CN104079192A - 一种多路自动切换高压充电器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及充电器技术领域，具体涉及一种多路自动切换高压充电器，包括高压充电器主电路、制动模块、励磁控制模块和高压充电器控制盒，高压充电器主电路包括半控整流桥和晶闸管组件，其输入端连接三相交流电，其输出端连接有负载电容；制动模块包括三相不控整流桥和IGBT，三相不控整流桥与所述高压充电器主电路之间连接有真空继电器；励磁控制模块包括励磁回路、电流传感器和短路触点，高压充电器控制盒包括高压充电器控制板、高压充电器本地操作板和控制板用电源。本发明电磁干扰小、信号的可靠性强，整个电路辅助电路少，结构简单，体积和重量小。

Description

一种多路自动切换高压充电器

 

技术领域

本发明涉及充电器技术领域，具体涉及一种多路自动切换高压充电器。

 

背景技术

高压充电器为电容充电电源，由于恒流充电时效率最高，所以一般采用恒流充电方案，在充电的过程中，需要保持充电电流恒定，必然离不开闭环调节控制。由于高压充电器应用场合中，系统电源是发电机输出的交流电源，所以必须经过整流，首先容易想到的高压充电器控制方案就是对整流桥的控制和直流侧开关的控制，现有技术中存在常用的两种充电电路方案：三相相控整流控制和直流侧开关斩波控制。

三相相控整流控制方案中的变换器主电路采用高压晶闸管三相可控整流器，控制驱动电路是实现高效稳定充电的关键，运用DSP强大的数据处理能力及其速度优势可以提高电源控制系统的精度和实时性，满足电源的更高要求，为电源控制系统的全数字化提供必要的软硬件基础。输出电压给电容器充电，通过电流霍尔HL检测充电电流，以实现电流的闭环控制，LEM用于实现检测充电电压，（同时，电流霍尔和LEM还用于输出短路检测和充电过程中电容电压跌落等检测）。对电容器充电电流及充电电压采用双闭环控制，控制电容器以恒定的电流进行充电，充电完毕后，关断晶闸管直至下一充电周期。此方案整流桥后面需接大的平波电抗器，电抗器体积过大；系统频率较高，整流桥中晶闸管通断频繁，开关损耗较大，充电初始阶段电流很大，此时                                                会烧毁管子；充电的过程中为高压大电流，采用这种方案需要精确的控制电路，但大的电磁干扰会使控制电路无法工作。

直流侧开关斩波控制方案中的主电路分两段，由三相不控整流把从高压发电机发出的交流电DC/DC转换成直流电，然后采用可调脉宽的晶闸管斩波电路对该直流进行DC/DC变换获得符合要求的直流电给电容器充电。通过电流霍尔HL检测充电电流，以实现电流的闭环控制，电压霍尔HL用于实现检测充电电压。对电容器充电电流及充电电压采用双闭环控制，控制电容器以恒定的电流进行充电，充电完毕后，关断晶闸管直至下一充电周期。

虽然此方案去掉了大体积的平波电抗器，但是对于较高频率通断斩波用的晶闸管导致很大的也会烧毁管子；结构复杂，辅助电路较多，单管容量大，大的电磁干扰也有很大的影响。

现有技术的充电系统采用上述两种可控主电路，通常需要根据电容的充电电压的变化调整充电电流的动态输出，当系统变化速度太快或变化的时间太短时，装置的跟随速度将是一个很大的问题，电力电子装置主电路是一个较大的惯性环节，等到控制器计算完将控制信号波形发出来，到主电路开关动作完成，再经过电容或电感带来的时间常数的延时，很多时候在时间上已经晚了，导致越控制效果越差。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述缺陷，提供一种能够有效减小高压充电器体积和重量、电磁干扰小、辅助电路少，结构简单的多路自动切换高压充电器。

为实现上述目的，本发明设计的多路自动切换高压充电器，包括高压充电器主电路、制动模块、励磁控制模块和高压充电器控制盒，所述高压充电器主电路包括半控整流桥和晶闸管组件，其输入端连接三相交流电，其输出端连接有负载电容；所述制动模块包括三相不控整流桥和IGBT，所述三相不控整流桥与所述高压充电器主电路之间连接有真空继电器；所述励磁控制模块包括励磁回路、电流传感器和短路触点，所述电流传感器用于检测励磁回路电流，所述励磁回路电流的输出端连接高压充电器控制盒；所述高压充电器控制盒包括高压充电器控制板、高压充电器本地操作板和控制板用电源，所述高压充电器控制板包括电源控制器和电流检测模块，电流检测模块检测励磁回路电流，并与设定的励磁电流相比较，当达到的励磁电流时，向电源控制器发出励磁已建立信号，电流检测模块检测励磁电流判定励磁是否故障，若故障则接通短路触点，高电流检测模块检测高压充电器主电路，若发生晶闸管触发故障，则接通短路触点切断励磁回路；高压充电器本地操作板为人机接口，用于调节、控制、查阅高压充电器状态。

在上述技术方案中，所述高压充电器主电路包括三个晶闸管组件，每个晶闸管组件由四个晶闸管叠压而成，每个晶闸管组件由晶闸管驱动板驱动，每个驱动板包括四路驱动输出，所述驱动板的输入信号为串联模式，一旦其中一个或两个驱动电路出现故障，三组晶闸管均不被驱动，保证系统安全运行。

在上述技术方案中，所述高压充电器控制板采用四层板设计，高压充电器控制板的电源层和底层分别设置在不同的层，增强整个高压充电器控制板的抗干扰能力。

在上述技术方案中，所述高压充电器控制板的控制信号采用24V传输，高压充电器控制板发送端与接收端均采用光耦隔离，防止外界干扰引入高压充电器控制板。

在上述技术方案中，所述核心控制板信号的输入和输出端口都加有滤波电容，增强信号的可靠性，在输出端都接有反并联的二极管，以吸收开关过程中的续流电流，避免控制信号在长线传输时开关电流尖峰干扰，保证信号的可靠性。

本发明的主要功能是把高压储能发电机储存在转子飞轮上的机械能通过电力电子变换装置转化成电能储存在电容储能器中，以供给后面激光器发射所需的能量。具体来说，高压充电器主电路是把高压发电机所发的三相交流电经不控整流变换成带有纹波的直流电压，经控制电路通断的主开关器件IGCT直接加在电容储能器上，实现对电容的充电。由于电压是不控的，充电电流将随电容电压的上升而减小。本发明能够按要求准时通、断充电电流，达到所要求的功能。

本发明的控制器与主电路相分离，并充分考虑布线设计与接地技术，并使测量线远离强干扰源，整个高压充电器的电磁兼容性好，有效降低了电磁干扰，同时，在设计过程中，机箱壳体采用金属材料加工，并做好屏蔽设计，并且接大地。布线时考虑到易受干扰的线路尽量短，且远离大的干扰源。如高压充电器高压测量线一般远离强干扰源。

核心控制板设计通常采用四层板设计，将电源层、底层分离，增强整个控制板的抗干扰能力。控制信号采用24V传输，发送端与接收端均采用光耦隔离技术，防止外界干扰引入控制板。在信号的输入和输出端口都加有滤波电容，增强信号的可靠性。同时，为避免控制信号在长线传输时开关的电流尖峰干扰，在输出端都接有反并联的二极管，以吸收在开关过程中的续流电流，保证信号的可靠性。

本发明采用晶闸管方案采用晶闸管代替IGCT，而又不额外的增加器件，因此能够有效的减小高压充电器体积和重量。晶闸管方案未采用价格高的IGCT，而是采用了低成本的晶闸管，能够有效的减小系统成本。并且由于晶闸管自然关断，因此电路上相应的阻容吸收电路可以减少不使用，减小了成本。

  

附图说明

图1为本发明的电路原理图；

图2为本发明的系统结构图；

图3为本发明的高压充电器控制盒电路原理图；

图4为本发明的高压充电器控制板框图；

图5为本发明的IGBT驱动信号电路。

 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1和图2所示的多路自动切换高压充电器，包括高压充电器主电路、制动模块、励磁控制模块和高压充电器控制盒，高压充电器主电路包括半控整流桥和晶闸管组件，其输入端连接三相交流电，其输出端连接有负载电容；制动模块包括三相不控整流桥和IGBT，三相不控整流桥与高压充电器主电路之间连接有真空继电器；励磁控制模块包括励磁回路、电流传感器和短路触点，电流传感器用于检测励磁回路电流，励磁回路电流的输出端连接高压充电器控制盒；高压充电器控制盒包括高压充电器控制板、高压充电器本地操作板和控制板用电源，高压充电器控制板包括电源控制器和电流检测模块，电流检测模块检测励磁回路电流，并与设定的励磁电流相比较，当达到的励磁电流时，向电源控制器发出励磁已建立信号，电流检测模块检测励磁电流判定励磁是否故障，若故障则接通短路触点，高电流检测模块检测高压充电器主电路，若发生晶闸管触发故障，则接通短路触点切断励磁回路；高压充电器本地操作板为人机接口，用于调节、控制、查阅高压充电器状态。

高压充电器主电路包括三个晶闸管组件，每个晶闸管组件由四个晶闸管叠压而成，每个晶闸管组件由晶闸管驱动板驱动，每个驱动板包括四路驱动输出，驱动板的输入信号为串联模式，一旦其中一个或两个驱动电路出现故障，三组晶闸管均不被驱动，保证系统安全运行。

高压充电器控制板采用四层板设计，高压充电器控制板的电源层和底层分别设置在不同的层，增强整个高压充电器控制板的抗干扰能力。高压充电器控制板的控制信号采用24V传输，高压充电器控制板发送端与接收端均采用光耦隔离，防止外界干扰引入高压充电器控制板。核心控制板信号的输入和输出端口都加有滤波电容，增强信号的可靠性，在输出端都接有反并联的二极管，以吸收开关过程中的续流电流，避免控制信号在长线传输时开关电流尖峰干扰，保证信号的可靠性。

如图1和2所示，高压充电器主电路采用半控整流桥的拓补结构，在充电时，打开上半桥臂的T1、T2、T3，半控桥变成三相不控整流桥工作，将高压发电机发出的三相交流电变为直流电给负载电容充电。  制动模块的主要功能是为高压储能发电机的制动提供能量的泄放途径。泄放模块的主电路为三相不控整流桥与IGBT放电开关结构的拓补结构。其主要的原理与高压充电器主电路相类似。即三相不控整流桥将高压发电机发出的三相对称交流电转化为直流电，在放电时打开IGBT，此时高压发电机的旋转储能将转变为制动电阻上的热能，随着旋转储能的消耗，高压发电机转速逐渐降低，实现制动功能。同时为了控制不控整流桥上的电压，不控整流桥与高压充电器主电路之间用了真空继电器隔离，即制动前要先接通真空继电器。

  高压充电器控制盒主要由高压充电器控制板、高压充电器本地操作板和控制板用电源组成。其基本结构如图3所示。高压充电器核心控制板控制高压充电器，完成高压充电器各功能，包括充电、制动高压发电机、检测励磁回路及故障切除励磁等。高压充电器本地操作板为人机接口，使用户可以有效调节，控制，查阅高压充电器状态。

励磁控制模块为完成励磁装置功能的辅助模块。其中包括一个电流传感器和一个短路触点。电流传感器主要是检测励磁回路电流。该电流送给高压充电器控制盒，控制盒通过检测该电流，并与预设励磁电流相比较，当达到预设电流时，向电源控制器发出励磁已建立信号。短路触点是励磁电源和高压充电器的保护措施，短路触点接通则励磁电流的输出立刻变成零。高压充电器通过检测励磁电流判定励磁是否故障，若故障则接通短路触点。同时，高压充电器控制盒检测高压充电器，若发生不可控故障，如晶闸管触发故障，则立刻接通短路触点，切断高压发电机励磁，使高压发电机输出为零，从而保护整个系统的各个装置，因此短路触点的功能十分重要。

开关磁阻电机控制板框图如图4所示，主控板的设计主要根据主电路设计及整个系统的要求进行，其主要功能包括：电流、电压、温度检测、实时显示、CAN通讯、位置检测、远程I/O通信、温度开关检测、电机及控制柜风扇驱动、上电电路继电器驱动、IGBT开关信号。

IGBT接口驱动电路如图5所示，主要完成驱动信号的电平转换。IGBT的驱动信号主要有三类：驱动信号、SO信号、VL信号。驱动信号即IGBT导通关断的信号。该信号由CPLD给出，经过电平转换，转换成5V电平信号，供给驱动板。根据控制要求，共有6个驱动信号，供给3个驱动板。SO信号为驱动板反馈的故障信号，当IGBT发生过流故障时，该端口为低，故障。该端口在DSP中采用TZ中断的方式进行处理。该信号通过简单的滤波处理后接入CPLD。VL信号为驱动板的复位信号。当故障发生时，驱动板反馈故障信号SO的同时会将驱动板锁死。此时，有两种方式可令驱动板解锁。一种是继续向驱动板发送驱动信号；一种是通过VL 信号来解锁。VL信号为低时，驱动板处于复位状态，VL为高时，驱动板处于正常工作状态。当驱动板锁死时，拉低该电平，然后拉高，驱动板即可以从锁死状态复原。考虑到控制的灵活性，将该电平接入CPLD进行逻辑处理后，接入DSP（也可以直接以硬件的方式拉高，该引脚即不起复位的作用）。

本发明的晶闸管驱动原理如下：

由晶闸管的工作特性可知，晶闸管的工作条件有：

a)、晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受和种电压，晶闸管都处于关短状态。 

b)、晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。 

c)、晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。

d) 、晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。

根据晶闸管的工作条件，设计晶闸管的驱动板。

由于驱动电路对电源的稳定有严格的要求，因此在电源的输入端加入大容量的电容用于平波和去耦，在负载波动时能够提供稳定的电源。驱动板用电源为±15V电源。

电路中共有三个晶闸管组件，每个组件又有四个晶闸管叠压而成，因此，系统共有三块晶闸管驱动板，每个驱动板共有四路驱动输出。三块驱动板的输入信号采用串联模式，一旦某个驱动电路出现问题，则三组晶闸管均不被驱动，可以保证系统安全运行。

驱动板输出端直接与高压充电器主电路相连，其电压等级将达到kV等级，因此若不采取隔离措施，则对于弱电电路时非常危险的。驱动电路采用脉冲变压器进行隔离。

输入的驱动信号为一个电平信号，因此在电路中应将该信号转化为脉冲信号。采用555方波发生器产生占空比为50%的方波。输入信号通过与该信号的逻辑转换变成脉冲信号。

本发明高压充电器中选用密封和防潮性能好、温度适用范围大、功耗低的电子元器件，可以充分满足系统温度、湿度等环境的影响。其箱体制作过程中采用高强度钢型材焊接而成，经适当的热处理后，保证其具有良好的强度和刚度，能够充分缓解在行车过程中振动和冲击对电气电源分系统的影响。

本发明未做详细说明的部分为现有技术。

Claims (5)

1.一种多路自动切换高压充电器，包括高压充电器主电路、制动模块、励磁控制模块和高压充电器控制盒，其特征在于：

所述高压充电器主电路包括半控整流桥和晶闸管组件，其输入端连接三相交流电，其输出端连接有负载电容；

所述制动模块包括三相不控整流桥和IGBT，所述三相不控整流桥与所述高压充电器主电路之间连接有真空继电器；

所述励磁控制模块包括励磁回路、电流传感器和短路触点，所述电流传感器用于检测励磁回路电流，所述励磁回路电流的输出端连接高压充电器控制盒；

所述高压充电器控制盒包括高压充电器控制板、高压充电器本地操作板和控制板用电源，所述高压充电器控制板包括电源控制器和电流检测模块，电流检测模块检测励磁回路电流，并与设定的励磁电流相比较，当达到的励磁电流时，向电源控制器发出励磁已建立信号，电流检测模块检测励磁电流判定励磁是否故障，若故障则接通短路触点，高电流检测模块检测高压充电器主电路，若发生晶闸管触发故障，则接通短路触点切断励磁回路；高压充电器本地操作板为人机接口，用于调节、控制、查阅高压充电器状态。

2.根据权利要求1所述的多路自动切换高压充电器，其特征在于：所述高压充电器主电路包括三个晶闸管组件，每个晶闸管组件由四个晶闸管叠压而成，每个晶闸管组件由晶闸管驱动板驱动，每个驱动板包括四路驱动输出，所述驱动板的输入信号为串联模式，一旦其中一个或两个驱动电路出现故障，三组晶闸管均不被驱动，保证系统安全运行。

3.根据权利要求1所述的多路自动切换高压充电器，其特征在于：所述高压充电器控制板采用四层板设计，高压充电器控制板的电源层和底层分别设置在不同的层，增强整个高压充电器控制板的抗干扰能力。

4.根据权利要求3所述的多路自动切换高压充电器，其特征在于：所述高压充电器控制板的控制信号采用24V传输，高压充电器控制板发送端与接收端均采用光耦隔离，防止外界干扰引入高压充电器控制板。

5.根据权利要求3或4所述的多路自动切换高压充电器，其特征在于：所述核心控制板信号的输入和输出端口都加有滤波电容，增强信号的可靠性，在输出端都接有反并联的二极管，以吸收开关过程中的续流电流，避免控制信号在长线传输时开关电流尖峰干扰，保证信号的可靠性。