基于恒流源的電動自行車續航器的設計

高宏洋

（西安外事學院，陜西西安，710077）

電動自行車以其“輕便、環保、低噪音且價格低廉”等優點，成為人們常用的運輸、代步工具，給人們的出行帶來了極大的方便。據不完全統計，目前中國電動自行車累計銷量已經有1.5 億輛以上，基本上十個人中，就有一個人購買過或者使用電動自行車。在國外近幾年歐、美國家對電動自行車需求也在不斷地增長，電動自行車在全球的潛在市場呈擴大趨勢。目前電動自行車蓄電池一般用采用免維護鉛酸電池，工作電壓為36V 和48V，功率在150W～400W 之間；大多數車廠采用的控制器欠壓保護電壓也都是31.5V。在電池電壓低于32V 以后一直到27V，所增加的續行能力不到2 公里，而對電池的損傷卻非常大，因此當我們正在途中行駛時，一旦發現控制器欠壓燈亮，就意味著電池組只剩下31.5V 電壓了，從而導致電動機因欠壓停轉，不得不終止行程。為了避免此問題的發生，設計了基于恒流源的電動自行車自動續航器。它能夠根據蓄電池電壓的變化、當前行駛速度估算出還能行駛的里程。當電動車的運行電壓降至總電壓85% 時，控制器會自動發出提示音響，并切換到合理的放電模式，給電流和電機一個最佳配合，確保電動車在較低電量下的正常騎行，延長騎行里程。

1 系統電路分析設計

經過觀察測量，電池的電壓衰減呈非線性。蓄電池充滿電時電壓緩慢降低，當電壓一旦不足，衰減就是一個越來越快過程。在行駛時，應緩慢提速，不能直接一下就讓它上到高速，這樣電池損耗就非常大。勻速行駛最省電，如果一個過程，我們不提速，也不剎車，就是保持一個速度一直這么開，那么這個過程其實是相當省電的。

通過以上調查分析我們提出了基于恒流源的電動自行車自動續航器的設計方案，它主要由STC15F408AD 單片機及其外圍電路、電壓檢測電路、測速電路、電源電路、按鍵顯示電路、電壓調節電路、聲光報警電路組成。單片機是該控制系統的核心,其主要功能是根據電壓檢測電路和測速電路的信息控制電流調節電路、聲光報警電路和顯示電路。實現在電壓正常情況下顯示速度與里程，當電壓低于正常值的85% 時，發出聲關報警，同時啟動恒流電路，控制電動車勻速行駛，達到續航目的。原理框圖如圖1 所示下：

圖1 系統框圖

1.1 測速電路

采用霍爾傳感器測速。將小磁鐵塊固定在電機的轉子上，將霍爾傳感器（開關型）靠近小磁鐵附近，當電機轉動以后，磁鐵會在一定的周期內靠近傳感器一次，這樣霍爾傳感器將輸出一個高電平，當小磁鐵遠離傳感器時，傳感器輸出一個低電平；利用單片機內部定時器，計算出脈沖一個周期的時間，經過相關運算處理，就可以算出電機的轉速，然后送顯示電路顯示速度和里程。

1.2 電池電壓檢測電路

電路由二極管VD1,電阻Ra、Rb 構成,電阻Ra 和Rb對輸入的電池電壓進行分壓,經過光耦隔離后送到ADC 通道A1 通過控制器的片內模數轉換模塊采集分壓后的電壓,從而進一步計算出分析電池電壓。大于設定值時，LCD 顯示里程和速度，低于設定值時，啟動恒流調節電路和聲光報警電路，提示車主注意。

1.3 報警電路設計

語音報警電路的核心是WTV040 語音芯片。當電動車的行使速度達到或超過測速器預設速度時，單片機往外發出一個低電平，直接拉低I/O 口電平，使WTV040 語音芯片被觸發，點亮報警指示進行提示并觸發語音進行報警。

1.4 液晶和鍵盤接口電路的設計

STC15F408AD 的I/O 口都是典型的復用端口(外圍模塊功能和I/O 端口功能)，在對LCD 讀寫操作之前要選擇為I/O端口功能，設置P3、P4 口為輸出口。本系統接口電路端口功能分配如下：P3.5 接到LCD 的E 端口，作為使能端，P3.6 和P3.7 作為控制口分別接到R/W 和RS 引腳。P4.0～P4.7 作為數據線分別接到LCD 的DB0～DB7。

1.5 恒流源電路

當蓄電池電壓低于設定值時，啟動電流調節電路，恒流源電路由集成運放和達林頓管構成。STC15F408AD 作為系統控制核心，通過設定D/A 的輸出電壓來控制恒流源的輸出電流，并通過A/D 采樣實現反饋控制以提高輸出電流的精度。該電路實現了35V/3A 的恒定電流輸出。

2 軟件設計

軟件采用模塊化設計思想，使用C 語言編程,主要包括初始化子程序、霍爾信號采集子程序、A/D 轉換子程序、D/A轉換子程序、速度運算子程序、中斷服務子程序、顯示子程序等。

在主程序模塊中，包括對各接口的初始化、自行車里程、速度、顯示緩沖存儲單元的初始化、中斷向量的設計以及開中斷、循環等待等工作。另外，在主程序模塊中還需要設置啟動/清除標志寄存器、里程寄存器、速度寄存器，電流預置值存儲器等，并對它們進行初始化。然后主程序將根據各標志寄存器的內容，分別完成啟動、清除、計程和計速等不同的操作。

3 測試

首先根據電池構造特征和差異，測試時選擇電動自行車用的電池容量10Ah、放電時率為2 小時，它的額定放電電流為10（Ah）/2（h）=5A；工作能持續2 小時下降到設定的電壓。將設計電路接入電源測量，以1C 倍率也就是10A 放電時間只能持續31 分鐘，能夠放出的電量僅為10A×0.52h=5.2Ah。以0.6C 倍率也就是6A 放電時間只能持續1 小時，能夠放出的電量僅為6A×1h=6Ah。而以0.5C 也就是5A 放電時間可以持續2 小時，放出電量5A×2h=10Ah。盡管前者的終止電壓比后者低，但能夠放出的電量要小于后者。實測中以0.3C 也就是3A 放電時間可以持續3.3 小時。因此當電壓下降時，我們采取合理的放電模式，給電流和電機一個最佳配合，確保電動車的正常騎行，是能夠延長騎行里程的。從而證明了基于恒流源電動自行車自動續航器的設計方案的可行性和實用性。

4 結論

本設計分為硬件部分和軟件部分，硬件部分著重考慮硬件電路的簡單性，故盡可能簡化硬件電路，節省線路板的空間，達到硬件電路最優化設計。軟件采用模塊化設計思想，程序可讀性強。通過仿真、實驗驗證了系統的可行，能滿足設計要求，可以提高電動自行車整體性能，具有良好的應用前景。

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