一種新型充電器的設計

蒲大雁，文 宇（.重慶廣播電視大學，重慶，4050 .四川射洪教師進修校，四川，6900）

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一種新型充電器的設計

蒲大雁1，文 宇2
（1.重慶廣播電視大學，重慶，401520 2.四川射洪教師進修校，四川，629200）

摘要：本文介紹一種新型電動自行車充電器，它具有自動斷電功能。當蓄電池充電完成后電量檢測電路輸出電壓控制斷電電路，斷電電路動作，自動關斷充電器輸入的交流電源。經測試，設計的充電器的斷電電路反應速度快、性能穩定、可靠。該充電器成本低，能節約電能，具有實用價值。

關鍵詞：充電器；電量檢測電路；關機電路；自動；節能

0 引言

電動自行車提供了便宜、便捷、非常低的事故率、零碳污染的交通運輸，它很好地解決了石化燃料車輛的碳排問題和擁堵問題。電動自行車得到了市場廣泛的認可，一個家庭常常有兩個電動自行車，截止到2013年底，據不完全統計至少有2億中國人在使用電動自行車，專家預測這個數字還會顯著增加。電動自行車成為未來重要的環保科技產品。如何讓電動自行車價格更低、續行更遠、使用壽命更長、充電更快捷、更低碳成了工程技術人員研究的課題。

圖1 自動斷電充電器工作原理的方框圖

電動自行車主要由電動機、蓄電池、充電器、控制器等核心部件組成。充電器是給蓄電池充電能的裝置，它是電動自行車四大核心器件之一，它決定蓄電池充電的時間、蓄電池的壽命，它的技術研究比較成熟。目前電動自行車充電器大都是采用開關電源，其作用是將交流電變成直流電，但目前市場上的充電器存在不足：充電完成后不能自動切斷電源，從而存在以下幾點不足：

1）縮短電池的壽命：在電池電量充足后，如果用戶沒有及時切斷充電器輸入電源，充電器一直在給電池充電，這樣不僅縮短電池的壽命，而且也影響充電器的壽命，增加了充電器的故障率。

2）浪費電能：在電池電量充足后，如果用戶沒有及時切斷充電器輸入電源，指示燈、散熱風扇仍在工作，浪費電能約6.48×1015W每年（按10W，每次多充電6小時，充電150次，2個億個充電器估算。）

10×6×3600×150×2×108=6.48×1015W

3）用戶如果在充電時，常常要提醒自己及時拔掉充電器的電源插頭，以免產生其它的安全隱患。

如何讓用戶不需要記憶拔充電器的輸入插頭，放心地用充電器、不浪費電能、減少充電器的故障率，同時又不影響電池的壽命，使充電器更經濟、更環保、更節能成為研究課題——自動斷電電動自行車充電器

1 自動斷電充電器的工作原理

1.1 自動斷電充電器工作原理的框圖

自動斷電充電器工作原理的方框圖如圖1所示，從圖中可以看出自動斷電充電器比市場上常見的充電器多了一個帶電磁繼電器的開關、電量檢測電路、關機電路。

1.2 自動斷電充電器工作的原理

本文介紹的是48V電動自行車自動斷電充電器自動斷的原理。它與常見充電器的工作原理相似：220V交流電通過整流、濾波變成300V直流電，通過在寬度可調脈沖控制下的開關管再變成交流電，經過開關變壓器變壓后從次級輸出交流電，再經過整流、濾波變成需要的直流電壓55V輸出，向蓄電池充電，同時輸出的55V電壓通過反饋電路控制PWM（寬度可調脈沖）電路，從而控制開關管的導通時間，使直流電壓55V穩定輸出。不同的是自動斷電充電器在隨著充電的進行，蓄電池的電量增加，當電量檢測電路檢測到蓄電池電量滿了后，就會給關機電路發出斷電的電壓信號，關機電路動作，將充電器的交流輸入電磁開關斷開，切斷充電器輸入的220V交流電。

電量檢測電路本質上就是個電壓比較器，當蓄電池電量沒有充滿時，電壓比較低，電量檢測電路無輸出，斷電電路不動作，當蓄電池電量充滿時，電壓達到設定的值，電量檢測電路向關機電路輸出電壓，斷電電路動作，自動切斷充電器輸入的交流電，下面分析充電器自動斷電的原理。

2 自動斷電電路工作過程

2.1 自動斷電電路的組成

自動關機電路由一個帶電磁繼電器的開關（如圖2所示）、3只晶體三極管（一只PNP型，2只NPN型）、5只二極管、6只電阻、一只電容共16只元器件組成，電路原理圖如圖3所示。

圖2 帶電磁繼電器的開關照

圖3 自動斷電電路原理圖

2.2 自動斷電電路的工作原理

如圖3所示，當自動斷電電路接受電量檢測電路輸出的斷電信號后，Q3和Q1組成的復合管飽和導通，12V電源電流通過R1、D3、帶電磁繼電器開關的電磁線圈、Q1的集電極和發射極到地構成回路，電流流過電磁線圈產生的磁場吸引銜鐵將自鎖開關斷開，實現切斷充電器的交流輸入電壓（其中Q3和Q1之間的D5起隔離作用，Q3集電極電阻R3起偏置作用）。

2.3 自動斷電電路正確動作的輔助設計

2.3.1 確保斷電時電路性能穩定、可靠、反應速度快，設計時增加的元器件。

電容C1存儲的電能作為電源在斷電時通過D2、Q2、R2向Q1的基極提供電流，此時Q2發射極電壓約等于12V， Q2基極電壓小于12V， Q2是PNP三極管所以Q2飽和導通，D1此時是隔離作用，阻止電容C1上儲存的電能向其他地方供電。

電容C2在斷電時利用儲存的電能作為電源與12V一起向開關的電磁線圈、Q1供電，保證了斷電斷電動作需要的足夠電流。

二極管D3是起隔離作用，阻止電磁線圈產生的感應電壓對其他元器件造成損壞。

二極管D4與電磁線圈并連，將斷電后電磁線圈產生的感應電壓泄放，防止感應電壓擊穿Q1。

二極管D5是起隔離作用，斷電時Q4、Q3任意一個損壞都不影響斷電動作的實現。

采用以上措施就能保證斷電動作的順利完成，萬無一失。

2.3.2 確保開機時斷電電路不動作（斷電），斷電電路設計時增加了電容C1、穩壓二極管D2（穩壓值小于12V）。

剛開機時，各三極管各極都有微小的電流，如果此時三極管處在放大狀態，那么斷電電路要動作——斷電，充電器就無法正常充電，設計時要避免該情況的發生。

剛開機時，一方面，12V電壓建立后就加到斷電電路、電量監控電路。Q3的集電極通過R3馬上就有12V，但此時電量監控電路輸出為零，所以Q3的基極電壓為零，Q3是NPN型三極管，就處于截止狀態。處于截止狀態的Q3基極電流為零，不會向Q1基極提供電流。另一方面，剛開機時，12V電壓建立后就通過R4加到Q2的基極，但此時12V通過D1將穩壓二極管D2（穩壓值小于12V）擊穿向電容C1充電，此時Q2發射極的電壓低于12V，Q2是PNP型，發射極的電壓低于基極電壓12V， Q2就處于截止狀態，各極電流為零，也不會向Q1基極提供電流，這樣Q2、Q3在開機時都處于截止狀態，Q1也處于截止狀態，斷電電路不動作，確保開機時不斷電，能正常充電。

圖4 自動斷電充電器實物照片

3 自動斷電充電器的實現

根據自動斷電充電器的工作原理圖和充電時充電器輸出電流大小確定各元器件的參數，利用DXP軟件畫出自動斷電充電器PCB的版圖，經過PCB板加工廠后得到自動斷電充電器PCB板，根據自動斷電充電器的工作原理圖裝配電子元器件，裝配后實物照片如圖4所示。

4 結論

對設計的48V電動自行車自動斷電充電器的實物進行測試和調試后，該自動斷電充電器空載時輸出55V，正常充電時電壓為50V，對已經用完電的蓄電池充電時，最大電流達到2.51A，充電6小時自動斷電，電動自行車行駛42.05㎞，與常見同類型充電器（沒有自動斷電功能）充電12小時行駛的42.2㎞相差不大，對比測試時采用了相同的電動自行車和相同的路段。設計的自動斷電充電器不僅滿足現有充電器的性能指標，而且能自動斷電、能節約能源、能減少故障、用戶放心使用，該設計已經獲專利。

參考文獻

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Design Of A New Type Of Charger

Pu Dayan1，Wen Yu2
（1.Chongqing Radio and Television University of China，Chongqing，401520；2.SiChuan SheHong Teacher Education School of China，SiChuan，629200）

Abstract：A new type of electric bicycle charger isi ntroduced by this paper，it can power off automatically.When the battery charging is completedThe Capacity check circuit output voltage to the Shutdown circuit，The AC power of the charger input shut off immediately.By experiment，The charger power circuit hase some advantages ：react fast，stable performance，reliable.The charger low cost，At the same time，it can save electricity， has engineering Value.

Keywords：charger；Capacity check circuit；Shutdown circuit；automatic；energy saving

中圖分類號：A

作者簡介

通信作者：蒲大雁.1979年生，男，碩士，講師，2010年獲電子科技大學無線電物理專業理學碩士學位，專業方向：毫米波電路與系統。一直從事電子產品的設計、維護、教學。