智能充電機的製作方法
2023-07-30 11:47:41 2
專利名稱：智能充電機的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電子充電器的設計製造技術領域，特別涉及一種有微機控制的自動化充電機。
充電機廣泛應用於電廠、變電站控制的直流供電和充電，另外還應用於工廠，高層建築以及一切需要直流電源為動力的各種場合。
目前，大多數自動充電機多為多體結構，即強充電和均充電為一臺機，浮充電為一臺機，兩臺機聯合使用；這類充電機的控制系統多為分離模擬元件，因而受運行環境和條件影響較大，穩壓、穩流精度無法提高，同時也影響了充電電池的壽命；此外，大多充電機的強電部分和控制系統(即弱電部分)為直接電聯繫，無法避免其相互幹擾。最近有些充電機的控制系統雖然已經實現計算機化和數位化，但由於測量系統與強電有電的聯繫，幹撓較大，使系統運行不穩定，甚至無法運行，使得在實用中難於推廣。
本實用新型的目的在於克服已有技術的不足之處，設計出一種新型的計算機數位化的充電機，使其具有自動化程度高，控制精度高，抗幹撓性強的優點，而且實現均充、強充和浮充多功能為一體化的產品。
本實用新型設計出一種智能充電機，包括將電網電壓轉換成整流所需交流電壓的變壓器，將變壓器輸出的交流電轉換成直流電的整流器，濾去所說整流器輸出的直流中殘存的交流成份的濾波器，對充電過程中的電信號進行採樣的檢測電路，對所說檢測電路輸出的信號進行處理並對充電機工作過程進行控制的微機控制單元，以及對各種信號進行顯示的顯示單元，其特徵在於所說的變壓器為隔離變壓器，所說的整流器為由可控矽，整流二極體壓組成的半控橋整流模塊，所說的變壓器與半控橋整流模塊之間還連接一交流接觸器和快速熔斷器，所說的檢測電路包括電壓檢測電路，電流檢測電路及紋波檢測電路，所說的微機控制單元為由單片機及其外圍電路以及予先編制的存入EPROM中的控制程序所組成的控制板，所說的可控矽控制極與單片機控制單元之間還連有脈衝變壓器。上述各部分均安裝在一個機箱內，構成一體化產品。
本實用新型所說的電壓檢測電路可由電壓傳感器及可調電阻所組成，所說的電流檢測電路可由電流傳感器及可調電阻所組成，所說的紋波檢測電路可由電容、電阻及整流二極體所組成，所說的電壓、電流傳感器均可採用霍爾感應元件，進行無接觸測量，實現強電與弱電部分的隔離。所說的微機控制單元的外圍電路包括過壓、過流及紋波的保護電路，電壓－電流顯示電路、充電機狀態顯示電路(包括浮充、均充、強充及故障顯示)。在所說的機箱內安裝有兩塊相同的控制板，通過轉換開關可進行自動／手動切換。
本實用新型的工作原理如圖1所示，結合
本充電機的工作過程如下當充電機接通交流電源時，隔離變壓器帶電，並將380V交流電變為符合整流要求的交流電壓，經交流接觸器和快速熔斷器流入半控橋整流模塊，交流電經半控橋整流模塊整流後變為直流電，通過LC濾波電路，將其中的交流成分濾去得到合格的直流電，供給負載。
檢測系統檢測出供給負載的直流電壓、電流和紋波，將這三種測量信號輸入給單片機控制單元，控制單元使用閉環控制方式。單片機運行按予先寫入EPROM中的程序，對測量信號進行處理，通過調整半控橋整流模塊的可控矽的觸發角的大小，使充電機輸出合格的直流，控制單元所用控制方法，是根據充電機所處的工作狀態(浮充、均充、強充)而定的。充電機的工作狀態可由運行人員手動控制或充電機自動控制所處工作狀態。單片機還把測量到的電壓、電流送給顯示單元，運行人員從機殼上可以看到充電輸出的電壓、電流。若充電機發生故障，單片機控制單元一方面將可控矽觸發角調到最大，使其輸出的直流電壓、電流為最小，另一方面，發出控制信息，使交流接觸器的控制線圈斷電，交流接觸器斷開從而切斷充電機的電源。另外，單片機發出狀態指示信息，使顯示單元的故障狀態燈接通電源，指示出充電機處於故障狀態。
上述所說的控制程序包括，總控制流程，浮充控制流程，均充控制流程，強充控制流程，狀態轉換中斷流程，及自動保護控制流程。現分別描述如下一、總控制流程如圖2所示，包括以下步驟1、單片機啟動；2、初始化各有關變量；3、經過一定的延時(如5ms)後，讀入經A／D變換後的電流電壓量和紋波值(邏輯值)。
4、通過對電流、電壓及紋波值的分析，判斷電路中是否有故障，若有，啟動保護控制電路，並作相應的控制；否則，去第5步。
5、考慮到充電機電路有一定的時間延時，因此，對可控矽的觸發角調整不是連續進行的，每隔一定的時間才進行一次(如10ms一次)，若調整時間未到，則返回3，否則去6。
6、判斷充電機工作在那種狀態(強充、均充或浮充)，然後做相應的控制，返回到3。
二、浮充控制流程如圖3所示浮充狀態是充電機工作時間最長的狀態，浮充的主要特點是要求充電電壓恆定，具體控制流程步驟結合附圖描述如下1、測量電壓與給定電壓比較(由程序實現)。
2、若測量值大於給定值，說明充電機輸出電在高於給定值，則應調大可控矽觸發角，降低接出電壓。
3、若測量值小於給定值，說明充電機輸出電壓低於給定值，應調高輸出電壓，因而就必須調小可控制矽觸發角。
4、若測量值等於給定值，符合恆壓要求，可控矽觸發不變。
充電機輸出電壓Ud與觸發角之間關係為Ud＝VdoCOSα－IRd其中Vdo－－無相控(α＝0)的理想空載直流電壓；I－－－電路直流電流；
R－－－電路直流電阻；α－－－可控矽觸發角。
三、均充控制流程如圖4所示均充狀態的特點是要求在充電過程中，實現穩壓、限流，另外，均充一般有時間長度限制，如(3小時)，控制流程具體步驟為1、流程圖中的2、3、5、6實現了均充中要求的穩壓、限流。
2、當電池充到一定的狀態後，電流就不會越限，框2、4和3、5、6聯合調整就實現的恆壓充電。
3、均充時間到後，則程序自動轉換到浮充狀態。從控制框圖上看，用單片機程序控制，實現穩壓、限流較為方便。
四、強充控制流程如圖5所示強充電的特點是在充電過程中，始終保持電流恆定，當電池的端電壓達到一定值後，要求繼續強充一定時間(如3小時)根據強充的特點，控制過程如下1、控制框1、2、3實現了電流恆定的控制要求。
2、控制框4、5、6實現了電池端電壓達到一定值後，繼續強充一定時間。
3、控制框6實現了強充是否應轉為浮充狀態的控制。
五、充電方式自動轉換流程如圖6所示充電方式共有三種強充、均充和浮充，本裝置實現了三種充電方式自動轉換，狀態轉換中斷信號來自以下幾個方面首先人為地操作，主要是由值班人員進行的。若要進行強充式均充，只要按下相應的按鈕開關，單片面就會自行判斷。需要進行何種充電方式的控制，其次、控制系統，也可以根據被充電電池的狀態自動地進行狀態轉換。
六、自動保護流程如圖7所示本裝置設有電壓、電流和紋波三種保護，單片機運行程序、對測量的電壓、電流和紋波信號分析判斷發現有故障後，按附圖的流程進行自動保護。
本實用新型的主要技術要點及其實現的功能包括
1、自動穩壓、穩流及保護控制系統採用閉環控制，首先由檢測電路對電壓、電流及紋波信號採樣，單片機(8098)運行預先裝入EPROM的固化程序，對採樣數據進行計算處理，生成控制信號，控制信號去調整可控矽的觸發角，從而實現自動穩壓、穩流的功能。若測量出的信號經過程序分析判斷屬於系統故障，則8098單片機將啟動相應的保護電路(如過壓、過流或紋波保護)。
2、充電方式自動轉換充電方式共有三種強充、均充和浮充，需充電的蓄電池開始階段，需要進行強充，當蓄電池充電後，其兩端電壓上升到某一定值時，單片機將按設定的程序轉放均充狀態運行。均充的時間是一定的(如3小時)，當達到規定的時間，單片機再按程序轉入浮充狀態運行。根據這些特點，用單片機較方便地實現了充電方式自動轉換。
3、可靠性高根據已往的運行經驗，充電機在運行中故障率最高的是控制單元。利用這一特點，本裝置採用雙控制板，其中一塊工作，另一塊作為備用，當工作著的控制板出現故障時，自動或手動切換控制板，這樣既維持了充電機正常運行又能及時地對故障板進行檢修，從而極大地提高了充電機的可靠性。
4、抗幹擾性強本裝置使用電路實現成本較低的霍爾感應元件作為測量元件，實現了非接觸式測量，控制信號通過光隔到執行元件。使用這種方式，極大地提高了控制系統的抗幹擾性，因而，該機運行穩定。
6、故障診斷和顯示充電機故障總是具有一定的表現特徵，如電路短路，電流將大幅度上升，本裝置的單片機判斷測得的電流過大屬故障情況，一方面啟動過流保護電路，並發出系統短路的顯示信息，同時，增大可控矽觸發角，將短路電路降到最低(0)。
附圖簡要說明圖1為本實用新型工作原理示意框圖。
圖2為本實用新型總控制流程框圖。
圖3為本實用新型浮充控制流程框圖。
圖4為本實用新型均充控制流程框圖。
圖5為本實用新型強充控制流程框圖。
圖6為本實用新型狀態轉換中斷流程框圖。
圖7為本實用新型保護控制流程框圖。
圖8為本實用新型一種實施例電路原理示意圖。
圖9為本實施例單片機控制單元電路組成及連接圖之一。
圖10為實施例單片機控制單元電路組成及連接圖之二。
圖11為本實施例前面板布局示意圖。
本實用新型設計出一種智能充電機實施例其各部分組成及其連接關係，以及工作過程如圖8～11圖所示，結合各附圖分別詳細描述如下圖8為本實施例中除控制、顯示單元外的各組成電路連接關係示意圖。包括隔離變壓器(KT1)，交流接觸器(KT2)半控橋整流模塊(KT3)，LC濾波器(KT4)，檢測電路(KT5)五部分。其中KT1為隔離變壓器也稱整流變壓器，它為整流模塊提供合適的交流電壓，它的輸入端經開關K1與380V交流電源連接，它的輸出端與交流接觸器JC(KT2)，另外四個輸出端TA、TB、TC、O與控制單元相連，隔離變壓器的另一個作用是使本裝置的直流電路與交流電路只有磁的聯繫，設有電的聯繫，從而起到電隔離作用。
KT2由交流接觸器JC－1，JC－2，JC－3，與之相連的快速熔斷器BX1、BX2、BX3所組成，它們將隔離變壓器與半控橋整流模塊連通，JC的控制端與控制單元中的固態繼電器相連。交流接觸器有滅弧能力，當充電機出現故障時，控制單元將交流接觸器的線圈斷電，從而切斷充電機與交流電源的聯繫。
KT3為半控橋整流模塊，由三組可控矽和整流二極體組成，其輸入端與交流接觸器相連，輸出端與LC濾波器相連，其作用是將交流電變成直流電，可控矽的控制極T1、T2、T3通過脈衝變壓器與控制單元的脈衝發生電路連通。脈衝變壓器的作用是將主迴路的強電與控制系統中的弱電隔離。並且將觸發脈衝加到可控矽上。
KT4為LC濾波器，由電感L1，電容C1所構成，其作用是對整流模塊KT3輸出的直流中殘存的交流成分濾掉，最後得到合格的直流輸出提供給負載。
KT5為檢測電路，它包括電壓檢測、電流檢測和紋波檢測三部分。電壓檢測由電壓傳感器KV100A(霍爾元件)及一可調電阻(200Ω)組成，其輸入與充電機直流輸出的正負極相連，輸出接於控制單元的單片機第42腳。電流檢測由電流傳感器(霍爾元件)KT50A／P與可調電阻(200Ω)組成，充電機直流輸出的正極從KT50A／P中穿過，其輸出接於單片機的第43腳。紋波檢測由電容C4，C5、電阻R2，R4，R5及四個整流二極體所構成，其輸入端接直流輸出的正負極，輸出端接控制單元的紋波比較電路中的電壓比較器LM311的輸入端。檢測電路的作用是對充電機工作過程中的電壓、電流及紋波進行採樣並提供給控制單元進行處理，以便控制系統對充電狀態的調整及對故障時的處理。由於使用霍爾元件進行無接觸測量，實現強電與弱電部分的隔離。
圖9為本實施例的控制單元電路組成與連接示意圖之一。包括以下各組成電路1、中央處理器KT6.1單片機是控制系統的核心部件，用於執行控制程序並執行監控。EPROM(2764)用於存貯單片機程序，預先寫入。74LS373用於低八位地址鎖存，由於單片機數據線與低8位地址線佔用相同的總線，因此，在進行從EPROM中讀出操作時，必須將低8位地址信號鎖存。
2、數據寄存器KT6.2由晶片U105，(74LS377)構成，用於數據寄存。單片機控制可控矽觸發角是發出一定的數據，然後數據轉換成一定的「角度」，數據不同，觸發角也不同，單片機將數據寫入74LS377，74LS337中的數據控制KT6.7(A、B、C)觸發電路。
3、紋波比較電路KT6.3
由電壓比較器U113(LM311)和光電耦合器U112GDEHQ2(一部分)構成，紋波測量輸入到KT6.3中，通過LM311與給定值比較，紋波超標，LM311輸出低電平，否則輸出高電平，通過光電耦合傳遞給單片機，光電耦合器的作用是隔離，從而提高了控制系統的抗幹擾性。
4、KT6.4及KT6.5由U1174LS04(反門)，光電耦合器U112GDEHQ2(一部分)和固態繼電器U115GTJDQ0構成。單片機發給交流接觸控制線圈的信號，通過74LS04反門和光電耦合器傳送到固態繼電器U115上，從而控制是合上還是開斷交流接觸器，光電耦合器作用是隔離，固態繼電器U115用於控制交流接觸器線圈是帶電還是斷電。
5、充電機狀態指示控制電路KT6.6由74LS224，74LS377光電耦合器、固態繼電器構成。74LS224，用於數據驅動將單片機發送的電壓、電流(兩者均用74LS337)測量值傳送給顯示單元。74LS337數據寄器，單片機將充電機的充電方式、狀態(故障或正常)數據送入74LS337，74LS337通過光電耦合器(U121，U122)和固態繼電器(U116，U117，U118，U118，驅動信號燈。光電耦合器(U121，U122)作用是起隔離作用。固態繼電器(U116.119)用於開、斷信號燈的電源(220V交流)圖10為本實施例的控制單元電路組成與連接示意圖之二，包括以下各組成電路1、觸發電路KT6.7(A、B、C)由4516，4069，4528，MC7805，4040二極體、三極體晶振(3.2768MH)構成。其作用4516為可預置計數器，數據由KT6.3中的74L377提供，由於4516為四位，而74LS377為八位，因此，要求兩塊4516才能與74LS377相配。當交流系統(相電壓)過零後，4516開始計數，計數脈衝由KT6.9產生，當計數達到746S377給定的值後，4516發出一個脈，該脈衝較窄，通過KT6.8(A，B，C)中的4528脈衝展寬晶片，得到一寬脈衝，經功放後，使用脈衝變壓器加到可控矽的控制極上。
7805為集成穩壓塊，為工作電路提供＋5V的工作電源。4040為分頻器，KT6.9中的振蕩電路頻率為3.2768MHz通過分頻後，給4516提供一個較低頻率的計數脈衝。
2、脈衝展寬電路KT6.8，由4528，電阻(200K)電容0.1μF組成。本電路功能就是將一個窄脈衝展寬。
3、KT6.9由晶振、4040、74LS04、C4(22000P)、C5(30P)、R28(1K)、R29(8.2K)構成，本電路的功能產生3.2768MHz的方波，然後經4040分頻，將輸出(CLK)供給KT6。
本實施例為上下分層結構。各組成部分均安裝於一個電力系統標準控制框中，控制框選用型號為PK－10型，尺寸為800×600×2200mm。立式框分為六層從上到下為顯示單元、接觸器及開關、半控橋整流模塊模塊、控制板(二塊)、檢測電路板、隔離變壓器及濾波電路。其中顯示單元包括充電壓、電流顯示器，充電機工作狀態(強充、均充、浮充和故障)指示。由發光二極體和數碼管構成。電壓、電流顯示器與KT6.3中的元件U105的D0～D7連接，狀態指示燈與KT6.5的元件連接，其中元件U116接浮充指示燈，U117接強充指示燈，U118接均充指示燈，U119接故障指示燈。
圖11為機箱前面板顯示器分布圖，其中上部為電流表、電壓表，中部為強充、均充、浮充、故障指示燈，下部為強充、均充、開機、關機按鈕。
權利要求1.一種智能充電機，包括將電網電壓轉換成充電設備所需電壓的變壓器，將變壓器輸出的交流電轉換成直流電的整流器，濾去所說整流器輸出的直流中殘存的交流成份的濾波器，對充電過程中的電信號進行採樣的檢測電路，對所說檢測電路輸出的信號進行處理並對充電機工程過程進行控制的微機控制單元，以及對各種信號進行顯示的顯示單元，其特徵在於所說的變壓器為隔離變壓器，所說的整流器為由可控矽，整流二極體及脈衝變壓器組成的半控橋整流模塊，所說的變壓器與半控橋整流模塊之間還連接一交流接觸器和快速熔斷器，所說的檢測電路包括電壓檢測電路、電流檢測電路及紋波檢測電路，所說的微機控制單元為由單片機及其外圍電路以及予先編制的存入EPROM中的控制程序所組成的控制板，所說的可控矽控制極與單片機控制單元之間還連有脈衝電壓器，上述各部分均安裝在一個機箱內。
2.如權利要求1所述的充電機，其特徵在於，所說的電壓檢測電路由電壓傳感器及可調電阻所組成；所說的電流檢測電路由電流傳感器及可調電阻所組成，所說的紋波檢測電路由電容、電阻及整流二極體所組成；所說的電壓、電流傳感器均採用霍爾感應元件。
3.如權利要求1所述的充電機，其特徵在於，所說的微機控制單元的外圍電路包括過壓、過流及紋波的保護電路，電壓－電流顯示電路、充電機狀態顯示電路。
4.如權利要求1所述的充電機，其特徵在於，在所說的機箱內安裝有兩塊相同的所說的控制板，通過轉換開關可進行手動／自動切換。
專利摘要本實用新型屬充電機設計製造技術領域。該裝置包括變壓器、整流器、濾波器、檢測電路、顯示電路以及微機控制單元。其特點是採用隔離變壓器，檢測電路的電壓、電流傳感器均採用霍爾感應元件，使該裝置強電與弱電隔離；單片機控制單元按控制程序對充電機整個工作過程進行自動控制；實現浮充、均充、強充多功能及過壓、過流的自動保護；各部分構成一體化產品。本實用新型具有自動化程度高，控制精度高，抗幹擾性強，工作安全可靠等優點。
文檔編號H02J7/10GK2192091SQ9420770
公開日1995年3月15日 申請日期1994年4月9日 優先權日1994年4月9日
發明者冉建國, 付秋良, 趙子臣 申請人:趙子臣, 冉建國, 付秋良