CN103158641A

CN103158641A - 智能配电箱

Info

Publication number: CN103158641A
Application number: CN2011104258714A
Authority: CN
Inventors: 钱燕娟; 高胜林
Original assignee: Shanghai Aviation Electric Co Ltd
Current assignee: Shanghai Aviation Electric Co Ltd
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2031-12-19
Also published as: CN103158641B

Abstract

本发明是以计算机控制技术和固态功率控制技术为基础，提供用电负载的通断控制、过流保护以及其它用电设备自动保护功能的新一代智能配电管理系统。本发明的智能配电箱其特征在于：配电优先级控制、控制开关手动通断控制、总线通断控制、故障复位、状态指示、信息上报、固态功率控制器（SSPC）过流、短路保护、BIT检查和多个MOS管安全并联技术。本发明的优点在于：智能配电箱可以对直流负载进行控制，随时获知负载的工作模式和运行状态，按需要设置负载的保护参数；通过本发明装置，智能配电箱可以通过数据总线的方式对多路直流负载实施或独立控制，也可以通过手动控制按钮对负载进行超越控制，实现应急状态下的双余度控制功能。

Description

智能配电箱

技术领域

本发明涉及一种新型智能电源配电管理设备，它以计算机控制技术和固态功率控制技术为基础，可用于机电控制系统和二次配电系统。

背景技术

随着装甲战车性能的日益提高，车载用电设备的类型和数量也不断增加，对于系统的供电质量及可靠性提出了更高的要求。在当前的机电控制系统和配电系统中，对车载用电设备的控制方式一般有两种方式：一种是通过传统的机电式断路器、接触器、熔断器和热继电器，把电能传输至用电负载；另一种是使用固态继电器替代传统的机电式断路器或接触器，再配上熔断器、热继电器，把电能传输至用电负载。这两种方式都难以获取负载的运行状态，不具备健康诊断和主动实时监控功能，也难以针对不同的负载特性进行精确的保护控制，达到安全可靠运行的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能配电箱，能够提供用电负载的通断控制、过流保护以及其它用电设备自动保护功能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种智能配电箱，包括与第一外馈电源、第二外馈电源连接的电源模块，其特征在于该智能配电箱包括第一馈电控制模块，与第一外馈电源连接，输出第一输入汇流条电压至固态功率控制模块；第二馈电控制模块，与第二外馈电源连接，输出第二输入汇流条电压至固态功率控制模块；主控模块，该主控模块接收手动控制按钮和上位管理计算机的信号，对固态功率控制模块进行控制；固态功率控制模块，接收主控模块的控制信号，根据该控制信号将第一输入汇流条电压或第二输入汇流条电压输出至直流负载。

本发明的智能配电箱是以计算机控制技术和固态功率控制技术为基础，提供用电负载的通断控制、过流保护以及其它用电设备自动保护功能的新一代智能配电管理系统。本发明的优点在于具有主动实时监控功能，针对不同的负载特性进行精确的保护控制，达到安全可靠运行的目的。

本发明的智能配电箱可实现：

a) 配电优先级控制：智能配电箱设有一级配电和二级配电控制，当一级配电有效后，部分用电设备的控制输出指令和外部手动控制有效；当一级配电无效时，二级配电只提供单个用电设备供电，其它设备控制无效；当一级配电有效且二级配电均有效后，其他用电设备通过CAN总线命令或外部手动控制开关可以接通或关断输出，两者控制命令采用后到命令起作用方式。一级配电和二级配电信号是由外部信号激励器得到的，当打开信号激励器上的“一级馈电”开关，则“一级馈电”控制信号有效，当打开信号激励器上的“二级馈电”开关，则“二级馈电”控制信号有效。

b) 控制开关手动通断控制：智能配电箱面板上设有10个控制开关，可分别对用电设备进行独立通断控制。

c) 总线通断控制：智能配电箱具有通过总线实时接收上位机用电设备通/断控制命令进行所有输出通道的通/断控制能力。

d) 故障复位：智能配电箱上配有复位开关，当系统输出出现故障（固态功率控制器出现过流或短路）时，通过故障复位开关可以复位所有输出的故障状态，只有复位后或重新上电后，才能通过控制开关再次控制输出。故障复位开关通过人为操作来实现故障复位功能。故障复位信息通过内部通讯由负载管理中心传递给主控模块，再由主控模块传递给上位计算机。

e) 状态指示：智能配电箱面板上安装有电源指示灯和故障指示灯。当系统控制电路上电正常时电源指示灯为绿色，上电异常时电源指示灯熄灭；当系统输出故障时故障指示灯为红色。

f) 信息上报：智能配电箱以固定周期向上位机发送用电设备状态、内部通讯和各输出通道的状态/故障信息。

g) 固态功率控制器（SSPC）过流、短路保护：智能配电箱所有SSPC通道具有I²T负载过流保护功能，I²T曲线满足美军标要求；SSPC通道具有负载短路保护功能，短路保护跳闸时间不大于1ms。

h) BIT检查：配电箱产品具有上电自检测（PWBIT）、周期自检测（PBIT）、维护自检测（MBIT）能力。

i) 多个MOS管安全并联技术：对于大电流用电设备，采用多个功率MOSFET并联，以此增加固态功率控制器输出电流，降低单通道功耗，并实现了多个MOS管安全并联技术。

附图说明

图1为本发明的智能配电箱实施例整体功能结构方框图。

图2为本发明的智能配电箱实施例馈电控制结构示意图。

图3为本发明的智能配电箱实施例电源模块结构示意图。

图4为本发明的智能配电箱实施例主控模块结构示意图。

图5为本发明的智能配电箱实施例固态功率控制模块结构示意图。

图6为本发明的智能配电箱实施例多个功率MOS管安全并联结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

本发明的智能配电箱实施例如图1所示。一种该智能配电箱，包括与第一电源1、第二电源2连接的电源模块5，其特征在于该智能配电箱包括主控模块9，该主控模块9的输入端与手动控制按钮13连接，该主控模块的输入端还通过第一通讯总线10和上位管理计算机连接11连接，主控模块9的输出端与多个固态功率控制模块14的控制端连接，该固态功率控制模块14的输入端还与第一馈电控制模块2和第二馈电控制模块3的输出端连接，第一馈电控制模块3的输入端与第一电源1连接，第二馈电控制模块4的输入端与第二电源2连接，每个固态功率控制模块的输出端分别与一组负载15连接，电源模块5的输出端与主控模块9和固态功率控制模块14的电源端连接。

外部馈送的第一电源1、第二电源2分别连接到第一馈电控制模块3、第二馈电控制模块4得到固态功率控制模块14的第一输入汇流条电压V1和第二输入汇流条电压V2。同时外部馈送的第一外馈电源1、第二外馈电源2经过电源模块5输出工作电源V3给主控模块9和固态功率控制模块14供电。主控模块9通过第一通讯总线10接收上位管理计算机11的指令执行各个直流负载15的开通和关断；接收外设的手动控制按钮13开关开通关断各路直流负载15；主控模块9通过第二通讯总线12与固态功率控制模块14通讯，同时采集固态功率控制模块14的上传数据来完成直流负载15供电状态监控和供电保护。固态功率控制模块14之间相互独立，相互隔离，具有过载、短路、超温等保护功能。固态功率控制模块14的通断命令可以通过两种方式实现，一是上位管理计算机11通过软件指令方式实现；一是通过手动控制按钮13来实现，两者为或的关系。

实施例中的馈电控制如图2所示。馈电控制部分包括配电输入控制接触器和输入滤波器，可有效地净化输入电源波形，负责系统输入功率电源的控制。具体电路如下：第一馈电控制模块3包括第一接触器161，第一接触器161的一端连接与第一电源1的一端，第一接触器161的另一端与第一滤波器171的一端连接，第一滤波器171的另一端为第一馈电控制模块的输出端，第一接触器161的控制端与第一信号激励器421连接。第二馈电控制模块4包括第二接触器162，第二接触器162的一端连接与第二电源2的一端，第二接触器162的另一端与第二滤波器172的一端连接，第二滤波器172的另一端为第二馈电控制模块的输出端，第二接触器162的控制端与第二信号激励器422连接。该智能配电箱设有配电优先级控制，当一级配电有效后，部分用电设备的控制输出指令和外部手动控制有效；当一级配电无效时，二级配电只提供单个用电设备供电，其它设备控制无效；当一级配电有效且二级配电均有效后，其他用电设备通过第1通讯总线10或外部手动控制按钮13可以接通或关断输出，两者控制命令采用后到命令起作用方式。一级配电和二级配电信号是由外部信号激励器得到的，当打开信号激励器42上的“一级馈电”开关，则“一级馈电”控制信号有效，当打开信号激励器42上的“二级馈电”开关，则“二级馈电”控制信号有效。

实施例中的电源模块5如图3所示。电源模块5由冗余二极管18、电源滤波器19和电源转换模块20串联连接组成，该电源模块输出的输出电压V3给主控模块和固态功率控制模块提供供电电源，增加电源滤波器19可尽量减少输入电源波动对于主控模块9和固态功率控制模块14的影响。

实施例中的主控模块9如图4所示。该主控模块9接受上位管理计算机或者手动控制按钮的信号，发出固态功率控制模块的控制信号，即固态功率控制模块中智能开关的通断命令。主控模块9主要有总线1命令处理模块23、BIT检测功能模块24、总线2命令处理模块25、电源转换功能模块26、控制模块32、故障信息记录功能模块27、控制逻辑分析功能模块28、故障复位功能模块29、状态指示功能模块30等功能模块组成。总线1命令处理模块23通过第一通讯总线10与上位管理计算机11通讯，总线2命令处理模块25通过第二通讯总线12与固态功率控制模块14通讯，主要是周期性的向上位管理计算机11发送用电设备状态、内部通讯和各输出通道的状态/故障信息；BIT检测功能模块24用于检测系统内部BIT检测结果；电源转换功能模块26用于提供主控模块所需要的各种数字、模拟电源；故障信息记录功能模块27用于当固态功率控制模块14发生短路或过流故障时，记录各直流智能开关的状态；控制逻辑分析功能模块28主要是对于外围的手动控制按钮13进行处理，将处理结果转变为固态功率控制模块的通道通断指令发送给智能开关；故障复位功能模块29接受故障复位按钮21的信号，当系统输出出现故障（过流或短路）时，通过故障复位按钮21可以复位所有输出的故障状态，只有复位后或重新上电后，才能通过控制开关再次控制输出，故障复位开关通过人为操作来实现故障复位功能。故障复位信息通过内部通讯由负载管理中心传递给主控模块，再由主控模块传递给上位计算机；故障指示功能模块30指通过故障指示灯22来表明配电箱工作状态。当内部通信故障或固态功率控制模块中智能开关35有故障时显示红色，正常工作时显示绿色。智能开关35的通断命令可以通过两种方式实现，一是上位管理计算机11通过软件指令方式实现；一是通过手动控制按钮13来实现，两者为或的关系。该主控模块9中各功能模块均为现有技术，在此不再赘述。

实施例中的固态功率控制模块14如图5所示。固态功率控制模块14包括一个负载管理中心模块34，该负载管理中心模块34通过第二通讯总线12与主控模块9连接，该负载管理中心模块34通过通讯总线与若干个智能开关通讯，该负载管理中心还通过开关命令线与智能开关的控制端连接，该智能开关的输入端与第一馈电控制模块的输出端连接，该智能开关的输出端与直流负载连接。如图5所示，该实施例中采用8路独立的智能开关模块35和辅助电源31。外部馈送的直流电源V1连接到每路智能开关模块35。8路独立的智能开关模块35接上8路直流负载15。直流固态功率控制模块14接收主控模块9通过第一通讯总线10发送的数据，经负载管理中心模块34处理后，在8路开关命令线37上传送8路直流负载15的工作模式命令至8路智能开关模块35。智能开关模块35监控直流负载15的运行状态，并把直流负载15的运行状态信息通过内部状态总线36上报至负载管理中心模块34，负载管理中心模块34查询8路智能开关模块35的状态信息，并周期地报送系统运行状态信息至主控模块9。内部的智能开关模块35具有负载电压、负载电流检测功能，有在线保护参数加载、过载、短路、超温等保护功能，有终极防线的熔断器保护、瞬态电压抑制、感性负载的续流保护等功能。通过负载管理中心模块34和智能开关模块35中的程序对系统的工作状态数据进行分析和对比，能够完成系统的BIT检测，并把系统运行状态进行反馈报送。

智能开关模块是基于MOSFET为电子开关的直流固态功率控制器。该智能开关模块本身的具体电路结构不是本发明的重点，在此不再赘述。

实施例中的智能开关模块功率回路如图6所示。智能开关模块35的功率回路主要包括多个并联连接的功率MOS管40，每个功率MOS管40的控制端通过一个安全并联电路39与驱动电路38连接，该功率MOS管40的输入端与第一馈电控制模块的输出端连接，该功率MOS管40的输出端通过采样电阻41接直流负载15。为了有效降低用电负载控制回路的压降和功耗，选择了低导通电阻的MOSFET作开关控制器件。对于大电流负载，根据MOSFET所具有的导通电阻正温度系数特性，在一个智能开关模块中采取多个MOSFET并联的方法。但多个MOSFET并联时存在着静态不均流、动态不均流、以及大电流分断谐振现象。

对于多个MOSFET并联时存在着静态不均流解决方法是：静态电流分配不均衡是由并联MOSFET的R_DS(on)不相等引起的。R_DS(on)较低的器件分担了比平均值更大的电流，它将发热得更厉害些。R_DS(on)增大，就把部分电流转移到相邻区域，以平衡电流密度。为了提高静态电流的均衡程度，具有独立外壳的MOS管并联工作时应置于同一个散热片上，且尽可能靠近，并且需要严格匹配并联器件的R_DS(on)才可以保证电流均衡。

对于多个MOSFET并联时存在着动态不均流解决方法是：对于动态均流，并联MOS管的跨导曲线必须重合。如果所有并联工作器件的栅极在同一时间具有相等的电压，但跨导曲线不是重合的，那无论是导通还是关断，各个MOS管漏极在同一时刻都会承担不同的电流。为了保证动态均流，并联工作MOS管的跨导曲线必须重合。对称的电路设计对平衡动态电流也是很重要的。从栅极驱动电压共同的输出点到栅极端子的引线长度应该尽可能相等。从MOS管源极端子到共同结点的引线应尽可能相等，而且这个共同结点应尽可能地置于地线的同一结点上。地线结点应该和辅助电源的地线等电位，且它们之间的连线应尽量短且粗。

对于多个功率MOS管并联时存在着大电流分断时的谐振现象的解决方法是：多个功率MOS管并联时存在着大电流分断时的谐振现象的原因是在同一驱动信号作用下，由于并联的多个功率MOS管其内部参数存在差异、PCB板布局的影响，使驱动信号源到各个功率MOS管的栅极长度不一，其存在的杂生电感在大电流分断时与功率MOS管的结电容将产生非阻尼的阶跃响应（谐振），继而导致振荡。故在多个功率MOS管驱动端增加安全并联电路（根据本发明的一个实施例，该安全并联电路为一电阻），通过使用同一个驱动源和独立的栅极电阻来消除寄生振荡，从而解决了大电流分断时的谐振现象。

Claims

1.一种智能配电箱，包括与第一外馈电源、第二外馈电源连接的电源模块，其特征在于该智能配电箱包括第一馈电控制模块，与第一外馈电源连接，输出第一输入汇流条电压至固态功率控制模块；第二馈电控制模块，与第二外馈电源连接，输出第二输入汇流条电压至固态功率控制模块；主控模块，该主控模块接收手动控制按钮和上位管理计算机的信号，对多个固态功率控制模块进行控制；固态功率控制模块，接收主控模块的控制信号，根据该控制信号将第一输入汇流条电压或第二输入汇流条电压输出至直流负载。

2.如权利要求1所述的智能配电箱，其特征在于该主控模块的输入端与手动控制按钮连接，该主控模块的输入端还通过通讯总线和上位管理计算机连接连接，主控模块输出端与多个固态功率控制模块的控制端连接，该固态功率控制模块的输入端还与第一馈电控制模块和第二馈电控制模块的输出端连接，第一馈电控制模块的输入端与第一外馈电源连接，第二馈电控制模块的输入端与第二外馈电源连接，每个固态功率控制模块的输出端分别与一组负载连接，电源模块的输出端与主控模块和固态功率控制模块的电源端连接。

3.如权利要求2所述的智能配电箱，其特征在于第一输入馈电控制模块包括第一配电输入控制接触器，第一配电输入控制接触器的一端连接与第一电源的一端，第一配电输入控制接触器的另一端与第一滤波器的一端连接，第一滤波器的另一端为第一输入馈电控制模块的输出端；第二输入馈电控制模块包括第二配电输入控制接触器，第二配电输入控制接触器的一端连接与第二电源的一端，第二配电输入控制接触器的另一端与第二滤波器的一端连接，第二滤波器的另一端为第二输入馈电控制模块的输出端。

4.如权利要求2所述的智能配电箱，其特征在于该配电箱还包括与第一外馈电源、第二外馈电源连接的电源模块，该电源模块由冗余二极管、电源滤波器和电源转换模块串联连接组成。