基于PLC控制通斷的電動自行車充電器設計

沈紹輝 姚竹亭

【摘要】在科技進步和各國“綠色環保”的呼吁下，電動自行車因其零排放、無污染、輕巧方便的優點成為新時期日益盛行的交通工具。然而，如何解決在充電過程中由于電壓電流不穩定及電池滿電后未及時拔出充電器致使充電時間過長等對蓄電池性能損害而影響其使用壽命的難題卻是該行業技術領域的關注點。本文針對這一問題，主要就充電器充電中能夠穩定工作及電池滿電后能夠自動斷電兩方面對其進行合理設計。

【關鍵詞】電動自行車;充電器;UC3842;PLC控制

1.引言

在倡導“綠色環保、節能減污”的二十一世紀，電動自行車的研發不僅有效解決了當今世界能源危機和環境污染的問題，而且其安全、方便、省力和相對燃油汽車低成本的優點使電動自行車不斷受到人們的青睞而廣泛普及。

電動自行車充電器是為其蓄電池充電的裝置，它的性能的好壞對蓄電池使用壽命的長短有著不可小覷的影響。已有研究發現：電池充電過程對電池壽命影響較大，絕大多數電池不是用壞的，是充電過程不合理而壞的[1]。由此，為延長蓄電池使用壽命，降低對電動自行車的經濟投入和進一步促進電動自行車的推廣使用，研制一種性能良好且能夠在充電過程中對蓄電池起到保護作用的充電器成為自行車行業關注的焦點。基于此，本文就當前問題對充電器進行了合理的設計以滿足實際需求。

2.充電器整體設計

目前，市場上推廣的電動自行車大多數使用的是36V或48V的蓄電池，本文以36V蓄電池充電器為例進行分析設計。

2.1 基本電路組成

比較可用元器件自身性能，結合成本要求，本設計最終選擇以UC3842為核心來制作充電器。

UC3842是高性能電流型PWM集成控制器，專為離線或DC/DC變換器應用而設計，提供一個只需最少外部元件而獲得成本效益高的解決方案。圖1為UC3842電路結構圖。該集成電路能夠微調振蕩器而獲得精確的占空比控制、一個溫度補償的基準電壓、高增益誤差放大器、電流取樣比較器和適用于驅動功率MOSFET的大電流圖騰柱輸出[2]。此外它的保護特性包括：具有磁滯特性的電源電壓和基準電壓的欠壓鎖定、逐周電流限制、可編程輸出靜區時間和單脈沖計量鎖定。與電壓控制方式相比在負載響應和線性調整度等方面有很多優越之處：①微調振蕩器頻率控制精確，且振蕩頻率保證達到250kHz;②大電流推挽輸出（驅動電流達1A），工作頻率可達500kHz;③自動前饋補償;④逐周電流限制PWM鎖定;⑤具有欠壓鎖定電路和穩定的內部基準電壓;⑥大電流圖騰柱輸出;⑦遲滯特性的電壓鎖定;⑧低啟動工作電流（典型值為0.12mA）。

圖1 UC3842內部結構圖

36V鉛酸蓄電池在正常充電時，對自身性能保護最好的充電方法是恒壓限流式，該方法充電效率高，時間短，效果也好，重要的是有利于延長電池使用壽命[3]。圖2是以UC3842為核心驅動的充電器電路圖，該電路正可以實現恒壓充電和限流充電控制兩大功能，以滿足良好的充電需求。

1）恒壓充電控制

蓄電池先進行電壓取樣，之后與精確的參考電壓值進行比較，然后通過控制脈沖的寬度來確定恒壓充電的電壓閾值。當輸出電壓偏高時，取樣電壓會因此超過參考電壓，進而改變驅動信號的脈沖寬度，使濾波后的平均電壓值下降，使充電器輸出電壓回到原來的值，從而達到穩壓的目的。

2）限流充電控制

蓄電池放完電后處于欠壓狀態，當再次充電時，一開始電流會很大，這對蓄電池和充電器均有損壞，因此應加以限制。本設計電路可將電流轉換為電壓，利用UC3842及其相關元件控制脈寬。當電壓超過設定值時，元器件會對輸入脈沖脈寬進行一一控制，直到下一脈沖到來時自動置位，如此工作最終使輸出電流降低至設定值，即達到恒流目的。

圖2 以UC3842為核心驅動的基本電路組成圖

2.2 PLC控制線路程序設計

以UC3842為核心驅動的充電器電路簡單、成本低，充電中能夠自動調節充電電壓與電流，充電過程穩定，對蓄電池能夠起到一定的保護作用。然而美中不足的是智能性有所欠缺，即電池滿電后，不能自動斷電，需要人為完成這一操作。而在實際中，當蓄電池充電完成后，如果不能及時拔除充電器，造成充電時間的過長，這仍能對電池性能有所損壞，進而影響使用壽命。鑒于此，本設計在以UC3842為核心驅動的充電器電路組成基礎上設計一種基于PLC程序的控制電路（如圖3）以達到電池滿電后自動斷電的效果，進一步保護電池，提高充電器智能性。

在該PLC程序設計中，首要工作是將蓄電池充電過程裝換為PLC程序中計數器計數過程，當電池滿電時，即是計數器達到最大值（設定值）。如圖3中梯形圖所示，當充電器接通電源后，通過點動控制使I0.0產生瞬時脈沖以便M0.1接通（電池開始充電），接著定時器T37開始工作，每1分鐘，T37通電一次;當T37通電一次時，計數器C21計數一次，計數達到最大值時，內部電路接通一次，此刻立即復位;當C21接通時，C22計數一次;以上程序不斷循環（電池電量不斷增多）直至C22計數達到最大值（電池滿電），此刻C22內部電路接通，報警器Q0.0通電響鈴，而它的常開觸點閉合，使C22復位;常閉觸點斷開，使M0.0斷電，最終整個電路斷電。（程序中假定10h電池充滿電）

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圖3 基于PLC設計程序的控制電路

與繼電器控制線路相比，該PLC程序設計優點如下：①PLC采用存儲器控制邏輯，靈活性和擴展性好;②PLC程序開關動作由無觸點的半導體電路完成，體積小、壽命長、可維護性好、可靠性高;③PLC程序指令控制速度快，執行時間微秒數量級[4]。

通過以上兩部分設計最終得到整體流程圖如圖4所示。

圖4 系統流程圖

3.結語

本文就充電器充電過程穩壓限流、工作穩定和電池滿電后電路自動斷電兩方面對其結構組成進行分析設計。然而，如何實現PLC控制線路中計數器計數與蓄電池電量增長的完美匹配卻是有待解決的難點。雖然如此，但隨著電動自行車行業的不斷壯大、科學技術的不斷進步以及創新能力的不斷提高，我們堅信，一些技術困難終將被克服，充電器智能性將更上一個層次。

參考文獻

[1]孫莉莉，雷永鋒，鄭菲.基于PICl6C73B的電動自行車充電器的設計[J].現代電子技術，2007，20：27-28.

[2]陳竹.電動自行車充電器原理與維修要點[J].電動自行車，2011，12：46-47.

[3]陰家龍，基于MC3842的電動自行車充電器的設計[J].現代電子技術，2005，18：15-16.

[4]王永華.現代電氣控制及PLC應用技術（第3版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

作者簡介：沈紹輝（1990—），男，河北邢臺人，中北大學機械與動力工程學院機械制造及其自動化專業在讀碩士研究生。