蒲大雁，文 宇（.重庆广播电视大学，重庆，4050 .四川射洪教师进修校，四川，6900）



一种新型充电器的设计

蒲大雁1，文 宇2
（1.重庆广播电视大学，重庆，401520 2.四川射洪教师进修校，四川，629200）

摘要：本文介绍一种新型电动自行车充电器，它具有自动断电功能。当蓄电池充电完成后电量检测电路输出电压控制断电电路，断电电路动作，自动关断充电器输入的交流电源。经测试，设计的充电器的断电电路反应速度快、性能稳定、可靠。该充电器成本低，能节约电能，具有实用价值。

关键词：充电器；电量检测电路；关机电路；自动；节能

0 引言

电动自行车提供了便宜、便捷、非常低的事故率、零碳污染的交通运输，它很好地解决了石化燃料车辆的碳排问题和拥堵问题。电动自行车得到了市场广泛的认可，一个家庭常常有两个电动自行车，截止到2013年底，据不完全统计至少有2亿中国人在使用电动自行车，专家预测这个数字还会显著增加。电动自行车成为未来重要的环保科技产品。如何让电动自行车价格更低、续行更远、使用寿命更长、充电更快捷、更低碳成了工程技术人员研究的课题。

图1 自动断电充电器工作原理的方框图

电动自行车主要由电动机、蓄电池、充电器、控制器等核心部件组成。充电器是给蓄电池充电能的装置，它是电动自行车四大核心器件之一，它决定蓄电池充电的时间、蓄电池的寿命，它的技术研究比较成熟。目前电动自行车充电器大都是采用开关电源，其作用是将交流电变成直流电，但目前市场上的充电器存在不足：充电完成后不能自动切断电源，从而存在以下几点不足：

1）缩短电池的寿命：在电池电量充足后，如果用户没有及时切断充电器输入电源，充电器一直在给电池充电，这样不仅缩短电池的寿命，而且也影响充电器的寿命，增加了充电器的故障率。

2）浪费电能：在电池电量充足后，如果用户没有及时切断充电器输入电源，指示灯、散热风扇仍在工作，浪费电能约6.48×1015W每年（按10W，每次多充电6小时，充电150次，2个亿个充电器估算。）

10×6×3600×150×2×108=6.48×1015W

3）用户如果在充电时，常常要提醒自己及时拔掉充电器的电源插头，以免产生其它的安全隐患。

如何让用户不需要记忆拔充电器的输入插头，放心地用充电器、不浪费电能、减少充电器的故障率，同时又不影响电池的寿命，使充电器更经济、更环保、更节能成为研究课题——自动断电电动自行车充电器

1 自动断电充电器的工作原理

1.1 自动断电充电器工作原理的框图

自动断电充电器工作原理的方框图如图1所示，从图中可以看出自动断电充电器比市场上常见的充电器多了一个带电磁继电器的开关、电量检测电路、关机电路。

1.2 自动断电充电器工作的原理

本文介绍的是48V电动自行车自动断电充电器自动断的原理。它与常见充电器的工作原理相似：220V交流电通过整流、滤波变成300V直流电，通过在宽度可调脉冲控制下的开关管再变成交流电，经过开关变压器变压后从次级输出交流电，再经过整流、滤波变成需要的直流电压55V输出，向蓄电池充电，同时输出的55V电压通过反馈电路控制PWM（宽度可调脉冲）电路，从而控制开关管的导通时间，使直流电压55V稳定输出。不同的是自动断电充电器在随着充电的进行，蓄电池的电量增加，当电量检测电路检测到蓄电池电量满了后，就会给关机电路发出断电的电压信号，关机电路动作，将充电器的交流输入电磁开关断开，切断充电器输入的220V交流电。

电量检测电路本质上就是个电压比较器，当蓄电池电量没有充满时，电压比较低，电量检测电路无输出，断电电路不动作，当蓄电池电量充满时，电压达到设定的值，电量检测电路向关机电路输出电压，断电电路动作，自动切断充电器输入的交流电，下面分析充电器自动断电的原理。

2 自动断电电路工作过程

2.1 自动断电电路的组成

自动关机电路由一个带电磁继电器的开关（如图2所示）、3只晶体三极管（一只PNP型，2只NPN型）、5只二极管、6只电阻、一只电容共16只元器件组成，电路原理图如图3所示。

图2 带电磁继电器的开关照

图3 自动断电电路原理图

2.2 自动断电电路的工作原理

如图3所示，当自动断电电路接受电量检测电路输出的断电信号后，Q3和Q1组成的复合管饱和导通，12V电源电流通过R1、D3、带电磁继电器开关的电磁线圈、Q1的集电极和发射极到地构成回路，电流流过电磁线圈产生的磁场吸引衔铁将自锁开关断开，实现切断充电器的交流输入电压（其中Q3和Q1之间的D5起隔离作用，Q3集电极电阻R3起偏置作用）。

2.3 自动断电电路正确动作的辅助设计

2.3.1 确保断电时电路性能稳定、可靠、反应速度快，设计时增加的元器件。

电容C1存储的电能作为电源在断电时通过D2、Q2、R2向Q1的基极提供电流，此时Q2发射极电压约等于12V， Q2基极电压小于12V， Q2是PNP三极管所以Q2饱和导通，D1此时是隔离作用，阻止电容C1上储存的电能向其他地方供电。

电容C2在断电时利用储存的电能作为电源与12V一起向开关的电磁线圈、Q1供电，保证了断电断电动作需要的足够电流。

二极管D3是起隔离作用，阻止电磁线圈产生的感应电压对其他元器件造成损坏。

二极管D4与电磁线圈并连，将断电后电磁线圈产生的感应电压泄放，防止感应电压击穿Q1。

二极管D5是起隔离作用，断电时Q4、Q3任意一个损坏都不影响断电动作的实现。

采用以上措施就能保证断电动作的顺利完成，万无一失。

2.3.2 确保开机时断电电路不动作（断电），断电电路设计时增加了电容C1、稳压二极管D2（稳压值小于12V）。

刚开机时，各三极管各极都有微小的电流，如果此时三极管处在放大状态，那么断电电路要动作——断电，充电器就无法正常充电，设计时要避免该情况的发生。

刚开机时，一方面，12V电压建立后就加到断电电路、电量监控电路。Q3的集电极通过R3马上就有12V，但此时电量监控电路输出为零，所以Q3的基极电压为零，Q3是NPN型三极管，就处于截止状态。处于截止状态的Q3基极电流为零，不会向Q1基极提供电流。另一方面，刚开机时，12V电压建立后就通过R4加到Q2的基极，但此时12V通过D1将稳压二极管D2（稳压值小于12V）击穿向电容C1充电，此时Q2发射极的电压低于12V，Q2是PNP型，发射极的电压低于基极电压12V， Q2就处于截止状态，各极电流为零，也不会向Q1基极提供电流，这样Q2、Q3在开机时都处于截止状态，Q1也处于截止状态，断电电路不动作，确保开机时不断电，能正常充电。

图4 自动断电充电器实物照片

3 自动断电充电器的实现

根据自动断电充电器的工作原理图和充电时充电器输出电流大小确定各元器件的参数，利用DXP软件画出自动断电充电器PCB的版图，经过PCB板加工厂后得到自动断电充电器PCB板，根据自动断电充电器的工作原理图装配电子元器件，装配后实物照片如图4所示。

4 结论

对设计的48V电动自行车自动断电充电器的实物进行测试和调试后，该自动断电充电器空载时输出55V，正常充电时电压为50V，对已经用完电的蓄电池充电时，最大电流达到2.51A，充电6小时自动断电，电动自行车行驶42.05㎞，与常见同类型充电器（没有自动断电功能）充电12小时行驶的42.2㎞相差不大，对比测试时采用了相同的电动自行车和相同的路段。设计的自动断电充电器不仅满足现有充电器的性能指标，而且能自动断电、能节约能源、能减少故障、用户放心使用，该设计已经获专利。

参考文献

［1］中国行业研究网http：//www.chinairn.com。球王贝利拟携手绿源电动车进军巴西市场，2014年6月7日.

［2］中国行业研究网http：//www.chinairn.com。目前我国电动自行车行业发展情况调研，2014年1月23日.

［3］张占松，张心益.《开关电源技术教程》，北京：机械工业出版社，2012年10月1日：8-7.

［4］刘光祐，饶妮妮.《模拟电路基础》.成都：电子科技大学出版社，2005年：36—37.

［5］刘光祐，饶妮妮.《模拟电路基础》. 成都：电子科技大学出版社，2005年：38—39.

［6］王正勇.《Protel DXP实用教程》.北京：高等教育出版社，2009年02月。

［7］蒲大雁.专利题名：电动自行车充电器 中国，专利号：［ZL 2012 2 0612692.1］.2013年5月1日

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

中图分类号：A

作者简介

通信作者：蒲大雁.1979年生，男，硕士，讲师，2010年获电子科技大学无线电物理专业理学硕士学位，专业方向：毫米波电路与系统。一直从事电子产品的设计、维护、教学。