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【我是工程师第四季】铅酸电池正负脉冲智能充电器

时间好快,转眼【我是工程师】已经到了第四季了,正好年前的一段时间有空,希望还来的及。。。

其实我也做了好几年的电源工程师,现在转行了反倒手痒痒了,在前家公司的时候,一直都是反激充电(虽然最大也做到了1000W左右),PFC Boost, PUSH-PULL升压,半桥逆变等,都是现成的电路改改,从未自己去搞过,现在趁着这个机会,全面的挑战一下自己。

刚才翻帖子的时候看到有位大神PFC+LLC架构已经搞起来了,我也有样学样,跟着做这个架构,在以下设计中如有不当之处,欢迎大神指正!

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所谓正负脉冲充电,相信对于各位电源爱好者应该不会陌生,就是在充电过程中,当充电电流接近蓄电池固有的微量析气充电曲线时,适时地对电池进行反向大电流瞬间放电,能够除去正极板上的气体,并使氧气在负极板上被吸收,从而解决了电池在快速充电过程中的极化问题,这个过程还可以降低电池内部压力、温度、阻抗,减少能量的损耗,使电能更有效地转化为化学能并存储起来,提高了充电效率和蓄电池的充电接受能力,而大大提高充电速度,缩短充电时间。(懒得敲了,就从网上摘抄了这么一段话解释一下)

直白一点,就是如下图的逻辑。

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借着这次机会,一边学习一边搞,我给自己定的设计规格如下:

输入:175Vac-264Vac

输出:48Vdc(实际最高充电电压为58.8Vdc),6A,大约350W

目标效率:90%(第一次做,不确定能做到多少)

电量显示:四位数码管显示当前充电电压,充电电流,充电状态等。

充电逻辑如下:

把线路图更新在一楼:

CK-3C-00A.pdf

CK-3M-00A.pdf

控制板PCB已经发出去打样。

主板PCB正在进行,今天回老家了,明天晚上应该可以完成。--2018.1.28

主板的PCB终于完成,明天在优化一下就可以发出去了,由于是第一次画这种PCB,请大家指点--2018.1.30

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Mr高
LV.3
2
2018-01-24 09:46
占个位子
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Clyde_cao
LV.1
3
2018-01-24 18:47

我打算按如下顺序搞:

1) 选择壳体;

2)把显示和控制部分的小板子弄出来,发出去打样;

3)计算充电器的变压器等元器件的参数,购买元器件;

4)搞充电器主板的线路和PCB,发出去打样;

5)控制板的PCB回来后焊接,先写显示和控制部分的程序;

6)主板的PCB回来,焊接并调试;

7)整体调试,并看是否还有优化的空间。

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Clyde_cao
LV.1
4
2018-01-24 19:16
@Clyde_cao
我打算按如下顺序搞:1)选择壳体;2)把显示和控制部分的小板子弄出来,发出去打样;3)计算充电器的变压器等元器件的参数,购买元器件;4)搞充电器主板的线路和PCB,发出去打样;5)控制板的PCB回来后焊接,先写显示和控制部分的程序;6)主板的PCB回来,焊接并调试;7)整体调试,并看是否还有优化的空间。

在阿里巴巴上找了一款外壳,现货的长度为130mm,所以充电器主板的尺寸将设计为95*130,粗略算了一下,绰绰有余

再去找一款散热片,可以正好扣在左右两边上下槽位之间。

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Clyde_cao
LV.1
5
2018-01-24 19:28
@Clyde_cao
在阿里巴巴上找了一款外壳,现货的长度为130mm,所以充电器主板的尺寸将设计为95*130,粗略算了一下,绰绰有余再去找一款散热片,可以正好扣在左右两边上下槽位之间。[图片][图片]

散热片就选这一款吧,这样壳体和散热片的问题都解决了。

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Clyde_cao
LV.1
6
2018-01-24 19:53
@Clyde_cao
我打算按如下顺序搞:1)选择壳体;2)把显示和控制部分的小板子弄出来,发出去打样;3)计算充电器的变压器等元器件的参数,购买元器件;4)搞充电器主板的线路和PCB,发出去打样;5)控制板的PCB回来后焊接,先写显示和控制部分的程序;6)主板的PCB回来,焊接并调试;7)整体调试,并看是否还有优化的空间。

控制部分和显示部分:

MCU:使用国产宏晶最新的STC8A8K32S4A12,内部含有12位ADC用于采集充电电压和充电电流,PWM可用作DAC作为单片机控制反馈的充电电压和充电电流,PWM控制正负脉冲的晶体管的通断,内部含有32K的EEPROM,无需外部晶振。好久没写单片机程序了,也算是一种挑战。

4位数码管驱动:使用TM1650驱动4位数码管。TM1650采用2线串行传输协议通讯,占用更少的IO口。

2个轻触按键:设置键和上下翻键。

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2018-01-25 09:42
@Clyde_cao
控制部分和显示部分:MCU:使用国产宏晶最新的STC8A8K32S4A12,内部含有12位ADC用于采集充电电压和充电电流,PWM可用作DAC作为单片机控制反馈的充电电压和充电电流,PWM控制正负脉冲的晶体管的通断,内部含有32K的EEPROM,无需外部晶振。好久没写单片机程序了,也算是一种挑战。4位数码管驱动:使用TM1650驱动4位数码管。TM1650采用2线串行传输协议通讯,占用更少的IO口。2个轻触按键:设置键和上下翻键。
pdf的链接已经删了,把文件传到论坛里吧。论坛里不可以有其他网站的链接哈
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Clyde_cao
LV.1
8
2018-01-25 15:54
@电源网-fqd
pdf的链接已经删了,把文件传到论坛里吧。论坛里不可以有其他网站的链接哈[图片]
好的,收到。
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Clyde_cao
LV.1
9
2018-01-25 21:10
@Clyde_cao
我打算按如下顺序搞:1)选择壳体;2)把显示和控制部分的小板子弄出来,发出去打样;3)计算充电器的变压器等元器件的参数,购买元器件;4)搞充电器主板的线路和PCB,发出去打样;5)控制板的PCB回来后焊接,先写显示和控制部分的程序;6)主板的PCB回来,焊接并调试;7)整体调试,并看是否还有优化的空间。

刚刚画了一个单片机的显示电路和侦测及反馈的控制电路,作为副板插在充电主板上,电路如下:

CK-3C-00A.pdf

参数没改,大家将就看,现在开始画PCB板。

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chaos2008
LV.4
10
2018-01-26 08:07
@Clyde_cao
刚刚画了一个单片机的显示电路和侦测及反馈的控制电路,作为副板插在充电主板上,电路如下:CK-3C-00A.pdf参数没改,大家将就看,现在开始画PCB板。
这个好  关注一下
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2018-01-26 09:35

关注一下,楼主是如何让充电电流工作于析气曲线附近,根据公式参数预估还是有闭环控制?

另外是否试过充电电流为三角波或者正弦波的方式,或者能量回收的方式,不知效果会如何。

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Clyde_cao
LV.1
12
2018-01-26 14:00
@boy59
关注一下,楼主是如何让充电电流工作于析气曲线附近,根据公式参数预估还是有闭环控制?另外是否试过充电电流为三角波或者正弦波的方式,或者能量回收的方式,不知效果会如何。

哈哈,其实我刚开始做的时候还真没考虑这么多,就是根据经验值定了一个充电电流的值,实现功能即可。

既然版本提出来了,我可以研究一下。时间比较短,不知道能不能做的出来。

以前在前家公司的时候,充电电流就是电路整流成馒头波,通过反击电路实现的馒头波充电,你说的三角波倒是没有试过。

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Clyde_cao
LV.1
13
2018-01-26 14:01
@boy59
关注一下,楼主是如何让充电电流工作于析气曲线附近,根据公式参数预估还是有闭环控制?另外是否试过充电电流为三角波或者正弦波的方式,或者能量回收的方式,不知效果会如何。
刚才找到了你在其他网站的分析的析气曲线,分析的比较详细,我先给自己充充电哈。
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Clyde_cao
LV.1
14
2018-01-26 14:35
@boy59
关注一下,楼主是如何让充电电流工作于析气曲线附近,根据公式参数预估还是有闭环控制?另外是否试过充电电流为三角波或者正弦波的方式,或者能量回收的方式,不知效果会如何。

版主,我刚才大致看了一下,我的硬件电路是可以实现的,需要在程序里面控制

好几年不写程序了,不知能实现到什么程度,我先把三段式充电做处理

在修改一版程序看能不能实现您说的析气曲线,有什么好的建议,希望不吝赐教。

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2018-01-26 16:55
@Clyde_cao
版主,我刚才大致看了一下,我的硬件电路是可以实现的,需要在程序里面控制好几年不写程序了,不知能实现到什么程度,我先把三段式充电做处理在修改一版程序看能不能实现您说的析气曲线,有什么好的建议,希望不吝赐教。

三段式是以前采用纯硬件的方式一般到了后段都会超出析气曲线,如果采用单片机控制估计可以解决这个问题提高电池寿命。

脉冲方式的不知道电池可以承受多大的冲击电流是按I*t算还是怎样,脉冲方式的电流又如何折算到析气曲线上按平均电流吗,或者另有算法?跟着兄台学习学习。

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Clyde_cao
LV.1
16
2018-01-26 21:53
@Clyde_cao
刚刚画了一个单片机的显示电路和侦测及反馈的控制电路,作为副板插在充电主板上,电路如下:CK-3C-00A.pdf参数没改,大家将就看,现在开始画PCB板。

控制板的PCB已经画好了,明天早上发出去打样

从明天开始计算充电器参数和画主板的线路图和PCB。

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Clyde_cao
LV.1
17
2018-01-26 22:20
@Clyde_cao
我打算按如下顺序搞:1)选择壳体;2)把显示和控制部分的小板子弄出来,发出去打样;3)计算充电器的变压器等元器件的参数,购买元器件;4)搞充电器主板的线路和PCB,发出去打样;5)控制板的PCB回来后焊接,先写显示和控制部分的程序;6)主板的PCB回来,焊接并调试;7)整体调试,并看是否还有优化的空间。

充电器主板的线路图大致画了一下,参数还没算。

CK-3M-00A.pdf

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Clyde_cao
LV.1
18
2018-01-28 11:27
@Clyde_cao
我打算按如下顺序搞:1)选择壳体;2)把显示和控制部分的小板子弄出来,发出去打样;3)计算充电器的变压器等元器件的参数,购买元器件;4)搞充电器主板的线路和PCB,发出去打样;5)控制板的PCB回来后焊接,先写显示和控制部分的程序;6)主板的PCB回来,焊接并调试;7)整体调试,并看是否还有优化的空间。
线路图已经更新到一楼了,欢迎大家讨论。
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yywang
LV.6
19
2018-01-29 18:28
@boy59
三段式是以前采用纯硬件的方式一般到了后段都会超出析气曲线,如果采用单片机控制估计可以解决这个问题提高电池寿命。脉冲方式的不知道电池可以承受多大的冲击电流是按I*t算还是怎样,脉冲方式的电流又如何折算到析气曲线上按平均电流吗,或者另有算法?跟着兄台学习学习。
学习
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Clyde_cao
LV.1
20
2018-01-29 18:37

CPU已经到了

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Clyde_cao
LV.1
21
2018-01-30 19:56
一楼更新主板PCB图片。
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Clyde_cao
LV.1
22
2018-01-31 13:48

简单的优化一下,发出去打样,要不年前来不及了。

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Clyde_cao
LV.1
23
2018-01-31 14:05

PCB发出去以后,趁着这个时间,再来详细算一下各部分的参数,设计中用到的两款驱动芯片TEA19161T和TEA19162T形成一个复合IC功能,用于带PFC功能的LLC谐振变换器的设计,先来介绍下这两款IC:

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Clyde_cao
LV.1
24
2018-01-31 15:40
@Clyde_cao
PCB发出去以后,趁着这个时间,再来详细算一下各部分的参数,设计中用到的两款驱动芯片TEA19161T和TEA19162T形成一个复合IC功能,用于带PFC功能的LLC谐振变换器的设计,先来介绍下这两款IC:[图片]

PFC的启动时序:

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ranadd
LV.2
25
2018-02-05 08:49
楼主,开始写软件了吗, 正好我再做类似的项目,软件还没有搞定
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Clyde_cao
LV.1
26
2018-02-06 15:28
@ranadd
楼主,开始写软件了吗,正好我再做类似的项目,软件还没有搞定
这两天就开始搞,所有的物料这两天才到。
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ranadd
LV.2
27
2018-02-07 08:59
@Clyde_cao
这两天就开始搞,所有的物料这两天才到。
到时候期待分析软件代码,
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Clyde_cao
LV.1
28
2018-02-08 21:21
估计时间不够了,我这几天要加紧时间
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2018-02-09 08:46
@Clyde_cao
估计时间不够了,我这几天要加紧时间
静待分享
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2018-02-10 14:32
@Clyde_cao
估计时间不够了,我这几天要加紧时间

学习。期待成品

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Clyde_cao
LV.1
31
2018-02-11 19:35
@Clyde_cao
估计时间不够了,我这几天要加紧时间
程序已经写的差不多了,硬件还没调,估计来不及了,年前能做多少做多少,年后尽量去做
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