УСТРОЙСТВО ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРА
ACCUMULATOR CHARGING APPARATUS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области управления зарядкой батарей, в частности к устройствам заряда аккумуляторов.
Представленное решение может быть использовано, по меньшей мере, в роботизированных платформах, оснащённых фотоэлектрическими модулями (ФЭМ), например, в надводной беспилотной роботизированной платформе, оснащённой ФЭМ, для заряда бортовой системы питания. В силу наличия MPPT-алгоритма (алгоритм поиска точки максимальной мощности) изобретение может быть использовано в солнечной энергетике для заряда аккумулятора от ФЭМ.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Документ [1] компании Analog Devices описывает функционал демонстрационной платы DC2703A-A-KIT, разработанной на базе микросхемы LT8491. Данная плата позволяет подключать ФЭМ с напряжением от 17 В до 54 В, током до 10 А. Максимальное выходное напряжение для заряда аккумулятора составляет 14,2 В, максимальный выходной ток 16,6 А. Плата может и повышать, и понижать входное напряжение до требуемого уровня напряжения заряда аккумулятора. Плата оснащена интерфейсом I2C для считывания телеметрических данных.
Данная плата имеет следующие недостатки: входное напряжение ограничено диапазоном 17-54 В, что не позволяет подключать компактные ФЭМ c номинальным напряжением ниже 17 В; плата не имеет контроллера для обработки телеметрических данных о заряде аккумулятора и математических операций над ними; плата не позволяет логировать телеметрические данные о заряде аккумулятора во внутреннюю энергонезависимую память; плата не имеет общепромышленного CAN-интерфейса для связи с периферийными устройствами, USB-интерфейса для связи с компьютером, встроенного датчика температуры для контроля нагрева, выхода для управления активным охлаждением, часов реального времени.
Документ [2] компании Linear Technology описывает функционал демонстрационной платы DC2069A, разработанной на базе микросхемы LT8490. Данная плата позволяет подключать фотоэлектрические модули с напряжением от 17 В до 54 В, током до 10 А. Максимальное выходное напряжение для заряда аккумулятора составляет 14,2 В, максимальный выходной ток 16,6 А. Плата может и повышать, и понижать входное напряжение до требуемого уровня напряжения заряда аккумулятора.
Данная плата имеет следующие недостатки: входное напряжение ограничено диапазоном 17-54 В, что не позволяет подключать компактные ФЭМ c номинальным напряжением ниже 17 В; плата не имеет контроллера для обработки телеметрических данных о заряде аккумулятора и математических операций над ними; плата не позволяет логировать телеметрические данные о заряде аккумулятора во внутреннюю энергонезависимую память; плата не имеет общепромышленного CAN-интерфейса для связи с периферийными устройствами, USB-интерфейса для связи с компьютером, встроенного датчика температуры для контроля нагрева, выхода для управления активным охлаждением, часов реального времени.
Документ [3] компании CYPRESS описывает образец MPPT-контроллера, разработанного на базе микросхемы CY8CLED04D01. Данная плата позволяет подключать ФЭМ с напряжением холостого хода 21 В, током короткого замыкания 7 А. Максимальное выходное напряжение для заряда аккумулятора составляет 15 В, максимальный выходной ток 9,5 А. Микросхема CY8CLED04D01 включает в себя программируемый микроконтроллер, что позволяет обрабатывать и логировать телеметрические данные в имитируемую память типа EEPROM.
Данная плата имеет следующие недостатки: входное напряжение ограничено значением 21 В, что не позволяет подключать модули с другим напряжением; плата позволяет только понижать входное напряжение до требуемого уровня для заряда аккумулятора, что исключает возможность заряда аккумулятора с номинальным напряжением выше входного напряжения платы; входной ток ограничен значением 7 А, что не позволяет подключать модули с большим выходным током; плата не имеет общепромышленного CAN-интерфейса для связи с периферийными устройствами, USB-интерфейса для связи с компьютером, встроенного датчика температуры для контроля нагрева, выхода для управления активным охлаждением, часов реального времени.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании устройства для заряда аккумулятора, которое осуществляет заряд аккумулятора как от ФЭМ, так и от внешнего источника питания, в котором осуществляют управление процедурой заряда аккумулятора на основе телеметрических данных. Помимо этого, устройство может выполнять следующие функции: обрабатывать получаемые телеметрические данные о заряде аккумулятора, обмениваться данными с платой бортового компьютера по CAN-интерфейсу; иметь возможность подключения к ПК для получения данных и конфигурирования; записывать телеметрические данные в энергонезависимую память с указанием времени записи; иметь рабочий температурный диапазон окружающей среды до +40°С.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства заряда аккумулятора.
Указанный технический результат достигается за счёт того, что:
Устройство заряда аккумулятора содержит, по меньшей мере, микроконтроллер управления процедурой заряда аккумулятора, схему преобразования входного напряжения до уровня, требуемого для заряда аккумулятора, микросхему управления схемой преобразования входного напряжения на основе полученных телеметрических данных, энергонезависимую память для хранения данных настроек микросхемы, по меньшей мере один внутренний источник питания, интерфейсы подключения аккумулятора, одного или более фотоэлектрических модулей, внешнего источника питания.
В устройстве телеметрическими данными могут являться входные и выходные значения токов, напряжений, мощностей.
В устройстве схема преобразования входного напряжения может как повышать, так и понижать входное напряжение.
Устройство может дополнительно содержать интерфейс JTAG, через который осуществляют загрузку программы управления в микроконтроллер.
В устройстве микроконтроллер может осуществлять, по меньшей мере, управление запуском и перезапуском процедуры заряда аккумулятора, настройку микросхемы, обработку телеметрических данных, логирование статистических данных в энергонезависимую память.
В устройстве статистическими данными могут являться, по меньшей мере, математическое ожидание и дисперсия входного напряжения за сутки, математическое ожидание и дисперсия выходного напряжения за сутки, математическое ожидание и дисперсия выходного тока за сутки, энергия, переданная аккумулятору за сутки.
Устройство может иметь часы реального времени для логирования данных в энергонезависимую память устройства с указанием системного времени.
Устройство может дополнительно содержать интерфейс подключения датчика температуры аккумулятора, и микросхема может дополнительно корректировать процедуру заряда аккумулятора в соответствии с текущей температурой аккумулятора, причем датчик температуры может монтироваться на аккумуляторе и подключаться к устройству через указанный интерфейс.
Устройство может дополнительно содержать интерфейс подключения вентилятора, датчик температуры для мониторинга температуры, узел управления вентилятором, причем при достижении заданной температуры микроконтроллер может подавать сигнал на узел управления вентилятором для включения вентилятора.
Устройство может дополнительно содержать CAN интерфейс для подключения CAN сети.
В устройстве по CAN сети можно передавать следующие данные: температуру, статус заряда аккумулятора, наличие ошибок, телеметрические данные, статистические данные.
Устройство может дополнительно содержать USB интерфейс для, по меньшей мере, передачи служебной информацией и выгрузки статистических данных.
Устройство может дополнительно содержать интерфейс подключения модуля расширения для использования незадействованных выводов микроконтроллера.
Устройство может дополнительно содержать интерфейс подключения источника питания цифровой части устройства.
Устройство может иметь рабочий температурный диапазон окружающей среды до +40°С.
В способе применения устройства заряда аккумулятора устройство может быть использовано в солнечной энергетике для заряда аккумулятора от одного или более фотоэлектрических модулей (ФЭМ), причем при подключении одного или более ФЭМ микросхема реализует слежение за точкой максимальной мощности (MPPT), MPPT деактивируется при подключении внешнего источника питания к устройству.
В способе применения для слежения за точкой максимальной мощности (MPPT) может быть использован алгоритм Perturb and Observe.
В способе заряда аккумулятора посредством устройства заряда аккумулятора подают входное напряжение от одного или более ФЭМ на вход схемы преобразования входного напряжения, изменяют входное напряжения до уровня выходного напряжения, требуемого для заряда аккумулятора, подают выходное напряжение с выхода устройства на вход аккумулятора, осуществляют управление схемой преобразования входного напряжения посредством микросхемы управления на основе полученных телеметрических данных, осуществляют управление процедурой заряда аккумулятора и настройку микросхемы управления посредством микроконтроллера, хранят данные настроек микросхемы управления в энергонезависимой памяти, осуществляют слежение за точкой максимальной мощности (MPPT) посредством микросхемы управления, причем при подключении внешнего источника питания к устройству деактивируют MPPT и осуществляют заряд аккумулятора от внешнего источника питания.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Реализация изобретения будет описана в дальнейшем в соответствии с прилагаемыми чертежами, которые представлены для пояснения сути изобретения и никоим образом не ограничивают область изобретения.
Заявляемое изобретение проиллюстрировано фигурами 1 и 2, на которых изображены:
Фиг. 1 – иллюстрирует блок-схему платы заряда аккумулятора и внешних подключений.
Фиг. 2 – иллюстрирует разъёмы внешних подключений платы заряда аккумулятора.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту будет очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.
Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.
Плата заряда аккумулятора состоит из микросхемы LT8491 (фиг. 1, поз. 1), микроконтроллера STM32 (фиг. 1, поз. 5), памяти типа EEPROM (фиг. 1, поз. 4), источника питания 3,3 В (фиг. 1, поз. 6), источника питания 12 В (фиг. 1, поз. 8), схемы преобразования входного напряжения (фиг. 1, поз. 2), узла управления вентилятором (фиг. 1, поз. 11), датчика температуры NTC (фиг. 1, поз. 7), трансивера CAN (фиг. 1, поз. 12), преобразователя UART-USB (фиг. 1, поз. 13), цифрового изолятора (фиг. 1, поз. 10), DIP-переключателя (фиг. 1, поз. 9), батареи 3 В (фиг. 1, поз. 3).
Плата позволяет заряжать аккумулятор как от ФЭМ, так и от источника питания. ФЭМ подключается к блоку клеммному XT1 (фиг. 2), источник питания – к блоку клеммному XT4 (фиг. 2). При подключении ФЭМ микросхема LT8491 реализует слежение за точкой максимальной мощности (MPPT), используя алгоритм Perturb and Observe. При подключении источника питания к XT4 MPPT деактивируется.
Схема преобразования входного напряжения служит для изменения входного напряжения до уровня, требуемого для заряда аккумулятора, подключаемого к блоку клеммному XT2 (фиг. 2). Управление схемой осуществляется микросхемой LT8491 на основе измеренных входного и выходного напряжений, входного и выходного тока, тока дросселя. Схема преобразования входного напряжения представляет из себя синхронный комбинированный преобразователь на четырёх MOSFET транзисторах и дросселе и способна как повышать, так и понижать входное напряжение. Плата рассчитана на диапазон входного напряжения от 7,8 В до 40 В. Максимальное выходное напряжение платы для заряда аккумулятора составляет 46,2 В.
Микросхема LT8491 позволяет корректировать заряд аккумулятора в соответствии с текущей температурой аккумулятора. Мониторинг температуры осуществляется датчиком температуры типа NTC, монтируемым на аккумуляторе. Датчик подключается к блоку клеммному XT3 (фиг. 2).
Микроконтроллер STM32 осуществляет управление запуском и перезапуском процедуры заряда аккумулятора, настройку микросхемы LT8491, настройку CAN-контроллера в соответствии с параметрами сети, обработку телеметрических данных, логирование статистических данных в память типа EEPROM с указанием системного времени, обмен данными по сети CAN, обмен данными через USB-интерфейс с ПК. Микроконтроллер STM32 выполняет свои функции благодаря ПО, описание которого приведено ниже.
Обмен данными по сети CAN осуществляется посредством трансивера CAN. Адрес платы в сети CAN задаётся с помощью DIP-переключателя. Подключение к сети CAN производится через блок клеммный XT5 (фиг. 2).
Обмен данными через USB-интерфейс осуществляется посредством преобразователя UART-USB. Благодаря цифровому изолятору питание и сигнальные цепи интерфейса USB гальванически изолированы от цепей платы, что позволяет осуществлять безопасное и помехозащищенное соединение с ПК во время заряда аккумулятора. Подключение к ПК осуществляется через разъём XP9 (фиг. 2).
Батарея 3 В необходима для функционирования часов реального времени. Это позволяет логировать данные в память платы с указанием системного времени.
Загрузка ПО в микроконтроллер STM32 производится через интерфейс JTAG путём подключения программатора к разъёму XP7 (фиг. 2).
Источник питания 3,3 В формирует напряжение, необходимое для питания цифровой части платы. Плата позволяет выбирать источник входного напряжения для источника питания 3,3 В между ФЭМ и аккумулятором. Выбор осуществляется установкой джампера в требуемое положение. Помимо этого, имеется возможность подключения источника питания с напряжением в диапазоне от 7 В до 48 В, что позволяет производить обмен данными с платой даже при отключенных ФЭМ и аккумуляторе. Подключение опционального источника питания для источника питания 3,3 В осуществляется к блоку клеммному XT6 (фиг. 2).
Источник питания 12 В формирует напряжение для питания вентилятора, подключаемого к плате. Мониторинг температуры платы осуществляется датчиком температуры NTC, смонтированном на плате. При достижении заданной температуры микроконтроллер подаёт сигнал на узел управления вентилятором для включения вентилятора. Вентилятор подключается к блоку клеммному XT7 (фиг. 2).
Температурный рабочий диапазон элементов платы, а также возможность подключения вентилятора позволяют плате функционировать при температуре окружающей среды до 40°С.
Разъём XS1 (фиг. 2) монтируется на плату опционально при необходимости задействовать неиспользуемые выводы микроконтроллера STM32.
Ниже описано функционирование программного обеспечения микроконтроллера STM32.
Программа начинает исполнение с чтения из памяти программ установок и настроек, расположенных в специально отведённой области памяти программ в начальных адресах. Такая организация хранения настроек позволяет легко изменять программные настройки с помощью любого редактора hex-файлов. Настройки представляют из себя числовые значения, записанные в ASCII-формате после идентификатора и разделителя, например: R1:100k. Здесь расположены настройки LT8491, отвечающие за сбор телеметрии, а также установка температуры по включению активного охлаждения.
После конфигурирования всех периферийных модулей микроконтроллера STM32 осуществляется настройка микросхемы LT8491 по интерфейсу I2C. Настройка начинается с того, что микросхема переводится в режим разрешения конфигурирования. После проверки статуса о готовности принимать новые настройки производится передача настроек. После чего из микросхемы LT8491 вычитываются только что переданные настройки. Если переданные и принятые настройки не совпадают, цикл повторяется. В случае неудачи после нескольких предпринятых попыток передать настройки отключается функция сбора и обработки данных телеметрии и программа переходит к следующей, основной фазе работы. Все настройки передаются в область текущих настроек и не сохраняются в EEPROM микросхемы LT8491. Функции микросхемы LT8491 по автоматическому запуску заряда аккумулятора (например, при подаче питания) деактивируются. При этом включить их внешними командами, например, по USB, невозможно. Таким образом, ПО микроконтроллера выполняет все высокоуровневые функции микросхемы LT8491, к которым относятся старт и останов заряда, обработка ошибок.
Основная фаза работы с микросхемой LT8491 состоит в периодическом опросе статусов ошибок, получения данных телеметрии и статусов состояния заряда аккумулятора. Если в процессе работы микросхема LT8491 выставила статусы ошибок, приведшие к прекращению заряда аккумулятора, программа обрабатывает ошибку и выполняет действия по сбросу ошибки и повторному запуску процесса заряда аккумулятора.
Во время основной фазы работы может возникнуть необходимость в перенастройке микросхемы LT8491, например, при приёме команды по CAN-интерфейсу. Тогда заряд аккумулятора и сбор телеметрии отключаются, и микросхема LT8491 конфигурируется по описанной выше процедуре с новыми настройками.
Принятые данные телеметрии обрабатываются методами математической статистики. К данным телеметрии относятся входные и выходные значения токов, напряжений, мощностей. Под входными понимаются значения, получаемые от подключаемого к плате фотоэлектрического модуля, под выходными – значения, которые передаются подключаемому к плате аккумулятору. Для экономии оперативной памяти данные телеметрии для последующей обработки не накапливаются, а все статистические характеристики пересчитываются при каждом обновлении данных телеметрии. По истечению заданного времени полученные характеристики данных телеметрии записываются в журнал, хранимый в памяти EEPROM платы. В журнал записываются следующие данные:
– математического ожидания и дисперсии входного напряжения за сутки;
– математического ожидания и дисперсии выходного напряжения за сутки;
– математического ожидания и дисперсии выходного тока за сутки;
– энергии, переданной аккумулятору за сутки.
Логирующая файловая система обеспечивает долгосрочное хранение данных с целью их последующей передачи по USB или CAN-интерфейсу. Отказоустойчивость (защита от порчи данных при пропадании питания во время записи, например) достигается за счёт использования при операциях чтения и записи попеременно двух информационных секторов. Файловая система позволяет добавить новую запись (файл) или прочитать самую раннюю запись и работает по принципу FIFO очереди. Каждая запись снабжена контрольной суммой. Любая операция изменения состояния файловой системы сопровождается записью в информационном секторе. В информационном секторе хранится величина смещения в байтах первой и последней записей, метка времени обновления записи, числовой идентификатор, который при каждом обновлении информационной записи, т.е. при чтении или записи записей (файлов), инкрементируется, и контрольная сумма, посчитанная по информационному сектору. Удобно располагать информационный сектор целиком в физическом секторе (секторах) памяти EEPROM. Для этого информационный сектор можно расширить незначащими полями. Инициализация файловой системы происходит следующим образом: сначала определяется информационный сектор, соответствующий последним внесённым изменениям в файловую систему. Для этого вычитываются оба информационных сектора и проверяется их контрольная сумма. Если контрольная сумма по обоим информационным секторам сошлась, то далее сравниваются числовые идентификаторы. Выбирается сектор, имеющий большее значение идентификатора, с учётом переполнения числового типа, отведённого под хранение идентификатора. Если контрольная сумма сошлась только по одному информационному сектору, то он считается активным. Если контрольная сумма не сошлась ни по одному сектору, то для определённости активным сектором считается первый сектор (расположенный в памяти ближе к началу), и сразу происходит его инициализация: обнуляются числовой идентификатор, смещения для первой и последней записей, записывается текущая метка времени, рассчитывается контрольная сумма. Сектор сразу записывается в память EEPROM. Для удобства работы активный сектор копируется в оперативную память, а также запоминается его номер. После определения активного информационного сектора доступно выполнение операций чтения и записи записей (файлов). Прежде чем осуществить чтение или запись, необходимо открыть файл для чтения или записи соответственно. Файловая система позволяет единовременно иметь один открытый файл. После завершения работы с файлом, файл необходимо закрыть. Операция открытия файла на чтение возвращает размер в байтах самой ранней (записанная раньше остальных имеющихся в файловой системе) записи. Для открытия файла на запись необходимо передать процедуре требуемый для записи размер файла. Если в памяти достаточно места для сохранения записи, операция вернёт значение ИСТИНА. В противном случае – ЛОЖЬ. В начале каждой записи, физически хранимой в памяти EEPROM, первый байт отведён под размер записи в байтах. Таким образом файловая система позволяет хранить записи размером до 255 байт, что соответствует максимально возможному размеру сообщений в сетях CAN в рамках протокола J1939. В конце записи (файла) хранится байт контрольной суммы. Открытие файла приводит к установке смещений на запись для чтения при открытии файла на чтение или на запись, если файл открыт на запись. Процедуры чтения и записи контролируют переход за границу отведённой памяти. Закрытие файла сопровождается сохранением активного информационного сектора в память EEPROM. Происходит переключение на другой информационный сектор. Для него сразу устанавливается числовой идентификатор, больший на единицу. Сохранение только одного информационного сектора по закрытию файла уменьшает надёжность, но увеличивает срок службы памяти, имеющую ограничения на количество циклов записи. Если при чтении данных записи (файла) не сошлась контрольная сумма, которую рассчитывает процедура чтения данных, то состояние файловой системы считается неконсистентным и дальнейшее чтение данных становится невозможным. Информационный сектор сбрасывает смещения на записи, что равносильно очистке памяти. После этого файловая система выполняет свои функции.
По CAN-интерфейсу выдаются в соответствии с заданными тайм-аутами данные телеметрии и статус заряда аккумулятора. Для обмена данными по CAN-интерфейсу используется протокол J1939. Адрес платы для работы в сети CAN задаётся с помощью DIP-переключателя, установленного на плате. Приём сообщений по CAN-интерфейсу осуществляется в прерывании. Корректные с точки зрения протокола J1939 сообщения попадают в очередь на дальнейшую обработку. Далее в отдельной задаче (таске) происходит диспетчеризация всех сообщений из очереди в зависимости от типа сообщения. Если сообщение является командой и соответствующий обработчик принятого сообщения зарегистрирован в модуле обработки сообщений, происходит активация задачи (таска), которая занимается обработкой конкретного сообщения. Если сообщение является запросом на получение данных, то данные на отправку формируются на месте. По командам, принятым по CAN-шине, возможно изменять тайм-ауты отправок сообщений, а также отключать отправку сообщений по тайм-ауту. Перечень доступных команд и запросов:
– изменение тайм-аута отправки сообщение по сети CAN;
– изменение системного времени;
– изменение настроек микросхемы LT8491.
В сеть CAN передаются сообщения со следующими данными:
– температура платы;
– статус заряда аккумулятора и наличие ошибок;
– данные телеметрии: входные и выходные значения токов и напряжений;
– записи журнала.
Каждый заданный в настройках программы промежуток времени, происходит считывание напряжения на датчике температуры NTC, и по его характеристике производится расчёт температуры. На основе показаний температуры формируется управляющий сигнал на включение вентилятора.
USB-интерфейс служит для вывода в консоль служебной информации, среди которой текущее системное время, версии программных библиотек, время сборки, номер билда, причина перезагрузки и т.д., а также для установки системного времени, сброса микропроцессора, отображения текущего состояния заряда аккумулятора, входных и выходных напряжений и токов, и выгрузки журнала из памяти EEPROM.
Модуль часов реального времени используются для ведения журнала. Часы можно настраивать с помощью USB-интерфейса и с помощью специальных команд по CAN-интерфейсу.
В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.
Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что различные вариации заявляемого способа и системы не изменяют сущность изобретения, а лишь определяют его конкретные воплощения и применения.
Источники
[1] DEMO MANUAL DC2703A-A-KIT https://www.analog.com/media/en/dsp-documentation/evaluation-kit-manuals/dc2703a-a-kit.pdf
[2] DEMO MANUAL DC2069A https://www.analog.com/media/en/dsp-documentation/evaluation-kit-manuals/dc2069afb.pdf
[2] AN56778 https://www.cypress.com/file/135666/download