帶電量顯示功能的通用電動自行車智能充電器的設計

余玲 徐彤 唐海元

摘要：本設計為一種基于單片機控制的帶電量顯示功能的通用電動自行車智能充電器，該充電器對能自適應地對36V和48V電動自行車蓄電池組進行充電，在充電過程中，充電器能對充電電池組的電壓進行周期性采集、充電過程智能控制、實時電量顯示，還具有過壓、過流、過溫等保護功能。

關鍵詞：電量;充電;智能

中圖分類號：TP393 ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）32-0134-02

隨著電動自行車在我國持續快速發展，電動自行車已經成為廣大居民的日常交通工具之一，然而，由于在電動自行車使用過程中電池的發熱、自燃、爆炸事件時有發生，并造成一定的人身傷害和巨大的財產損失，如何對電動自行車蓄電池組進行安全有效地充電，已經成為一個重要的課題。單片機技術在工業控制領域有著廣泛的應用，利用它的處理控制能力可以實現充電器的智能化。

本設計根據目前市場上主要電動自行車車型的蓄電池組使用現狀，在充分研究傳統的封閉式蓄電池組充電器基礎上，使用STC12C5A60S2系列單片機來實現對蓄電池組的充電過程進行控制。在蓄電池組充電過程中，該充電器能夠實現蓄電池組電壓、蓄電池組電量、工作溫度的實時顯示，還過壓、過流、過溫等保護功能。

1 硬件電路組成

帶電量顯示功能的通用電動自行車智能充電器主要由電源變換電路、采樣電路、微處理器控制電路、變壓電路、顯示屏和溫度傳感器、蜂鳴器、繼電器、按鍵等功能模塊組成。

該智能充電器的硬件電路分為整流電路、以單片機為核心的控制電路和以XL6009升壓芯片為核心的調制電路三個部分。

1.1 整流電路

220V市電經過變壓器、整流橋和濾波電容輸出15V直流電。

1.2 升壓降壓電路

經過整流輸出的15V直流電壓，一路輸入到XL6009的輸入端，經過XL6009升壓之后，產生40V至60V之間的直流輸出電壓，用來給36V蓄電池組或者48V蓄電池組供電;另外一路輸入到LM2596輸入端，產生恒定的5V的直流電源，用于單片機、液晶屏、蜂鳴器、溫度傳感器、繼電器等電路供電。如圖1所示。

1.3 單片機控制電路

單片機控制電路包括STC12C5A60S2單片機、LCD1602顯示屏、DS18B20溫度傳感器、蜂鳴器電路、繼電器、復位電路等。如圖2所示。

2 硬件電路工作原理

充電器接上市電之后，單片機啟動工作，繼電器K2處于斷開狀態。蓄電池組J1通過電阻R3與電阻R4的分壓電路，在電阻R4兩端形成采樣電壓，采樣電壓與單片機的P10端口相連，P10端口連接單片機內置的A/D模塊，單片機能檢測出電阻R4兩端的電壓，根據電阻R3和R4的數值，單片機就能計算出蓄電池組兩端的實時電壓。同時，根據分壓電阻R4兩端的電壓數值，可以估算出當前蓄電池組的電量大小，并通過LCD1602液晶顯示屏上顯示出當前蓄電池組的電壓和電量。初步檢測出蓄電池組J1的電壓之后，繼電器開始啟動工作，K2處于閉合狀態，此時充電器開始給蓄電池組J1充電，當單片機檢測到P10端口分壓電壓達到一定數值時，單片機能判斷出充電過程結束，此時單片機將P22置為低電平，晶體管Q1導通，繼電器斷開充電電路。

根據36V蓄電池組和48V蓄電池組在分壓電阻R4兩端產生的分壓電路的差異，單片機可以判斷出當前檢測的蓄電池組的電壓是36V或48V，當單片機檢測出蓄電池組J1是36V蓄電池組時，單片機通過控制接口電路，調整XL6009外圍的數字電位器X9312數值，調整XL6009輸出電壓數值，從而實現自適應地對36V和48V電動自行車蓄電池進行充電。

如果檢測到分壓電阻R4兩端的電壓過高，或者通過蓄電池組兩端的電流過大，單片機啟動過壓、過流保護，啟動繼電器K2斷開充電電路。如果充電器出現高溫時，溫度傳感器DS18B20模塊將當前的工作溫度傳遞給單片機，并在液晶屏上顯示當前充電器的工作溫度。當溫度傳感器檢測到當前充電器處于高溫環境時，P36端口交替置為高、低電平，發光二極管D2發出紅光閃爍，同時P20端口置為低電平，晶體管Q3導通，驅動蜂鳴器U2發出告警，從而對充電器工作起到高溫保護作用。

3 系統的軟件設計

充電過程分為四個階段，分別是預充電階段、恒流充電階段、恒壓充電階段和浮充充電階段。

第一階段：預充電階段。充電器接上市電之后，單片機啟動工作，單片機通過檢測出P10端口的電壓，計算出蓄電池組兩端的電壓，如果計算出的蓄電池組電壓低于蓄電池組的放電極限電壓Umin，充電器進行低電流預充電。Umin參考取值為34.5V。

第二階段：恒流充電階段。待蓄電池組電壓大于放電極限電壓Umin時，充電器進行恒流充電，充電電路的充電電流為通過電阻R1的電流與通過電阻R4電流的差，通過R4的電路可以通過檢測到的P10接口電壓除以電阻R4的電阻值獲得，流過電阻R1的電流可以通過XL6009電壓的輸出電壓與防倒流二極管D2電壓和蓄電池組電壓的電壓差再除以電阻R1的電阻值獲得。單片機周期性地采集P10接口的電壓，獲得當前的蓄電池組的電壓和充電電流，通過調整數字電位器X9312數值大小，從而調整XL6009電壓的輸出電壓的大小，實現充電器的恒流工作。當蓄電池兩端的電壓達到蓄電池充電極限電壓Umax時，恒流充電結束。恒流充電極限電壓的參考取值為44V。

第三階段：恒壓工作階段。XL6009給蓄電池組以恒定的充電壓給蓄電池進行充電，即蓄電池組兩端的電壓相對保持恒定，恒定充電電壓參考取值為44V，在此階段，充電電流不斷下降，直到充電電流減小至約為0.3A。

第四階段：浮充充電工作階段。此階段充電電壓調整為41.4V，隨著充電的進行，蓄電池組充電電流繼續下降，直到電流減至約50mA。此時單片機控制充電電路斷開，充電結束，如圖2所示。當電池充滿時，液晶顯示屏顯示電量100%，同時發光二極管D3發綠光，此時充電器繼電器K2斷開，充電器停止充電。

4 結語

本設計通過單片機對蓄電池組充電過程全程實施智能控制，整個充電過程分成四個階段，最大限度地保護了蓄電池的壽命。充電器周期性地采集了蓄電池組兩端的電壓和蓄電池組電量，并通過液晶顯示屏進行準實時的顯示，便于使用者能及時了解當前的蓄電池組的電量。該充電器能兼容市場上主流電動車使用的36V和48V蓄電池組工作電壓。為提高充電的安全性，該充電器具有過壓、過流和高溫聲光報警提示和自動切斷充電電路等保護功能，能有效地防止意外事故的發生。

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【通聯編輯：梁書】

收稿日期：2021-06-12

基金項目：2019年江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目“電量顯示功能的通用電動自行車智能充電器的設計”（201912805016Y）

作者簡介：余玲（1999—），女，貴州遵義人，主要從事通信技術專業的研究;徐彤（1973—），男，江蘇泗陽人，電子與通信工程碩士，副教授，主要從事電子技術、通信技術方向的教學和研究。