CN113517746B - 一种可扩展智能动态功率分配充电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可扩展智能动态功率分配充电装置及方法，包括AC‑DC模块、控制模块、多个充电模块及与充电模块一一对应连接的电控开关。所述控制模块至少包含MCU、ADC模块和用于给MCU、ADC模块和电控开关供电的LDO。在该装置的基础上，采用所设计的基本智能动态功率分配逻辑进行编程，烧录进MCU，实现对在功率可控的情况下对多台电子设备进行智能充电的功能。

Description

一种可扩展智能动态功率分配充电装置及方法

技术领域

本发明涉及充电装置领域，更具体的说是涉及一种可扩展智能动态功率分配充电装置及方法。

背景技术

随着USB Type-C的普及，越来越多的设备（手机、平板、显示器、工作站、充电器等）使用USB-PD快速充电方案。然而，USB-PD快速充电方案虽然充电快，但也不可避免的导致了消耗功率较大，对于在学校、公司、图书馆等办公学习场所，同时给8台甚至10台设备同时充电的应用，可能会导致电源负载过高，引发跳闸等状况影响场所的正常安全用电，因此亟需一种能同时给多台设备充电，且控制其功率稳定的智能动态功率分配充电装置。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种可扩展智能动态功率分配充电装置及方法，用于解决上述问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种可扩展智能动态功率分配充电装置，包括AC-DC模块、控制模块、多个充电模块及与充电模块一一对应连接的电控开关。

进一步的，所述控制模块至少包含MCU、ADC模块和用于给MCU、ADC模块和电控开关供电的LDO。

进一步的，所述AC-DC模块用于将市电220V交流电转换成给充电模块和控制模块上的LDO供电的直流电。

进一步的，所述电控开关由控制模块控制，对充电模块与AC-DC模块之间的通断进行控制。

进一步的，所述充电模块采用USB-PD协议，通过USB接口与外部充电设备连接充电。

进一步的，所述ADC模块包括电流电压转换电路和ADC器件，用于对每一路充电模块的输入电流进行采集，将采集电流转化成数字信号，输入到MCU中。

一种可扩展智能动态功率分配充电方法，包括以下步骤：

S1. 启动系统；

S2. 从一个方向依次逐一打开电控开关，保持已打开的电控开关的状态；

S3. 通过MCU计算打开的充电模块的总功率，所述充电模块的总功率为ADC模块采集到的电流值*给充电模块供给的电压值，并判断充电模块的总功率是否符合所设的判断条件，所述判断条件具体如下：

A． 充电模块的总功率是否在额定功率以下；

B． 充电模块的总功率和额定功率的差值是否能为一个新设备以最大功率方式进行充电；

当判断条件A和B同时为是时，执行步骤S4，反之，则执行步骤S5；

S4. 通过MCU判断是否所有电控开关已经打开，若是，则进行步骤S3，反之，则进行步骤S2；

S5. 计算所有已经打开的充电模块的总功率，判断该功率是否超过本装置设定的额定功率值，如果总功率超过额定功率值，则进行步骤S6；如果未超过额定功率值，则进行步骤S3；

S6. 通过MCU计算所有充电模块分别消耗的功率，并关闭一个电控开关，该电控开关所连接的充电模块所消耗的功率大于超额功率，且在所有充电模块中最接近超额功率。

进一步的，所述步骤S1启动系统的方式至少包括其中之一：

C．通过在AC-DC模块前的供电通路上设置开关进行启动；

D．通过插拔市电插头进行启动。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

（1）本发明通过可扩展智能动态功率分配充电装置的设计，达到了给多台设备同时充电，且充电装置功率整体可控的效果，该装置只有打开新的充电模块或插入新的设备时总功率有可能短暂得超过额定功率，在功率超过额定功率时自动关闭充电模块，在功率较低时打开新的电控开关给插在装置上的其他设备充电。

（2）本发明通过可扩展智能动态功率分配充电装置的方案的设计，可以根据客户具体需求调整装置的额定功率，可扩展调节充电模块数量，在保护电源和装置自身的情况下，同时给更多设备智能的充电。

（3）本发明所采用得充电模块采用新的USB-PD 3.0协议，可以兼容大部分使用USB-PD协议充电的设备，随着USB-PD协议的发展，通过更换充电模块上的协议芯片，该装置可以兼容更多的设备，以更高的功率给单个设备充电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的装置结构图。

图2为本发明的逻辑流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件所必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，应当理解，为了便于描述，附图中所示出的各个部件的尺寸并不按照实际的比例关系绘制，例如某些层的厚度或宽度可以相对于其他层有所夸大。

应注意的是，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义或说明，则在随后的附图的说明中将不需要再对其进行进一步的具体讨论和描述。

实施例1

如图1，本实施例一种可扩展智能动态功率分配充电装置，包括AC-DC模块、控制模块、多个充电模块及与充电模块一一对应连接的电控开关。

进一步的，所述控制模块至少包含MCU、ADC模块和用于给MCU、ADC模块和电控开关供电的LDO。

进一步的，所述AC-DC模块用于将市电220V交流电转换成给充电模块和控制模块上的LDO供电的直流电。

进一步的，所述电控开关由控制模块控制，对充电模块与AC-DC模块之间的通断进行控制。

进一步的，所述充电模块采用USB-PD协议，通过USB接口与外部充电设备连接充电。

进一步的，所述ADC模块包括电流电压转换电路和ADC器件，用于对每一路充电模块的输入电流进行采集，将采集电流转化成数字信号，输入到MCU中。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例进一步提出一种可扩展智能动态功率分配充电方法，包括以下步骤：

S1. 启动系统；

S2. 从一个方向依次逐一打开电控开关，保持已打开的电控开关的状态；

S3. 通过MCU计算打开的充电模块的总功率，所述充电模块的总功率为ADC模块采集到的电流值*给充电模块供给的电压值，并判断充电模块的总功率是否符合所设的判断条件，所述判断条件具体如下：

A． 充电模块的总功率是否在额定功率以下；

B． 充电模块的总功率和额定功率的差值是否能为一个新设备以最大功率方式进行充电；

当判断条件A和B同时为是时，执行步骤S4，反之，则执行步骤S5；

S4. 通过MCU判断是否所有电控开关已经打开，若是，则进行步骤S3，反之，则进行步骤S2；

S5. 计算所有已经打开的充电模块的总功率，判断该功率是否超过本装置设定的额定功率值，如果总功率超过额定功率值，则进行步骤S6；如果未超过额定功率值，则进行步骤S3；

S6. 通过MCU计算所有充电模块分别消耗的功率，并关闭一个电控开关，该电控开关所连接的充电模块所消耗的功率大于超额功率，且在所有充电模块中最接近超额功率。

进一步的，所述步骤S1启动系统的方式至少包括其中之一：

C．通过在AC-DC模块前的供电通路上设置开关进行启动；

D．通过插拔市电插头进行启动。

具体的，本实施例的实施原理流程如下：

本实施例通过220V交流市电供电，进入装置后通过自研的AC-DC模块转化成24至30V左右的直流电，给充电模块和控制模块上的LDO供电，直流高压通过LDO转换成3.3V和5v电压给电控开关、MCU、ADC模块供电。ADC模块通过高精度低温漂电阻把每一路充电模块的输入电流转化成电压，再通过分压电路转化成可以被ADC输入接收的电压信号。ADC模块接收电压信号转化成数字信号，传递给MCU进行处理。所有电控开关的控制端与MCU连接，MCU通过控制电控开关控制充电模块的通断。充电模块采用USB-PD 3.0协议，可以和连接入充电模块的设备自动进行协商，将24-30V直流电压转化成需要的充电电压，以特定的充电电流给设备进行快速充电。

实施例3

在实施例2的基础上，本实施例公开了一种优化后的实际的可扩展智能动态功率分配充电装置，用于在学校给学生电脑进行充电，本充电装置MCU采用STM32系列单片机，所选用的单片机集成了多路ADC接口，因此ADC模块不采用额外的ADC芯片。ADC模块仅仅用于把每一个充电模块输出的电流转化成可以输入单片机ADC接口的1.6V左右的电压信号。MCU在接收到电压信号后转化成数字信号，在MCU内部进行逆运算和处理得到电流值，电流乘以给充电模块供电的电压，可以估算出充电模块消耗的功率，充电模块消耗的功率包括充电模块本身消耗的功率和给设备充电消耗的功率。对于AC-DC模块，选择将交流电压转换成30V直流电压，这个电压大于USB-PD能够充电的最大电压，可以给任何使用USB-PD协议的设备以任何电压标准进行充电。对于充电模块，选用了新的USB-PD 3.0协议，USB-PD协议具有向下兼容的特性，即模块可为采用USB-PD 2.0等过去的充电协议的充电设备继续充电，根据本实施例用户要求，对外的USB接口选用Type-C型接口。综合考虑选用的STM32的ADC通道数量和实际应用需求，选用了8个充电模块。对于电控开关，选用了电磁继电器来控制充电模块的通断。额外的，作为优化，可以在板子上增加启动按键，复位按键等物理按键，增加装置的功能，保证装置的使用安全和可操作性。可以在板子上集成LED灯，显示每一路充电模块是否正在充电，增加用户体验，还可以在板子上增加温度传感器和风扇等冷却装置，实时监控板子的温度，开关风扇以避免充电时功率过高导致器件过热失灵。

在该结构的基础上采用如图2所示的的逻辑进行编程，烧录进STM32系列单片机，逻辑上额定功率设定为600W，当低于500W时打开新的电磁继电器，当全部电磁继电器打开仍然低于500W时，则进入实时监控总功率的状态，当总功率超过600W，则通过电磁继电器关闭最接近且大于超额功率的充电模块，这里超额功率定义为总功率减去额定功率的值，如在打开新的充电模块或插入新的设备时，总功率达到560W，则超额功率为60W。额外的功能及改进也可通过完善硬件和相应的逻辑，通过单片机控制进行实现。

上述实施例设计的装置可以应用于学校、家庭、公司等电子设备较多且需要频繁大功率充电的场景，在其上添加物联网模块，理论上还可以实现付费共享充电的商业功能。该装置一方面保证了充电的总功率限定在一定范围内，保护了电源和装置本身，一方面还可以智能的给多设备同时快速充电。对于更多设备同时充电的情况，该充电逻辑仍然奏效，在硬件上只需要相应的扩展充电模块，在软件上只需调整额定功率即可。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种可扩展智能动态功率分配充电方法，其特征在于，包括一种可扩展智能动态功率分配充电装置，所述充电装置包括AC-DC模块、控制模块、多个充电模块及与充电模块一一对应连接的电控开关；

所述控制模块至少包含MCU、ADC模块和用于给MCU、ADC模块和电控开关供电的LDO；

所述AC-DC模块用于将市电220V交流电转换成给充电模块和控制模块上的LDO供电的直流电；

所述电控开关由控制模块控制，对充电模块与AC-DC模块之间的通断进行控制；

所述充电模块采用USB-PD协议，通过USB接口与外部充电设备连接充电；

所述ADC模块包括电流电压转换电路和ADC器件，用于对每一路充电模块的输入电流进行采集，将采集电流转化成数字信号，输入到MCU中；

所述充电方法应用于所述充电装置，具体包括以下步骤：

S1. 启动系统；

S2. 从一个方向依次逐一打开电控开关，保持已打开的电控开关的状态；

S3. 通过MCU计算打开的充电模块的总功率，所述充电模块的总功率为ADC模块采集到的电流值*给充电模块供给的电压值，并判断充电模块的总功率是否符合所设的判断条件，所述判断条件具体如下：

A． 充电模块的总功率是否在额定功率以下；

B． 充电模块的总功率和额定功率的差值是否能为一个新设备以最大功率方式进行充电；

当判断条件A和B同时为是时，执行步骤S4，反之，则执行步骤S5；

S4. 通过MCU判断是否所有电控开关已经打开，若是，则进行步骤S3，反之，则进行步骤S2；

S5. 计算所有已经打开的充电模块的总功率，判断该功率是否超过本装置设定的额定功率值，如果总功率超过额定功率值，则进行步骤S6；如果未超过额定功率值，则进行步骤S3；

S6. 通过MCU计算所有充电模块分别消耗的功率，并关闭一个电控开关，该电控开关所连接的充电模块所消耗的功率大于超额功率，且在所有充电模块中最接近超额功率。

2.根据权利要求1所述的一种可扩展智能动态功率分配充电方法，其特征在于，所述步骤S1启动系统的方式至少包括其中之一：

通过在AC-DC模块前的供电通路上设置开关进行启动；

通过插拔市电插头进行启动。