特种便携式智能充电机的应用研究

2021-11-28王荣统舒庆文李开强李志秀马祥兴

电子制作 2021年20期

王荣统，舒庆文，李开强，李志秀，马祥兴

（云南省计算机软件技术开发研究中心，云南昆明，650051）

0 引言

随着全球绿色能源计划和我国国民经济发展建设的推进，蓄电池作为目前比较成熟的储能设备，被广泛使用于电力、通信、铁路、军队、航天、油田、金融、汽车、新能源等行业，“蓄电池不是被用坏，而是被充坏”已成为业界广为流传一句话，可窥探出蓄电池充电设备应用的现状。随着“2030碳达标、2060碳中和”目标的提出和行动方案的实施，充电机作为蓄电池供电、维护必选的保障设备，其可靠性、安全性、效率、智能化程度已成为供需双方关注的焦点，特殊条件下应用的充电机还需具有良好的环境适应性、电磁兼容性、维修性、测试性、保障性、便携性等要求，为新型智能充电机应用研究指出了方向。本文针对这一现状，结合特殊条件下充电机实际应用的需求，提出了一种特种便携式智能充电机的应用研究实现策略。

1 需求概述

特殊条件下充电机应能利用交流市电对蓄电池进行单充、并充、串充，充电电压范围DC12～DC40V，充电过程电压电流应能自动调节，无需人工设定参数或调整充电机部件，能直观指示工作状态、显示工作状态信息，能声光报警，能通过专用数据端口实时读取或上传工作状态信息，在零下40℃~高温50℃、高海拔、水下能正常工作，具有蓄电池类型检测、故障检测、输入超压及欠压、输出短路反接开路保护及自检功能，具有较好的耐湿热性、耐盐雾性、耐冲击性、抗振性、维修性、测试性、高可靠性，充电时间充电效果应满足相关标准的要求。

2 系统构成及工作原理

针对上述需求，本文所提的特种便携式智能充电机系统采用模块化嵌入开关电源转换控制技术设计实现，主要由机箱组件、交流检测模块、AC/DC变换器、充电控制模块、输出保护模块、冷却模块、主控模块、显示模块、滤波电路、按键、指示灯等组成，各功能模块在主控模块统一控制管理下工作。特种便携式智能充电机工作原理如图1所示。

图1 工作原理图

3 主要硬件设计策略

■3.1 交流检测模块

为了侦测特种便携式智能充电机工作时交流输入电压、电流及工作状态，交流检测模块采用电压衰减电路、运放及电压合成电路、过零及频率侦测电路来实现交流电压的检测，电压衰减电路由电阻及直流偏置电压源组成，交流市电经过电阻的分压，获得毫伏级的弱电电压信号，作为集成运算放大器的输入信号，再进行比例放大，为能全部还原输出交流电信号，采用另一个集成运放，且运放输入端口信号反接，将交流电的负半周电压转化为正电压输出，通过对两个运算放大电路输出电压信号合成，接入处理器进行后续运算和控制处理，任意一路运放输出的负电压输出作为过零及频率检测电路的输入，在交流电不断变换时，产生的高低电平的脉冲信号沿为过零点，脉冲信号的周期即为交流电信号的周期，通过计算处理后，可得到交流信号的过零点和频率参数；交流检测模块通过专用的采样电路，对交流输入混合电流中的交流成分进行精确采样，通过漏电侦测电路对整流输出端电压检测，当有漏电时漏电控制芯片能自动断开交流输入，实现漏电保护；此外，交流检测模块通过通信接口将采集到的参数传送给主控模块，主控模块根据输入电压、电流等参数进行判断及输出控制实现交流输入状态监测、过压、欠压保护控制。交流检测模块的工作原理如图2 所示。

图2 交流检测模块工作原理图

■3.2 充电控制模块

为了满足特种便携式智能充电机，充电功率伸缩扩展，采用多充电模块并联来满足不同充电功率配置的需要，因受现有功率器件的功率水平、电路转换效率、散热等因素影响，单只充电模块采用DSP作为核心控制器，由高速ADC采集输入电压、输出电压、输出电流作为控制变量经过一序列逻辑判断及模糊PID运算，在高分辨率占空比量的控制下，产生的高频PWM脉冲，驱动MOS管高频开关切换，对双相交错BUCK进行控制来实现输入和输出的电源变换，将输入高电压转换为的动态充电输出的低电压，在微处理控制器下，对电路回路中的电压电流进行采样、数据通信；各充电控制模块通过CAN总线与主控模块进行数据通信，并在主控模块的管理下，采集各个模块的输出电压、电流、温度及蓄电池的状态，并根据蓄电池状态，在程序控制下自动调整匹配充电参数；单路充电模块电路主要由接口电路、BUCK降压电路、驱动电路、辅助电路、DSP处理器、PWM控制电路组成，充电控制模块的工作原理如图3所示。

图3 充电控制模块工作原理图

■3.3 输出保护模块

在实际使用中，充电机的负载主要是蓄电池及其连接回路，容易出现反接、短路安全性隐患，针对这一情况，特种便携式智能充电机在输出保护模块的输出端口的负极，采用MOS管并联栅极驱动、光耦隔离电路采集端口正反接入状态，当蓄电池正负反接时，两颗MOS管自动关闭，自动将蓄电池与充电电路断开，在主控模块收到光耦发出的反接信号后，禁止充电模块输出，从而输出端口反接保护；充电机输入端上电后，输出模块在主控模块的控制下，通过对输出端口电压的实时采集，当检测到输出端口电压为零时，禁止充电模块输出并自动启动短路检测电路，向输出端口发送周期短路检测脉冲信号，当检测不到短路信号时判定为开路状态，否则判断为短路，并通过显示屏及蜂鸣器发出声光报警。输出保护模块主要由输出接口电路、MOS驱动电路、MOS管、光耦等组成，工作原理如图4所示。

图4 输出保护模块工作原理图

■3.4 主控模块

主控模块主要由主控板和显示模组两个部分组成，主控板采用嵌入式STM32芯片作为主控制器，外围集成了电源输入接口、CAN接口、串口、辅助电源、稳压、风机控制、蜂鸣器、高速ADC采样、保护控制等电路，显示模组集成了OLED显示屏、LED指示灯、按键、电源控制电路等，主控板与显示模组之间采用同步串行外设SPI接口进行通信。主控模块在实现按键检测、电压电流温度采集的基础上，通过CAN总线通信分别读取交流输入检测模块、充电控制模块、输出保护模块的工作状态、参数，在主控模块的统一控制管理下，分别读取交流输入状态、电压、电流信息，读取充电控制模块的电压、电流信息，读取输出模块输出保护模块的电压、电流、温度信息，分别实现交流输入欠压、过压、过载、漏电保护，按照预设的充电控制模式，实现充电电压、电流、模块温度的自动调节，过充、欠冲、过热保护，实现输出的反接、开路、短路保护，并实时显示指示整机、各工作模块、工作电路的工作状态信息，分别与按键、显示屏、指示灯、蜂鸣器实现人机交互控制。主控模块的工作原理如图5所示。

图5 主控模块工作原理图

4 软件设计策略

特种便携式智能充电机软件采用嵌入式软件技术进行设计，部署在硬件处理器中，协同硬件工作。主要进行通信、采样、冷却、显示指示、报警、电池、充电算法、人机交互等控制管理。

特种便携式智能充电机软件为了能自动识别蓄电池串并充电、延长蓄电池的使用寿命、提高充电效率、降低使用过程中对人依赖，在美国科学家马斯提出的最佳充电曲线基础上，采用7段式模糊控制算法进行充电控制与管理，根据输出端口电压电流的实时变化，自动判别蓄电池串并接入状态，自动切换充电模式和自动调节充电参数。充电控制模式为：初始状态检测电压变化，判断电池并联数量，维持恒流充电，电压达到预定阈值后转入恒压充电，减少充电电流，充电电流达到预定浮充阈值后，脉冲提升充电电压进行试探，判断电池串联数量，根据电池串联数量自动调整恒流或恒压模式，充电电流接近浮充电流，电压接近充电截止电压后，转入浮充，按预设时长进行浮充。

特种便携式智能充电机软件为了提高电池串联数量及充电效果的准确判断，依据选定的电池的电压规格模型和充电模式进行串联数量判断，如按判断串联数量充电，截止维持时长内，电池电压未降低到初始判定电压等级阈值内，则表明初始判定不准确，此时充电机提升一个充电电压等级继续进行充电，充满时继续按该方法判定电池电压等级，直至充电机提示充满电为止。依据并联电池内阻随并联数增加而递减的物理特性，通过充电电压上升速率与电池并联关系来判断电池并联的实际数量。特种便携式智能充电机软件的功能组成如图6所示，控制流程如图7所示。

图6 特种便携式智能充电机软件功能组成图

图7 特种便携式智能充电机软件控制流程图

5 结构设计策略

特种便携式智能充电机与常规充电机相比较，还需满足严格质量通用特性指标的要求，对结构设计要求较高。结构设计除满足内部器件布局安装外，还必须考虑散热、电磁兼容、三防、耐冲击振动、防水渗水、便携、人机环境、防误接等要求。因此结构设计必须与硬件同步策划、同步设计、同步试制、同步验证，才能取得较好的效果，避免设计不当导致设计、制造、使用成本的增加。