基于AC‑DC转换装置的充电电车蓄电池充放电控制系统的制作方法

本发明属于智能监控领域，尤其涉及一种基于ac-dc转换装置的充电电车蓄电池充放电控制系统。

背景技术：

蓄电池被广泛应用于多种工业领域和人们的日常生活当中，其使用寿命与欠充、过充以及过放密切相关。如何有效保证和提高蓄电池的使用寿命是蓄电池管理系统设计中急需解决的问题。

蓄电池管理系统的设计主要从充电和放电两个方面进行，不同的应用场景所采取的充放电控制策略也各有侧重。目前，充电策略主要采用三段式充电，研究较热的主要是脉冲充电，旨在避免蓄电池欠充与过充；放电策略主要采用设置门限电压的方式，旨在避免蓄电池过放。

开关电源以小型、轻量和高效率等特点被广泛应用于几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。原边反馈开关电源因省去光耦加tl431的结构，节省了系统板上的空间，降低了成本并且提高了系统的可靠性，在电源管理中得以快速发展并广泛应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景的不足提供了一种基于ac-dc转换装置的充电电车蓄电池充放电控制系统，通过对蓄电池工作过程中电压和电流的变化进行分析，合理控制蓄电池的工作进程，从而保证和提高了蓄电池的循环使用寿命。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

基于ac-dc转换装置的充电电车蓄电池充放电控制系统，包含反激式开关电源以及与其连接的充放电控制模块；

所述反激式开关电源，用于将市电转换成低压直流电为蓄电池充电；

所述充放电控制模块，用于实时对蓄电池的充放电进行控制；

所述反激式开关电源包含emi滤波模块、ac/dc转换装置、高频变压器以及环路补偿模块；

其中，市电接入emi滤波模块，用于滤除市电电网中的共模与差模干扰；

所述emi滤波模块通过ac/dc转换装置连接高频变压器，用于将输入的交流电转换成直流电，进而经过高频变压器完成变压；

所述环路补偿模块分别与高频变压器的输出端和ac/dc转换装置的输入端连接，用于高频变压器的输出电压进行环路补偿；

所述ac-dc转换装置，包含反激式变压器、整流滤波模块、启动电路、启动控制和低压锁定模块、峰值电流检测、采样保持模块、误差放大器、cv控制模块、退磁时间检测模块、cc控制模块、pfm逻辑控制模块、驱动模块、功率开关管m1；所述启动电路包含一功率开关管q1，所述反激式变压器的原边绕组np的上端连接外部输入电压vin端，原边绕组np的下端连接启动电路；所述反激式变压器的次边绕组ns连接外部整流滤波模块；所述变压器的辅助绕组naux经电阻分压分别连接采样保持模块和退磁时间检测模块的输入端，所述反激式变压器的辅助绕组naux经二极管送入vdd端连接启动控制和低压锁定模块；所述启动电路的一端也送入vdd端连接启动控制和低压锁定模块，另一端连接功率开关管m1的漏端；所述功率开关管m1的源端经cs端连接峰值电流检测的输入端；所述峰值电流检测的输出端连接pfm逻辑控制的输入端；所述整流滤波模块的输出端连接电压输出vout端；所述采样保持模块的输出端依次通过误差放大器、cv控制模块连接pfm逻辑控制模块的输入端；所述退磁时间检测模块的输出端经cc控制模块也连接到pfm逻辑控制的输入端，pfm逻辑控制模块的输出端通过驱动模块控制功率开关管m1和功率开关管q1的通断，从而控制反激式变压器原边电路的通断。

作为本发明基于ac-dc转换装置的充电电车蓄电池充放电控制系统的进一步优选方案，所述充放电控制模块包含充电控制电路、蓄电池、放电控制电路、充电电流检测模块、端电压检测模块、微控制器模块、放电电流检测模块、人机交互模块、pwm驱动器；

反激式开关电源通过充电控制电路连接蓄电池，用于控制蓄电池充电；

蓄电池与放电控制电路，用于控制蓄电池放电；

充电电流检测模块、端电压检测模块、放电电流检测模块分别和微控制器模块连接，用于分别实时检测蓄电池的充电电流、蓄电池内电压、蓄电池的放电电流，已经将采集的电信号上传至微控制器模块；

人机交互模块与微控制器模块连接，用于查看蓄电池的电压状态及充放电电流状态，以及用于设定微控制器参数阈值；

所述pwm驱动器分别和微控制器模块、充电控制电路、放电控制电路连接，用于根据采集的电压及电流参数，进而驱动充电控制电路及放电控制电路场效应管的pwm信号。

作为本发明基于ac-dc转换装置的充电电车蓄电池充放电控制系统的进一步优选方案，所述emi滤波模块包含共模电感、x电容、y电容与泄放电阻；

所述共模电感由两个同向绕制的线圈组成，用于消除回路差分电流；

x电容并接在共模电感两侧，用于消除差模干扰；

y电容跨接在输出端且串联中点接地，用于抑制共模干扰；

泄放电阻用于消除在滤波器中出现的静电积累。

作为本发明基于ac-dc转换装置的充电电车蓄电池充放电控制系统的进一步优选方案，所述蓄电池的端电压在10.5v～14.0v之间。

作为本发明基于ac-dc转换装置的充电电车蓄电池充放电控制系统的进一步优选方案，所述充电电流检测模块和放电电流检测模块均采用霍尔传感器。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明通过对蓄电池工作过程中电压和电流的变化进行分析，合理控制蓄电池的工作进程，从而保证和提高了蓄电池的循环使用寿命；

本发明的ac-dc转换装置省去了外部启动电路，大大降低启动部分的功耗；本发明采用合封三极管实现启动，待机功耗低，速度快，本发明采用合封技术，无需高压工艺，易于实现、节约成本；本发明当输出短路时，系统自动进入固定频率模式，提高稳定性；

本发明的emi滤波模块包含共模电感、x电容、y电容与泄放电阻，可以有效滤除电网中的共模与差模干扰，所述共模电感由两个同向绕制的线圈组成，用于消除回路差分电流；

x电容并接在共模电感两侧，用于消除差模干扰；y电容跨接在输出端且串联中点接地，用于抑制共模干扰；泄放电阻用于消除在滤波器中出现的静电积累。

附图说明

图1是本发明系统结构原理图；

图2是本发明ac-dc转换装置的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，基于ac-dc转换装置的充电电车蓄电池充放电控制系统，包含反激式开关电源以及与其连接的充放电控制模块；

所述反激式开关电源，用于将市电转换成低压直流电为蓄电池充电；

所述充放电控制模块，用于实时对蓄电池的充放电进行控制；

所述反激式开关电源包含emi滤波模块、ac/dc转换装置、高频变压器以及环路补偿模块；

其中，市电接入emi滤波模块，用于滤除市电电网中的共模与差模干扰；

所述emi滤波模块通过ac/dc转换装置连接高频变压器，用于将输入的交流电转换成直流电，进而经过高频变压器完成变压；

所述环路补偿模块分别与高频变压器的输出端和ac/dc转换装置的输入端连接，用于高频变压器的输出电压进行环路补偿；

其中，反激式开关电源：开关电源的具体设计指标如下：工频输入ac220（1±20%）v；直流输出18v/10a和10v/0.6a；开关频率fs=65khz，输出功率pout=180w，工作效率η≥85%，最大占空比dmax=0.45，电流连续型工作模式（ccm）。具体设计主要包括3个部分：emi滤波、高频变压器以及环路补偿。

emi滤波模块：开关电源产生的电磁干扰（emi）主要以传导干扰和近场干扰为主，包括共模干扰和差模干扰2种状态。emi滤波器[6-8]可以有效滤除电网中的共模与差模干扰。emi滤波电路主要由共模电感、x电容、y电容与泄放电阻组成。共模电感由两个同向绕制的线圈组成，用于消除回路差分电流；x电容并接在共模电感两侧，用于消除差模干扰；y电容跨接在输出端且串联中点接地，用于抑制共模干扰；泄放电阻用于消除在滤波器中可能出现的静电积累。

高频变压器：高频变压器设计是开关电源设计中最重要的环节，变压器性能的优劣直接影响开关电源的工作稳定性和使用性能。

所述充放电控制模块包含充电控制电路、蓄电池、放电控制电路、充电电流检测、端电压检测、微控制器模块、放电电流检测、人机交互模块、pwm驱动器；

反激式开关电源通过充电控制电路连接蓄电池，用于控制蓄电池充电；

蓄电池与放电控制电路，用于控制蓄电池放电；

充电电流检测、端电压检测、放电电流检测分别和微控制器模块连接，用于分别实时检测蓄电池的充电电流、蓄电池内电压、蓄电池的放电电流，已经将采集的电信号上传至微控制器模块；

人机交互模块与微控制器模块连接，用于查看蓄电池的电压状态及充放电电流状态，以及用于设定微控制器参数阈值；

所述pwm驱动器分别和微控制器模块、充电控制电路、放电控制电路连接，用于根据采集的电压及电流参数，进而驱动充电控制电路及放电控制电路场效应管的pwm信号。

如图2所示，一种超低待机功耗原边反馈开关电源电路，具体如下：该开关电源电路包含反激式变压器、整流滤波模块、启动电路、启动控制和低压锁定模块、峰值电流检测、采样保持模块、误差放大器、cv控制模块、退磁时间检测模块、cc控制模块、pfm逻辑控制模块、驱动模块、功率开关管m1；所述启动电路包含一功率开关管q1，所述反激式变压器的原边绕组np的上端连接外部输入电压vin端，原边绕组np的下端连接启动电路；所述反激式变压器的次边绕组ns连接外部整流滤波模块；所述变压器的辅助绕组naux经电阻分压分别连接采样保持模块和退磁时间检测模块的输入端，所述反激式变压器的辅助绕组naux经二极管送入vdd端连接启动控制和低压锁定模块；所述启动电路的一端也送入vdd端连接启动控制和低压锁定模块，另一端连接功率开关管m1的漏端；所述功率开关管m1的源端经cs端连接峰值电流检测的输入端；所述峰值电流检测的输出端连接pfm逻辑控制的输入端；所述整流滤波模块的输出端连接电压输出vout端；所述采样保持模块的输出端依次通过误差放大器、cv控制模块连接pfm逻辑控制模块的输入端；所述退磁时间检测模块的输出端经cc控制模块也连接到pfm逻辑控制的输入端，pfm逻辑控制模块的输出端通过驱动模块控制功率开关管m1和功率开关管q1的通断，从而控制反激式变压器原边电路的通断。

所述反激式变压器用于实现能量传输和电器隔离；整流滤波模块用于输出电压滤波；启动控制和低压锁定模块用于限制芯片内部供电端电压的大小，以防误操作；采样保持模块用于实现对反馈电压的采样，用于后面与基准电压的比较；误差放大器用于实现采样电压与基准电压的误差放大；pfm逻辑控制用于实现电压对频率的控制；峰值电压检测用于原边电流反馈；驱动模块用于驱动q1和m1，实现原边通断。

本发明的目的解决传统原边反馈开关电源系统，由于外围元器件功耗导致系统待机功耗较大，启动速度慢的问题。为此提供了一种超低待机功耗原边反馈开关电源电路，其与现有的开关电源不同的是：系统省去外部启动电路，通过合封三极管实现启动。

该超低待机功耗的原边反馈开关电源的具体电路图：基于反激式原边反馈开关电源拓扑结构，外部包括反激式变压器（包括原边绕组np，次边绕组ns，辅助绕组naux），整流滤波电路，电阻r1、r2分压；控制部分包括启动控制和低压锁定模块，采样保持模块、误差放大器，cv控制模块，退磁时间检测，cc控制模块，pfm逻辑控制，峰值电流检测，基极驱动模块，栅极驱动，功率开关管m1，合封三极管q1。改进了芯片供电端启动方式，集成了功率开关管，采用了合封技术。

工作原理：

外部输入电压vin通过反激式变压器原边绕组np连接合封三极管q1和电阻rbc，电阻rbc给三极管q1的基极提供电流，q1导通，经二极管d2，给控制芯片vdd端电容c1充电，当vdd电压升高到内部设定电压vh时，uvlo信号翻转，系统启动完成，芯片开始工作，此时vdd电压由辅助绕组naux提供。

电路中的rbc是一个大电阻，通常为10mω，给合封三极管的栅极提供电流。大电阻rbc在系统工作时消耗的功耗很小，且在原边导通阶段rbc两端电压为零，不消耗功耗，同时电容c1的充电电流为q1的栅极电流，为电阻rbc电流的β倍（β约为30），启动时间大大缩短。

芯片开始工作以后，首先栅极驱动和基极驱动使m1，q1导通，原边导通，根据变压器原理，次边绕组电压相反，输出二极管do阳极为低电平，截至，次边不导通。原边导通时，输入电压通过原边绕组，q1，m1，rcs联到地，原边电感充电，原边电流逐渐上升，这一电流通过rcs以电压的形式从电流检测（cs）端反馈到芯片内，当cs端电压达到内部设定时，峰值电流检测比较器输出翻转，通过逻辑电路控制驱动模块使m1，q1关断，原边关断。根据电感原理，电感电流不能突变，次边电压反转，输出二极管do导通，次边导通。次边导通阶段，即退磁阶段，次边绕组ns的电压也就是输出电压反映到辅助绕组naux上，通过电阻分压r1，r2，得到fb电压，fb电压经采样保持与基准电压比较等一系列电路，从而控制q1，m1的开关频率，进而控制输出电压。所以反激式变压器的原边绕组np和次边绕组ns不同时导通。

芯片的工作分为三种工作模式：固定频率模式，cc（恒流）模式，cv（恒压）模式。当fb电压vfb<0.5v时，工作在固定频率模式（38khz），0.5v<vfb<2v时（vref1=2v），切换至cc工作模式。芯片启动阶段完成时切换至cv工作状态，当负载继续增大时，系统重新切换至cc工作模式。

当芯片开始工作，固定频率控制信号驱动q1和m1导通，输入电压加载在原边绕组两端，原边支路导通，称为导通阶段。原边电流逐渐上升，电流检测端（cs）电压逐渐上升，当其上升至内部基准电压vref2时，峰值电流检测比较器输出翻转，q1、m1关断，次边绕组导通，能量释放，退磁阶段启动。

在退磁阶段，输出电压以一定比例反映在原边辅助绕组naux上，经电阻r1、r2分压，送入电压反馈端（fb）。再通过采样保持电路，得到退磁阶段3/4处的电压（此处的电压更加准确的反应输出电压），和基准电压一同送入误差放大器。阶梯上升电压由振荡器产生，经pfm脉冲频率调制，产生频率控制信号，控制驱动电路。