現實狀況
目前， 電動腳踏車因其具有使用方便 、 省力、快速和環保等優點，已經成為越來越多的上班族 的交通工具。 無疑， 大家會很關心電動腳踏車的使 用壽命問題。電動腳踏車的使用壽命主要與所使用的蓄電池的使用壽命有關 ，而蓄電池的使用壽命決定於蓄電池本身的質量和使用維護方法。若 使用維護方法得當，則能大大延長蓄電他的使用壽命，其中正確的充電方法不僅能使蓄電池的壽命得以延長， 而且又可使它的容量得以充分利用。本文提出的 3 6 V蓄電池智慧型充電器是採用先恆 流後恆壓的兩段式充電方法，並能實現智慧型化控制， 適用於電動腳踏車常用的 3 6 V / 1 2 A· h 鉛酸蓄電池充電。
充電方法
電動腳踏車蓄電池智慧型充電器對於鉛酸蓄電池，若採用恆壓充電方法進行充電，則在充電開始充電電流很大，會引起高溫 ， 且恆壓充電不能調整充電電流的大小 ， 不宜於蓄電池的初期充電。 若採用恆流充電， 充電時間太長，且易引起過充，過充電由於劇烈的放出氣泡， 會在極板內部造成壓力 ， 加劇活性物質的脫落， 使極板過早損壞， 不宜於蓄電池後期充電。鑒於此，充電器採用先恆流後恆壓的充電方式， 如圖1 所示。充電初期， 充電電流較大， 電流值限制在 0.1 c ～ 0.2 c ( c指的是蓄電池容量， 此處容量為24V / 1 2 A· h ) ， 取 1.8 A， 對蓄電池進行恆流充電確保蓄電池充電時安全快速。當蓄電池容量達到8 0 %左右， 電壓達到 1 3 ． 8 V 憚 體( 單體電壓 1 2 V)即 27.6 V時，充電器保持該電壓對蓄電池進行恆壓充電，充電電流減小，直到接近 C / 5 0即0 ． 2 4A 左右， 認為充電結束， 通過一定的方法控制蓄電池停充， 這樣可以儘可能地使蓄電池充得更足。
控制方法
鑒於充電過程分恆流和恆壓兩個階段，採用平均電流模式 P WM控制方法， 如圖2所示。此控制方法是利用電壓外環和電流內環的雙環負反饋控制， 對輸出電壓和輸出電流分別進行跟蹤採樣，與基準值進行比較， 將誤差放大後送人 P WM控制器， 控制變換器開關管的占空比， 從而調整輸出電壓或輸出電流的大小， 使其穩定。當s打向 2時，通過閉環控制， 將使輸出電流穩定， 而當s打向 1 時， 通過閉環控制 ， 將使輸出電壓穩定， s的動作將隨充電的進行自動控制切換。 另外， 通過對閉環 控制網路進行增益和相位補償設計，以提高控制的穩定性， 降低輸出的穩定誤差 ， 改善回響特性 ，提高抗干擾能力。
電路分析
充電器總電路原理圖如圖3所示，具體電路如圖4所示。從圖3中可以看出，總電路分主電路、 控制電路和輔助電路等三大部分 ， 其中輔助電路包括輸入電源、 輔助電源、 保護電路、 顯示電路和充滿 自停電路。下面分別給予詳細分析。
主電路的分析
電動腳踏車蓄電池智慧型充電器主電路採用B u c k型 D C / D C變換器，主要由 MO S F E T管 s1 和肖特基二極體 D 兩個組合開關 管以及 。L1 、C2 組成的濾波器構成， 它是一種降壓斬 波電路， 開關頻率為 1 0 0 k H z ， 在輸入電壓 基本 不變的情況下，通過控制 MO S F E T開關管導通時間的占空比D， 可以在 0 ～ Ud之間控制輸出電壓和 相應的輸出電流。連續工作模式下的輸出電壓和輸入電壓之間滿足以下關係， 即V0 =DVd ( 1 ) 這樣的可控電壓和電流很適合對蓄電池的充電， 而且通過脈衝寬度調製( P wM) 方法， 可以較容易地將輸出端的諧波含量濾除，得到更接近直流的輸出電壓和電流。
控制電路的分析
電動腳踏車蓄電池智慧型充電器如前所述，該充電器的控制主要分恆流充電 和恆壓充電控制， 採用平均電流模式 P WM控制方法。平均電流模式控制方法有其顯著的優點：
( 1 ) 具有高增益的電流放大器， 平均電流能精確地跟蹤電流設定值和電壓設定值；
( 2 ) 噪聲抑制能力強；
( 3 ) 無需斜波補償。
電路中，該控制方法主要由晶片 U C 3 8 8 6完成。該晶片是一種平均電流控制型 D C / D C變換器 P WM控制器， 具有低失調、 高頻帶電流和電壓放 大器， 可滿足高性能系統的要求； 具有低失調電流取樣放大器， 可使用低阻值取樣電阻R1， 以降低功耗， 並允許用戶設定電阻( 如 R16～ R19) 選擇增益； 工作頻率有外部電阻R15和電容 C8 設定，這裡設定工作頻率為 1 0 0 k H z ； 另外， 它具有最大 1.5 A峰值 推拉電流輸出， 因此， 本電路無需另設驅動電路，直接由G A T E端輸出驅動 MO S F E T管工作。
電路恆流充電期間， 採樣電感 L1 電流， 輸入晶片的腳 1 4和腳 1 5 ，經過差分形式的取樣放大器放大， 由腳 1 6輸出， 與腳 3提供的電流給定值比較， 所得誤差經由R20,R21,C9 和內部電流放大器組成的P I 調節器運算，再通過內部 P WM比較器比較產生 P WM開關信號，去控制 MO S F E T開關管工作。 通過這樣的電流單閉環控制， 控制電感上的平均電流保持恆定值為 1.8 A，以實現恆流充電。電路恆壓充電期間， 分壓電阻 巧採樣輸出電壓， 與腳 4提供的電壓給定值比較， 所得誤差經由 R22,R23,C10 和內部電壓放大器組成的 P I 調節器運算， 作為電流誤差放大器的給定， 再與電感電流採樣值進行比較、 P I 運算， 最後通過 P WM比較器比較產生 P WM開關信號，去控制 MO S F E T開關管工作。 通過這樣的電流內環、 電壓外環組成的雙閉環控制，控制輸出電壓平均值保持恆定值為4 1 ． 4 V， 以實現恆壓充電。 上述的P I 調節器的參數( 對應電阻和電容的取值) 均根據系統的穩定性和動態特性的要求， 通過閉環系統補償網路的設計來選擇。 恆流和恆壓充電的切換控制電路主要由遲滯比較器 U 4 B 和晶片 C D 4 0 5 3 B構成。C D 4 0 5 3 B晶片是三路單刀雙擲雙向模擬開關，在腳 6為低電平 的前提下， 當腳 A為低電平時， a x / a y腳與 a x 腳連 接 ， 反之， a x / a y腳與 ay 腳連線， 腳 B 、 C的控制類似 ， 這裡將腳 A、 B、 C共接， 實現三路開關同步控 制。當恆流充電進行到蓄電池端壓上升到4 1 ． 4 V 時， 需要將恆流充電切換到恆壓充電， 為了避免來 回頻繁切換， 利用了遲滯比較器的特性， 將其高閾 值電壓 Vth 與 4 1 ． 4 V電壓對應。 分壓( R26R27 ) 採樣 蓄電池端電壓， 輸入遲滯比較器 U4b， 當蓄電池端 電壓未達到4 1 ． 4V時， U4b輸出高電平給腳 A、B、C， 使電壓外環斷開， 只有電流內環起作用， 實現恆 流充電，而當蓄電池端電壓達到 4 1 ． 4 V時， U4b 輸出低電平給腳 A、 B、 C ， 使電壓外環連線， 雙環均起作用， 實現恆流充電到恆壓充電的切換。3 - 3 輔助電路的分析輔助電路包括輸入電源、輔助電源、保護電路、 顯示電路和充滿自停電路。 輸入電源和輔助電源均由降壓、 整流、 濾波和穩壓電路組成， 屬於一般設計， 無需分析。保護電路包括過流保護、 過壓保護、 短路保護和電池反接提示等。過流保護：由平均電流模式控制自動快速實現過流保護， 無需另設電路。過壓保護： 通過採樣輸出電壓， 一旦高於5 0 ． 4 V時認為過壓， 由U5b和 外圍電路組成的正向遲滯比較器送出過壓信號( 高電平 ) ， 使開關管 S2飽和導通， 強制將 U1 的 腳1 ( P WM比較端) 電平拉低， 迅速減小占控比D，從而可以調整降低輸出電壓， 起到過壓保護。 短路保護：通過採樣輸出電壓，一旦發生短路， 輸出電壓為零 ， 使開關管 s 4 截止， s 3 導通， 繼電器J1 線圈得電， 使常閉觸點J 1-1 斷開， 迅速切斷 輸入電源， 起到短路保護。 電池反接提示：當電池反接時，發光二極體 L E D1 亮( 紅光) ， 以示提醒。充滿自停電路和顯示電路 ： 採樣電感電流， 當 電流下降到0 ． 2 4 A時，通過由u 5a 和外圍電路組 成的差分放大器放大，經遲滯比較器 u4a她輸出高 電平， 使開關管 s 3 導通， 繼電器 J 1 線圈得電， 一方面， 使常閉觸點 J 1-1斷開， 切斷輸入電源， 停止充電； 另一方面， 使常閉觸點 J l 斷開， 發光二極體 L E D2 熄滅( 綠光) ， 而常開觸點J L 3 閉合， 發光二極 管L E D3 亮( 黃光) ， 表示充電完畢。 若充電未結束， 將受到上述相反的控制， 發光二極體 L ED2 亮( 綠光) ， 表示充電正在進行。
總結實現
本文提出的24V電動 腳踏車蓄電池智慧型充電器， 以B u c k型 D C / D C變換器為核心， 採用了平均電流模式 P WM控制， 實現了先恆流後恆壓的兩 段式充電，可以達到快速且較滿容量的充電。另 外， 該充電器能實現兩段式充電的自動切換， 以及 具備充滿 自停功能、多種保護作用和充電狀態顯 示功能等， 充分顯示了智慧型化的特點。不過， 若想 實現更智慧型化的充電，不妨嘗試採用單片機來控制。
