CN107394864A - 一种电动汽车蓄电池充放电状态监控*** - Google Patents

一种电动汽车蓄电池充放电状态监控*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车蓄电池充放电状态监控***，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；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；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。

Description

一种电动汽车蓄电池充放电状态监控***
技术领域
本发明属于智能监控领域，尤其涉及一种电动汽车蓄电池充放电状态监控***。
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***设计中急需解决的问题。
蓄电池管理***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***板上的空间，降低了成本并且提高了***的可靠性，在电源管理中得以快速发展并广泛应用。
发明内容
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电动汽车蓄电池充放电状态监控***，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
一种电动汽车蓄电池充放电状态监控***，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。
作为本发明一种电动汽车蓄电池充放电状态监控***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。
作为本发明一种电动汽车蓄电池充放电状态监控***的进一步优选方案，所述蓄电池的端电压在10.5 V～14.0 V之间。
作为本发明一种电动汽车蓄电池充放电状态监控***的进一步优选方案，所述PWM驱动器的芯片型号为IR4427。
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，***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***结构原理图。
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，一种电动汽车蓄电池充放电状态监控***，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AC 220（1±20%）V；直流输出18 V/10 A和10 V/0.6 A；开关频率fS=65 kHz，输出功率Pout=180 W，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。
12 V蓄电池在工作过程中端电压在10.5 V～14.0 V之间变化，单片机AD转换参考电压为5 V，因此需要对采样信号进行线性调理。本设计采用阻值为400 kΩ和100 kΩ，精度为1%的电阻进行分压采样，分压系数k=0.2。
蓄电池充放电电流采用霍尔传感器获取。由于传感器的输出存在2.5 V直流偏置，为消除偏置电压，减少单片机转换与计算时间，使用LM358构建差分电路，获取实际的电流转换电压进行AD采样。
电路噪声和外界干扰的存在使得AD采样信号中混有各种噪声，为提高采样信号信噪比，本文采用巴特沃斯低通滤波器设计方法设计了通带截止频率为100 Hz，阻带截止频率为500 Hz，输出增益为1的二阶有源低通滤波器对信号进行滤波处理。
***采用PWM方式实现对蓄电池充放电过程的统一管理[11，12]。根据场效应管的伏安特性可知，在MOS管的饱和区，当VGS固定时，VDS的变化对IDS的影响不大，具有恒流源特性。因此，通过数字PI控制器自适应调整场效应管的栅源电压可以得到设定的恒流输出，实现多段式恒压限流充电管理。放电过程中，蓄电池端电压会从13.1 V逐渐下降至工作截止电压10.5 V，使得蓄电池的输出不稳定。因此，采用PWM脉宽调制的方式对直流负载进行供电，使蓄电池稳定输出。
为防止由于交流电源断开后蓄电池对开关电源电路反向放电，利用二极管的单向导通特性，通过在回路中串接肖特基二极管MBR20100防止蓄电池逆向放电。同时，考虑到蓄电池接入时可能出现反接，造成电路板元件损坏，设计采用MOS管反接保护电路，通过电阻R9和稳压二极管D2提供场效应管的栅源电压。当蓄电池反接时，栅源电压VGS=0，场效应管截止，充电回路被断开。

Claims (5)

1.一种电动汽车蓄电池充放电状态监控***，其特征在于：包含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。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车蓄电池充放电状态监控***，其特征在于：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。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车蓄电池充放电状态监控***，其特征在于：所述蓄电池的端电压在10.5 V～14.0 V之间。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车蓄电池充放电状态监控***，其特征在于：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。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车蓄电池充放电状态监控***，其特征在于：所述PWM驱动器的芯片型号为IR4427。
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