一種便攜式電動車太陽能充電裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1 引言

由于電動車使用輕快便捷，綠色環(huán)保，因此很多人選擇它作為交通工具。但目前電動車的一些缺點(diǎn)也給廣大使用者帶來了不便，如電動車蓄電池壽命不長，功率有限，行駛里程短；在一些小區(qū)高層住戶充電不方便；在野外沒有市電的地方，其缺點(diǎn)更為突出。在環(huán)境污染和能源形勢日趨嚴(yán)峻的情況下，太陽能作為一種清潔能源，取之不盡用之不竭，目前其應(yīng)用技術(shù)非常成熟，且成本不斷降低。在這種背景下，將太陽能發(fā)電與電動車的巨大市場相聯(lián)系，必定有非常廣闊的應(yīng)用前景，但目前國內(nèi)此類相關(guān)產(chǎn)品極少。這里針對電動車使用中的一些不足設(shè)計(jì)了一個給電動車及時、方便充電的太陽能充電裝置。

2 實(shí)現(xiàn)方案

此處太陽能充電裝置的充電控制模塊為一個基于UC2843電流型PWM控制芯片的大功率Boost變換器，充電實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。太陽能電池板的輸出，經(jīng)DC／DC Boost變換后直接對電動車的蓄電池組進(jìn)行充電，同時輔助對電動機(jī)負(fù)載供電。將太陽能電池板和充電控制模塊固定在電動車的后座上，在行駛和停靠時，可不間斷地給電動車充電。目前已商品化的電動車大多使用密封式鉛酸蓄電池，針對48 V和36 V電動車，固定輸出電壓為56 V或42 V，恒壓充電。


3 Boost變換器原理

Boost變換器原理上又稱為并聯(lián)型開關(guān)變換器，Boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。由開關(guān)管VT、續(xù)流二極管VD、儲能電感L以及濾波電容C組成。開關(guān)管的工作頻率為幾十到幾百千赫茲，在Ton期間導(dǎo)通，Toff期間關(guān)斷，工作周期T=Ton+Toff。當(dāng)VT導(dǎo)通時，L儲能，VD反偏截止，C向負(fù)載供能；當(dāng)VT截止時，由于L上電流不能突變，L中的感應(yīng)電勢使VD導(dǎo)通向電容充電，同時向負(fù)載提供能量。通過控制開關(guān)頻率和開通占空比，可得到不同的輸出電壓。


4 UC2843控制器簡介

UC2843是一種高性能的單端輸出式電流型PWM控制芯片，工作溫度為-25～+85℃，最大工作頻率可達(dá)500 kHz，其最大優(yōu)點(diǎn)是外接元件極少，外電路裝配非常簡單。電流控制環(huán)由PWM鎖存器、電流檢測比較器、誤差放大器、鋸齒波振蕩電路組成，有8管腳和14管腳兩種封裝。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該芯片能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動信號，用外部元件RT和CT可設(shè)定振蕩頻率，并精確地控制占空比。可通過控制開關(guān)管的通斷狀態(tài)來調(diào)節(jié)輸出電壓的高低，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

UC2843設(shè)有欠壓鎖定電路，其開啟電壓為8．4 V，關(guān)閉閾值為7．6 V，UC2843的電源可以直接由輸入電壓Ui提供，0．8 V的啟動關(guān)閉的差值電壓可有效防止電路在閾值電壓附近工作時出現(xiàn)振蕩。在UC2843的輸入端設(shè)有一個34 V齊納管，保證其內(nèi)部電路絕對在34 V以下工作，防止因高壓帶來的損壞。
UC2843的OUTPUT端口為圖騰柱式輸出，輸出給開關(guān)管的平均電流為+200 mA，最大峰值電流可達(dá)±1 A，輸出低電平電壓為1．5 V，輸出高電平電壓為13．5 V，故適合驅(qū)動晶體管或MOSFET管。UC2843內(nèi)設(shè)置有PWM鎖存器，可保證輸出端在每一振蕩周期內(nèi)僅出現(xiàn)一個單控制脈沖，防止噪聲干擾和功率管的超功耗。

5 樣機(jī)電路設(shè)計(jì)

圖4為UC2843控制的Boost電路原理圖，Ui既作為升壓變換的輸入，又給UC2843供電。R2和C6為RC振蕩器，控制主電路的工作頻率和最大輸出占空比；R1，C1，R6為輸出電壓反饋調(diào)節(jié)器，將輸出電壓反饋信號，即輸出電壓Uo按比例反饋到COMP端。調(diào)節(jié)R6可實(shí)現(xiàn)Uo連續(xù)可調(diào)。


6 性能指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

此處充電器樣機(jī)中太陽能電池板選用30 W的多晶硅單板。針對36 V電動車，充電裝置的開路輸出電壓調(diào)節(jié)為42 V。經(jīng)實(shí)測，在各種日照情況下，輸出電壓波動不超過1％。在太陽光照強(qiáng)烈的情況下，充電電流峰值約為400 mA，在陰雨天時，充電電流也約有30 mA。該裝置性能指標(biāo)如下：Ui為10～32 V；Uo為調(diào)節(jié)電位器，輸出35～60 V連續(xù)可調(diào)的電壓；最大輸出電流為5 A；最大輸入電流為16 A；最大輸出功率為120 W；DC／DC模塊轉(zhuǎn)換效率為80％。

目前電動車使用非常普遍，一般蓄電池的設(shè)計(jì)壽命為8年，但電動車蓄電池的使用壽命僅有2～3年，其主要原因是充電不合理。蓄電池若長期充電不足或過放電，則會使內(nèi)部硫酸鉛結(jié)晶，極板硫化，造成蓄電池“餓死”現(xiàn)象。使用太陽能充電裝置，只要是白天，就能隨時隨地為電動車充電，防止電池極板硫化，極大延長電池使用壽命。

此外，在一些小區(qū)高層住戶和廣大的農(nóng)村地區(qū)，用太陽能為電動車充電會帶來極大的方便，可以不間斷增加行駛里程。在一些特殊情況下，還可以應(yīng)急充電。電動車太陽能充電裝置的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：①安裝簡便，用螺絲固定在電動車后鐵架上；②可以適用于36 V，48 V的電動車充電；③在電動車行駛過程中能夠給蓄電池充電，同時也能夠向電動機(jī)輸出功率，共同驅(qū)動電機(jī)，增加了行駛里程：④由于其能連續(xù)不斷地給蓄電池充電，可以防止和清除電池極板硫化，恢復(fù)電池容量，有效延長電池使用壽命。

7 結(jié)論

電動車太陽能充電是一個應(yīng)用前景廣闊、市場潛力較大的項(xiàng)目。這里設(shè)計(jì)的充電裝置中，基于UC2843的升壓控制電路簡單可靠，成本低，整個充電裝置簡易實(shí)用，實(shí)驗(yàn)效果良好。后續(xù)將進(jìn)一步增加太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤、充電監(jiān)視等更多功能，并改進(jìn)太陽能板的外形，提升安裝后整體美觀性，使該裝置更加完善。