一种便携式电动车太阳能充电装置的设计和实现

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1 引言

由于电动车使用轻快便捷，绿色环保，因此很多人选择它作为交通工具。但目前电动车的一些缺点也给广大使用者带来了不便，如电动车蓄电池寿命不长，功率有限，行驶里程短；在一些小区高层住户充电不方便；在野外没有市电的地方，其缺点更为突出。在环境污染和能源形势日趋严峻的情况下，太阳能作为一种清洁能源，取之不尽用之不竭，目前其应用技术非常成熟，且成本不断降低。在这种背景下，将太阳能发电与电动车的巨大市场相联系，必定有非常广阔的应用前景，但目前国内此类相关产品极少。这里针对电动车使用中的一些不足设计了一个给电动车及时、方便充电的太阳能充电装置。
2 实现方案

此处太阳能充电装置的充电控制模块为一个基于UC2843电流型PWM控制芯片的大功率Boost变换器，充电实现方案如图1所示。太阳能电池板的输出，经DC／DC Boost变换后直接对电动车的蓄电池组进行充电，同时辅助对电动机负载供电。将太阳能电池板和充电控制模块固定在电动车的后座上，在行驶和停靠时，可不间断地给电动车充电。目前已商品化的电动车大多使用密封式铅酸蓄电池，针对48 V和36 V电动车，固定输出电压为56 V或42 V，恒压充电。


3 Boost变换器原理

Boost变换器原理上又称为并联型开关变换器，Boost电路拓扑结构如图2所示。由开关管VT、续流二极管VD、储能电感L以及滤波电容C组成。开关管的工作频率为几十到几百千赫兹，在Ton期间导通，Toff期间关断，工作周期T=Ton+Toff。当VT导通时，L储能，VD反偏截止，C向负载供能；当VT截止时，由于L上电流不能突变，L中的感应电势使VD导通向电容充电，同时向负载提供能量。通过控制开关频率和开通占空比，可得到不同的输出电压。


4 UC2843控制器简介

UC2843是一种高性能的单端输出式电流型PWM控制芯片，工作温度为-25～+85℃，最大工作频率可达500 kHz，其最大优点是外接元件极少，外电路装配非常简单。电流控制环由PWM锁存器、电流检测比较器、误差放大器、锯齿波振荡电路组成，有8管脚和14管脚两种封装。其内部结构图如图3所示。该芯片能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，用外部元件RT和CT可设定振荡频率，并精确地控制占空比。可通过控制开关管的通断状态来调节输出电压的高低，达到稳压的目的。

UC2843设有欠压锁定电路，其开启电压为8．4 V，关闭阈值为7．6 V，UC2843的电源可以直接由输入电压Ui提供，0．8 V的启动关闭的差值电压可有效防止电路在阈值电压附近工作时出现振荡。在UC2843的输入端设有一个34 V齐纳管，保证其内部电路绝对在34 V以下工作，防止因高压带来的损坏。
UC2843的OUTPUT端口为图腾柱式输出，输出给开关管的平均电流为+200 mA，最大峰值电流可达±1 A，输出低电平电压为1．5 V，输出高电平电压为13．5 V，故适合驱动晶体管或MOSFET管。UC2843内设置有PWM锁存器，可保证输出端在每一振荡周期内仅出现一个单控制脉冲，防止噪声干扰和功率管的超功耗。
5 样机电路设计

图4为UC2843控制的Boost电路原理图，Ui既作为升压变换的输入，又给UC2843供电。R2和C6为RC振荡器，控制主电路的工作频率和最大输出占空比；R1，C1，R6为输出电压反馈调节器，将输出电压反馈信号，即输出电压Uo按比例反馈到COMP端。调节R6可实现Uo连续可调。


6 性能指标及经济技术指标

此处充电器样机中太阳能电池板选用30 W的多晶硅单板。针对36 V电动车，充电装置的开路输出电压调节为42 V。经实测，在各种日照情况下，输出电压波动不超过1％。在太阳光照强烈的情况下，充电电流峰值约为400 mA，在阴雨天时，充电电流也约有30 mA。该装置性能指标如下：Ui为10～32 V；Uo为调节电位器，输出35～60 V连续可调的电压；最大输出电流为5 A；最大输入电流为16 A；最大输出功率为120 W；DC／DC模块转换效率为80％。

目前电动车使用非常普遍，一般蓄电池的设计寿命为8年，但电动车蓄电池的使用寿命仅有2～3年，其主要原因是充电不合理。蓄电池若长期充电不足或过放电，则会使内部硫酸铅结晶，极板硫化，造成蓄电池“饿死”现象。使用太阳能充电装置，只要是白天，就能随时随地为电动车充电，防止电池极板硫化，极大延长电池使用寿命。

此外，在一些小区高层住户和广大的农村地区，用太阳能为电动车充电会带来极大的方便，可以不间断增加行驶里程。在一些特殊情况下，还可以应急充电。电动车太阳能充电装置的经济技术指标如下：①安装简便，用螺丝固定在电动车后铁架上；②可以适用于36 V，48 V的电动车充电；③在电动车行驶过程中能够给蓄电池充电，同时也能够向电动机输出功率，共同驱动电机，增加了行驶里程：④由于其能连续不断地给蓄电池充电，可以防止和清除电池极板硫化，恢复电池容量，有效延长电池使用寿命。
7 结论

电动车太阳能充电是一个应用前景广阔、市场潜力较大的项目。这里设计的充电装置中，基于UC2843的升压控制电路简单可靠，成本低，整个充电装置简易实用，实验效果良好。后续将进一步增加太阳能最大功率点跟踪、充电监视等更多功能，并改进太阳能板的外形，提升安装后整体美观性，使该装置更加完善。