CN103618366B - 一种智能船舶充电机及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种智能船舶充电机，包括：依次连接的EMI滤波器、第一整流电路、第一滤波电路、全桥电路、变压器、第二整流电路和第二滤波电路，所述EMI滤波器连接到三相交流输入电压，所述第二滤波电路连接到蓄电池组；输出采样电路采样蓄电池组的充电电压和充电电流，输出对应的电压反馈值和电流反馈值；单片机输出电流给定值和电压给定值；双PI调节电路包括并联连接的电流PI环和电压PI环，其输出信号耦接到PWM控制器，PWM控制器输出脉冲信号耦接到所述全桥电路。本发明的智能充电机，可以实现三段充电，提高了整机效率，且控制简单，能够对充电机进行实时的监控，充电机体积变得更小、更加适合于大功率场合。

Description

一种智能船舶充电机及充电方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种充电机，还涉及一种充电方法。

背景技术

船舶是水上交通运输和水上作业的主要工具，伴随着社会的发展以及科学的进步，船舶的数目及种类越来越多，在运输业中也起着越来越重要的作用。应急蓄电池用来在主电源断电时给通信设备供电，对于海上救生有着决定性意义。应急蓄电池作为船上的应急电源，为应急照明、电话、报警系统、无线电设备等提供电力，并用来启动应急发电机、救生艇等。而现有的应急蓄电池存在着充电管理不科学的问题，严重缩短了蓄电池的寿命，船舶一旦在运行途中停电，就会陷入无处充电的境地，大大影响了运输安全；而且，现有的充电机主要采用硬开关技术，充电效率低，充电机中磁性元器件的体积和重量大，导致充电机的体积和重量无法减小。

发明内容

本发明提出一种智能船舶充电机及充电方法，解决了现有技术中应急蓄电池充电管理不科学、充电机体积大、充电效率低的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种智能船舶充电机，包括：依次连接的EMI滤波器、第一整流电路、第一滤波电路、全桥电路、变压器、第二整流电路和第二滤波电路，所述EMI滤波器连接到三相交流输入电压，所述第二滤波电路连接到蓄电池组；

所述全桥电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管和第三开关管串联连接，第二开关管和第四开关管串联连接；

输出采样电路采样蓄电池组的充电电压和充电电流，输出对应的电压反馈值和电流反馈值；

单片机输出电流给定值和电压给定值，经过D/A转换器转换为模拟信号；

双PI调节电路包括并联连接的电流PI环和电压PI环，电流PI环对电流反馈值和电流给定值进行PI调节，电压PI环对电压反馈值和电压给定值进行PI调节，最小值选择电路对电流PI环和电压PI环的输出信号的最小值进行选择，双PI调节电路的输出信号耦接到PWM控制器，与PWM控制器内部的斜波电压进行比较，调整PWM控制器输出脉冲信号的宽度，PWM控制器输出脉冲信号耦接到所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的控制端；单片机还存储有涓流参考值，当所述电流反馈值小于涓流参考值时，PWM控制器输出脉冲信号控制所述全桥电路工作在涓流充电状态。

可选地，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为IGBT晶体管。

可选地，所述第一开关管和第三开关管分别并联有反向二极管和电容器，所述第二开关管和第四开关管为逆阻型IGBT管。

可选地，所述最小值选择电路包括第一二极管和第二二极管，第一二极管的阴极连接到所述电流PI环的输出端，第二二极管的阴极连接到所述电压PI环的输出端，第一二极管的阳极和第二二极管的阳极连接在一起，作为双PI调节电路的输出端。

可选地，所述PWM控制器为UC系列控制器。

可选地，所述PWM控制器为UCC3895控制器。

可选地，所述单片机为atmega64单片机。

基于上述充电机，本发明还提出了一种智能充电方法，包括以下步骤：

步骤(a)，充电电压小于设定的电压给定值，电压PI环饱和，电流PI环起调节作用，对蓄电池组进行恒流充电；

步骤(b)，当充电电压达到设定的电压给定值时，电压PI环退出饱和状态，选择电压PI环和电流PI环的最小值作为输出值，电压PI环与电流PI环共同起调节作用；

步骤(c)，当电压PI环的输出低于电流PI环的输出，输出值取电压PI环的输出，电流PI环饱和，只有电压PI环起作用,对蓄电池组进行恒压充电；

步骤(d)，充电电流低于涓流参考值，对蓄电池组充电维持在涓流充电状态。

可选地，所述电压给定值和电流给定值通过单片机的DA口输出。

本发明的有益效果是：

(1)采用软开关技术并且运用单片机控制，能够实现充电状态自动切换，可以实现三段充电；

(2)软开关降低了开关损耗，提高了整机效率，且控制简单，能够对充电机进行实时的监控，充电机体积变得更小、更加适合于大功率场合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种智能充电机的总体结构框图；

图2为本发明一种智能充电机的主电路的一个实施例的电路图；

图3为本发明一种智能充电机的主电路的再一个实施例的电路图；

图4为图3中全桥电路的工作波形图；

图5为本发明智能充电机的双PI调节电路的控制框图；

图6为本发明智能充电机的双PI调节电路的一个实施例的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有的应急蓄电池充电管理不科学，严重缩短了蓄电池的寿命，而且现有的充电机主要采用硬开关技术，充电效率低，充电机中磁性元器件的体积和重量大。本发明的智能船舶充电机及充电方法，根据蓄电池的充放电特性对蓄电池进行三段式充电，并且能够对充电机实行实时的监控，采用软开关技术，降低开关损耗，提高充电机效率，充电机中的磁性元器件的体积和重量能够大幅下降。

如图1所示，本发明的一种智能船舶充电机，包括：依次连接的EMI滤波器12、第一整流电路13、第一滤波电路14、全桥电路20、变压器15、第二整流电路16和第二滤波电路17，EMI滤波器12连接到三相交流输入电压11，第二滤波电路17连接到蓄电池组18；输出采样电路19采样蓄电池组18的充电电压和充电电流，输出对应的电压反馈值和电流反馈值；单片机22输出电流给定值和电压给定值，经过D/A转换器转换为模拟信号；双PI调节电路30接收上述电压反馈值、电流反馈值、电流给定值和电压给定值并进行PI调节，双PI调节电路30的输出信号耦接到PWM控制器21，与PWM控制器21内部的斜波电压进行比较，调整PWM控制器输出脉冲信号的宽度，PWM控制器输出的脉冲信号控制全桥电路20中开关管的导通时间；单片机22还存储有涓流参考值，当电流反馈值小于涓流参考值时，PWM控制器21输出脉冲信号控制全桥电路20工作在涓流充电状态。单片机22可以选用atmega64单片机，电流给定值和电压给定值由MAX518进行D/A转换，电压给定值为2.82v，电流给定值为3V，可获得最大输出电压为28.2V，最大输出电流为40A。采用atmega64单片机作为核心完成显示以及通讯等功能，例如，采用SPI方式，由MAX7219驱动，数码管显示蓄电池组的充电电压和充电电流。

本发明的智能船舶充电机还包括保护电路24，通过电压、电流、温度检测电路23检测蓄电池组18的充电状态，及时对开路、短路、低电压、过电压等故障进行保护，停止工作，保护充电机安全。

如图2所示，本发明智能充电机主电路的一个实施例中，第一整流电路为三相整流桥，连接到三相交流输入，第一滤波电路为LC滤波器，包括电感L和电容C；全桥电路包括第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃和第四开关管Q₄，第一开关管Q₁和第三开关管Q₃串联连接，第二开关管Q₂和第四开关管Q₄串联连接；变压器T包括漏感L_r，第二整流电路为全波整流电路，包括二极管D_R1和二极管D_R2；第二滤波电路为LC滤波器，包括电感L_f和电容C_f，第二滤波电路连接到蓄电池组R。三相交流输入380V电压经整流和滤波后变成直流电，全桥电路每个桥臂的两个开关管(斜对角的两个开关管)180度互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个移相角。通过调节移相角的大小，来调节输出电压脉冲宽度，从而达到调节相应的输出电压的目的。

如图3所示，本发明智能充电机主电路的再一个实施例中，全桥电路的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为IGBT晶体管，第一开关管Q₁并联有反向二极管D₁和电容器C₁，第三开关管并联有反向二极管D₃和电容器C₃，第二开关管Q₂和第四开关管Q₄为逆阻型IGBT管。二极管D₁和电容器C₁、二极管D₃和电容器C₃可以是IGBT的体二极管和寄生电容，也可以是外部并联的二极管和电容。

图3中的全桥电路采用了移相全桥软开关技术，把谐振变换技术和普通的PWM变换技术相结合，可以使开关器件在较低的电压、电流应力下实现软开关。软开关ZVS指的是开关管在开通或关断前管压降已经为零，从而实现导通损耗和关断损耗为零。下面结合图4对图3中全桥电路的工作状态进行详细说明。

(1)开关模态0

t₀之前：Q₁和Q₄导通，输入功率传递给负载，这段时间内原边的电流i_p给隔直电容C_b充电，隔直电容C_b上的电压线性上升。

t₀时刻，Q₁关断，进入开关模态1。

(2)开关模态1[t₀，t₁]

t₀时刻，Q₁关断，电流向Q₁、Q₃的结电容C₁、C₃转移，C₁充电，C₃放电，开关管Q₁两端的电压线性上升。C₁、C₃限制了Q₁两端电压的上升率，Q₁实现了ZVS关断。t₁时刻，C₃上的电压下降至零，随后D₃导通进入开关模态2。

(3)开关模态2[t₁，t₂]

t₁时刻，C₃上的电压下降至零，随后Q₃的反并二极管D₃导通续流，Q₃两端的电压被钳位到零，这时开通Q₃，所以Q₃是零电压导通。Q₃导通以后桥路之间的电压U_AB被钳位到零，隔直电容上的电压加到漏感L_r上，这期间，初级电流i_p线性下降。漏感L_r中的能量返回到隔直电容，变压器副边的两个整流二极管D_R1、D_R2同时导通。

(4)开关模态3[t₂，t₃]

t₂时刻，i_p下降至零，力图变为负。但是由于滞后臂Q₂和Q₄采用的是逆阻性IGBT，阻隔了负向电流，所以i_p维持为零。在这期间，隔直电容的电压维持不变，Q₄仍然导通，但是没有电流流过。t₃时刻，Q₄零电流关断。副边两个二极管同时导通，均分负载电流。

(5)开关模态4[t₃，t₄]

Q₄零电流关断以后，初级的电流i_p仍为零，负载电流沿着D_R1、D_R2续流，在很小的延时t₄时刻，Q₂零电流开通。

(6)开关模态5[t₄，t₅]

t₄时刻，Q₂开通，由于漏感的存在，初级电流不能突变，所以Q₂的导通过程也是零电流开通。Q₂导通以后，初级电流i_p线性增加，所有负载电流均流过D_R2向负载提供能量。

t₅～t₆期间，Q₂、Q₃导通，输入功率传递给负载。[t₆，t₇]时段与[t₀，t₁]时段类似。

如图5所示，双PI调节电路30包括并联连接的电流PI环31和电压PI环32，电流PI环31对电流反馈值和电流给定值进行PI调节，电压PI环32对电压反馈值和电压给定值进行PI调节，最小值选择电路33对电流PI环31和电压PI环32的输出信号的最小值进行选择，双PI调节电路的输出信号耦接到PWM控制器21，与PWM控制器21内部的斜波电压进行比较，调整PWM控制器21输出脉冲信号的宽度，PWM控制器21输出脉冲信号耦接到第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃和第四开关管Q₄的控制端。

双PI调节电路可以实现电流PI环和电压PI环的自动切换，充电开始以后，从单片机的DA口给出电流给定值基准和电压给定值基准；在刚开始充电的时候，充电电压达不到设定的基准，电压PI环饱和，这个阶段只有电流PI环起作用，也就是充电机在进行恒流充电，充电电压逐渐上升；当充电电压达到设定的基准时，电压PI环退出饱和状态，电压PI环和电流PI环共同起作用，选择最小值输出；当电压PI环的输出低于电流PI环的输出的时候，最终输出值取电压PI环的值，此时电流PI环饱和，只有电压PI环起作用，此后进行恒压充电，从而完成切换，电流PI环与电压PI环的切换是一个最小值选取的过程。

如图6所示，最小值选择电路33包括第一二极管34和第二二极管35，第一二极管34的阴极连接到电流PI环31的输出端，第二二极管35的阴极连接到电压PI环32的输出端，第一二极管34的阳极和第二二极管35的阳极连接在一起，作为双PI调节电路的输出端。

PWM控制器21输出四路互补的驱动信号，驱动信号经过图腾柱放大和隔离变压器隔离驱动IGBT，双PI调节电路30的输出端连接到PWM控制器21，该电压与PWM控制器内部的斜波电压进行比较，调整PWM控制器输出脉冲信号的宽度，驱动发生移相、从而稳定输出电压。PWM控制器可以选用UC系列控制器，例如UCC3895控制器，双PI调节电路30的输出端连接到UCC3895的脚EAP，该电压与UCC3895内部的斜波电压进行比较。

基于上述智能船舶充电机，本发明还提供了一种智能充电方法，包括以下步骤：

步骤(a)，充电电压小于设定的电压给定值，电压PI环饱和，电流PI环起调节作用，对应急电源进行恒流充电；

步骤(b)，当充电电压达到设定的电压给定值时，电压PI环退出饱和状态，选择电压PI环和电流PI环的最小值作为输出值，电压PI环与电流PI环共同起调节作用；

步骤(c)，当电压PI环的输出低于电流PI环的输出，输出值取电压PI环的输出，电流PI环饱和，只有电压PI环起作用，对应急电源进行恒压充电；

步骤(d)，充电电流低于涓流参考值，对应急电源充电维持在涓流充电状态。

上述步骤中，电压给定值和电流给定值通过单片机的DA口输出。

下面给出本发明的智能船舶充电机给蓄电池组充电的一个具体实施例，根据不同的蓄电池组，充放电曲线可通过软件编程进行调整。

开启后，充电机软启动，电压从蓄电池组放电下限21.6V(可编程调节)开始上升，充电电流逐步增大到额定恒流值，电源进入恒流充电过程，此后充电电压逐渐上升到均充电压值28.2V(可编程调节)，恒流充电过程一般约1-2小时；然后，充电机进入均衡充电过程，在此过程充电电流逐渐缓慢下降，充电机退出恒流工作，充电机电压不变，进入到恒压均衡充电状态，约需4-6小时；随着电流进一步减小到额定电流的十分之一时，充电机自动判断为蓄电池已充好，充电机自动转为涓流充电阶段，此时输出电压为26.4V，充电电流进一步减小甚至为零，在没有外部变化的情况下，一直维持在涓流充电状态，以补偿蓄电池自放电造成的电量损失。整个充电过程可以根据蓄电池电量选择充电阶段，并可按编程设定的工作模式工作。

本发明提出了一种采用软开关技术并且运用单片机控制的智能充电机，能够实现充电状态自动切换，与传统的充电机相比，可以实现三段充电，软开关的实现降低了开关损耗，提高了整机效率，且控制简单，能够对充电机进行实时的监控，充电机体积变得更小、更加适合于大功率场合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种智能船舶充电机，其特征在于，包括：依次连接的EMI滤波器、第一整流电路、第一滤波电路、全桥电路、变压器、第二整流电路和第二滤波电路，所述EMI滤波器连接到三相交流输入电压，所述第二滤波电路连接到蓄电池组；

所述全桥电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管和第三开关管串联连接，第二开关管和第四开关管串联连接；

输出采样电路采样蓄电池组的充电电压和充电电流，输出对应的电压反馈值和电流反馈值；

单片机输出电流给定值和电压给定值，经过D/A转换器转换为模拟信号；

双PI调节电路包括并联连接的电流PI环和电压PI环，电流PI环对电流反馈值和电流给定值进行PI调节，电压PI环对电压反馈值和电压给定值进行PI调节，最小值选择电路对电流PI环和电压PI环的输出信号的最小值进行选择，双PI调节电路的输出信号耦接到PWM控制器，与PWM控制器内部的斜坡电压进行比较，调整PWM控制器输出脉冲信号的宽度，PWM控制器输出脉冲信号耦接到所述第一开关管的控制端、第二开关管的控制端、第三开关管的控制端和第四开关管的控制端；单片机还存储有涓流参考值，当所述电流反馈值小于涓流参考值时，PWM控制器输出脉冲信号控制所述全桥电路工作在涓流充电状态；

所述最小值选择电路包括第一二极管和第二二极管，第一二极管的阴极连接到所述电流PI环的输出端，第二二极管的阴极连接到所述电压PI环的输出端，第一二极管的阳极和第二二极管的阳极连接在一起，作为双PI调节电路的输出端。

2.如权利要求1所述的智能船舶充电机，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为IGBT晶体管。

3.如权利要求2所述的智能船舶充电机，其特征在于，所述第一开关管和第三开关管分别并联有反向二极管和电容器，所述第二开关管和第四开关管为逆阻型IGBT管。

4.如权利要求1所述的智能船舶充电机，其特征在于，所述PWM控制器为UC系列控制器。

5.如权利要求4所述的智能船舶充电机，其特征在于，所述PWM控制器为UCC3895控制器。

6.如权利要求1所述的智能船舶充电机，其特征在于，所述单片机为atmega64单片机。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述充电机的智能充电方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(a)，充电电压小于设定的电压给定值，电压PI环饱和，电流PI环起调节作用，对蓄电池组进行恒流充电；

步骤(b)，当充电电压达到设定的电压给定值时，电压PI环退出饱和状态，选择电压PI环和电流PI环的最小值作为输出值，电压PI环与电流PI环共同起调节作用；

步骤(c)，当电压PI环的输出低于电流PI环的输出，输出值取电压PI环的输出，电流PI环饱和，只有电压PI环起作用，对蓄电池组进行恒压充电；

步骤(d)，充电电流低于涓流参考值，对蓄电池组充电维持在涓流充电状态。

8.如权利要求7所述的充电方法，其特征在于，所述电压给定值和电流给定值通过单片机的DA口输出。