CN107508349A - 一种充放电专用线束的状态检测及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充放电专用线束的状态检测及控制系统，包含依次连接的市电接入模块、EMI滤波模块、AD/DC转换模块、充电控制模块、蓄电池、放电控制模块；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，提高稳定性本发明通过对可充电蓄电池专用线束工作过程中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，本发明提供一种三级运算放大器，设计三重放大结构，显著提高放大器的转换速率，设计巧妙，值得推广。

Description

一种充放电专用线束的状态检测及控制系统

技术领域

本发明属于智能监控领域，尤其涉及一种充放电专用线束的状态检测及控制系统。

背景技术

随着科技的发展， 各种带有电子控制的设备多使用线束讲各个零部件连接在一起，组成一个整体，例如新能源汽车动力电池组线束。然而，诸多线束极易造成错接现象，轻则烧坏设备，重则使电池包发生爆炸；

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。

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。

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充放电专用线束的状态检测及控制系统，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

一种充放电专用线束的状态检测及控制系统，包含依次连接的市电接入模块、EMI滤波模块、AD/DC转换模块、充电控制模块、蓄电池、放电控制模块；

AD/DC转换模块包含反激式变压器、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；

整流滤波模块包含MPU处理单元、可控硅整流单元、脉冲触发控制单元、脉冲触发单元、温度反馈单元和电压电流变量反馈单元；

MPU处理单元、脉冲触发控制单元、脉冲触发单元及可控硅整流单元依次连接，温度反馈单元和电压电流变量反馈单元分别与MPU处理单元连接；

所述MPU处理单元根据温度反馈单元所测量的温度值、电压电流变量反馈单元所测量的电压值和电流值，输出调整脉冲触发频率的控制信号和控制脉冲触发控制单元的通断的控制信号；

所述充电控制模块与蓄电池通过专用线束连接，蓄电池与放电控制模块也通过专用线束连接；还包含分别设置在所述专用线束上的电流检测模块，以及与所述电流检测模块连接的数据处理模块；所述数据处理模块包含微控制器模块、显示器模块、输入模块、报警模块、PWM驱动器；所述电流检测模块、显示器模块、输入模块、报警模块、PWM驱动器分别与微控制器模块连接；所述PWM驱动器还分别与充电控制模块、放电控制模块连接；

还包含一三级运算放大器，所述电流检测模块通过三级运算放大器连接微控制器模块；

包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第一二极管、第一三极管、第二三极管、第三三极管；

所述第一电阻为变阻器，所述第一电阻的滑动端连接第一电容的一端，所述第一电容的另一端分别连接第二电阻的一端、第三电容的一端，第三电阻的一端、第一三极管的基极，所述第三电阻的另一端接地，所述第一三极管的发射极分别连接第五电阻的一端、第四电容的一端，所述第五电阻的另一端、第四电容的另一端均接地；

所述第一三极管的集电极分别连接第三电容的另一端、第四电阻的一端、第二三极管的基极；所述第二三极管的发射极连接第五电容的一端，所述第五电容的另一端接地；所述第二三极管的集电极分别连接第二电阻的另一端、第二电容的一端、第六电容的一端、第三三极管的发射极；

所述第二电容的另一端分别连接第六电阻的一端、第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端分别连接第三三极管的集电极、第七电容的一端，所述第七电容的另一端接地；所述第六电阻的另一端分别连接第一二极管的阳极、第三三极管的基极；所述第一二极管的阴极连接第四电阻的另一端；

其中，电流检测模块，用于检测线束中的充电电流参数和放电电流参数；

显示器模块，用于显示所采集的充电电流参数和放电电流参数；

输入模块，用于设定蓄电池的充放电电流正常阈值；

报警模块，用于当检测充电电流参数和放电电流参数不在正常阈值范围内时发出警报；

PWM驱动器，用于根据采集的充电电流参数和放电电流参数，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；

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。

作为本发明一种充放电专用线束的状态检测及控制系统的进一步优选方案，所述蓄电池的端电压在10.5 V～14.0 V之间。

作为本发明一种充放电专用线束的状态检测及控制系统的进一步优选方案，所述PWM驱动器的芯片型号为IR4427。

作为本发明一种充放电专用线束的状态检测及控制系统的进一步优选方案，所述三级运算放大器的第一至第二三极管的型号为2N109。

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：

本发明通过对充放电蓄电池工作过程中线束中的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；

本发明提供一种三级运算放大器的放大器电路，设计三重放大结构，显著提高放大器的转换速率，设计巧妙，值得推广；

本发明的AC-DC转换电路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。

附图说明

图1是本发明AD/DC转换模块电路图；

图2是本发明的三级运算放大器电路图。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一种充放电专用线束的状态检测及控制系统，包含依次连接的市电接入模块、EMI滤波模块、AD/DC转换模块、充电控制模块、蓄电池、放电控制模块；

如图1所示，AD/DC转换模块包含反激式变压器、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；

整流滤波模块包含MPU处理单元、可控硅整流单元、脉冲触发控制单元、脉冲触发单元、温度反馈单元和电压电流变量反馈单元；

MPU处理单元、脉冲触发控制单元、脉冲触发单元及可控硅整流单元依次连接，温度反馈单元和电压电流变量反馈单元分别与MPU处理单元连接；

所述MPU处理单元根据温度反馈单元所测量的温度值、电压电流变量反馈单元所测量的电压值和电流值，输出调整脉冲触发频率的控制信号和控制脉冲触发控制单元的通断的控制信号；

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。

所述充电控制模块与蓄电池通过专用线束连接，蓄电池与放电控制模块也通过专用线束连接；还包含分别设置在所述专用线束上的电流检测模块，以及与所述电流检测模块连接的数据处理模块；所述数据处理模块包含微控制器模块、显示器模块、输入模块、报警模块、PWM驱动器；所述电流检测模块、显示器模块、输入模块、报警模块、PWM驱动器分别与微控制器模块连接；所述PWM驱动器还分别与充电控制模块、放电控制模块连接；

还包含一三级运算放大器，如图2所示，所述电流检测模块通过三级运算放大器连接微控制器模块；

包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第一二极管、第一三极管、第二三极管、第三三极管；

所述第一电阻为变阻器，所述第一电阻的滑动端连接第一电容的一端，所述第一电容的另一端分别连接第二电阻的一端、第三电容的一端，第三电阻的一端、第一三极管的基极，所述第三电阻的另一端接地，所述第一三极管的发射极分别连接第五电阻的一端、第四电容的一端，所述第五电阻的另一端、第四电容的另一端均接地；

所述第一三极管的集电极分别连接第三电容的另一端、第四电阻的一端、第二三极管的基极；所述第二三极管的发射极连接第五电容的一端，所述第五电容的另一端接地；所述第二三极管的集电极分别连接第二电阻的另一端、第二电容的一端、第六电容的一端、第三三极管的发射极；

所述第二电容的另一端分别连接第六电阻的一端、第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端分别连接第三三极管的集电极、第七电容的一端，所述第七电容的另一端接地；所述第六电阻的另一端分别连接第一二极管的阳极、第三三极管的基极；所述第一二极管的阴极连接第四电阻的另一端；

所述三级运算放大器的第一至第二三极管的型号为2N109。

其中，电流检测模块，用于检测线束中的充电电流参数和放电电流参数；

显示器模块，用于显示所采集的充电电流参数和放电电流参数；

输入模块，用于设定蓄电池的充放电电流正常阈值；

报警模块，用于当检测充电电流参数和放电电流参数不在正常阈值范围内时发出警报；

PWM驱动器，用于根据采集的充电电流参数和放电电流参数，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；

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。

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。系统采用PWM方式实现对蓄电池充放电过程的统一管理。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种充放电专用线束的状态检测及控制系统，其特征在于：包含依次连接的市电接入模块、EMI滤波模块、AD/DC转换模块、充电控制模块、蓄电池、放电控制模块；AD/DC转换模块包含反激式变压器、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；

整流滤波模块包含MPU处理单元、可控硅整流单元、脉冲触发控制单元、脉冲触发单元、温度反馈单元和电压电流变量反馈单元；

MPU处理单元、脉冲触发控制单元、脉冲触发单元及可控硅整流单元依次连接，温度反馈单元和电压电流变量反馈单元分别与MPU处理单元连接；

所述MPU处理单元根据温度反馈单元所测量的温度值、电压电流变量反馈单元所测量的电压值和电流值，输出调整脉冲触发频率的控制信号和控制脉冲触发控制单元的通断的控制信号；

所述充电控制模块与蓄电池通过专用线束连接，蓄电池与放电控制模块也通过专用线束连接；还包含分别设置在所述专用线束上的电流检测模块，以及与所述电流检测模块连接的数据处理模块；所述数据处理模块包含微控制器模块、显示器模块、输入模块、报警模块、PWM驱动器；所述电流检测模块、显示器模块、输入模块、报警模块、PWM驱动器分别与微控制器模块连接；所述PWM驱动器还分别与充电控制模块、放电控制模块连接；

还包含一三级运算放大器，所述电流检测模块通过三级运算放大器连接微控制器模块；

包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第一二极管、第一三极管、第二三极管、第三三极管；

所述第一电阻为变阻器，所述第一电阻的滑动端连接第一电容的一端，所述第一电容的另一端分别连接第二电阻的一端、第三电容的一端，第三电阻的一端、第一三极管的基极，所述第三电阻的另一端接地，所述第一三极管的发射极分别连接第五电阻的一端、第四电容的一端，所述第五电阻的另一端、第四电容的另一端均接地；

所述第一三极管的集电极分别连接第三电容的另一端、第四电阻的一端、第二三极管的基极；所述第二三极管的发射极连接第五电容的一端，所述第五电容的另一端接地；所述第二三极管的集电极分别连接第二电阻的另一端、第二电容的一端、第六电容的一端、第三三极管的发射极；

所述第二电容的另一端分别连接第六电阻的一端、第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端分别连接第三三极管的集电极、第七电容的一端，所述第七电容的另一端接地；所述第六电阻的另一端分别连接第一二极管的阳极、第三三极管的基极；所述第一二极管的阴极连接第四电阻的另一端；

其中，电流检测模块，用于检测线束中的充电电流参数和放电电流参数；

显示器模块，用于显示所采集的充电电流参数和放电电流参数；

输入模块，用于设定蓄电池的充放电电流正常阈值；

报警模块，用于当检测充电电流参数和放电电流参数不在正常阈值范围内时发出警报；

PWM驱动器，用于根据采集的充电电流参数和放电电流参数，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；

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。

2.根据权利要求1所述的一种充放电专用线束的状态检测及控制系统，其特征在于：所述蓄电池的端电压在10.5 V～14.0 V之间。

3.根据权利要求1所述的一种充放电专用线束的状态检测及控制系统，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。

4.根据权利要求1所述的一种充放电专用线束的状态检测及控制系统，其特征在于：所述PWM驱动器的芯片型号为IR4427。

5.根据权利要求1所述的一种充放电专用线束的状态检测及控制系统，其特征在于：所述三级运算放大器的第一至第二三极管的型号为2N109。