基于正激型电子充电机的智能电源管理系统的制作方法

本发明的技术领域属于2020年《国家重点支持的高新技术领域》中：

第一类、电子信息(一)软件2.嵌入式软件；

第六类、新能源与节能(四)高效节能技术7.能源系统管理、优化与控制技术；等二个范畴。

背景技术：

电动车以其节能、环保等优点，被大量用于人们生活与生产中，据不完全统计，2019年全国保有量约3亿辆。同时，对电动车蓄电池充电的技术，日益引起了人们的重视。

电动车的蓄电池充电，都采用了电子结构式充电机，简称电子充电机。这是由于电子充电机具有效率高、体积小、智能化的原因。其工作原理简述为：先是将交流市电通过低频整流电路转变为直流电，再通过电子电路控制功率半导体器件(mosfet或igbt)，对直流电进行通断式斩波，转变为高频交流电，后使用高频变压器转换为低压高频交流，最后用高频整流电路整流为低压直流电，即可对电动车蓄电池进行充电。因为采用的高频交流的频率高达数万甚至数十万赫兹，远高于交流市电频率的50赫兹，所以电子充电机的高频变压器可以做得很小，使电子充电机具有了效率高、体积小的优点；电子充电机的电子电路都采用了嵌入单片机控制，所以又具有了智能充电的优点。

对于功率较小(数百瓦特)的电子充电机，多采用“反激型”电路工作模式。所谓反激型，是指当功率半导体器件通路将高频变压器初级接通直流电源时，高频变压器次级不接通蓄电池，高频变压器初级接通直流电源的能量以磁能的形式储存在高频变压器中；当功率半导体器件断路时，高频变压器次级接通蓄电池，高频变压器中的磁能通过高频变压器次级转换为电能对蓄电池进行充电。这种充电模式，适合功率较小的铅酸蓄电池，这种电池的电压波动很大，正常情况下，铅酸蓄电池每个缸的标称电压为2伏特；电池严重亏电时，每缸电压可能要下降到1伏特及以下；电池充满时，每缸电压可能要升到接近2.8伏特。每个铅酸蓄电池的电压波动比接近3倍，尽管电压幅度有这样变化，反激型电路工作模式仍然能较好地进行工作电压匹配。又因为变压器每次储能的多少是有一定限度的，所以充电功率难以做得较大。

对于功率较大(数千瓦特)的电子充电机，多采用“正激型”电路工作模式。所谓正激型，足指当功率半导体器件通路将高频变压器初级接通直流电源时，高频变压器次级同时接通蓄电池，高频变压器初级接通直流电源的能量通过变压器耦合的形式进入高频变压器的次级，直接对蓄电池充电；当功率半导体器件断路时，高频变压器次级不对蓄电池充电，其工作模式与普通电力变压器相类似。这种模式，由于无需变压器储能，所以充电功率可以做得较大。但对蓄电池的电压有严格要求，因为根据变压器工作原理，初次级电压之比等于初次级匝数之比，不适用于充电电压起伏变化很大的蓄电池。铅酸蓄电池的充电电压波动比接近3倍，要求变压器初级输入的电压也接近3倍，且随蓄电池充电电压的变化而改变，否则将会出现初、次级电压失配现象，严重时会烧毁电路。

由上介绍可知，对于正激型电子充电机，必须配套智能电源管理系统。其主要功能有二：一是根据蓄电池充电所需电压及功率，调节输入到电子充电机的直流电源的电压及功率，以满足电子充电机的电压及功率匹配；二是对市电输入的电压进行监测，当市电电压波动时，随时作出调整，使电子充电机能在较宽的市电电压域内正常工作。

技术实现要素：

本发明公开了一种基于正激型电子充电机的智能电源管理系统，置于市电交流电源与正激型电子充电机之间，对输入的交流电源与输出的直流电源进行智能化管理。可以根据蓄电池充电所需电压及功率，调节输出的直流电源的电压及功率；还可以对输入市电的交流电源电压波动进行跟踪监测，随时作出对应调整，使电子充电机能在较宽的市电电压域内正常工作。本系统处于充电设备链上的位置如说明书附图1所示。

本系统包含了(一)电源供给、(二)高压直流采样、(三)输出直流采样、(四)嵌入单片机、(五)mos管驱动、(六)斩波及高频整流等六部分。各部分处于系统内的位置如说明书附图2中虚线分隔部分所示。

电源供给部分(一)是将交流市电进行整流滤波，产生高压及12v、3.3v等三种直流电源，作为其它部分工作的能源；高压直流采样部分(二)功能对高压直流电压即时值进行采样，送入单片机处理；输出直流采样部分(三)功能对系统输出的直流电压即时值进行采样，送入单片机处理；嵌入单片机部分(四)功能是对(二)、(三)部分送来的电压信号及电动车蓄电池送来的电压信号，进行高速计算处理，并产生连续的通、断矩形脉冲，去控制mos管驱动部分；mos管驱动部分(五)功能是对单片机送来的矩形脉冲进行放大、整形，去驱动mos管；斩波及高频整流部分(六)功能是通过mosfet管的通、断，对高压直流电源进行斩波，再通过电感转换成高频交流电流，后经过高频整流，转变为适用于电子充电机的直流电输出。

电源供给部分(一)包含了市电输入交流端子～二只，单相桥式整流器d1一只，高压储能电容c1一只，高压滤波电容c2一只，12v稳压模块m1一只，3.3v稳压模块m2一只，3.3v滤波电容c3一只。

电源供给部分(一)的结构如下：端子～外接市电、内接d1交流输入脚，d1的负脚接gnd、正脚接c1的正脚、c2的一脚及m1的3脚，c1的负脚及c2的另一脚接gnd，m1的2脚接m2的3脚，m2的2脚接c3的正脚，m1与m2的1脚、c3的负脚接gnd。

电源供给部分(一)的工作原理如下；d1将市电输入的高压、低频交流电整流为高压直流电，利用c1、c2储存起来，供给斩波及高频整流部分(六)使用；高压直流电通过m1转变为稳定的12v直流电，供给mos管驱动部分(五)使用；又通过m2转变为稳定的3.3v直流电，供给mos管驱动部分(五)使用。

高压直流采样部分(二)包含了采样电阻r1、r2二只，采样滤波电容c4一只。

高压直流采样部分(二)的结构如下：r1、r2串联，串联中点接c4的一脚，r2的非串联脚和c4的另一脚接gnd，r1的非串联脚接(一)c1的正脚。

高压直流采样部分(二)的工作原理如下；(一)产生的高压直流电，经r1、r2串联分压后，在r2上得到低压直流(约1v)信号；该信号随c1上电压的变化而随时变化，信号波形如说明书附图3所示，信号经c4滤波后，送入(四)；为防止c4对信号即时性的影响，r2、c4的时间常数的选取要远小于市电周期。

输出直流采样部分(三)包含了采样电阻r4、r5二只，采样滤波电容c8一只。

输出直流采样部分(三)的结构如下：r4、r5串联，串联中点接c8的一脚，r5的非串联脚和c8的另一脚接gnd，r4的非串联脚接(六)c6的正脚。

输出直流采样部分(三)的工作原理如下；(六)c6的正脚相对gnd的直流电压，经r4、r5串联分压后，在r5上得到低压直流(约2v)信号；该信号随c6上电压的变化而随时变化，信号波形如说明书附图4所示，信号经c8滤波后，送入(四)，经(四)中单片机处理，减去在(二)r2上得到低压直流(约1v)信号，即得到对电子充电机输出的直流电压v+；为防止c8对信号即时性的影响，r5、c8的时间常数的选取要远小于市电周期。

嵌入单片机部分(四)包含了单片机gd一只。

嵌入单片机部分(四)的结构如下：gd的8脚接gnd、9脚接(一)c3的正脚，10脚接(三)r4与r5的串联点，11脚外接充电用蓄电池送来的正电压信号，13脚接(二)r1与r2的串联点，29脚接(五)r3的一脚。

嵌入单片机部分(四)的工作原理如下；gd的10、11、13脚是输入gd的三路模拟电压信号，经gd内部adc功能转换后，形成三路数字信号b、c、a；9脚输入的是gd能源工作电压3.3v；29脚是gd定时器对外输出的连续通、断矩形脉冲信号。矩形脉冲信号的通态时间由信号a决定，当a减小时，通态时间增长，如说明书附图5中的曲线d；当a增大时，通态时间缩短，如说明书附图5中的曲线b。这是由(六)电路中的电感l1决定的，根据电感的定义：l＝v/(di/dt)，在本系统中，l、i是固定值，上式可改写为v1：v2＝t2：t1，输入电压与通态时间成反比。同理，矩形脉冲信号的断态时间由信号(b-a)与c决定，当(b-a)＞c时，断态时间增长，如说明书附图6中的曲线d；当(b-a)＜c时，断态时间缩短，如说明书附图6中的曲线b。通过gd对a、b、c信号的高速计算，29脚连续输出通、断态时间不断变化的矩形脉冲信号，使本系统可以输出与蓄电池电压相对应的适用于电子充电机的直流电压；还可使本系统在市电电压大幅波动的情况下正常工作。

mos管驱动部分(五)包含了限流电阻r3一只，运算放大模块m3一只，滤波电容c5一只，三极管j1、j2二只，稳压二极管d2一只。

mos管驱动部分(五)的结构如下：m3的6、8脚并接到c5的正脚、又接到j1的集电极、再接到(一)c3的正脚，m3的3脚、j2的集电极、d2的正脚与c3的负脚同时接gnd，j1、j2的基极并接在一起、又与m3的5脚相连，r3的一脚接在m3的4脚上，另一脚接(四)gd的29脚，j1、j2的发射极并接在一起、又与d2的负脚、(六)m4的g脚相连。

mos管驱动部分(五)的工作原理如下；由(四)gd的29脚送来的低压(3.3v)矩形脉冲信号，经r3限流后输入m3的4脚，经m3电压幅度放大后，从5脚输出中压(12v)矩形脉冲信号，加在j1与j2的基极上，根据发射极跟随原理，信号的电流幅度得到放大，从j1与j2的发射极输出，送到(六)m4的g脚上，控制mosfet管的通断。d2并接在输出端，为的是限制输出毛刺电压，保护mosfet管，d2的稳压值一般设为20v。c5的作用量是减小12v电源中的高频谐波幅射。

斩波及高频整流(六)包含了mosfet管m4一只，储能电感l1一只，高频整流二极管d3一只，储能电容c6一只，滤波电容c7一只，输出端子vss、v+二只。

斩波及高频整流(六)的结构如下：m3的g脚接到(五)j1、j2的发射极上，m3的s脚接到gnd，m3的d脚、l1的一个端头、d3的正脚连接在一起，l1的另一个端头与c6的负脚、c7的一个脚连接在一起，又同时接到(一)c1的正脚和输出端子vss上，d3的负脚、c6的正脚、c7的另一个脚连接在一起，又同时接到输出端子v+上。

mos管驱动部分(五)的工作原理如下；当m4的g脚接收到通断驱动脉冲时，其d与s脚之间呈通断状态。当m4呈通态时，c1上的高压直流电压通过l1、m4完成回路，在l1中产生线性增长电流，其波形如说明书附图6曲线a所示；当m4呈断态时，l1上的电流通过d3、c6完成回路，对c6进行充电，l1中产生线性衰减电流，其波形如说明书附图5曲线a所示。通过m4的通、断，就将c1上的直流电压转换成c6上的直流电压，并且这二个电压值受m4通、断时间的控制。这样，就满足了c6上的输出直流电压与蓄电池电压相对应的适用于电子充电机的直流电压；还满足了在市电电压波动和c1上的直流电压波动的情况下，也能使电子充电机正常工作的目的。c7是高频电容，可过滤输出电源中的高频成份。端子v+、vss将连接电子充电机的输入正、负电源端，负责输出能量。

附图说明

说明书附图1，是本系统处于充电设备链上的位置的方框图。说明本系统处于市交流电源与电子充电机之间，黑色箭头标示电能流向，从市交流电源→本系统→电子充电机→电动车蓄电池，同时标示电动车蓄电池的电压信号→本系统，为逆采样过程。

说明书附图2，是本系统电原理图。图上用虚线隔离出(一)～(六)等六部分，目的是为了方便读图。

说明书附图3，是本系统a信号采样所得波形图。图中，粗实线为波形，细虚线表示为市电交流经全波整流后的波形。

说明书附图4，是本系统b信号采样所得波形图。图中，粗实线为波形，细虚线表示为市电交流经全波整流后的波形，水平细虚线表示为b信号为a信号再加的v+电压信号。

说明书附图5，是本系统对市电电压波动时的调节原理图。图中上部，表示电感l1中电流变化曲线，a曲线表示电流线性衰减，b、c、d曲线表示电流线性增加；图中下部，对应各曲线，表示mosfet的通、断态对应情况。

说明书附图6，是本系统对电动车蓄电池电压波动时的调节原理图。图中上部，表示电感l1中电流变化曲线，a曲线表示电流线性增加，b、c、d曲线表示电流线性衰减；图中下部，对应各曲线，表示mosfet的通、断态对应情况。

具体实施方式

本系统的所有硬件，可以安装在一片pcb板上，也可以与配套的电子充电机的硬件安装在同一片pcb板上。

嵌入单片机的软件必须独立制作，软件内容包括：用单片机的adc功能将a、b、c等三个模拟信号转换为数字信号；求出a信号与设定的理论输入市电电压之差，按说明书附图5要求去控制输出脉冲的开通时间；求出b信号与a信号之差，得到本系统输出的直流电压的值，与c信号之值进行比较，将二次差值(b-a-c)按说明书附图6要求去控制输出脉冲的关断时间；选定单片机中的某个定时器，配置成通、断脉宽可调的输出模式，启用单片机看门狗功能，防止外来电磁脉冲干扰单片机工作。

本系统输出的功率，即是后级电子充电机所需的功率，在工作中应达到平衡。当前者超出后者时，c6上电压将明显升高，表示功率之差被储存在c6里面；反之，c6上电压将明显降低，表示功率之差由c6付出。所以检测c6的电压值，得到的二次差值(b-a-c)，就能测得功率平衡情况。当二次差值为正值时，表示本系统输出的功率大于后级电子充电机所需的功率，此时应降低说明书附图5、6中的i峰值，减小l1每次存储的能量，方法是修正输出脉冲的开通时间，将其减短；反之，则应将输出脉冲的开通时间修正加长。

本系统制作完成后的调试工作也颇为重要，首先要理论测算模拟信号a、b、c的大慨范围，由此决定各取样电路元件的参数；其次理论测算所选的工作频率、负荷功率，由此决定l1的电感量、i峰电流的值；再次选用固定假负载代替电子充电机进行调试，修正系统的各智能控制灵敏度的参数；最后才与电子充电机配接调试。