CN114243827A - 一种充电桩控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充电桩控制器，充电桩控制器的充电检测模块包括电压采集和电流采集，电压采集利用电阻分压计算完成，电流采集采用电流传感器芯片完成，电机驱动模块连接设置在充电桩上的丝杆电机和伸缩电机，无线通信模块实现充电桩与机器人或其他外部设备的相互通信，红外对管寻找机器人的充电接头以确定充电木头的具体位置，充电检测模块检测充电公头与母头是否对接成功并实时监测充电电流和充电电压的大小以实时反馈充电数据，开关驱动模块充电的开关以保证充电安全，使得充电桩控制器对各个模块进行严密而精准的控制，提高了充电的稳定性，避免开始时充电初期电流过大的问题，克服了充电后期容易出现过充的现象。

Description

一种充电桩控制器

技术领域

本发明涉及充电桩技术领域，更具体地说，是涉及一种充电桩控制器。

背景技术

服务类型的机器人都具有自动充电功能，当机器人没有电时，它会自动寻找充电桩的位置，并通过充电桩裸露出来的金属进行接触对接，从而实现充电的功能。

目前，服务类型机器人通常会有寻充电桩的功能，通过有线接触式充电，而大部分有线接触式充电的充电电极片裸露在空气中，如扫地机器人的充电桩，这样就会有触点的危险，存在一个较大的安全隐患，当两个充电电极片在进行接触时，由于电压差的存在，会产生电火花，这在很多场合是不允许的，且两个充电电极片进行对接时对精度要求较高，一定程度上加大了充电桩制作的难度和成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种充电桩控制器，以解决现有技术中红外对管和对接头精确移动并完成对接头的精确定位充电效率低的问题，提升了机器人自主充电的安全性，也实现了无需人工操作的自动充电过程，并对充电电流电压实时监测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种充电桩控制器，充电桩控制器用于控制充电桩箱体内的各个模块正常工作，包括充电检测模块、开关驱动模块、电机驱动模块、无线通信模块、红外对管和控制芯片，充电检测模块、开关驱动模块、电机驱动模块、无线通信模块和红外对管分别连接控制芯片；

充电检测模块包括电压采集和电流采集，电压采集利用电阻分压计算完成，电流采集采用电流传感器芯片完成；

电机驱动模块用于连接设置在充电桩上的丝杆电机和伸缩电机，其中，丝杆电机和伸缩电机是运载充电公头运动以及和母头对接的基本单元；

无线通信模块用于实现充电桩与机器人或其他外部设备的相互通信；

红外对管用于寻找机器人的充电接头以确定充电木头的具体位置；

电机驱动模块还用于限制丝杆电机的运动量程并用于计算充电公头的运动距离；

充电检测模块用于检测充电公头与母头是否对接成功并实时监测充电电流和充电电压的大小以实时反馈充电数据；

开关驱动模块用于充电的开关以保证充电安全。

在一些实施例中，充电桩控制器实现单个或多个电池快速充电，快速充电结束后可增加补足充电过程；当充满电后，充电桩将自动转入涓流充电过程，涓流充电速率根据电池自放电的程度关联；当电池的电压和充电时间到达预设极限值时，快速充电过程结束，自动转入可选择的补足充电和涓流充电，涓流充电的速率预先设定。

在一些实施例中，充电桩控制器还包括电源输出模块，用于给充电桩控制器内的各个模块提供基准电压，基准电压作为采集数据的参照对象，电源输出模块的输出功率大于整个充电桩控制器所有模块同时工作时所需的总功率的1.2倍，以保证充电桩控制器的正常运行。

在一些实施例中，当控制芯片接收到充电检测模块检测到的电压信号，并通过判断是当前电池的电压，确定充电公头和充电母头已对接成功，控制芯片发送下一条指令，其中，当充电电流过大或充电电压过高时，充电桩控制器及时快速做出相关反应，保护电池和充电桩系统免受损坏。

在一些实施例中，充电检测模块的工作流程包括如下步骤：

充电电流从端子P5的1号脚流入电流传感器芯片中；

通过电流传感器芯片将充电电流输入至电池端的正极进行充电，电池端的负极与充电电流负极相连以完成充电回路；

端子P5的3号脚、2号脚分别接电池正、负极，当充电电流进入电流传感芯片时，芯片内部的工作电路将通过的电流值转换成对应的电压并从7号脚输出至控制芯片。

在一些实施例中，在电池输入端前加入并联电路，并联电路包含两个色环电阻，计算并采集其中一个色环电阻的电压值，通过计算得出整个并联电路的电压值以确定电池端的电压值即充电电压值，其中，P5端子为插拔式接线端子，电阻R40和R42为色环电阻，色环电阻用于通过分压计算电阻的电压值并推导出电池的充电电压。

在一些实施例中，电机驱动模块的工作流程包括以下步骤：

进入单电接触阶段，随着作业的进行，接触状态变为两点接触，并反复在两点接触阶段进行多次调节，使充电枪头顺利进入充电插座内，避免定位系统的定位误差使机器人在接触最初阶段无法作业的情况；

当插拔深度进行到预设程度后确定当前机器人进入整体接触阶段，充电枪头已进入充电插座内，其调节空间随着插拔作业的进行而逐步减小；

完成整体受力分析后，根据接触阶段不同的受力情况制定调节策略。

在一些实施例中，开关驱动模块为直插式继电器，驱动电压为5V，驱动最低电流为72mA，开关驱动模块的工作过程为：

当控制芯片的输出信号为高电平时，光耦隔离芯片将不会导通，此时继电器处于断开状态；

当控制芯片的输出信号为低电平时，光耦隔离芯片会导通，信号通过后端的一级放大电路放大后驱动继电器，使继电器进入闭合状态，以控制外部电路的闭合。

在一些实施例中，充电桩控制器还包括指示灯，用于显示机器人与充电桩接触的充电状态，充电状态包括正在充电、充电完成、开始充电和未充电。

本发明提供的充电桩控制器，相对于现有技术至少具有以下的有益效果：本发明通过设置充电检测模块、开关驱动模块、电机驱动模块、无线通信模块、红外对管和控制芯片，红外对管可以寻找机器人的充电母头，确定充电母头的具体位置，保证充电公头和母头能够进行精准对接。电机驱动模块是限制丝杆电机的运动量程并用于计算充电公头的运动距离，保证丝杆电机的精确运动和运动量程的安全距离。充电检测模块既是用作检测充电公头与母头是否对接成功，同时还可以实时监测充电电流和充电电压的大小，实时反馈充电数据，保护整个充电桩系统的安全性。开关驱动模块是为了用作充电的开关，保证充电的安全，充电桩通过无线通信模块与外界进行通信，使得充电桩控制器对各个模块进行严密而精准的控制，提高了充电的稳定性。结合插拔过程的受力情况制定受力调节策略，对机器人的特定应用场景与其结果特点实现自动充电的便捷性。采用阶段式充电方式提高充电速度，当电池电压达到了额定最大值转为恒压充电，从而避免过充，避免了开始时充电初期电流过大的问题，克服了充电后期容易出现过充的现象，结构简单易实现，应用范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的充电桩控制器的结构框图；

图2为本发明提供的充电桩控制器的电路图；

图3为本发明提供的充电桩控制器中充电检测模块的电路图；

图4为本发明提供的充电桩控制器中开关驱动模块的电路图；

图5为本发明提供的充电桩控制器中电源输出模块的电路图；

图6为本发明提供的充电桩控制器中充电检测模块的工作流程图；

图7为本发明提供的充电桩控制器中电机驱动模块的工作流程图；

图8为本发明提供的充电桩控制器中开关驱动模块的工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1、图2和图5，本发明提供了一种充电桩控制器，包括充电检测模块、开关驱动模块、电机驱动模块、无线通信模块、红外对管和控制芯片，充电检测模块、开关驱动模块、电机驱动模块、无线通信模块和红外对管分别连接控制芯片，充电检测模块包括电压采集和电流采集，电压采集利用电阻分压计算完成，电流采集采用电流传感器芯片完成，电机驱动模块用于连接设置在充电桩上的丝杆电机和伸缩电机，无线通信模块用于实现充电桩与机器人或其他外部设备的相互通信，红外对管用于寻找机器人的充电接头以确定充电木头的具体位置，电机驱动模块还用于限制设置在充电桩上的丝杆电机的运动量程并用于计算充电公头的运动距离，充电检测模块用于检测充电公头与母头是否对接成功并实时监测充电电流和充电电压的大小以实时反馈充电数据，开关驱动模块用于充电的开关以保证充电安全，其中，丝杆电机和伸缩电机是运载充电公头运动以及和母头对接的基本单元，充电桩控制器用于控制充电桩箱体内的各个模块正常工作；

充电桩控制器实现单个或多个电池快速充电，快速充电结束后可增加补足充电过程；当充满电后，充电桩将自动转入涓流充电过程，涓流充电速率根据电池自放电的程度关联；当电池的电压和充电时间到达预设极限值时，快速充电过程结束，自动转入可选择的补足充电和涓流充电，涓流充电的速率预先设定。

本实施例中，充电桩控制器还包括电源输出模块，用于给充电桩控制器内的各个模块提供基准电压，基准电压作为采集数据的参照对象，电源输出模块的输出功率大于整个充电桩控制器所有模块同时工作时所需的总功率的1.2倍，以保证充电桩控制器的正常运行。充电桩控制器还包括指示灯，用于显示机器人与充电桩接触的充电状态，充电状态包括正在充电、充电完成、开始充电和未充电。当控制芯片接收到充电检测模块检测到的电压信号，并通过判断是当前电池的电压，确定充电公头和充电母头已对接成功，控制芯片发送下一条指令，其中，当充电电流过大或充电电压过高时，充电桩控制器及时快速做出相关反应，保护电池和充电桩系统免受损坏。充电桩控制器的功能主要是为了控制充电桩箱体内的各个模块的工作，无线通信模块采用433无线通讯、RS485串口和RS232串口通讯，保证充电桩箱体内的各个模块在控制芯片的统一控制下能够有条不紊的进行各自工作，完成时限充电的最终目的。

需要说明的是，电源输出模块是所有充电桩控制器都必不可少的功能模块，因为控制芯片上的其他各个模块工作需要电源输出模块给它们提供电源，其他功能模块也需要电源输出模块提供非常精准的电压即基准电压，用来作为采集数据的参照对象。电源输出模块的输出总功率至少有整个充电桩控制器所需功率的20％的冗余，这样可以保证充电桩控制器的正常运行，防止出现充电桩控制器掉电的情况。例如，电路为了得到干净稳定的5V电压，不仅需要转换电路，还需滤波电路将电压转换电路的输入电压和输出电压均进行滤波处理。同时为了去除电源信号里的杂波，消除噪声干扰，使电源的输入和输出更佳稳定，保障各模块能够稳定运行。

应理解，当5V电压进入电路后，通过稳压芯片后就可以直接输出3.3V电压，在经过滤波电路后可以直接供给控制芯片使用，LED灯若被点亮，表示电压正常输出，稳压芯片的电压输入范围为2V～5.5V，最大极限输入电压为6V，输出电压为3.3V固定电压，输出电流最高可达1A，支持控制芯片的正常使用。使得芯片功耗小，稳定性高，其输出的3.3V断他很平滑稳定，纹波电压小，提升了控制芯片的工作可靠性。

参阅图3和图6，可选地，充电检测模块的工作流程包括如下步骤：

S10：充电电流从端子P5的1号脚流入电流传感器芯片中，其中传感器芯片可以采用ACS722LLCTR；

S11：通过电流传感器芯片将充电电流输入至电池端的正极进行充电，电池端的负极与充电电流负极相连以完成充电回路；

S12：端子P5的3号脚、2号脚分别接电池正、负极，当充电电流进入电流传感芯片时，芯片内部的工作电路将通过的电流值转换成对应的电压并从7号脚输出至控制芯片。

本实施例中，在电池输入端前加入并联电路，并联电路包含两个色环电阻，计算并采集其中一个色环电阻的电压值，通过计算得出整个并联电路的电压值以确定电池端的电压值即充电电压值，其中，P5端子为插拔式接线端子，电阻R40和R42为色环电阻，色环电阻用于通过分压计算电阻的电压值并推导出电池的充电电压。在充电桩的对接过程中，若控制芯片接收到了充电检测模块检测到的电压信号，并通过判断是当前电池的电压，可以知晓充电公头和充电母头已经对接成功，充电桩已经完成对接任务，可以执行下一项任务，控制芯片如单片机可以发送下一条指令，这样可以实时了解电池的充电情况，所处的充电环境，控制芯片能够及时快速地做出相关反应，保护电池和充电桩系统不会受到损坏。

需要说明的是，插拔式接线端子具有接线稳定、不易脱落、适应各种接线要求的特点，插拔式接线端子便于进行安装和维修，节省了接线和调试的时间，更加安全可靠，能够承受更大的电流和电压，且可以使充电桩控制器的线束管理方便和外形更加美观。电阻分压值计算的精确程度关系到整个充电电压的精确程度，色环电阻具有体积较大、不利于高度集成的特点，但色环电阻的精确度较高，这样计算出来的电压值更准确，色环电阻更加不容易脱落，也不容易损坏，使用的时间较长，色环电阻适用于分压采集电路的分压电阻。

参阅图7，可选地，电机驱动模块的工作流程包括以下步骤：

S20：进入单电接触阶段，随着作业的进行，接触状态变为两点接触，并反复在两点接触阶段进行多次调节，使充电枪头顺利进入充电插座内，避免定位系统的定位误差使机器人在接触最初阶段无法作业的情况；

S21：当插拔深度进行到预设程度后确定当前机器人进入整体接触阶段，充电枪头已进入充电插座内，其调节空间随着插拔作业的进行而逐步减小；

S22：完成整体受力分析后，根据接触阶段不同的受力情况制定调节策略。

本实施例中，单点接触阶段是充电桩的充电枪头刚刚接触充电插座时的受力状态，由于是接触的最初阶段，其受力情况较为简单，主要存在充电插座对充电枪头的法向支持力与两者产生的沿轴向的摩擦力。随着充电枪头的前进，受力阶段也会从单点接触阶段变换至两点接触阶段。在完成两点接触作业后，随着充电枪头的位置调整和作业的继续进行，将从两点接触进入到整体接触阶段，该阶段的主要特点在于充电枪头的轴线与充电插座的轴线重合，此时末端执行器由点接触变为面接触。在单点接触阶段，调节使充电枪头能够顺利进入充电插座内，避免因定位系统的定位误差导致机器人在接触最初阶段便无法作业，该阶段存在的误差为整体作业中最大的时刻，机器人的调节使进行沿轴平移，减小绕轴旋转所占的比例。在进入到两点接触阶段时，若将控制目标设定为各方向受力减小为零则将会导致作业难度的急剧提升，对整体作业产生负面作用，该阶段的调节策略在于减小最大方向的受力。在完成两点接触阶段后，该阶段存在的变化主要为沿轴的位移，且充电装置间变为面接触，该阶段主要进行沿轴调节，忽略绕轴的调节。

参阅图4和图8，可选地，开关驱动模块为直插式继电器，驱动电压为5V，驱动最低电流为72mA，开关驱动模块的工作过程为：

S30：当控制芯片的输出信号为高电平时，光耦隔离芯片将不会导通，此时继电器处于断开状态；

S31：当控制芯片的输出信号为低电平时，光耦隔离芯片会导通，信号通过后端的一级放大电路放大后驱动继电器，使继电器进入闭合状态，以控制外部电路的闭合。

本实施例中，充电桩外接的电压为220V，电池充电的过程中的充电电流大约在5A左右，这远远超过了充电桩控制器所能承受的电压和电流的范围，若通过充电桩控制器直接控制充电电路的导通与关断，将会烧毁控制器件和整个充电桩控制器，甚至会使整个充电桩系统受到破坏。继电器是感性器件，在继电器断电时产生较高的反电动势并反作用到控制芯片的端口上，使控制芯片损坏或者死机，反电动势也会影响控制芯片其他信号的信号量，最终会导致充电桩系统的任务无法正常完成，系统出现紊乱，导致事故安全的放生。需要在继电器的线圈处加上续流二极管，在控制芯片的端口和继电器负载之间加一个光耦隔离芯片，以隔离继电器产生的反电动势和防止干扰，从而达到保护控制芯片，提高控制芯片信号抗干扰能力的作用。

需要说明的是，控制芯片如单片机产生的驱动电流经过光耦隔离芯片后，经过一级放大电路后，才用于对继电器进行驱动。继电器的驱动电流最低不能小于72mA，而单片机端口所能输出的电流只有10mA～20mA之间。放大电路是指利用晶体管等电子有原器件的特性为基础而搭建的集成放大器，放大是将输入的微弱信号放大到负载所需的幅度值且与原输入信号变化规律一致的信号，即信号放大必须不失真，放大电路是对能量进行控制与转换，通过判断输入回路与输出回路的公用端是否相同，可以将放大电路分为共基放大电路、共集放大电路和共射放大电路三种形式，充电桩控制器采用的放大电路为共射放大电路。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种充电桩控制器，其特征在于，所述充电桩控制器用于控制充电桩箱体内的各个模块正常工作，包括充电检测模块、开关驱动模块、电机驱动模块、无线通信模块、红外对管和控制芯片，充电检测模块、开关驱动模块、电机驱动模块、无线通信模块和红外对管分别连接控制芯片；

所述充电检测模块包括电压采集和电流采集，电压采集利用电阻分压计算完成，电流采集采用电流传感器芯片完成；

所述电机驱动模块用于连接设置在充电桩上的丝杆电机和伸缩电机，其中，丝杆电机和伸缩电机是运载充电公头运动以及和母头对接的基本单元；

所述无线通信模块用于实现充电桩与机器人或其他外部设备的相互通信；

所述红外对管用于寻找机器人的充电接头以确定充电木头的具体位置；

所述电机驱动模块还用于限制丝杆电机的运动量程并用于计算充电公头的运动距离；

所述充电检测模块用于检测充电公头与母头是否对接成功并实时监测充电电流和充电电压的大小以实时反馈充电数据；

所述开关驱动模块用于充电的开关以保证充电安全。

2.根据权利要求1所述的充电桩控制器，其特征在于，所述充电桩控制器还包括电源输出模块，用于给充电桩控制器内的各个模块提供基准电压，基准电压作为采集数据的参照对象，电源输出模块的输出功率大于整个充电桩控制器所有模块同时工作时所需的总功率的1.2倍，以保证充电桩控制器的正常运行。

3.根据权利要求1所述的充电桩控制器，其特征在于，所述充电桩控制器实现单个或多个电池快速充电，快速充电结束后可增加补足充电过程；当充满电后，充电桩将自动转入涓流充电过程，涓流充电速率根据电池自放电的程度关联。

4.根据权利要求3所述的充电桩控制器，其特征在于，当电池的电压和充电时间到达预设极限值时，快速充电过程结束，自动转入可选择的补足充电和涓流充电，涓流充电的速率预先设定。

5.根据权利要求1所述的充电桩控制器，其特征在于，当控制芯片接收到充电检测模块检测到的电压信号，并通过判断是当前电池的电压，确定充电公头和充电母头已对接成功，控制芯片发送下一条指令，其中，当充电电流过大或充电电压过高时，充电桩控制器及时快速做出相关反应，保护电池和充电桩系统免受损坏。

6.根据权利要求1所述的充电桩控制器，其特征在于，所述充电检测模块的工作流程包括如下步骤：

充电电流从端子P5的1号脚流入电流传感器芯片中；

通过电流传感器芯片将充电电流输入至电池端的正极进行充电，电池端的负极与充电电流负极相连以完成充电回路；

端子P5的3号脚、2号脚分别接电池正、负极，当充电电流进入电流传感芯片时，芯片内部的工作电路将通过的电流值转换成对应的电压并从7号脚输出至控制芯片。

7.根据权利要求6所述的充电桩控制器，其特征在于，在电池输入端前加入并联电路，并联电路包含两个色环电阻，计算并采集其中一个色环电阻的电压值，通过计算得出整个并联电路的电压值以确定电池端的电压值即充电电压值，其中，P5端子为插拔式接线端子，电阻R40和R42为色环电阻，色环电阻用于通过分压计算电阻的电压值并推导出电池的充电电压。

8.根据权利要求1所述的充电桩控制器，其特征在于，所述电机驱动模块的工作流程包括以下步骤：

进入单电接触阶段，随着作业的进行，接触状态变为两点接触，并反复在两点接触阶段进行多次调节，使充电枪头顺利进入充电插座内，避免定位系统的定位误差使机器人在接触最初阶段无法作业的情况；

当插拔深度进行到预设程度后确定当前机器人进入整体接触阶段，充电枪头已进入充电插座内，其调节空间随着插拔作业的进行而逐步减小；

完成整体受力分析后，根据接触阶段不同的受力情况制定调节策略。

9.根据权利要求1所述的充电桩控制器，其特征在于，开关驱动模块为直插式继电器，驱动电压为5V，驱动最低电流为72mA，开关驱动模块的工作过程为：

当控制芯片的输出信号为高电平时，光耦隔离芯片将不会导通，此时继电器处于断开状态；

当控制芯片的输出信号为低电平时，光耦隔离芯片会导通，信号通过后端的一级放大电路放大后驱动继电器，使继电器进入闭合状态，以控制外部电路的闭合。

10.根据权利要求1所述的充电桩控制器，其特征在于，充电桩控制器还包括指示灯，用于显示机器人与充电桩接触的充电状态，充电状态包括正在充电、充电完成、开始充电和未充电。

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