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  • 智能正负脉冲电动车6-64V铅酸蓄电池多功能充电器「第二届立创商城电子制作节30强作品」
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本作品为第二届立创商城电子制作节30强入围作品,作者立创社区ID:快乐电子;转载请注明出处,未经允许不得用作商业用途。作品原链接:http://club.szlcsc.com/article/details_7274_1.html

一、作品简介

1.作品外观

板图截图如下,由主板和CPU板组合而成,目的是组合方便,可以适用于任何形式的开关电源组成的电动车充电器,实际也是一款全功能的数字电源,输出电压可以从0-100V或更高,电流0-6A可调。自动运行状态下目前仅适合充电电流3A以下60V以下的电池组。

焊接好的PCB(立创贴片如下图)

成品图如下

在这里赞一下立创的包装

2.作品背景 

技术领域

本智能充电器可应用于电动车、汽车、UPS、太阳能发电系统等常用的铅酸电池的充电及充电管理。

技术背景电动车铅酸电池充电器,是由使用集成电路3842或类似芯片控制的ACDC(alternating current direct current 交流转换为直流)电源,加控制系统组成,因为控制系统多数用运放调节,稍好一点的,也有用MCU(Micro Control Unit意思为微处理控制单元)加一些逻辑控制。但市场上大中型电动车充电器厂家基本上都是使用便宜的单片机作为控制单元,程序一般只有1-2K,价格在0.5-0.7元左右,根本无法满足铅酸电池控制的需求。

目前市场上大多数常规3842的方案,无辅助电源,控制部分的稳压电路复杂,主变压器一般有4个绕组,高压侧二个,低压侧二个,工艺复杂,生产调试麻烦,控制不容易稳定,可靠性大大降低。

3842的电源一般要二组隔离(一组在高压侧,一组在低压侧)的辅助电源,一组为自身工作的辅助电源,另一组为输出闭环控制的辅助电源,随着充电器负载电压或电流的波动,二个辅助绕组电压变化比较大,导致3842的控制电压波动大(有时能超出30V),容易导致MOS开关管炸机,风机电压也过高容易损坏。

控制电压的不稳定性,容易导致输出失控,短路电流远大于输出最大电流,容易损坏MOS管和其他功率元件。

为了达到普通三段式的充电逻辑,用运放处理,如指示灯的控制,空载电压与有载最大电压的不同等等逻辑控制使用的外围电路均很多,增加的电路的复杂性。  充电器一般电压电流控制要求比较高,否则会充坏电池,所以生产过程中有好多电压电流的调试电阻,

要有专业技术工程师才能完成,生产调试复杂,生产成本增加。

3.作品亮点

本智能充电器主要特点有: 

A、在于设计一个可靠稳定的辅助电源供给供电系统代替原有的由变压器辅助绕组产生的可变化的控制电源,让产品更可靠,用立创商城的DK112芯片,可达到10W输出(与变压器大小有关,目前本案例只能输出4-5W,因为使用的是EE13变压器)。

 B、在于产品尽量全软件化,把MCU的功能用到极限(如PWM功能、定时功能、ADC模拟转换为数字功能、逻辑功能及外部中断功能等等),去掉原有充电器能用软件实现的所有功能模块,减少元器件用量,用最少的器件实现最多的功能,让产品硬件更可靠,也更便宜(当然保留原来好的地方,如大功率的廉价的3842方案的ACDC)。

电压电流实现全数字化可调节,所以说我们的充电器也是一个数字式恒压恒流电源。

 C、在于引出控制芯片MCU的串口,让产品可以实现生产、销售、维护及升级的全程ERP管理,提高产品档次。

产品可以输出一个USB充电接口,如视频中USB引出线,可以接TTL-485…485-USB(隔离保护电脑),与电脑通讯监控,也可以接视频中的蓝牙模块,也可以给手机充电,因为是标准的5V输出,使用的也是立创商城的EUP3458VIR1芯片(参数如下英文描述),同时也可外扩展数码显示板,如下图

1.2A Output Current

0.3Ω Internal DMOS Output Switch

4.5V to 30V Input Operating Range 

Output Adjustable from 0.8V to 15V

Up to 92% Efficiency

1?A Shutdown Current

Fixed 1.2MHz Frequency

D、减少交流高压侧的上电打火,交流电源插头插入电网插座时不再打火,提高产品可靠性,同时提高产品效率,常规充电器采用热敏电阻NTC5D-11,工作时温度高,功率越大温度越高。电池输入也不打火,提高产品性能,如下图原理。高压大电解电容绕过一个12K1206的贴片电阻就可以直接对电解电容充电,充电电流只有峰值300V/12K=25mA,但最大瞬间功率只有7.5W(保险起见,可以多串二只电阻,因为上电到充电器工作至少有10秒的时间,10秒内这个高压电容基本上已经充电到300V左右了),但时间很短电容有电后功率直线下降。

 

E、充电器不怕短路,一旦短路,充电器不工作,也不消耗交流电能量(或仅微小)。因为充电器有独立的辅助电源所以,不要担心输出短路,因为外部短路不影响内部控制电源,会恒流恒压自动控制

F、芯片控制辅助电源使用ACDC输出12V作为控制电源,不会因为电压波动而导致控制电压不稳定,这样MCU可以做自动识别6V直到60V,甚至更高电压的电池组的识别与充电,可以从0V开始充电,这是普通充电器无法做到的。 

二、系统构架图

三、硬件部分的描述 

1.原理图&PCB实物图

12V方案-主板 PCB板图下载:http://club.szlcsc.com/article/downFile_7E0CA11F60DE469D.html 

12V方案V2-CPU原始 PCB板图下载:http://club.szlcsc.com/article/downFile_3BFE8AEB5EC51021.html

12V方案-V2 总原理图下载:http://club.szlcsc.com/article/downFile_1E385A6507D08446.html

电脑上位软件下载:http://club.szlcsc.com/article/downFile_6E404EE35CF1C122.html

智能电动车充电器上位机软件安装包下载:http://club.szlcsc.com/article/downFile_04ADDD55AF80BA6E.html

智能充电器手机蓝牙App:http://club.szlcsc.com/article/downFile_2B0D373266EDEBE9.html   

手机App图片详见原帖。

2.实现原理:

a、4个继电器组成的桥切换输出大电流极性切换功能,无论用户的电动车是N+L-的正接充电接口,还是N-L+的反接充电接口,均能自动识别,通用性广。

b、3个温度传感器,利用热敏电阻的温度变化曲线函数关系(对数),做成查表程序,来检测关键点温度进行各种控制

c、高压交流输入整流经过12K左右的大电阻进行充电,上电电流很小,所以插交流电时基本上没有火花,只有辅助电源的4.7uF400V电容的充电。再经过一个继电器切换到正常滤波状态下工作

d、直流输出经过4只继电器隔离,同时经过整流桥串一只1K的电阻检测电池有无,所以电池上电也没有火花,提高充电器寿命

e、所有继电器用12V供电,但启动完成后只用6V维持,这样可以提高继电器寿命(线圈发热小,也节约功耗)

f、变压器输出高低压二个绕组用继电器切换,可以让开关电源工作更稳定

g、USB输出,可以扩展外部数码显示、电脑串口控制、手机充电、手机蓝牙通讯、让产品更智能化,同时可以升级产品自身软件,因为没有哪一家公司能保证产品软件绝对没有问题,或绝对完善,有了这个USB,可以利用电脑串口通讯或手机蓝牙通讯对充电器进行产品升级,可以让我们的用户终身免费升级到最新状态,就像我们的微软公司对电脑系统升级一样,我们的充电器也有这个功能

h、内置FLASH存储器,可以记录产品终身的充电过程,让我们的产品管理更方便,用以通过USB接口导出内部所有的充电数据,进行电脑波形分析,充电分析,用户的电池分析,更进一步服务于用户,通过电脑进行充电波形分析,充电状态分析,专业人士通过数据的分析即可评估电池的衰减及健康状况

i、内置蜂鸣器,可以进行各种提示(测试时去掉了,因为调试噪音暂时没加),产品默认也是无声,用户可以通过电脑控制软件或手机App软件进行开关和各种时长的调节。

蜂鸣器状态:各种状态下是否鸣叫可开亦可关,鸣叫多长可由用户设定。

持续鸣叫:电池级别设置错误(用户设置的电池电压级别与充电器检测到的实际电压级别不符)

一声短鸣:充电器开机自检、开始恒流充电、开始恒压电充、开始修复充电

一声长鸣:恒压段充电结束(可理解为充电已完成),进入间歇浮充阶段,

j、控制部分把CPU报有的引脚尽可能引出使用了,发挥芯片的最大功效,同时做成独立的CPU板(加ACDC辅助电源),这样这个控制板,可以使用所有充电器或电源模块中进行充电管理控制

k、多状态指示灯:

充电器待机/充满:绿灯常亮

恒流段充电:红灯常亮

修复充电:绿灯慢闪

电池识别错误:红灯快闪

l、产品程序是我自1992年毕业以来从事铅酸电池充电管理研究工作的经验总结,是做了大量实验研究并投入了大量时间、心血和资金得出来的,所以不对外公开,不公开的原因也因为技术永无止境,充电研究仍在持续进行,我们会不断更新软件,把最新的研究成果带给每个使用铅酸电池供电的电动车(也可能是电动汽车)的用户。一个好的产品软件并不是短时间能做出来的

系统工作过程:

>>>上电初始化

>>>检测电池上电情况,判断电池极性,给出继电器桥动作

>>>根据充电器状态(分自动与手动)

>>>1、自动充电状态,根据电池的上电电压、进行试充电,判断电池的电压等级、电池的容量,

      >>>1.1给出适合的电压电流给电池充电(自动档只目前只区分6、12、16、24、36、48、60V容量20AH以下几种规格的电池)

      >>>1.2经过一定的时间确认电池的等级与容量,然后按标准给出充电电压与电流,进行市场上通用的三段式充电,如果识别错误也会智能断电,一切以电池的安全性为前提进行管理充电

      >>>1.3充电结束会保存所有的相关充电参数到外置FLASH芯片中。并关机给出绿灯常亮信号

>>>1.4自动充电,是充电的自动管理过程,与我们各种产品自动控制一样,是要经过大量试验经验获得,并不是我们能写单片机程序就能写出的程序,是一个实际动手与编程工具相结合的工作。所以这里我对我们搞技术的朋友说个道理,不要以为我会写程序,就很了不起,写程序只是我们的一个解决问题工具,要想写出好的适合产品的程序,是要经过大量试验,甚至一个团队的合作才能软件硬件结合写出产品的好程序。

>>>2、手动设定充电,会根据用户的电脑或手机App软件设定的参数

>>>2.1手动设定相对简单,只要按设定规格给出相应的参数充电就可以了

>>>2.2手动充电虽然简单,但要考虑到用户设定可能会错误,所以也要加入各种错误报警,同时充电过程中如果用户手动设定参数与实际负载电池不匹配,还是要启动智能保护,我上面说过了,软件的前提是以充电安全第一下进行充电管理,要保证用户设定错误也能正确充电好电池与保护

四、材料清单

BOM列表下载:http://club.szlcsc.com/article/downFile_E3426A7D4E76BDCE.html

五、软件部分的描述

电脑上位机软件,下面是通讯处理的关键部分,相当于软件流程:

(代码较长,详见原帖)

六、作品演示 

七、总结 

1、经过设计二次打样,并贴片加工,继电器控制是一个电感性负载,在继电器启动时功率比较大,辅助电源不能太小,初期使用THX208芯片,后来更改为DK112

2、要同时使用到电子负载、电池负载、开关电源知识、STM8单片机编程、手机App开发软件eclipse的操作,电脑控制上位机软件VB的编写要一个人同时完成,要求我们的技术人员能够掌握更多的编程工具,否则就要使得到一个很大的团队才能去操作系统产品,否则就要使用到一个很大的团队才能完成系统产品设计工作。

3、产品硬件全部公开,源程序不公开,但公开源程序的思维,公开目的让更多的用户知道产品为什么要这么开发,有什么好处,而不是怕别人去盗版软件,软件不怕盗版,而且我们还要不断完善和更新电动车铅酸电池充电器,是一个值得永远去研究的事件,希望更多的人知道充电器原理市场上普通充电器不是不好,而是不智能,普通充电器目前市场做的相当好了,我们也保留了这个优点:3842便宜方案的大功率开关电源;你知道铅酸电池的使用在市场上是变化多样的,电压等级有高低不同,容量也有大小不同,这是我们用户能够直接看到的不同。还要好多隐藏的不同,下面我再多介绍一下这些,也是产品设计思维用今后的方向。

3.1环境温度的不同,会导致铅酸电池能量的不同,温度高电池活性加强,容量也加大,但如果用普通充电器就不能发挥这个优势,因为普通充电器没有温度补偿功能,夏天充不满,冬天充不足,导致电池寿命下降.我们做的程序要能够检测到环境温度的变化,就是这个原因。可以控制因环境温度变化带来的普通充电器的不足

3.2用户使用习惯的不同:有的人喜欢先插交流后插直流电池,有的人却相反,先插交流好处是内部输出电解电容已经充电到与电池电压相当的电压,再插直流就打火不打,但坏处是充电器是空载,也是普通充电器最不稳定的时候,导致硬件损坏,所以好多厂家要求先插电池再插交流,对客户提出更多的要求。我的设计理念是不管用户如何使用你的产品,不能因为用户的使用不同而让产品损坏或让用户电池损坏,这就要求智能,也要求我们软件硬件更好地配合使用。我们充电器不管先插交流还是先插直流均没有任何关系,因为均不会有火花(或者说只有很好的火花,因为只有mA级的上电电流)

3.3、工作环境的不同,因为用户使用的环境你是无法知道的,并不是固定在家中车库中充电,有时会在公司或在野外工作时充电,地表温度可能比较高,所以我们充电器就要有各种温度保护,充电器使用的3只温度传感器,就是为各种保护做好硬件准备的,而代价也不高,一个传感器加人工不超出0.2元,因为只有2只电阻就解决了温度测量问题,我们软件能够做到精度正负3度内的控制是没问题的,具体保护过程也是我们反复研究的结果,目的只有一个,充电器你可以不工作,但不能不安全。普通充电器做不到,是因为他想太便宜,一个0.6元的只有1-2K的程序空间,请问他能做多少测量与保护,这就要有一个性价比,而STM8给我们的性价比就比较高

3.4、电池厂家不同,生产工艺不同,导致充电不能相同。也许大家感觉怪,电池厂家有电池厂家的标准,人家生产肯定按标准来生产,说的不错,但你要知道再高的标准,他总有不足的地方。现在电池一般是48V以上的电池组,至少有4节电池串在一起使用,只有电池组内的电池单只个体有稍微差别,就会使各个电池上的充电电压不一样,随着使用的时间长之后,就会产品明显差异,这就叫单只落后现象,是电池生产厂家控制不了的,只要串联使用,就无法控制,普通充电器的固定程序,只能那个标准48V电池组59V最高电压,55V浮充电压,转灯电流0.6A左右,也就无法满足这种问题的解决。

我们充电器能够全程检测电池电压电流的变化,可以从0V充电到100V,能够适应各种电池充电的要求。单只落后的电池,在充电时这个电池电压就会上升很高很快,而其他电池的电压还相对较低,普通充电器由于输出的最高电压值是固定的,会导致大部分电池因为这一只落后电池的影响,还没有真正充满,而电压已经到了最高电压而提前关机,好的电池始终无法充好电,差的电池也得不到改善,日积月累,恶性循环,坏的越坏,好的也慢慢坏了。以48V电池为例,48V电池由4只12V电池串联而成,要充满单只12V电池的最高电压是14.7V左右,4只就是58.8V左右(约等于59V),落后的电池由于储存电能的能力下降,由于充电过程中电压上升较快(可以理解为充电时间相比另外三只电池缩短),实际出现的问题是,落后的电池已经达到了14.7V,需要结束充电了,但另外三只由于储存电能的能力大,电压可能还在14V以下,继续充电的结果就是落后的电池电压持续上升,可能会升到16V以上,充电器只能等四只电池串联后的总电压达到59V时才能判断电池已经充满。结果就是落后的电池过充,而其他电池还没有达到14.7V就已经停止了充电 ,没有办法充满。我们的充电就不一样,我们可以控制输出电压的变化,不固定这个59V,做动态数据分析处理,做出相应措施,普通充电器就无法做到。

上面是很快充电到59V最高电压下提前关机的,还有的是永远充电不同59V而无法关机的,好一点充电器做了部分智能,只是加了定时,可用户充电习惯不一样,有的人电快用完了才充电器,有的人出去用了10-30%就可能充电,此时你的定时也无法起作用,因为充电到那个点的时间不一样,还是会过充电很多,只是比没有定时的稍微好了那么一点点,但不起多大作用

还有很多电池充电时异常情况,有恒压时电流失控的,行业中也叫热失控,总之很多很多的特殊情况会导致充电不正常,如何对待,简单的程序肯定满足不了这些需求,只能做我们这种动态去跟踪作不同的处理,也就要求我们去做大量的试验,并亲身体验,自己就要做用户,所以做软件只是会了一种工具的使用,就像我们会使用万用表一样,只是一个工具,大量的还要靠研究+试验才能做出一个好产品

4、下面再谈谈对立创主办方的建议和意见

4.1、感谢第二届立创商城电子制作节给我这个机会在这次展示的我产品,更准确一点说是展示我的思维,让更多的老百姓了解手上的充电器产品的更多的特点,为老百姓更好使用充电器作点宣传,因为常规电动车电池一套有400-1000元左右,也是老百姓的一个算是比较大的开支,就要对得老百姓花的这个钱,而我充电器普通市场只要30元不到,常规修理点一般也只有50元左右,而我这个充电器的与常规充电器造价相比也就多了不到5元的成本,相比一个销售50元的充电器不算太高,销售价格全让销售商抄高了。与我的房价也一样,可能抄的人太多了导致价格提高太多,不能走向合理价格上去。

4.2、本人设计的硬件全部公开,且我做PCB时器件规格全部直接打到板子,不用你盗版,我直接送给你,但一个产品好坏不仅在于这个看得到的硬件上,还有更多看不到的软件上,智能管理上,这是一个长久的设计理论思维过程,我设计的所有产品均加上USB接口,方便升级产品程序,而且永远免费升级,所以我们硬件尽可能不要更改太大,确保硬件兼容性好。

4.3、立创,这里我不仅说商城还有PCB、SMT业务,我觉得总体立创是一个良心企业不多的单位,有问题可以投诉、处理问题很满意(我的基本积分:31125,使用至少也有5-10年了,不细查具体多少了,有问题的很少,以前有过,但很快解决,最近5年基本没有投诉过)价格公开透明,在这里为立创点个赞。

4.4、我的产品模块化生产、控制CPU与辅助电源一体,直接在立创贴片生产比较,价格也适中,PCB板只有75*33.3,价格只有1.2元不到,以后可以在立创公开免费送板,而且可以把电阻电容贴片好送出去,喜欢的人自己去编程,也是一个很好的开发板,一个220V交流供电的开发板,可以做其他产品使用,因为我已经把所有IO引出了,可以用排针引出,也开以开槽接入各个系统中

4.5、如果有人愿意,我会贴片好后另一面器件我人工二次也用钢网焊接,与机器焊接效果相当(电阻电容已经全部立创贴片好了,没有贴片的就是IC了,以及插件元件),预计整体板总销售价格20-25元,要求不高我每块板零售毛利润10元,批量毛利润可以做到你想要的价格,问题是你诚意。而且产品程序终身免费升级,我的研究会永远做下去。

 

「关于」立创商城(WWW.SZLCSC.COM)成立于2011年,致力于为客户提供一站式电子元器件线上采购服务,成交量全国领先。自建9200多平方米现代化元器件仓库,现货库存超50000种。本文由立创商城原创,转载请注明出处。 

  • 时间:2017-11-09 15:31
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