CN105048593B - 一种电动自行车安全型直流长线式充电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动自行车安全型直流长线式充电器，包括充电器、二根对称的主回路导线、误差电压采样信号线以及电缆输入插头和电缆输出插头，所述误差电压采样信号线用于采集充电器输出端负极与电缆输入插头的中心电极即对应于蓄电池负极端之间的误差信号，并通过充电器内的误差信号处理变换电路叠加到充电器的输出端口电压取样电路，使得充电器输出端口的电压稳定在额定输出电压与所述主回路导线的总压降之和。本发明利用误差电压采样信号线对主回路导线总压降进行单边采样，并通过误差信号处理变换电路使得低边的误差信号转移到充电器输出的高边并加以利用，使得连接在电缆远端的输出电压稳定在额定标称值上。

Description

一种电动自行车安全型直流长线式充电器

技术领域

本发明涉及电动车技术领域，具体涉及一种电动自行车安全型直流长线式充电器。

背景技术

目前，电动自行车充电器是一个与车辆分离的配套件，归属于在室内使用的家电类电器产品，输入端的交流电源线与输出直流线均为常规的短线配置，充电时要将蓄电池组置于具有交流供电电源的室内环境，常用的小型电动自行车使用一组48V10AH的铅酸蓄电池，其总重量超过15kg，而使用72V20AH铅酸蓄电池的电动车，其蓄电池组的总重量超过36kg，对于用户来说，不会选择卸下蓄电池组到室内充电的方式，而是将蓄电池组留置在电动车上进行充电，该方式需要使用移动式供电电缆来提供220V交流电源，从而带来了安全用电的问题；此外，现有充电器本身的设计并不符合户外电器的技术标准。例如，要求充电器能承受高温日晒和密封防水等户外使用条件。本专利的技术方案是将充电器留置在具有交流供电电源的室内，而将直流低压输出线延长后连接至需要充电的电动车，由于加长的直流线路本身会产生一定的线路压降；例如，30米的距离，截面为0.5平方毫米的铜导线在通过3安培的直流电流下将产生约7V的回路电压降，电瓶端的充电参数和指标将偏离规范要求的数值。

对于长距离直流传输终端稳压的方法，传统的“四线制”技术方案是采用增加2根辅助导线对供电线路的末端电压进行采样，通过负反馈原理对供电线路末端进行稳压，以消除线路压降造成的差异。该方案除了需要使用具有四根导线的电缆之外，如果采用分离式的长电缆线时，还需要将现有充电器中的三极式连接器更换成四个电极的连接器，目前，现有的充电器均采用三极式的连接插头座。

对于符合国家安全规范的充电器而言，充电器本身还具有一些附加的功能：例如，在输出开路时，输出为安全低电压（或者输出电压为零），具有短路保护、反接保护等功能特性，对于采用可控硅构成的“安规”保护电路来说，充电器内部的电压采样点并不在实际的输出端口，由于在采样点和输出端口之间插入了具有开关功能的可控硅器件，因此，四线制方案与“安全规范”之间必然要产生冲突。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供一种电动自行车安全型直流长线式充电器，充电器通过三线制长线电缆与蓄电池组连接，采用对电缆输出终端的“单边”电压降采样后作为误差基准，以达到使电缆终端的电气特性等同于短线式充电器的参数指标。

技术方案：本发明所述的电动自行车安全型直流长线式充电器，包括充电器和三线制加长型专用连接电缆，所述三线制加长型专用连接电缆包括二根对称的主回路导线、一根误差电压采样信号线以及用于连接所述充电器的电缆输入插头和用于连接蓄电池的电缆输出插头，所述充电器通过所述主回路导线与蓄电池连接形成充电回路，所述误差电压采样信号线在电缆输出插头内直接与负极相连、在电缆的输入插头内与所述充电器的输出连接器对应的中心电极相连；所述充电器内设有输出端口电压取样电路和误差信号处理变换电路，所述误差电压采样信号线将采集到的误差信号通过误差信号处理变换电路叠加到所述充电器的输出端口电压取样电路，使得所述充电器输出端口的电压稳定在额定输出电压与所述主回路导线总压降之和。误差电压采样信号线在远端即靠近蓄电池的一侧连接到电缆输出插头的负极端，电缆输出插头的中心电极是闲置的，不需要使用。在近端即靠近充电器的一侧，误差电压采样信号线与充电器的输出连接器对应的中心电极连接；工作时通过中心电极与充电器内部的电路连通，由于误差电压采样信号线上流过的电流极小（在本实例中约为主回路电流的万分之一）；因此，误差电压采样线上的压降通常忽略不计，所以在充电器内置输出连接器的中心电极上的电位与电缆输出插头的负极上的（等同于蓄电池负极）电位始终是一个等电位的关系。当充电时，在主回路的负极导线上，电流方向是从远端流向近端，若以充电器一侧输出端的负极作为参考点，采集到的误差信号则始终是一个正极性的电压信号，其大小等于充电电流在这一段导线上电阻产生的电压降，即为“单边”取样电压，在二根主回路导线的材质与结构对称时，其数值等于主回路导线总压降的二分之一。

进一步完善上述技术方案，所述误差信号处理变换电路包括运算放大器和晶体管，所述误差电压采样信号线将采集到的误差信号传送至运算放大器的同相输入端，运算大器的输出端与晶体管的基极相连，晶体管的发射极与运算放大器的反相输入端和电阻八均相连，晶体管的集电极与所述输出端口电压取样电路相连。误差电压采样信号线采集到的误差信号经由电缆输入插头的对应点接入充电器的内部电路，传递至运算放大器的同相输入端，根据电路原理，运算放大器本身具有高增益、高输入阻抗等特点，当使用其同相输入端作信号输入端，运算放大器的输出端连接到它本身的反相输入端时即可构成一个高精度的电压跟随器，其电压增益等于1，运算放大器和晶体管组成的放大电路使晶体管产生对应的发射极电流，电阻八给发射极电流提供一个接入参考点的通路，该电流在电阻八上产生的电压降送到运算放大器的反相输入端，这个负反馈的结果使运算放大器的反相输入端跟随并等于同相输入端的电压，该电压在电阻八中产生的电流始终与误差信号电压成正比例关系，电阻八两端的电压降恒等于主回路导线的“单边”取样电压。

根据晶体管原理： Ie=Ib+Ic，Ic=Ib*hFE，其中hFE为晶体管的电流放大倍数；

即有 Ie=Ib(1+hFE), 目前，放大倍数hFE>100或更高的晶体管很常见，

因此有 Ie≈ Ic 。

也就是说流过电阻八的电流和晶体管集电极电流几乎相等，只要在集电极回路中串入一个电阻器就可以把低边的误差信号电压转移到高边电路中并获得应用，进一步地，所述输出端口电压取样电路包括分压式取样电路以及与分压式取样电路的输出正极端相串联的电阻三，所述晶体管的集电极电流汇入所述电阻三与所述分压式取样电路连接处的电流节点。在常规充电器的典型分压式取样回路的高边（输出正极端）串联电阻三，典型的分压式取样电路为串联的电阻四和电阻五，电阻四和电阻五之间的节点与误差放大器相连；再通过电压调节器完成负反馈，电阻三的一端连接到输出正极端、另一端与原先应该连接到输出正极端的电阻四相连，所述晶体管的集电极电流汇入所述电阻三与所述电阻四连接处的电流节点。所述晶体管产生的发射极电流同时流过电阻八，利用晶体管在放大区集电极电流与发射极电流基本相等的特性，可以使低边的信号电压转移到充电器输出的“高边”并加以利用。

在二根主回路导线的材质与结构对称时，外部主回路导线的等效串联电阻电阻一与电阻二相同，取电阻三的阻值为电阻八的两倍，电阻三上得到的等于“单边”取样电压两倍的“高边”有效误差信号。电阻三与电阻四的串联又使其成为充电器输出端电压取样电阻的一部分，晶体管的集电极电流和电压取样回路中自身的电流在电阻三中产生叠加，最终将改变电阻五两端所得到的取样电压值，通过充电器内部的负反馈误差放大器的调节作用，充电器输出端口的电压将稳定在等于额定输出电压与回路导线总电压降之和，而连接电缆远端的输出电压则稳定在额定标称值上，远端的输出特性与充电电流的大小、导线的长度等电气参数无关，实现了端口特性的长距离延伸。

在蓄电池的极性被错误的反接时，本发明通过在所述晶体管的集电极与所述电流节点之间设有电阻六或者通过二极管代替电阻六来提供所需要的自我保护。电阻六的取值以晶体管的集电极电流不饱和为原则，也就是说在额定的工作条件下要求晶体管始终处于线性放大区。

为了消除充电线路引入的高频干扰，所述误差电压采样信号线采集到的误差信号经过电阻九和电容一组成的RC低通滤波电路后输入至所述运算放大器的同相输入端。电阻九的一端通过连接器与电缆输入插头内的中心电极相连接。

作为本发明的进一步改进，所述误差电压采样信号线采集到的误差信号输入端与所述充电器的输出负极端之间连接有电阻十。电阻十的设置为了防止充电器端未接入电缆时，导致运算放大器的输入端为悬浮状态，从而产生一个错误的信号电压。

所述运算放大器的输出端与晶体管的基极之间设有电阻七。电阻七具有限流保护和抗干扰作用，若不添加电阻七，必须将对应的连接点短接。

为了使充电器符合国家安全规范，在充电器主回路的负极侧或正极侧加入了可控硅器件；所述可控硅串联在所述充电器内输出回路的负极一侧或者串联在所述充电器内输出回路的正极一侧。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点：

1、本发明通过三线制加长型专用连接电缆连接充电器和蓄电池，利用误差电压采样信号线对主回路导线总压降进行单边采样，并通过误差信号处理变换电路使得低边的误差信号转移到充电器输出的“高边”并加以利用，充电器输出端口的电压将稳定在等于额定输出电压与回路导线总电压降之和，达到使电缆终端的电气特性等同于短线式充电器的参数指标，而连接电缆远端的输出电压则稳定在额定标称值上，远端的输出特性与充电电流的大小、导线的长度等电气参数无关，具有普适性，解决了因延长线上产生的电压降使电瓶充电参数不匹配的问题，实现了端口特性的长距离延伸，满足了远距离充电的要求。

2、本发明设计的误差信号处理变换电路解决了与“安规”电路的兼容问题，不改变安全规范所要求的短路保护、反接保护等功能特性，在输出开路时，输出仍为安全低电压（或输出电压为零）。

3、本发明电路结构简单，可直接在现有充电器电路上进行改进，适用性强。

附图说明

图1为电动自行车安全型直流长线式充电器直流侧的简化原理示意图。

图2为实施例1的充电器原理示意图。

图3为实施例2的充电器原理示意图。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明。

实施例1：常规的电动车充电器蓄电池组与充电器之间的连接线很短，连接导线本身的体电阻产生的电压降可以忽略不计，充电器的电压取样回路虽然在充电器的内部，可以看作就是对蓄电池组的端电压直接取样，目前市场上销售的产品均采用短线方案。

本发明所述的电动自行车安全型直流长线式充电器，包括一台充电器和一根三线制加长型专用连接电缆，充电器通过三线制加长型专用连接电缆对蓄电池组进行充电，如图1、图2所示，其中二根导线为对称的主回路导线，剩余一根采样线为误差电压采样信号线，该误差电压采样信号线在电缆输出插头内直接与对应蓄电池负极的电极相连；而误差电压采样信号线的另一端与充电器的输出连接器对应的中心电极相连。工作时，中心电极与充电器负极端之间的电位差即为“单边”取样电压，在二根主回路导线的材质相同与结构对称时，其数值等于主回路导线总压降的二分之一。图中的电阻一R1与电阻二R2表示外部主回路导线的等效串联电阻，由于二根主回路导线的材质相同与结构对称，电阻一R1与电阻二R2的阻值相等。

该“单边”取样电压经由电缆输入插头内的中心电极引入至充电器内部的误差信号处理变换电路，误差信号处理变换电路包括一个运算放大器U1和一个NPN型晶体管Q1以及围绕这两个中心器件所配置的元器件；运算放大器U1本身具有高增益、高输入阻抗等特点，当使用其同相输入端作信号输入端，运算放大器的输出端连接到它本身的反相端时即可构成一个高精度的电压跟随器，其电压增益等于1。本方案采集的误差信号为负极一侧的“单边”取样电压（即连接至蓄电池负极的单根导线上的电压降），目前，充电器设计时均以输出的负极端为参考点，而电压取样电路则以参考点作基准，去测量高边（即正极端）电压的变化与误差。因此，“三线制”方案要求将误差信号转换到高边，并且数值要等于回路总压降。

本发明采用的方案是：将上述由运算放大器U1构成的典型的电压跟随器的反馈回路断开，即切断上述的典型电压跟随器的输出与反相端的反馈连接线，然后加入一个NPN型晶体管Q1，“单边”取样电压经电阻九R9传递至运算放大器U1的同相输入端，运算放大器U1的输出经电阻七R7连接至NPN型晶体管Q1的基极，NPN型晶体管Q1的发射极连接到运算放大器U1的反相输入端和电阻八R8，根据电路原理，运算放大器U1和NPN型晶体管Q1组成的放大电路使NPN型晶体管Q1产生对应的发射极电流，加入电阻八R8后给NPN型晶体管Q1的发射极电流提供了一个对于参考点的通路，该电流在电阻八R8上产生的电压降送到运算放大器U1的反相输入端，这个电压降就是运算放大器U1的负反馈信号，这个负反馈信号使运算放大器U1的反相输入端跟随并等于同相输入端的电压，该电压在电阻八R8中产生的电流始终与误差信号电压成正比例关系，电阻八R8两端的电压降恒等于主回路的“单边”取样电压，也就是说NPN型晶体管Q1的发射极电流在电阻八R8两端产生的电压降和输入的误差电压相等。同时，在NPN型晶体管Q1的集电极回路中也将产生一个对应的集电极电流。

根据NPN型晶体管Q1原理： Ie= Ib+Ic, Ic=Ib*hFE, 其中hFE为晶体管的电流放大倍数；

即有 Ie=Ib(1+hFE), 目前，放大倍数hFE>100或更高的晶体管很常见，

因此有 Ie≈ Ic。

也就是说流过电阻八R8的电流和NPN型晶体管Q1集电极电流几乎相等，只要在集电极回路中串入一个电阻器就可以把低边的误差信号电压转移到高边电路中并获得应用。通过在原充电器电压取样电路的高边（输出的正极端）的电压取样回路中串联加入一个电阻三R3，电阻三R3的一端连接到输出正极、另一端与原先应该连接到输出正极端的电阻四R4相连接，上述NPN型晶体管Q1集电极的输出电流经电阻六R6后将汇入这个本设计所引入的电流节点，其数值最终将改变电阻五R5两端的实际取样反馈电压。

在NPN型晶体管Q1的集电极回路加入的电阻六R6是一个电路自身的限流保护电阻（在蓄电池组的极性被反接时会出现过流现象），电阻六R6的取值以NPN型晶体管Q1的集电极电流不饱和为原则 ，也就是说在额定的工作条件下要求晶体管始终处于线性放大区，换句话说，在电阻三R3、电阻四R4和电阻六R6构成节点中，电阻六R6仅仅是集电极电流的通路。

其中，电阻三R3既是充电器端口电压取样电阻的一部分，也是NPN型晶体管Q1的集电极有效负载电阻，本例中，当R3=2R8时，叠加在电阻三R3上的集电极电流所产生电压降代表输入误差信号电压的2倍。

为了防止充电器端未接入电缆时，导致运算放大器U1的输入端为悬浮状态，从而产生一个错误的信号电压。在本实施例中加入电阻十即R10。

为了消除充电线路引入的高频干扰，在本实施例中加入电阻九R9与电容一C1构成一个简单的RC低通滤波器，电阻九R9的一端通过连接器与电缆输入插头内的中心电极相连接。

实例中的电阻七R7是串联在NPN型晶体管Q1的基极，具有限流保护和抗干扰作用，从原理上说这个电阻并非必要的元件，在不使用电阻七R7时必须将对应的连接点短接。

图例中的电阻六R6的保护功能也可以使用一个单向二极管取代，本发明保留这类代换和变化的权利。

为了使充电器符合国家安全规范，在图1的基础上加入功能型器件，形成“安规”保护电路，如图2所示，在充电器内主回路的负极一侧串联可控硅SCR，运算放大器U1的电源可采用简单的稳压二极管电路供电。

实施例2：为了使充电器符合国家安全规范，在实施例1的基础上改变了加入功能型器件位置，如图3所示，在充电主回路的正极一侧串联可控硅SCR，是实施例1中“安规”保护电路的镜像方式，运算放大器U1的电源地与充电器内部的辅助电源是连通的，可采用充电器内部已有的辅助电源供给。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.一种电动自行车安全型直流长线式充电器，其特征在于：包括充电器和三线制加长型专用连接电缆，所述三线制加长型专用连接电缆包括二根对称的主回路导线、一根误差电压采样信号线以及用于连接所述充电器的电缆输入插头和用于连接蓄电池的电缆输出插头，所述充电器通过所述主回路导线与蓄电池连接形成充电回路，所述误差电压采样信号线在电缆输出插头内部直接与负极相连、在电缆输入插头内与所述充电器的输出连接器对应的中心电极相连；所述充电器内设有输出端口电压取样电路和误差信号处理变换电路，所述误差电压采样信号线将采集到的误差信号通过误差信号处理变换电路叠加到所述充电器的输出端口电压取样电路，使得所述充电器输出端口的电压稳定在额定输出电压与所述主回路导线的总压降之和；所述误差信号处理变换电路包括运算放大器和晶体管，所述误差电压采样信号线将采集到的误差信号传送至运算放大器的同相输入端，运算放大器的输出端与晶体管的基极相连，晶体管的发射极与运算放大器的反相输入端和电阻八均相连，晶体管的集电极与所述输出端口电压取样电路的电压取样节点相连；所述输出端口电压取样电路包括分压式取样电路以及与分压式取样电路的输出正极端相串联的电阻三，所述晶体管的集电极电流汇入所述电阻三与所述分压式取样电路连接处的电流节点。

2.根据权利要求1所述的电动自行车安全型直流长线式充电器，其特征在于：所述电阻三的阻值为所述电阻八的两倍。

3.根据权利要求1所述的电动自行车安全型直流长线式充电器，其特征在于：所述晶体管的集电极与所述电流节点之间设有电阻六。

4.根据权利要求1所述的电动自行车安全型直流长线式充电器，其特征在于：所述晶体管的集电极与所述电流节点之间设有二极管。

5.根据权利要求1所述的电动自行车安全型直流长线式充电器，其特征在于：所述误差电压采样信号线采集到的误差信号经过电阻九和电容一组成的RC低通滤波电路后传递至所述运算放大器的同相输入端。

6.根据权利要求5所述的电动自行车安全型直流长线式充电器，其特征在于：所述误差电压采样信号线采集到的误差信号输入端与所述充电器的输出负极端之间连接有电阻十。

7.根据权利要求1所述的电动自行车安全型直流长线式充电器，其特征在于：所述运算放大器的输出端与晶体管的基极之间设有电阻七。

8.根据权利要求1所述的电动自行车安全型直流长线式充电器，其特征在于：还包括可控硅；所述可控硅串联在所述充电器内输出回路的负极一侧或者串联在所述充电器内输出回路的正极一侧。