基于PLC控制通断的电动自行车充电器设计

沈绍辉 姚竹亭

【摘要】在科技进步和各国“绿色环保”的呼吁下，电动自行车因其零排放、无污染、轻巧方便的优点成为新时期日益盛行的交通工具。然而，如何解决在充电过程中由于电压电流不稳定及电池满电后未及时拔出充电器致使充电时间过长等对蓄电池性能损害而影响其使用寿命的难题却是该行业技术领域的关注点。本文针对这一问题，主要就充电器充电中能够稳定工作及电池满电后能够自动断电两方面对其进行合理设计。

【关键词】电动自行车;充电器;UC3842;PLC控制

1.引言

在倡导“绿色环保、节能减污”的二十一世纪，电动自行车的研发不仅有效解决了当今世界能源危机和环境污染的问题，而且其安全、方便、省力和相对燃油汽车低成本的优点使电动自行车不断受到人们的青睐而广泛普及。

电动自行车充电器是为其蓄电池充电的装置，它的性能的好坏对蓄电池使用寿命的长短有着不可小觑的影响。已有研究发现：电池充电过程对电池寿命影响较大，绝大多数电池不是用坏的，是充电过程不合理而坏的[1]。由此，为延长蓄电池使用寿命，降低对电动自行车的经济投入和进一步促进电动自行车的推广使用，研制一种性能良好且能够在充电过程中对蓄电池起到保护作用的充电器成为自行车行业关注的焦点。基于此，本文就当前问题对充电器进行了合理的设计以满足实际需求。

2.充电器整体设计

目前，市场上推广的电动自行车大多数使用的是36V或48V的蓄电池，本文以36V蓄电池充电器为例进行分析设计。

2.1 基本电路组成

比较可用元器件自身性能，结合成本要求，本设计最终选择以UC3842为核心来制作充电器。

UC3842是高性能电流型PWM集成控制器，专为离线或DC/DC变换器应用而设计，提供一个只需最少外部元件而获得成本效益高的解决方案。图1为UC3842电路结构图。该集成电路能够微调振荡器而获得精确的占空比控制、一个温度补偿的基准电压、高增益误差放大器、电流取样比较器和适用于驱动功率MOSFET的大电流图腾柱输出[2]。此外它的保护特性包括：具有磁滞特性的电源电压和基准电压的欠压锁定、逐周电流限制、可编程输出静区时间和单脉冲计量锁定。与电压控制方式相比在负载响应和线性调整度等方面有很多优越之处：①微调振荡器频率控制精确，且振荡频率保证达到250kHz;②大电流推挽输出（驱动电流达1A），工作频率可达500kHz;③自动前馈补偿;④逐周电流限制PWM锁定;⑤具有欠压锁定电路和稳定的内部基准电压;⑥大电流图腾柱输出;⑦迟滞特性的电压锁定;⑧低启动工作电流（典型值为0.12mA）。

图1 UC3842内部结构图

36V铅酸蓄电池在正常充电时，对自身性能保护最好的充电方法是恒压限流式，该方法充电效率高，时间短，效果也好，重要的是有利于延长电池使用寿命[3]。图2是以UC3842为核心驱动的充电器电路图，该电路正可以实现恒压充电和限流充电控制两大功能，以满足良好的充电需求。

1）恒压充电控制

蓄电池先进行电压取样，之后与精确的参考电压值进行比较，然后通过控制脉冲的宽度来确定恒压充电的电压阈值。当输出电压偏高时，取样电压会因此超过参考电压，进而改变驱动信号的脉冲宽度，使滤波后的平均电压值下降，使充电器输出电压回到原来的值，从而达到稳压的目的。

2）限流充电控制

蓄电池放完电后处于欠压状态，当再次充电时，一开始电流会很大，这对蓄电池和充电器均有损坏，因此应加以限制。本设计电路可将电流转换为电压，利用UC3842及其相关元件控制脉宽。当电压超过设定值时，元器件会对输入脉冲脉宽进行一一控制，直到下一脉冲到来时自动置位，如此工作最终使输出电流降低至设定值，即达到恒流目的。

图2 以UC3842为核心驱动的基本电路组成图

2.2 PLC控制线路程序设计

以UC3842为核心驱动的充电器电路简单、成本低，充电中能够自动调节充电电压与电流，充电过程稳定，对蓄电池能够起到一定的保护作用。然而美中不足的是智能性有所欠缺，即电池满电后，不能自动断电，需要人为完成这一操作。而在实际中，当蓄电池充电完成后，如果不能及时拔除充电器，造成充电时间的过长，这仍能对电池性能有所损坏，进而影响使用寿命。鉴于此，本设计在以UC3842为核心驱动的充电器电路组成基础上设计一种基于PLC程序的控制电路（如图3）以达到电池满电后自动断电的效果，进一步保护电池，提高充电器智能性。

在该PLC程序设计中，首要工作是将蓄电池充电过程装换为PLC程序中计数器计数过程，当电池满电时，即是计数器达到最大值（设定值）。如图3中梯形图所示，当充电器接通电源后，通过点动控制使I0.0产生瞬时脉冲以便M0.1接通（电池开始充电），接着定时器T37开始工作，每1分钟，T37通电一次;当T37通电一次时，计数器C21计数一次，计数达到最大值时，内部电路接通一次，此刻立即复位;当C21接通时，C22计数一次;以上程序不断循环（电池电量不断增多）直至C22计数达到最大值（电池满电），此刻C22内部电路接通，报警器Q0.0通电响铃，而它的常开触点闭合，使C22复位;常闭触点断开，使M0.0断电，最终整个电路断电。（程序中假定10h电池充满电）

梯形图                            语句表

图3 基于PLC设计程序的控制电路

与继电器控制线路相比，该PLC程序设计优点如下：①PLC采用存储器控制逻辑，灵活性和扩展性好;②PLC程序开关动作由无触点的半导体电路完成，体积小、寿命长、可维护性好、可靠性高;③PLC程序指令控制速度快，执行时间微秒数量级[4]。

通过以上两部分设计最终得到整体流程图如图4所示。

图4 系统流程图

3.结语

本文就充电器充电过程稳压限流、工作稳定和电池满电后电路自动断电两方面对其结构组成进行分析设计。然而，如何实现PLC控制线路中计数器计数与蓄电池电量增长的完美匹配却是有待解决的难点。虽然如此，但随着电动自行车行业的不断壮大、科学技术的不断进步以及创新能力的不断提高，我们坚信，一些技术困难终将被克服，充电器智能性将更上一个层次。

参考文献

[1]孙莉莉，雷永锋，郑菲.基于PICl6C73B的电动自行车充电器的设计[J].现代电子技术，2007，20：27-28.

[2]陈竹.电动自行车充电器原理与维修要点[J].电动自行车，2011，12：46-47.

[3]阴家龙，基于MC3842的电动自行车充电器的设计[J].现代电子技术，2005，18：15-16.

[4]王永华.现代电气控制及PLC应用技术（第3版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

作者简介：沈绍辉（1990—），男，河北邢台人，中北大学机械与动力工程学院机械制造及其自动化专业在读硕士研究生。