特種便攜式智能充電機(jī)的應(yīng)用研究

王榮統(tǒng)，舒慶文，李開強(qiáng)，李志秀，馬祥興

（云南省計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)開發(fā)研究中心，云南昆明，650051）

0 引言

隨著全球綠色能源計(jì)劃和我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)的推進(jìn)，蓄電池作為目前比較成熟的儲(chǔ)能設(shè)備，被廣泛使用于電力、通信、鐵路、軍隊(duì)、航天、油田、金融、汽車、新能源等行業(yè)，“蓄電池不是被用壞，而是被充壞”已成為業(yè)界廣為流傳一句話，可窺探出蓄電池充電設(shè)備應(yīng)用的現(xiàn)狀。隨著“2030碳達(dá)標(biāo)、2060碳中和”目標(biāo)的提出和行動(dòng)方案的實(shí)施，充電機(jī)作為蓄電池供電、維護(hù)必選的保障設(shè)備，其可靠性、安全性、效率、智能化程度已成為供需雙方關(guān)注的焦點(diǎn)，特殊條件下應(yīng)用的充電機(jī)還需具有良好的環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性、維修性、測(cè)試性、保障性、便攜性等要求，為新型智能充電機(jī)應(yīng)用研究指出了方向。本文針對(duì)這一現(xiàn)狀，結(jié)合特殊條件下充電機(jī)實(shí)際應(yīng)用的需求，提出了一種特種便攜式智能充電機(jī)的應(yīng)用研究實(shí)現(xiàn)策略。

1 需求概述

特殊條件下充電機(jī)應(yīng)能利用交流市電對(duì)蓄電池進(jìn)行單充、并充、串充，充電電壓范圍DC12～DC40V，充電過程電壓電流應(yīng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)，無需人工設(shè)定參數(shù)或調(diào)整充電機(jī)部件，能直觀指示工作狀態(tài)、顯示工作狀態(tài)信息，能聲光報(bào)警，能通過專用數(shù)據(jù)端口實(shí)時(shí)讀取或上傳工作狀態(tài)信息，在零下40℃~高溫50℃、高海拔、水下能正常工作，具有蓄電池類型檢測(cè)、故障檢測(cè)、輸入超壓及欠壓、輸出短路反接開路保護(hù)及自檢功能，具有較好的耐濕熱性、耐鹽霧性、耐沖擊性、抗振性、維修性、測(cè)試性、高可靠性，充電時(shí)間充電效果應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

針對(duì)上述需求，本文所提的特種便攜式智能充電機(jī)系統(tǒng)采用模塊化嵌入開關(guān)電源轉(zhuǎn)換控制技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，主要由機(jī)箱組件、交流檢測(cè)模塊、AC/DC變換器、充電控制模塊、輸出保護(hù)模塊、冷卻模塊、主控模塊、顯示模塊、濾波電路、按鍵、指示燈等組成，各功能模塊在主控模塊統(tǒng)一控制管理下工作。特種便攜式智能充電機(jī)工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理圖

3 主要硬件設(shè)計(jì)策略

■3.1 交流檢測(cè)模塊

為了偵測(cè)特種便攜式智能充電機(jī)工作時(shí)交流輸入電壓、電流及工作狀態(tài)，交流檢測(cè)模塊采用電壓衰減電路、運(yùn)放及電壓合成電路、過零及頻率偵測(cè)電路來實(shí)現(xiàn)交流電壓的檢測(cè)，電壓衰減電路由電阻及直流偏置電壓源組成，交流市電經(jīng)過電阻的分壓，獲得毫伏級(jí)的弱電電壓信號(hào)，作為集成運(yùn)算放大器的輸入信號(hào)，再進(jìn)行比例放大，為能全部還原輸出交流電信號(hào)，采用另一個(gè)集成運(yùn)放，且運(yùn)放輸入端口信號(hào)反接，將交流電的負(fù)半周電壓轉(zhuǎn)化為正電壓輸出，通過對(duì)兩個(gè)運(yùn)算放大電路輸出電壓信號(hào)合成，接入處理器進(jìn)行后續(xù)運(yùn)算和控制處理，任意一路運(yùn)放輸出的負(fù)電壓輸出作為過零及頻率檢測(cè)電路的輸入，在交流電不斷變換時(shí)，產(chǎn)生的高低電平的脈沖信號(hào)沿為過零點(diǎn)，脈沖信號(hào)的周期即為交流電信號(hào)的周期，通過計(jì)算處理后，可得到交流信號(hào)的過零點(diǎn)和頻率參數(shù)；交流檢測(cè)模塊通過專用的采樣電路，對(duì)交流輸入混合電流中的交流成分進(jìn)行精確采樣，通過漏電偵測(cè)電路對(duì)整流輸出端電壓檢測(cè)，當(dāng)有漏電時(shí)漏電控制芯片能自動(dòng)斷開交流輸入，實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)；此外，交流檢測(cè)模塊通過通信接口將采集到的參數(shù)傳送給主控模塊，主控模塊根據(jù)輸入電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行判斷及輸出控制實(shí)現(xiàn)交流輸入狀態(tài)監(jiān)測(cè)、過壓、欠壓保護(hù)控制。交流檢測(cè)模塊的工作原理如圖2 所示。

圖2 交流檢測(cè)模塊工作原理圖

■3.2 充電控制模塊

為了滿足特種便攜式智能充電機(jī)，充電功率伸縮擴(kuò)展，采用多充電模塊并聯(lián)來滿足不同充電功率配置的需要，因受現(xiàn)有功率器件的功率水平、電路轉(zhuǎn)換效率、散熱等因素影響，單只充電模塊采用DSP作為核心控制器，由高速ADC采集輸入電壓、輸出電壓、輸出電流作為控制變量經(jīng)過一序列邏輯判斷及模糊PID運(yùn)算，在高分辨率占空比量的控制下，產(chǎn)生的高頻PWM脈沖，驅(qū)動(dòng)MOS管高頻開關(guān)切換，對(duì)雙相交錯(cuò)BUCK進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)輸入和輸出的電源變換，將輸入高電壓轉(zhuǎn)換為的動(dòng)態(tài)充電輸出的低電壓，在微處理控制器下，對(duì)電路回路中的電壓電流進(jìn)行采樣、數(shù)據(jù)通信；各充電控制模塊通過CAN總線與主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并在主控模塊的管理下，采集各個(gè)模塊的輸出電壓、電流、溫度及蓄電池的狀態(tài)，并根據(jù)蓄電池狀態(tài)，在程序控制下自動(dòng)調(diào)整匹配充電參數(shù)；單路充電模塊電路主要由接口電路、BUCK降壓電路、驅(qū)動(dòng)電路、輔助電路、DSP處理器、PWM控制電路組成，充電控制模塊的工作原理如圖3所示。

圖3 充電控制模塊工作原理圖

■3.3 輸出保護(hù)模塊

在實(shí)際使用中，充電機(jī)的負(fù)載主要是蓄電池及其連接回路，容易出現(xiàn)反接、短路安全性隱患，針對(duì)這一情況，特種便攜式智能充電機(jī)在輸出保護(hù)模塊的輸出端口的負(fù)極，采用MOS管并聯(lián)柵極驅(qū)動(dòng)、光耦隔離電路采集端口正反接入狀態(tài)，當(dāng)蓄電池正負(fù)反接時(shí)，兩顆MOS管自動(dòng)關(guān)閉，自動(dòng)將蓄電池與充電電路斷開，在主控模塊收到光耦發(fā)出的反接信號(hào)后，禁止充電模塊輸出，從而輸出端口反接保護(hù)；充電機(jī)輸入端上電后，輸出模塊在主控模塊的控制下，通過對(duì)輸出端口電壓的實(shí)時(shí)采集，當(dāng)檢測(cè)到輸出端口電壓為零時(shí)，禁止充電模塊輸出并自動(dòng)啟動(dòng)短路檢測(cè)電路，向輸出端口發(fā)送周期短路檢測(cè)脈沖信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)不到短路信號(hào)時(shí)判定為開路狀態(tài)，否則判斷為短路，并通過顯示屏及蜂鳴器發(fā)出聲光報(bào)警。輸出保護(hù)模塊主要由輸出接口電路、MOS驅(qū)動(dòng)電路、MOS管、光耦等組成，工作原理如圖4所示。

圖4 輸出保護(hù)模塊工作原理圖

■3.4 主控模塊

主控模塊主要由主控板和顯示模組兩個(gè)部分組成，主控板采用嵌入式STM32芯片作為主控制器，外圍集成了電源輸入接口、CAN接口、串口、輔助電源、穩(wěn)壓、風(fēng)機(jī)控制、蜂鳴器、高速ADC采樣、保護(hù)控制等電路，顯示模組集成了OLED顯示屏、LED指示燈、按鍵、電源控制電路等，主控板與顯示模組之間采用同步串行外設(shè)SPI接口進(jìn)行通信。主控模塊在實(shí)現(xiàn)按鍵檢測(cè)、電壓電流溫度采集的基礎(chǔ)上，通過CAN總線通信分別讀取交流輸入檢測(cè)模塊、充電控制模塊、輸出保護(hù)模塊的工作狀態(tài)、參數(shù)，在主控模塊的統(tǒng)一控制管理下，分別讀取交流輸入狀態(tài)、電壓、電流信息，讀取充電控制模塊的電壓、電流信息，讀取輸出模塊輸出保護(hù)模塊的電壓、電流、溫度信息，分別實(shí)現(xiàn)交流輸入欠壓、過壓、過載、漏電保護(hù)，按照預(yù)設(shè)的充電控制模式，實(shí)現(xiàn)充電電壓、電流、模塊溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，過充、欠沖、過熱保護(hù)，實(shí)現(xiàn)輸出的反接、開路、短路保護(hù)，并實(shí)時(shí)顯示指示整機(jī)、各工作模塊、工作電路的工作狀態(tài)信息，分別與按鍵、顯示屏、指示燈、蜂鳴器實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制。主控模塊的工作原理如圖5所示。

圖5 主控模塊工作原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)策略

特種便攜式智能充電機(jī)軟件采用嵌入式軟件技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，部署在硬件處理器中，協(xié)同硬件工作。主要進(jìn)行通信、采樣、冷卻、顯示指示、報(bào)警、電池、充電算法、人機(jī)交互等控制管理。

特種便攜式智能充電機(jī)軟件為了能自動(dòng)識(shí)別蓄電池串并充電、延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命、提高充電效率、降低使用過程中對(duì)人依賴，在美國(guó)科學(xué)家馬斯提出的最佳充電曲線基礎(chǔ)上，采用7段式模糊控制算法進(jìn)行充電控制與管理，根據(jù)輸出端口電壓電流的實(shí)時(shí)變化，自動(dòng)判別蓄電池串并接入狀態(tài)，自動(dòng)切換充電模式和自動(dòng)調(diào)節(jié)充電參數(shù)。充電控制模式為：初始狀態(tài)檢測(cè)電壓變化，判斷電池并聯(lián)數(shù)量，維持恒流充電，電壓達(dá)到預(yù)定閾值后轉(zhuǎn)入恒壓充電，減少充電電流，充電電流達(dá)到預(yù)定浮充閾值后，脈沖提升充電電壓進(jìn)行試探，判斷電池串聯(lián)數(shù)量，根據(jù)電池串聯(lián)數(shù)量自動(dòng)調(diào)整恒流或恒壓模式，充電電流接近浮充電流，電壓接近充電截止電壓后，轉(zhuǎn)入浮充，按預(yù)設(shè)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行浮充。

特種便攜式智能充電機(jī)軟件為了提高電池串聯(lián)數(shù)量及充電效果的準(zhǔn)確判斷，依據(jù)選定的電池的電壓規(guī)格模型和充電模式進(jìn)行串聯(lián)數(shù)量判斷，如按判斷串聯(lián)數(shù)量充電，截止維持時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，電池電壓未降低到初始判定電壓等級(jí)閾值內(nèi)，則表明初始判定不準(zhǔn)確，此時(shí)充電機(jī)提升一個(gè)充電電壓等級(jí)繼續(xù)進(jìn)行充電，充滿時(shí)繼續(xù)按該方法判定電池電壓等級(jí)，直至充電機(jī)提示充滿電為止。依據(jù)并聯(lián)電池內(nèi)阻隨并聯(lián)數(shù)增加而遞減的物理特性，通過充電電壓上升速率與電池并聯(lián)關(guān)系來判斷電池并聯(lián)的實(shí)際數(shù)量。特種便攜式智能充電機(jī)軟件的功能組成如圖6所示，控制流程如圖7所示。

圖6 特種便攜式智能充電機(jī)軟件功能組成圖

圖7 特種便攜式智能充電機(jī)軟件控制流程圖

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略

特種便攜式智能充電機(jī)與常規(guī)充電機(jī)相比較，還需滿足嚴(yán)格質(zhì)量通用特性指標(biāo)的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除滿足內(nèi)部器件布局安裝外，還必須考慮散熱、電磁兼容、三防、耐沖擊振動(dòng)、防水滲水、便攜、人機(jī)環(huán)境、防誤接等要求。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須與硬件同步策劃、同步設(shè)計(jì)、同步試制、同步驗(yàn)證，才能取得較好的效果，避免設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致設(shè)計(jì)、制造、使用成本的增加。

6 結(jié)論

按照本文所闡述的特種便攜式智能充電機(jī)應(yīng)用研究策略，試制完成的多套產(chǎn)品樣機(jī)，已通過嚴(yán)酷的試驗(yàn)和嚴(yán)格的技術(shù)狀態(tài)確認(rèn)鑒定，批量產(chǎn)品已交付使用，客戶滿意度比較高，其可行性、科學(xué)性已得到充分驗(yàn)證，能較好地滿足一般和特殊條件下充電應(yīng)用需要，具有較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)推廣價(jià)值。