一種智能船舶充電的製造方法
2023-05-31 13:53:51
一種智能船舶充電的製造方法
【專利摘要】本實用新型提出了一種智能船舶充電機，包括：依次連接的EMI濾波器、第一整流電路、第一濾波電路、全橋電路、變壓器、第二整流電路和第二濾波電路，所述EMI濾波器連接到三相交流輸入電壓，所述第二濾波電路連接到蓄電池組；輸出採樣電路採樣蓄電池組的充電電壓和充電電流，輸出對應的電壓反饋值和電流反饋值；單片機輸出電流給定值和電壓給定值；雙PI調節電路包括並聯連接的電流PI環和電壓PI環，其輸出信號耦接到PWM控制器，PWM控制器輸出脈衝信號耦接到所述全橋電路。本實用新型的智能充電機提高了整機效率，且控制簡單，充電機體積變得更小、更加適合於大功率場合。
【專利說明】一種智能船舶充電機
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電力電子【技術領域】，特別涉及一種充電機。
【背景技術】
[0002]船舶是水上交通運輸和水上作業的主要工具，伴隨著社會的發展以及科學的進步，船舶的數目及種類越來越多，在運輸業中也起著越來越重要的作用。應急蓄電池用來在主電源斷電時給通信設備供電，對於海上救生有著決定性意義。應急蓄電池作為船上的應急電源，為應急照明、電話、報警系統、無線電設備等提供電力，並用來啟動應急發電機、救生艇等。而現有的應急蓄電池存在著充電管理不科學的問題，嚴重縮短了蓄電池的壽命，船舶一旦在運行途中停電，就會陷入無處充電的境地，大大影響了運輸安全；而且，現有的充電機主要採用硬開關技術，充電效率低，充電機中磁性元器件的體積和重量大，導致充電機的體積和重量無法減小。
實用新型內容
[0003]本實用新型提出一種智能船舶充電機，解決了現有技術中應急蓄電池充電管理不科學、充電機體積大、充電效率低的問題。
[0004]本實用新型的技術方案是這樣實現的:
[0005]一種智能船舶充電機，包括:依次連接的EMI濾波器、第一整流電路、第一濾波電路、全橋電路、變壓器、第二整流電路和第二濾波電路，所述EMI濾波器連接到三相交流輸入電壓，所述第二濾波電路連接到蓄電池組；
[0006]所述全橋電路包括第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管，第一開關管和第三開關管串聯連接，第二開關管和第四開關管串聯連接；
[0007]輸出採樣電路採樣蓄電池組的充電電壓和充電電流，輸出對應的電壓反饋值和電流反饋值；
[0008]單片機輸出電流給定值和電壓給定值，經過D/A轉換器轉換為模擬信號；
[0009]雙PI調節電路包括並聯連接的電流PI環和電壓PI環，電流PI環對電流反饋值和電流給定值進行PI調節，電壓PI環對電壓反饋值和電壓給定值進行PI調節，最小值選擇電路對電流PI環和電壓PI環的輸出信號的最小值進行選擇，雙PI調節電路的輸出信號耦接到PWM控制器，與PWM控制器內部的斜波電壓進行比較，調整PWM控制器輸出脈衝信號的寬度，PWM控制器輸出脈衝信號耦接到所述第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管的控制端。
[0010]可選地，所述第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管為IGBT電晶體。
[0011]可選地，所述第一開關管和第三開關管分別並聯有反向二極體和電容器，所述第二開關管和第四開關管為逆阻型IGBT管。
[0012]可選地，所述最小值選擇電路包括第一二極體和第二二極體，第一二極體的陰極連接到所述電流PI環的輸出端，第二二極體的陰極連接到所述電壓PI環的輸出端，第一二極體的陽極和第二二極體的陽極連接在一起，作為雙PI調節電路的輸出端。
[0013]可選地，所述PWM控制器為UC系列控制器。
[0014]可選地，所述PWM控制器為UCC3895控制器。
[0015]可選地，所述單片機為atmega64單片機。
[0016]本實用新型的有益效果是:
[0017](I)能夠實現充電狀態自動切換；
[0018](2)軟開關降低了開關損耗，提高了整機效率，且控制簡單，充電機體積變得更小、更加適合於大功率場合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1為本實用新型一種智能充電機的總體結構框圖；
[0021]圖2為本實用新型一種智能充電機的主電路的一個實施例的電路圖；
[0022]圖3為本實用新型一種智能充電機的主電路的再一個實施例的電路圖；
[0023]圖4為圖3中全橋電路的工作波形圖；
[0024]圖5為本實用新型智能充電機的雙PI調節電路的控制框圖；
[0025]圖6為本實用新型智能充電機的雙PI調節電路的一個實施例的電路圖。
【具體實施方式】
[0026]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
[0027]如圖1所示，本實用新型的一種智能船舶充電機，包括:依次連接的EMI濾波器12、第一整流電路13、第一濾波電路14、全橋電路20、變壓器15、第二整流電路16和第二濾波電路17，EMI濾波器12連接到三相交流輸入電壓11，第二濾波電路17連接到蓄電池組18 ;輸出採樣電路19採樣蓄電池組18的充電電壓和充電電流，輸出對應的電壓反饋值和電流反饋值；單片機22輸出電流給定值和電壓給定值，經過D/A轉換器轉換為模擬信號；雙PI調節電路30接收上述電壓反饋值、電流反饋值、電流給定值和電壓給定值並進行PI調節，雙PI調節電路30的輸出信號耦接到PWM控制器21，與PWM控制器21內部的斜波電壓進行比較，調整PWM控制器輸出脈衝信號的寬度，PWM控制器輸出的脈衝信號控制全橋電路20中開關管的導通時間。
[0028]如圖2所示，本實用新型智能充電機主電路的一個實施例中，第一整流電路為三相整流橋，連接到三相交流輸入，第一濾波電路為LC濾波器，包括電感L和電容C ;全橋電
路包括第一開關管Q1、第二開關管Q2、第三開關管Q3和第四開關管Q4,第一開關管Q1和第三開關管Q3串聯連接，第二開關管Q2和第四開關管Q4串聯連接；變壓器T包括漏感Lp第二整流電路為全波整流電路，包括二極體Dki和二極體Dk2 ;第二濾波電路為LC濾波器，包括電感Lf和電容Cf，第二濾波電路連接到蓄電池組R。三相交流輸入380V電壓經整流和濾波後變成直流電，全橋電路每個橋臂的兩個開關管(斜對角的兩個開關管)180度互補導通，兩個橋臂的導通之間相差一個移相角。通過調節移相角的大小，來調節輸出電壓脈衝寬度，從而達到調節相應的輸出電壓的目的。
[0029]如圖3所示，本實用新型智能充電機主電路的再一個實施例中，全橋電路的第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管為IGBT電晶體，第一開關管Q1並聯有反向二極體D1和電容器C1，第三開關管並聯有反向二極體D3和電容器C3,第二開關管Q2和第四開關管Q4為逆阻型IGBT管。二極體D1和電容器C1、二極體D3和電容器C3可以是IGBT的體二極體和寄生電容，也可以是外部並聯的二極體和電容。
[0030]圖3中的全橋電路採用了移相全橋軟開關技術，把諧振變換技術和普通的PWM變換技術相結合，可以使開關器件在較低的電壓、電流應力下實現軟開關。軟開關ZVS指的是開關管在開通或關斷前管壓降已經為零，從而實現導通損耗和關斷損耗為零。下面結合圖4對圖3中全橋電路的工作狀態進行詳細說明。
[0031](I)開關模態0
[0032]t0之前蝴和Q4導通，輸入功率傳遞給負載，這段時間內原邊的電流ip給隔直電容Cb充電，隔直電容Cb上的電壓線性上升。
[0033]t0時刻，Q1關斷，進入開關申旲態I。
[0034](2)開關模態 I [t。，tj
[0035]t0時刻，Q1關斷，電流向Q1、Q3的結電容C1、C3轉移，C1充電，C3放電，開關管Q1兩端的電壓線性上升。C1X3限制了 Q1兩端電壓的上升率，Q1實現了 ZVS關斷。時刻，(:3上的電壓下降至零，隨後D3導通進入開關模態2。
[0036](3)開關模態 2 [t15 t2]
[0037]tl時刻，C3上的電壓下降至零，隨後Q3的反並二極體D3導通續流，Q3兩端的電壓被鉗位到零，這時開通Q3，所以Q3是零電壓導通。Q3導通以後橋路之間的電壓Uab被鉗位到零，隔直電容上的電壓加到漏感L上，這期間，初級電流ip線性下降。漏感L中的能量返回到隔直電容，變壓器副邊的兩個整流二極體DK1、DK2同時導通。
[0038](4)開關模態 3[t2，t3]
[0039]t2時刻，ip下降至零，力圖變為負。但是由於滯後臂Q2和Q4採用的是逆阻性IGBT，阻隔了負向電流，所以ip維持為零。在這期間，隔直電容的電壓維持不變，Q4仍然導通，但是沒有電流流過。t3時刻，Q4零電流關斷。副邊兩個二極體同時導通，均分負載電流。
[0040](5)開關模態 4[t3，t4]
[0041]Q4零電流關斷以後,初級的電流ip仍為零，負載電流沿著DK1、DK2續流,在很小的延時七4時刻，Q2零電流開通。
[0042](6)開關模態 5[t4，t5]
[0043]t4時刻，Q2開通，由於漏感的存在，初級電流不能突變，所以Q2的導通過程也是零電流開通。Q2導通以後，初級電流「線性增加，所有負載電流均流過Dk2向負載提供能量。
[0044]t5?1:6期間，Q2、Q3導通,輸入功率傳遞給負載。[t6, t7]時段與Iitci, tj時段類似。[0045]如圖5所示，雙PI調節電路30包括並聯連接的電流PI環31和電壓PI環32，電流PI環31對電流反饋值和電流給定值進行PI調節，電壓PI環32對電壓反饋值和電壓給定值進行PI調節，最小值選擇電路33對電流PI環31和電壓PI環32的輸出信號的最小值進行選擇，雙PI調節電路的輸出信號耦接到PWM控制器21，與PWM控制器21內部的斜波電壓進行比較，調整PWM控制器21輸出脈衝信號的寬度，PWM控制器21輸出脈衝信號耦接到第一開關管Q1、第二開關管Q2、第三開關管Q3和第四開關管Q4的控制端。
[0046]雙PI調節電路可以實現電流PI環和電壓PI環的自動切換，充電開始以後，從單片機的DA 口給出電流給定值基準和電壓給定值基準；在剛開始充電的時候，充電電壓達不到設定的基準，電壓PI環飽和，這個階段只有電流PI環起作用，也就是充電機在進行恆流充電，充電電壓逐漸上升；當充電電壓達到設定的基準時，電壓PI環退出飽和狀態，電壓PI環和電流PI環共同起作用，選擇最小值輸出；當電壓PI環的輸出低於電流PI環的輸出的時候，最終輸出值取電壓PI環的值，此時電流PI環飽和，只有電壓PI環起作用，此後進行恆壓充電，從而完成切換，電流PI環與電壓PI環的切換是一個最小值選取的過程。
[0047]如圖6所不,最小值選擇電路33包括第一二極體34和第二二極體35,第一二極體34的陰極連接到電流PI環31的輸出端，第二二極體35的陰極連接到電壓PI環32的輸出端，第一二極體34的陽極和第二二極體35的陽極連接在一起，作為雙PI調節電路的輸出端。
[0048]PWM控制器21輸出四路互補的驅動信號，驅動信號經過圖騰柱放大和隔離變壓器隔離驅動IGBT，雙PI調節電路30的輸出端連接到PWM控制器21，該電壓與PWM控制器內部的斜波電壓進行比較，調整PWM控制器輸出脈衝信號的寬度，驅動發生移相、從而穩定輸出電壓。PWM控制器可以選用UC系列控制器，例如UCC3895控制器，雙PI調節電路30的輸出端連接到UCC3895的腳EAP，該電壓與UCC3895內部的斜波電壓進行比較。
[0049]優選地，單片機22還存儲有涓流參考值，單片機22的輸入端接收上述電流反饋值，通過內部比較器將電流反饋值與涓流參考值相比較，當電流反饋值小於涓流參考值時，單片機22輸出控制信號到PWM控制器21，PWM控制器21輸出脈衝信號控制全橋電路20工作在涓流充電狀態。例如，當蓄電池組充電電流減小到額定電流的十分之一時，蓄電池已充好，充電機轉為涓流充電階段，充電電流進一步減小甚至為零，在沒有外部變化的情況下，一直維持在涓流充電狀態，以補償蓄電池自放電造成的電量損失。
[0050]單片機22可以選用atmega64單片機，電流給定值和電壓給定值由MAX518進行D/A轉換，電壓給定值為2.82v,電流給定值為3V，可獲得最大輸出電壓為28.2V，最大輸出電流為40A。還可以通過atmega64單片機作為核心完成顯示以及通訊等功能,例如,採用SPI方式，由MAX7219驅動，數碼管顯示蓄電池組的充電電壓和充電電流。
[0051]如圖1所示，本實用新型的智能船舶充電機還包括保護電路24，通過電壓、電流、溫度檢測電路23檢測蓄電池組18的充電狀態，及時對開路、短路、低電壓、過電壓等故障進行保護，停止工作，保護充電機安全。
[0052]本實用新型的智能船舶充電機能夠實現充電狀態自動切換，軟開關的實現降低了開關損耗，提高了整機效率，且控制簡單，能夠對充電機進行實時的監控，充電機體積變得更小、更加適合於大功率場合。
[0053]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等』均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種智能船舶充電機，其特徵在於，包括:依次連接的EMI濾波器、第一整流電路、第一濾波電路、全橋電路、變壓器、第二整流電路和第二濾波電路，所述EMI濾波器連接到三相交流輸入電壓，所述第二濾波電路連接到蓄電池組； 所述全橋電路包括第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管，第一開關管和第三開關管串聯連接，第二開關管和第四開關管串聯連接； 輸出採樣電路採樣蓄電池組的充電電壓和充電電流，輸出對應的電壓反饋值和電流反饋值； 單片機輸出電流給定值和電壓給定值，經過D/A轉換器轉換為模擬信號； 雙PI調節電路包括並聯連接的電流PI環和電壓PI環，電流PI環對電流反饋值和電流給定值進行PI調節，電壓PI環對電壓反饋值和電壓給定值進行PI調節，最小值選擇電路對電流PI環和電壓PI環的輸出信號的最小值進行選擇，雙PI調節電路的輸出信號耦接到PWM控制器，與PWM控制器內部的斜波電壓進行比較，調整PWM控制器輸出脈衝信號的寬度，PWM控制器輸出脈衝信號耦接到所述第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管的控制端。
2.如權利要求1所述的智能船舶充電機，其特徵在於，所述第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管為IGBT電晶體。
3.如權利要求2所述的智能船舶充電機，其特徵在於，所述第一開關管和第三開關管分別並聯有反向二極體和電容器，所述第二開關管和第四開關管為逆阻型IGBT管。
4.如權利要求1所述的智能船舶充電機，其特徵在於，所述最小值選擇電路包括第一二極體和第二二極體，第一二極體的陰極連接到所述電流PI環的輸出端，第二二極體的陰極連接到所述電壓PI環的輸出端，第一二極體的陽極和第二二極體的陽極連接在一起，作為雙PI調節電路的輸出端。
5.如權利要求1所述的智能船舶充電機，其特徵在於，所述PWM控制器為UC系列控制器。
6.如權利要求5所述的智能船舶充電機，其特徵在於，所述PWM控制器為UCC3895控制器。
7.如權利要求1所述的智能船舶充電機，其特徵在於，所述單片機為atmega64單片機。
【文檔編號】H02J7/10GK203554043SQ201320740685
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年11月22日 優先權日:2013年11月22日
【發明者】陳松濤, 渠吉朋, 王宏波, 章偉, 王建華, 嵇保健, 陳乃富 申請人:鎮江賽爾尼柯自動化有限公司