充電站能夠顯示蓄電池充電信息，并配有按鍵與顯示屏，從而使使用者了解詳細的充電信息和參數(shù)設(shè)置，達到人機交互智能充電的目的，具有一定的參考與應用價值。

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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

責任編輯：陳小舉

2017-02-23

巢湖學院校級自然科學研究項目（項目編號：XLY-201508）

孫春虎（1986-），男，安徽巢湖人。巢湖學院機械與電子工程學院，助教。研究方向：電氣與自動化。