基于开关电源的智能电瓶车充电系统研究

2019-08-27刘兴伟梁佩佩储珣煜李孟琦刘卫平

吉林大学学报(信息科学版) 2019年4期

刘兴伟, 梁佩佩, 储珣煜, 李孟琦, 刘卫平

(1. 大庆油田有限责任公司质量安全环保部，黑龙江大庆 163114；吉林大学仪器科学与电气工程学院, 长春 130026)

0 引言

电瓶车是目前人们经常使用的代步工具, 设计出高效、满足不同充电电流大小的充电器对便利人们的出行有着重要的意义。市面上提供的电瓶车充电桩大多只能满足一种特定的电流电压需求, 并且充电桩的核心部分----开关电源无法保证一定的电压调整率和负载调整率, 这会带来充电过程不安全、降低电池寿命等危害[1-10]。笔者设计出一种新型电瓶车充电装置, 能检测出电瓶车电池的容量, 从而提供特定的充电电压电流, 使充电过程更加高效、安全。而充电装置的核心部分----开关电源, 保证了电池的电压调整率和负载调整率都保持在较小值内。同时, 也提供了过流保护、短路保护、过冲保护功能。

此外, 此电瓶车充电装置还可以通过检测电瓶车电池的容量和使用时长进而合理地预测电池的使用寿命, 提醒用户适时跟换老旧的电瓶车电池。

1 总体设计

1.1 系统设计框图

系统由主电路、控制电路、 A/D转换模块、控制器、显示屏和操作界面等部分组成, 系统结构如图1所示。

1.2 启动保护电路

浪涌电流是由于电压突变所引起的, 浪涌电流上升时间非常快, 持续时间非常短, 但是破坏作用非常大。为防止或减轻浪涌电流的破坏, 在开关电源中常用压敏电阻、共模电感等原件组成启动保护电路, 如图2所示。压敏电阻和热敏电阻组成防雷单元, 以抑制电路在启动过程中产生的过压脉冲和浪涌电流。共模电感、X电容和Y电容组成π型滤波形电路电磁干扰(EMI： Electromagnetic Interference)单元, 抑制共模干扰、辐射和浪涌电流。

图1 系统设计框图图2 启动保护电路图 Fig.1 System design block diagram Fig.2 Start-up protection circuit diagram

1.3 主电路设计

图3 主电路拓扑Fig.3 Main circuit topology

系统主电路设计中选择升压型功率因数校正(PFC: Power Factor Correction)电路[11-16]。其基本原理如图3所示, 输入Vin为经隔离变压器输出的24 V正弦交流电压信号, 经过整流桥堆输出频率为100 Hz的正弦半波电压信号, 然后对该信号进行Boost变换。脉冲宽度调制(PWM: Pulse Width Modulation)信号驱动开关管, 开关管导通时, 输入电压经开关管给电感充电, 二极管截止, 此时输出电容中储存的电能供应输出的电压；开关管关断时, 电感中储存的能量经过续流二极管加上电容中存储的电能一起供应输出的电压, 从而使输出端电压高于输入端, 达到升压的目的。

1.4 储能电感的选择

Boost电路有两种工作模式，即电流连续模式和电流断续模式。电流连续模式在电路稳定后流过电感的电流不会过零, 而电流断续模式在电路稳定后会出现电流过零的情况, 在电源功率较大开关频率较高时, 一般采用电流连续模式, 以减小流过电感的电流峰值以及电路中器件承受的电流应力。

考虑最恶劣工况时, 输入电压为Vin=20 V；输出电压Vout=42 V；输出功率最大为Pout max=100 W；效率取η=0.9；根据所选控制芯片的工作方式, 开关频率确定为65 kHz, 电流纹波系数设为r=0.36。

此条件下开关器件的占空比为0.326, 计算公式如下

(1)

其中D表示开关器件的占空比,Vout表示开关电路的输出电压,Vin表示开关电路的输入电压。

流过电感线圈的电流峰值为7.857 A, 计算公式如下

(2)

其中IL表示流过电感线圈的电流,Poutmax表示最大输出功率,η表示开关电路的效率,Vin表示开关电路的输入电压。

储能电感的电感值为50 uH, 计算公式如下

(3)

其中L表示储能电感的电感值,Von表示开关电路输入电压的有效值,r表示电流纹波系数,IL表示流过电感线圈的电流,f表示开关频率。

因此, 在保证电流连续的情况下, 电感值选取为50 μH。

1.5 控制芯片的选择

NCP1654是一个用于连续导电模式下的功率因数校正电路的控制器。它以固定的频率模式控制PWM, 并依赖于瞬时线圈电流。

芯片工作在平均电流持续导电模式，瞬态响应极快，同时启动电流和关断电流很低。内部具有1.5 A推拉输出电路门极驱动, 完全集成65/133/200 kHz振荡器, 可选3种用于周期占空比控制的闭合回路PWM。电路的外部设计元件少, 具有输入电流检测, 过电流限制, 过电压保护, 滞后的欠压锁定等功能, 同时具有用于平和启动运行的软启动功能。芯片引脚如图4所示。

图4 电源芯片引脚Fig.4 Power chip pins

Pin6(Feed Back)：该引脚接收反馈信号VFB, 这是正比的PFC电路输出电压。这些信息用于两个输出调节。具有输出过压保护(OVP: Over-Voltage Protection)和输出欠压保护(UVP: Under-Voltage Protection)功能。当VFeedBack大于105%VRef时，过压保护功能被激活，驱动输出被禁用；当VFeedBack小于8%VRef时，器件进入关断低功耗模式。

Pin5(Vcontrol/Soft-Start)：该引脚Vcontrol电压直接控制输入阻抗, 此引脚通常连接一个外部电容Control限制Vcontrol带通低于20 Hz, 近似达到单位功率因数。该器件提供了无输出时Vcontrol<0.7 V,Vcontrol电路接地时关闭。在芯片上电时,Vcontrol在20 mA电流源作用下逐渐增大, 当VFB大于95%VRef时, 获得了不断增加的线性控制占空比作为时间的函数, 因此减少了对MOSFET的电压和电流应力, 软启动功能实现。

Pin4(Brown Out)： Pin4检测到的电压信号正比于平均输入电压, Pin4和地之间需要连接一个接地电阻网络和电容器。当VBO<0.7 V时, 电路用教育检测过低输入, 关闭输出驱动并保持在低电平状态, 直到VBO超过1.3 V(0.6 V迟滞)。

Pin3(电流检测输入)：该引脚的电流源与电感电流的感应电流ICS成正比, 具有过流保护的功能, 当ICS>200 mA时, 过流保护被激活, 驱动输出被禁用。

Pin2(倍增器电压)：此引脚提供VM为PFC占空比调制, 接输入阻抗, RM接地, CM接地, 否则电流工作在峰值模式。

Pin1(GROUND)：接地。

Pin8(DRIVE)：栅极驱动电流能力(±1.5 A)。

Pin7(VCC)：接电源-0.3, +20 V。

控制电路的核心部分是NCP1654电源芯片, 典型控制应用电路如图5所示。

图5 控制电路设计Fig.5 Control circuit design

1.6 开关器件的选择

电源最大输出电压为42 V, 开关管最大实际漏源电流约为8 A。实际电压和电流有尖峰脉冲, 电压和电流取值要留一定余量。为了减小开关损耗和导电损耗, 必须选择导通电阻较小的器件。

这里选择IRF540N开关管, 其常温时最大耐压为100 V, 最大导通电流为23 A, 而主电路中开关管所需承受的最大电压为42 V, 最大电流为8 A, 余量足够；其最大漏源极导通电阻RDS(ON)=77 mΩ, 损耗较小。因此, 此处选择该开关管合适。

1.7 续流二极管的选择

输出续流二极管选择C4D10120D。其反向阻断电压的极限值为1 200 V, 所能承受的电流极限为18 A。而在实际电路中, 其所承受的电流和电压与开关管相同, 极端情况下, 分别为8 A和42 V。故此处选择该器件可以满足设计要求。

1.8 采样电路的设计

电压采样借助电阻分压, 如图6所示, 将采样点电压稳定在3.3 V内, 再通过STM32内部的AD采样芯片, 将采样点处电压值得出, 再根据电阻分压的比例关系, 得到电压值。

电流采样借助差分放大电路, 如图7所示, 在待采样电流处串接一个采样电阻, 将采样电阻两端电压分别作为差分放大电路的两个输入端, 经过差分放大电路, 将电压差稳定到3.3 V内且有明显区别, 通过STM32内部的AD采样得出电压差后, 根据差分放大电路的比例关系及采样电阻值的大小, 得到电流值。

图6 电压采样原理图7 电流采样原理 Fig.6 Principle of voltage sampling Fig.7 Principle of current sampling

1.9 驱动电路设计

图8 驱动电路原理Fig.8 Driving circuit principle

为了能通过单片机的引脚输出控制电路的通断, 即为通过小电压控制大电压, 需要设计专门的驱动电路。本部分采用通过单片机信号控制三极管导通, 随后在继电器线圈侧通电后, 开关侧常开开关即闭合, 主电路导通。

结合之前部分, 在系统总设计时有±15 V双电源供电, 因此采用+15 V作驱动电路电源, 选择NXJ-3Z1-DC12 V规格的继电器, 额定电压为12 V直流电, 动作电压为9.0 V直流电, 最高电压为13.2 V, 线圈电阻为160 Ω(1±10%)。三极管则选用常用的S8050,β值在160～300, 其他参数也都满足各项指标要求。驱动电路如图8所示。

继电器的3个常开开关分别串联到主电路的输入、输出和控制电路电源供电部分, 减少在电路不工作时消耗的能量及相互干扰。为保证集电极电流不超过限制, 取Rd4=1 kΩ。

要使继电器可以正常工作, 需满足条件

βIb

(4)

9.0

(5)

(6)

其中β表示三极管的放大倍数,Ib表示三极管的基极电流,Ic表示三极管的集电极电流。

根据计算结果, 取Rd5=330 Ω,Rd6=47 Ω。

2 软件仿真

2.1 主电路部分

通常采用整流桥直接将交流电压转换成直流脉动波形。若为理想空载, 当整个电路开始稳定工作后, 则滤波电容两端的电压近似为输入交流电压的幅值。带负载后, 电压会相应降低。只有在输入交流电压的值大于整流桥输出侧滤波电容两端的电压时, 才会有电流从电网注入, 从而导致输入电流只在输入电压峰值附近才有值。输入电压和电流的仿真波形如图9及10所示。

图9 校正前输入电压波形图10 校正前输入电流波形 Fig.9 Input voltage waveform before correction Fig.10 Input current waveform before correction

2.2 主电路结合控制电路部分

控制电路的主要功能是实现输入侧电流电压无相差, 且波形不产生畸变。因此在输入侧, 对输入电压进行采样, 作为电流波形跟踪的对象, 对输入电流进行采样, 控制输入电流跟踪输入电压波形构成电流控制环；同时引入输出侧的电压对输入侧电流的幅值进行调控, 形成电压控制环。内外控制环共同作用, 从而实现了PFC和输出恒压的功能。校正后的输入电压和输入电流波形如图11和图12所示。

图11 校正后输入电压波形图12 校正后输入电流波形 Fig.11 Corrected input voltage waveform Fig.12 Input current waveform after correction

3 程序设计

系统的整体设计流程如图13所示。系统的工作流程及显示部分结合STM32芯片和触摸显示屏进行控制。通过STM32对使用者的信息进行采集, 从而控制主电路及控制电路部分进行工作, 对主电路输出电压电流进行采样后通过显示屏实时反馈给用户。并设有电池寿命预估功能, 通过电池已使用时长对电池寿命进行大致估测, 用户也可选择是否使用该功能。