一种通用型电动车自动续航器的设计与实现

　　摘要：针对使电动自行车行驶的里程更远并且防止因蓄电池欠压使电动机停转等问题，本文设计了基于恒流源的单片机电动自行车自动续航器，该续航器以STC15F408AD 单片机为核心、通过霍尔传感器对电动自行车的速度、里程等进行实时监测和预报。在电动自行车蓄电池电压降至总电压85% 时，通过恒流输出控制行驶速度从而避免了电动机停转，延长其行驶里程。通过实验证明， 该设计合理、简单、通用，具有推广价值。

　　0 引言

　　电动自行车以其“轻便、环保、低噪音且价格低廉”等优点，成为人们常用的运输、代步工具，给人们的出行带来了极大的方便。据不完全统计，目前中国电动自行车累计销量已经有1.5 亿辆以上，基本上十个人中，就有一个人购买过或者使用电动自行车。在国外近几年欧、美国家对电动自行车需求也在不断地增长，电动自行车在全球的潜在市场呈扩大趋势。目前电动自行车蓄电池一般用采用免维护铅酸电池，工作电压为36V 和48V,功率在150W ~ 400W 之间；大多数车厂采用的控制器欠压保护电压也都是31.5V.在电池电压低于32V 以后一直到27V,所增加的续行能力不到2 公里，而对电池的损伤却非常大，因此当我们正在途中行驶时，一旦发现控制器欠压灯亮，就意味着电池组只剩下31.5V 电压了，从而导致电动机因欠压停转，不得不终止行程。为了避免此问题的发生，设计了基于恒流源的电动自行车自动续航器。它能够根据蓄电池电压的变化、当前行驶速度估算出还能行驶的里程。当电动车的运行电压降至总电压85% 时，控制器会自动发出提示音响，并切换到合理的放电模式，给电流和电机一个最佳配合，确保电动车在较低电量下的正常骑行，延长骑行里程。

　　1 系统电路分析设计

　　经过观察测量，电池的电压衰减呈非线性。蓄电池充满电时电压缓慢降低，当电压一旦不足，衰减就是一个越来越快过程。在行驶时，应缓慢提速，不能直接一下就让它上到高速，这样电池损耗就非常大。匀速行驶最省电，如果一个过程，我们不提速，也不刹车，就是保持一个速度一直这么开，那么这个过程其实是相当省电的。

　　通过以上调查分析我们提出了基于恒流源的电动自行车自动续航器的设计流程，它主要由STC15F408AD 单片机及其外围电路、电压检测电路、测速电路、电源电路、按键显示电路、电压调节电路、声光报警电路组成。单片机是该控制系统的核心， 其主要功能是根据电压检测电路和测速电路的信息控制电流调节电路、声光报警电路和显示电路。实现在电压正常情况下显示速度与里程，当电压低于正常值的85% 时，发出声关报警，同时启动恒流电路，控制电动车匀速行驶，达到续航目的。原理框图如图1 所示下：

　　1.1 测速电路

　　采用霍尔传感器测速。将小磁铁块固定在电机的转子上，将霍尔传感器（开关型）靠近小磁铁附近，当电机转动以后，磁铁会在一定的周期内靠近传感器一次，这样霍尔传感器将输出一个高电平，当小磁铁远离传感器时，传感器输出一个低电平；利用单片机内部定时器，计算出脉冲一个周期的时间，经过相关运算处理，就可以算出电机的转速，然后送显示电路显示速度和里程。

　　1.2 电池电压检测电路

　　电路由二极管VD1, 电阻Ra、Rb 构成， 电阻Ra 和Rb对输入的电池电压进行分压， 经过光耦隔离后送到ADC 通道A1 通过控制器的片内模数转换模块采集分压后的电压， 从而进一步计算出分析电池电压。大于设定值时，LCD 显示里程和速度，低于设定值时，启动恒流调节电路和声光报警电路，提示车主注意。

　　1.3 报警电路设计

　　语音报警电路的核心是WTV040 语音芯片。当电动车的行使速度达到或超过测速器预设速度时，单片机往外发出一个低电平，直接拉低I/O 口电平，使WTV040 语音芯片被触发，点亮报警指示进行提示并触发语音进行报警。

　　1.4 液晶和键盘接口电路的设计

　　STC15F408AD 的I/O 口都是典型的复用端口（ 外围模块功能和I/O 端口功能），在对LCD 读写操作之前要选择为I/O端口功能，设置P3、P4 口为输出口。本系统接口电路端口功能分配如下：P3.5 接到LCD 的E 端口，作为使能端，P3.6 和P3.7 作为控制口分别接到R/W 和RS 引脚。P4.0~P4.7 作为数据线分别接到LCD 的DB0~DB7.

　　1.5 恒流源电路

　　当蓄电池电压低于设定值时，启动电流调节电路，恒流源电路由集成运放和达林顿管构成。STC15F408AD 作为系统控制核心，通过设定D/A 的输出电压来控制恒流源的输出电流，并通过A/D 采样实现反馈控制以提高输出电流的精度。该电路实现了35V/3A 的恒定电流输出。

　　2 软件设计

　　软件采用模块化设计思想，使用C 语言编程， 主要包括初始化子程序、霍尔信号采集子程序、A/D 转换子程序、D/A转换子程序、速度运算子程序、中断服务子程序、显示子程序等。

　　在主程序模块中，包括对各接口的初始化、自行车里程、速度、显示缓冲存储单元的初始化、中断向量的设计以及开中断、循环等待等工作。另外，在主程序模块中还需要设置启动/清除标志寄存器、里程寄存器、速度寄存器，电流预置值存储器等，并对它们进行初始化。然后主程序将根据各标志寄存器的内容，分别完成启动、清除、计程和计速等不同的操作。

　　3 测试

　　首先根据电池构造特征和差异，测试时选择电动自行车用的电池容量10Ah、放电时率为2 小时，它的额定放电电流为10（Ah）/2（h）=5A ;工作能持续2 小时下降到设定的电压。

　　将设计电路接入电源测量，以1C 倍率也就是10A 放电时间只能持续31 分钟，能够放出的电量仅为10A×0.52h=5.2Ah.以0.6C 倍率也就是6A 放电时间只能持续1 小时，能够放出的电量仅为6A×1h=6Ah.而以0.5C 也就是5A 放电时间可以持续2 小时，放出电量5A×2h=10Ah.尽管前者的终止电压比后者低，但能够放出的电量要小于后者。实测中以0.3C 也就是3A 放电时间可以持续3.3 小时。因此当电压下降时，我们采取合理的放电模式，给电流和电机一个最佳配合，确保电动车的正常骑行，是能够延长骑行里程的。从而证明了基于恒流源电动自行车自动续航器设计的可行性和实用性。

　　4 结论

　　本设计分为硬件部分和软件部分，硬件部分着重考虑硬件电路的简单性，故尽可能简化硬件电路，节省线路板的空间，达到硬件电路最优化设计。软件采用模块化设计思想，程序可读性强。通过仿真、实验验证了系统的可行，能满足设计要求，可以提高电动自行车整体性能，具有良好的应用前景。（作者：高宏洋）