CN104124743B - 一种蓄电池充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄电池充电装置，该充电装置包括：相控整流电路，其与外部交流电源连接，用于将外部交流电源输出的交流电转换为直流电，其中，相控整流电路根据获取到的蓄电池充电信号按照预设电流曲线调整输出的直流电的电流；滤波电路，其与相控整流电路连接，用于对直流电进行滤波；电流倒灌保护电路，其连接在蓄电池与滤波电路之间，用于防止蓄电池输出的电流向滤波电路倒灌。本发明既能够保证蓄电池既能够快速充电，又能够保证充电过程的安全性和可靠性。同时本发明同时还大大提升了系统的控制速度和控制精度，实现了强电的高精度、高稳定性控制，从而满足了内燃机车恶劣运行条件对控制系统的高要求。

Description

一种蓄电池充电装置

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种蓄电池充电装置。

背景技术

目前国内的内燃机车采用辅助直流发电机来对车载蓄电池进行充电。辅助直流发电机输出的直流电源会经微机辅助电压调节系统的调节后输送到蓄电池，而微机辅助电压调节系统能够在柴油机的所有转速范围内，输出110V直流电源用来作为蓄电池充电电源，并向机车上其他辅助设备供电。

但随着性能更佳的交流发电机的广泛运用和节能的需要，辅助交流发电机正逐渐代替辅助直流发电机，各种适应辅助交流发电机的辅助设备已经广泛应用。但由于内燃机车工况复杂、运行条件恶劣等因素的影响，能够满足内燃机车工况要求，并将辅助交流发电机输出的交流电源转化为稳定的直流电源输出给蓄电池充电的装置一直未出现，因此也就出现了一台机车上辅助交流发电机给辅助设备供电和辅助直流发电机给蓄电池充电并存的局面。

当前的辅助直流发电机的电压采用运算放大器等模拟电路器件进行恒压控制，无法对充电电流进行控制。而当蓄电池馈电比较严重时，恒压控制会出现几百安培的充电电流，这样对蓄电池的伤害很大，影响蓄电池的寿命。

基于上述情况，亟需一种有效、可靠地对机车车载蓄电池进行充电的装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种蓄电池充电装置，所述充电装置包括：

相控整流电路，其与外部交流电源连接，用于将所述外部交流电源输出的交流电转换为直流电，其中，所述相控整流电路根据获取到的蓄电池充电信号按照预设电流曲线调整输出的直流电的电流；

滤波电路，其与所述相控整流电路连接，用于对所述直流电进行滤波，

电流倒灌保护电路，其连接在蓄电池与所述滤波电路之间，用于防止所述蓄电池输出的电流向所述滤波电路倒灌。

根据本发明的一个实施例，所述相控整流电路包括：

整流电路，其用于将所述外部交流电源输出的交流电转换为直流电；

信号采集电路，其与所述整流电路的输入端和蓄电池连接，用于检测输入到所述整流电路的整流输入信号以及所述蓄电池的蓄电池充电信号；

相控控制电路，其与所述整流电路和信号采集电路连接，用于根据所述整流输入信号和蓄电池充电信号产生相应的控制信号，控制所述整流电路产生需要的电流。

根据本发明的一个实施例，所述蓄电池充电信号包括蓄电池充电电压和蓄电池充电电流。

根据本发明的一个实施例，所述相控控制电路根据所述整流输入信号将每个周期分为预设数量的工作区间，在每个工作区间中，所述相控控制电路根据蓄电池充电电压和预设目标充电电压产生目标充电电流，并根据所述蓄电池充电电流和目标充电电流产生触发角信号，进而根据所述触发角信号产生相应的控制信号。

根据本发明的一个实施例，所述相控控制电路包括：

第一控制器，其与所述信号采集电路连接，用于根据所述蓄电池充电信号产生触发角信号；

第二控制器，其连接在所述第一控制器与所述整流电路之间，用于根据所述触发角信号产生相应的控制信号。

根据本发明的一个实施例，在每个工作区间中：

所述第一控制器根据当前工作区间的触发角信号产生相应的以预设时长为单位的计数阈值，并将所述计数阈值传输给所述第二控制器；

所述第二控制器计算前一周期所述蓄电池充电电流的有效值，并将所述有效值传输给所述第一控制器，所述第二控制器还根据所述计数阈值进行计数，当计数达到所述计数阈值时，产生并输出相应的控制信号；

第一控制器根据所述蓄电池充电电压和预设目标充电电压按照预设电流曲线产生目标充电电流，并根据所述蓄电池充电电流的有效值和目标充电电流，计算下一工作区间的触发角信号。

根据本发明的一个实施例，所述预设电流曲线包括：

$I=\left\{\begin{array}{cc}{I}_1& 0\&le;U\&le;U_2\\ I_1-\frac{I_1}{U_1-U_2}(U-U_2)& U_2<U\&le;U_1\end{array}\right.$

其中，I表示目标充电电流，U表示蓄电池充电电压，U₁表示目标充电电压，U₂表示中间电压，I₁表示最大充电电流。

根据本发明的一个实施例，每个周期中工作区间的数量为6个，所述预设时长为0.5μs。

根据本发明的一个实施例，所述相控控制电路还包括：

信号同步电路，其与所述信号采集电路连接，用于根据所述整流输入信号产生同步信号，并将所述同步信号传输到所述第一控制器和第二控制器，以供所述第一控制器和第二控制器进行信号同步。

根据本发明的一个实施例，所述整流电路贴合设置在散热器上。

根据本发明的一个实施例，所述信号采集电路还包括：

温度采集电路，其设置在所述散热器上，电连接与所述相控控制电路，用于检测所述散热器的温度，并将产生的温度信号传输给所述相控控制电路。

根据本发明的一个实施例，所述滤波电路包括LC滤波电路，所述LC滤波电路包括第一电感、第二电感、第一电容和放电电阻，其中，

所述第一电感连接在所述相控整流电路的输出端正极与所述电流倒灌保护电路的输入端正极之间，所述第二电感连接在所述相控整流电路的输出端负极与所述电流倒灌保护电路的输入端负极之间，所述第一电容连接在所述电流倒灌保护电路的输入端正负极之间，所述放电电阻与所述第一电容并联。

根据本发明的一个实施例，所述电流倒灌保护电路包括二极管，所述二极管的正极与所述滤波电路的输出端正极连接，负极与所述蓄电池的正极连接。

为了解决现有的蓄电池充电电路因采用恒压控制方式而导致在蓄电池馈电严重时所产生的大电流对蓄电池造成损害的缺陷，本发明所提供的蓄电池充电装置能够给根据获取到的蓄电池充电信号按照预设电流曲线调整输出的直流电的电流，从而实现对蓄电池的可靠充电。

本发明实现了控制速度从传统的相控控制一个周期调节一次到现在的一个周期调节六次的提升，同时实现了控制精度从传统芯片的10us级别(中断控制周期小于10us的系统，中断将占用系统绝大部分时间，无法完成其他任务)提高到0.5us的级别的提升。由于第一控制器和第二控制器的这种高准确度的紧密配合，所以大大提升了系统的控制速度和控制精度，实现了强电的高精度，高稳定性控制，从而满足了内燃机车恶劣运行条件对控制系统的高要求。

本发明所提供的蓄电池充电装置在对蓄电池进行充电的初期，蓄电池充电装置输入到蓄电池的电流保持在最大充电电流。随着蓄电池的充电，蓄电池两端的电压升高。而当蓄电池的电压达到中间电压时，此时如果继续保持最大充电电流来对蓄电池进行充电，将可能损坏蓄电池。所以本装置此时会随着蓄电池的电压升高而慢慢减小蓄电池充电电流，从而保证蓄电池既能够快速充电，又能够保证充电过程的安全性和可靠性。

本发明所提供的蓄电池充电装置还包括有滤波电路，以用于对相控整流电路输出的直流电进行滤波，以减小该直流电中电压和电流的纹波系数，从而提高蓄电池的充电效率和使用寿命。

此外，本发明所提供的蓄电池充电装置还配备了相应的监控调试软件，以用于帮助应用系统的调试。在进行控制系统了运行或调试时，通过监控调试软件，监控系统特定的运行参数，进行控制软件的调试、修改和完善。本装置采用程序在线下载技术，使应用程序可在现场进行自动下载，这给系统调试、维护带来了极大的方便。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

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的附图做简单的介绍：

图1是现有的直流发电机充电原理图；

图2是根据本发明一个实施例的蓄电池充电装置的结构图；

图3是根据本发明一个实施例的相控控制电路的结构图；

图4是根据本发明一个实施例的相控控制电路的控制流程图；

图5是根据本发明一个实施例的预设电流曲线图；

图6是根据本发明一个实施例的整理输入信号的示意图；

图7是根据本发明一个实施例的相控控制电路的工作流程图；

图8是根据本发明一个实施例的信号驱动电路的电路原理图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

国产内燃机车的蓄电池通常采用辅助直流发电机的输出电压直接充电。图1示出了现有的直流放电机充电电路的原理图。如图1所示，减法器102将辅助直流发电机101的输出电压反馈值与预设110V直流电压进行比较得到二者的差值，模拟电路103(例如运算放大器等)根据此差值来调节MOS管104的通断，从而将辅助直流发电机101输出直流电压的恒定在110V。

现有的蓄电池充电电路的这种模拟控制方式有诸多不足，因为恒压控制无法对充电电流进行控制，在蓄电池馈电严重时的大电流对蓄电池伤害大，严重影响了蓄电池的寿命。同时，电阻、电容、运算放大器等模拟器件随着温度变化和工作时间增加，参数会产生漂移，从而导致控制性能降低。

此外，现有的蓄电池充电电路中所使用的模拟控制电路采用了继电器等体积较大、寿命较短的器件，带来了维护工作量较大等方面的不足。而且，现有的充电电路因使用模拟控制电路，这也造成了电路很难升级换代，难以实现先进的控制算法及各种完善的保护功能，一旦出现新的功能需求，往往需要对硬件进行大幅更改，甚至重新设计，从而成本较高，竞争力不强。

为了解决现有的蓄电池充电电路所存在的诸多缺陷，同时考虑到交流发电机的性能以及技能方面的优势，所以本发明提供了一种新的基于交流发电机的蓄电池充电装置，图2示出了本实施例中该蓄电池充电装置的结构图。

如图2所示，本实施例中，蓄电池充电装置200连接在辅助交流发电机201与蓄电池206之间。其中，蓄电池充电装置200包括三相变压器202、相控整流电路203、滤波电路204和电流倒灌保护电路205。

三相变压器202连接在外部交流电源(即辅助交流发电机201)与相控整流电路203之间，用于将外部交流电源输出的交流电转换为满足相控整流电路要求的交流电。

本实施例中，三相变压器202采用D/Y的电力形式，输入为1个D绕组，输入电压为三相AC177V/53Hz～AC400V/120Hz交流电压，输出为Y绕组，输出电压为三相AC93V/53Hz～AC210V/120Hz交流电压，绕组容量为62kVA。三相变压器202在进行电压转换的同时，还能够起到电气隔离的作用。

当然，在本发明的其他实施例中，三相变压器202的参数还可以根据实际需要采用其他合理的参数，本发明不限于此。

相控整流电路203接收三相变压器202传输来的交流电，并将该交流电转换为直流电进行输出。为了解决现有的蓄电池充电电路因采用恒压控制方式而导致在蓄电池馈电严重时所产生的大电流对蓄电池206造成损害的缺陷，本实施例所提供的相控整流电路203能够给根据获取到的蓄电池充电信号按照预设电流曲线调整输出的直流电的电流，从而实现对蓄电池的可靠充电。

滤波电路204与相控整流电路203连接，用于对相控整流电路203输出的直流电进行滤波，以减小该直流电中电压和电流的纹波系数，从而提高蓄电池的充电效率和使用寿命。

如图2所示，本实施例中，滤波电路204采用了LC滤波电路，具体地，包括第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1。其中，第一电感L1连接在相控整流电路203的输出端正极与电流倒灌保护电路205的输入端正极之间，第二电感L2连接在相控整流电路203的输出端负极与电流倒灌保护电路205的输入端负极之间，第一电容C1连接在电流倒灌保护电路205的输入端正负极之间。

相控整流电路203输出的直流充电电能的电压和电流的纹波系数较大，而通过滤波电路204能够有效减小电压和电流的纹波系数，从而提高了直流充电电能的质量。

本实施例中，滤波电路204还包括放电电阻R1，该电阻与第一电容C1，并联。放电电阻R1不仅可以作为一个固定假负载，同时还可以构成放电回路来释放第一电容C1上的电压。

当相控整流电路203输出的电压小于蓄电池206的输出电压时，会出现蓄电池206反向放电的现象，也就是出现电流倒灌现象。电流倒灌现象会对蓄电池充电装置以及发电机造成大面积损伤。同时，如果蓄电池206持续向外部放电，还会造成蓄电池的深度放电，这会降低蓄电池的使用寿命和使用效率。

为了解决上述问题，本实施例所提供的蓄电池充电装置设置了电流倒灌保护电路205。如图2所示，电流倒灌保护电路205连接在滤波电路204与蓄电池206之间，用于防止蓄电池输出的电流向滤波电路倒灌。

具体地，本实施例中，电流倒灌保护电路205采用了二极管D1，其中，二极管D1的正极与滤波电路204的输出端正极连接，负极与蓄电池206的正极连接。由于二极管D1的单向导通的特性，蓄电池充电装置200输出的直流充电电能能够正常输出到蓄电池206，从而对蓄电池206进行充电。而蓄电池206输出的电流则无法流向蓄电池充电装置200，从而对蓄电池充电装置200中的各个元器件以及辅助交流发电机201起到保护作用。

此外，机车中的生活用电大功率负载都连接在二极管D1之前，即二极管D1的正极端，并由蓄电池充电装置200直接供电。当蓄电池充电装置200出现故障无输出时，此时蓄电池206的输出端的电压将会高于蓄电池充电装置200输出端的电压。此时，二极管D1则能够防止蓄电池206直接给机车中的生活用电大功率负载供电，从而避免了由于蓄电池206深度放电而导致机车无法起机的情况。

为了更清楚的阐述本发明的目的、原理以及优点，以下结合图3所示出的相控整流模块的原理图来对相控整流模块如何进行整流作进一步地说明。

如图3所示，本实施例中，相控整流模块包括整流电路301、信号采集电路302、相控控制电路303以及信号驱动电路304。其中，整流电路301的输入端与三相变压器的输出端连接，输出端与滤波电路连接。整流电路301在相控控制电路的控制下调节所输出的电流和/或电压，来对蓄电池进行可靠充电。本实施例中，整流电路301采用三相全桥整流电路，当然，在本发明的其他实施例中，整流电路还可以采用其他合理的电路形式，本发明不限于此。

信号采集电路302包括蓄电池信号采集电路302a和整流电路信号采集电路302b。其中，蓄电池信号采集电路302a与蓄电池的输出端连接，用于采集蓄电池充电信号，而整流电路信号采集电路与整流电路的输入端连接，用于采集输入到整流电路301的整流输入信号。

本实施例中，蓄电池充电信号包括蓄电池充电电压和蓄电池充电电流，而整流输入信号包括整流输入电压。需要说明的是，在本发明的其他实施例中，蓄电池充电信号和整理输入信号根据实际需要，还可以采用其他合理的信号，本发明不限于此。

相控控制电路303根据蓄电池充电电压和预设目标充电电压产生目标充电电流，并根据蓄电池充电电流和目标充电电流产生触发角信号，并根据触发角信号产生相应的控制信号，来控制整流电路301产生所需要的电流和电压，从而实现对蓄电池的充电。

传统的蓄电池充电方式有两种，即恒流充电模式和恒压充电模式。

恒流充电模式是以恒定的电流给蓄电池充电。在蓄电池充电的初始阶段，韩流充电模式因为充电电流较大，所以能够快速有效的充电。而随着蓄电池的电能越来越趋于饱和状态，蓄电池电压越来越高，若仍然保持着充电电流不变，则充电器的输出功率越来越大。而此时蓄电池能接受的充电功率越来越小，若不改变充电电流则会将蓄电池冲爆，引起蓄电池过压保护。

恒压充电模式即以保持蓄电池电压不变为目标，通过改变充电电流，将蓄电池电池始终稳定在目标值。但是此模式只适用于蓄电池充电的后期阶段，因为在初期蓄电池馈电比较严重的时候，若保持蓄电池电压为目标值，需要很大的充电电流，而这会引起蓄电池充电过流保护。

在蓄电池充电初期阶段，蓄电池馈电严重，因此恒流充电能够很好地满足要求，而随着蓄电池越来越饱和，出现了蓄电池过压，因此需要引入恒压充电。而从恒流模式到恒压模式的转变过程中，由于充电电流的急剧减小导致蓄电池电压迅速下降，为了保持蓄电池电压不变，因此又必须快速增大充电电流。而增大充电电流后马上又满足了从恒流模式到恒压模式的转变条件，这样就出现了一个震荡，充电电流忽大忽小。

同时，当其他车载用电设备为大功率设备时，在投入使用时，负载电流需要快速增大，以供用电设备使用。由于蓄电池类似于一个超大容量的电容，蓄电池电压并不会快速变化。所以在恒压模式下，相控整流充电装置的输出电流也就不会快速增大。因此此时将会出现大功率用电设备突然断电的情况。

此外，将交流整流后的直流电压直流作为控制对象，用于反馈，需要实时采集大量的数据来计算有效值，对数据的采集要求很高，否则会出现控制不稳的现象。

因此，纯粹的恒流充电和恒压充电不能满足机车的控制需求，因此本实施例提供的相控控制电路能够实时调整输出到蓄电池的充电电流，其控制流程图如图4所示。

如图4所示，本实施例中，首先在步骤S401中根据蓄电池充电电压U和目标充电电压U₁，计算目标充电电流I。其中，蓄电池充电电压U可以由蓄电池充电信号采集电路320a采集得到，其表示的是蓄电池两端的电压，而目标充电电压U₁是根据所采用的蓄电池的性能参数预设的。

本实施例中，目标充电电流I可以根据如下公式计算得到：

$I=\left\{\begin{array}{cc}{I}_1& 0\&le;U\&le;U_2\\ I_1-\frac{I_1}{U_1-U_2}(U-U_2)& U_2<U\&le;U_1\end{array}\right.---$

其中，U₂表示中间电压，I₁表示最大充电电流，这两个参数均可以根据所采用的蓄电池的性能参数确定。

随后在步骤S402中，根据目标充电电流I和蓄电池充电电流I'，产生触发角α。最后在步骤S403中，根据触发角α产生相应的控制信号，来控制整流电路以目标充电电流I来为蓄电池进行充电。

本实施例中，蓄电池充电电流随蓄电池电压的变化曲线如图5所示，从图5中可以看出，本实施例所提供的蓄电池充电方式在对蓄电池进行充电的初期，蓄电池充电装置输入到蓄电池的电流保持在最大充电电流I₁。随着蓄电池的充电，蓄电池两端的电压升高。而当蓄电池的电压达到中间电压U₂时，此时如果继续保持最大充电电流I₁来对蓄电池进行充电，将可能损坏蓄电池。所以本方式此时随着蓄电池的电压升高而慢慢减小蓄电池充电电流，从而保证蓄电池既能够快速充电，又能够保证充电过程的安全性和可靠性。

此外，当有其他的负载突投突切时，蓄电池充电电流I'也将发生突变。此时通过调节触发角α，使蓄电池充电电流I'趋近于目标充电电流I，从而满足其他负载的实时供电需求。这样也就避免了现有的蓄电池充电装置因其他用电负载的突投突切而引起的用电负载断电现象。

再次如图3所示，本实施例中，相控控制电路303包括第一控制器303a和第二控制器303b。其中，第一控制器303a与信号采集电路连接，用于根据所述蓄电池充电信号产生触发角信号。第二控制器303b连接在所述第一控制器与所述整流电路之间，用于根据第一控制器303a产生的触发角信号产生相应的控制信号，以控制整流电路301产生所需要电流大小的直流电，从而为蓄电池充电。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，第一控制器还可以通过其他合理的连接方式来获取蓄电池充电信号，例如第一控制器还可以通过第二控制器由信号采集电路来获取蓄电池充电信号，本发明不限于此。

本实施例中，第一控制器303a产生的控制信号为PWM脉冲信号。当然，在本发明的其他实施例中，该控制信号还可以为其他合理形式的信号，本发明不限于此。

为了使得第一控制器303a和第二控制器303b在工作时时间能够同步，从而保证二者能够正常地进行交互工作，本实施例中，相控控制电路还包括信号同步电路304。信号同步电路304能够对接收到的信号采集电路302采集到的整流输入信号进行处理后产生同步信号，第一控制器303a和第二控制器303b根据该信号来进行信号同步。当然，在本发明的其他实施例中，第一控制器和第二控制器还可以采用其他合理的方式进行信号同步，例如通过GPS信号进行同步等，本发明不限于此。

为了适应内燃机车的恶劣运行环境，达到高精度、高稳定性、智能充电的目的，本实施例中，第一控制器303a和第二控制器303b分别采用了大容量、高性能的FPGA芯片XC3S400-4FT256芯片和浮点型的高性能DSP28335处理芯片。这样充分利用DPS芯片强大的数据处理性能以及FPGA芯片的高速并行运行的特点，实现了对目标的高精度、高稳定性的控制，从而保证了本装置能够适应多种恶劣运行环境，从而提高了本装置的可靠性和实用性。

为了更清楚的阐述本发明的目的、原理以及优点，以下结合图6所示出的整流电路的三相输入电源以及图7所示出的相控控制电路的工作流程图来对相控控制电路如何工作作进一步地说明。

如图6所示，本实施例中，三相输入电源的A相、B相和C相为正弦交流电，每相之间相差120°。此时标记每相电源过零点的时刻分别为t1'～t6，一个周期内的6次脉冲触发角分别为α1～α6，α1～α6分别表示t1～t6时刻开始到产生触发脉冲这段时间所对应的电角度。

DSP的工作任务流程如图7中虚线左侧所示，FPGA的工作任务流程如图7中虚线右侧所示，一个周期可以分为6个工作区间，如图6中t6'～t6为一个工作周期，其中t6'～t1为第1工作区间，t1～t2为第2工作区间。以此类推，每个工作区间产生的触发角分别为α1～α6，在FPGA中有6个独立的计数器C1～C6。

如图7所示，本实施例中，DSP与FPGA的在一个周期内的工作流程包括：

步骤1、DSP和FPGA完成初始化及其它的准备任务；

步骤2、当t1时刻到达时，DSP中将当前工作区间的的触发角α1换算成当前频率下以预设时长(例如0.5us)为单位的计数阈值N1，并且传递给FPGA，FPGA中的计数器C1根据N1进行计时；

步骤3、FPGA计算前一周期(即t1'～t1时间段)的蓄电池充电电流的有效值，并将该有效值传输给DSP，FPGA还根据计数阈值N1进行计时，并在计数达到该计数阈值N1时，产生并输出相应的控制信号，并将计数器C1清零；

步骤4、DSP根据蓄电池充电电压和预设目标充电电压按照预设电流曲线产生目标充电电流，并根据该目标充电电流和前一周期的蓄电池充电电流的有效值进行PID计算，得到最新的脉冲触发角α2；

步骤5、当t2～t6时刻到达后，分别重复进行步骤2～步骤4的过程5次，直到完成一个周期的脉冲触发；

步骤6、在下一个周期内，重复步骤2～步骤5，如此循环往复，反馈的实际充电电流在PID计算的调节下，逐步逼近目标充电电流，从而达到控制目的。

步骤7、当收到停止工作的指令或者机车停机，又或者故障保护等需要停止工作的情况下，封锁控制信号的输出。

本实施例中，FPGA所输出的控制信号为触发脉冲。当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，控制信号也可以其他合理形式的信号，本发明不限于此。

蓄电池充电装置的输入电压(辅助发电机输出的三相交流电)变化速度快，变化幅度大，并且频率变化快。以最常用的柴油机和辅助发电机为例，当机车手柄位快速从1位到8位变化时，柴油机在400～1000r/min变化，辅助交流发电机输出160～400V的交流电压，辅助交流发电机频率从40～100Hz变化，这对装置的控制速率要求很高，否则很容易出现过流过压。

本实施例中，利用DSP芯片和FPGA芯片两者都能准确捕捉同步信号的过零点、DSP的高速数据计算以及FPGA的高速并行计算，定时精度高等特点，实现了控制速度从传统的相控控制一个周期调节一次到现在的一个周期调节六次的提升，同时实现了控制精度从传统芯片的10us级别(中断控制周期小于10us的系统，中断将占用系统绝大部分时间，无法完成其他任务)提高到0.5us的级别的提升。由于DSP和FPGA的这种高准确度的紧密配合，所以大大提升了系统的控制速度和控制精度，实现了强电的高精度，高稳定性控制，从而满足了内燃机车恶劣运行条件对控制系统的高要求。

同时，针对上述相控控制方式，本实施例所提供的蓄电池充电装置还配备了相应的监控调试软件，以用于帮助应用系统的调试。在进行控制系统了运行或调试时，通过监控调试软件，监控系统特定的运行参数，进行控制软件的调试、修改和完善。系统采用程序在线下载技术，使应用程序可在现场进行自动下载，这给系统调试、维护带来了极大的方便。

为了提高相控控制电路303所输出的控制信号的驱动能力，如图3所示，本实施例所提供的蓄电池充电装置还包括信号驱动电路305。具体地，信号驱动电路305连接在第一控制器303a与整流电路301之间，用于将第一控制器303a输出的控制信号转换为符合整流电路301要求的信号后输出给整流电路301，以驱动整流电路301运行。

图8示出了本实施例中信号驱动电路的电路结构图。

如图8所示，本实施例中，相控控制电路303输出的控制信号首先通过MOS管驱动电路801来对脉冲变压器802进行驱动。脉冲变压器802能够将控制信号的电压进行放大，同时还能实现负边侧高压电路与原边侧低压电路之间的电压隔离。脉冲变压器802输出的信号先后经过输出滤波电路803的滤波以及限流电阻R2的限流，最后通过二极管D1后输出的到整流电路301.

本实施例中，整流电路301直接安装在散热器上，这使得整流电路的散热更加方便，整个装置的结构结构也更加紧凑、安装更加方便。为了保证整流电路301的温度稳定在预设温度范围内，再次如图3所示，本实施例中，信号采集电路302还包括温度采集电路302c。其中，温度采集电路302c安装在散热器中，以采集散热器的温度，从而反映出整流电路301的温度。相控控制电路303根据温度采集电路302c所采集到的温度实时调整散热器的散热效率，从而保证整流电路301的温度稳定在预设温度范围内，进而保证了整流电路工作的可靠性。

此外，本实施例所提供的蓄电池充电装置的电路板上大量采用表面贴合的器件。为了提高各个电路板以及各个功能模块的电磁兼容性能，本实施例通过安装铝合金隔板的方式来减小各个器件之间的电磁干扰，从而保证装置运行的可靠性。

从上述描述中可以看出，由于目前内燃机车的蓄电池充电采用模拟电路器件进行恒压充电，无法控制充电电流，影响蓄电池寿命，且模拟电路器件本身受温度和工作时间的影响大，控制性能降低，维护工作量大，难以升级换代，且无法实现各种保护功能。因此发明一种基于相控整流的蓄电池充电装置，通过对蓄电池充电电流实时控制，大大提高控制效果，同时可以实现各种保护功能，便于升级换代。本装置能够更好地保护蓄电池，适应内燃机车市场的需求。

本发明不仅能满足内燃机车蓄电池的基本充电需求，还适应内燃机车中充电装置的恶劣运行条件。同时本装置结构紧凑、体积较少，安装方便、易于拆装。此外模块化的设计思路使功能模块化和集成化，操作简单，系统稳定，使机车维护和检修简单方便。

现有的蓄电池充电装置所使用的模拟电路为固定恒压充电，不控制电流，充电过流严重。由于没有相应的保护措施，对蓄电池伤害很大，影响蓄电池寿命。而本装置在三相交流输入电源快速变频变压以及大功率负载突投突切这种恶劣运行环境下，也能稳定的工作，实现高的控制精度。

除了对蓄电池具有充电过压保护和充电过流保护功能外，本装置对影响自身工作的条件还具有很多保护，如输入过压保护、输入过流保护、输入频率超限保护、三相不平衡保护、晶闸管过热保护、相序错误保护、蓄电池欠压保护等保护功能。

本装置的整流电路采用晶闸管模块，使散热方便，接线简单。同时在相控控制板和信号驱动板下面都放了一块铝板，增强了抗电磁干扰性能，提高了产品运行可靠性。整个装置可以看看作一个相控整流模块，便于安装、维护和调试。本装置对外出线方便，通过2个专用的2芯和37芯航空插头插座，与机车电器和传感器等信号连可靠连接。

相控整流模块所使用的散热器采用铝合金压铸的方式。通过计算，其热阻满足散热要求。而母排采用铜表面镀锡，合理的计算母排的载流量，确定母排的截面尺寸，合理的设计母排的外型和连接方式，方便安装，也保证占据空间最小。绝缘板满足整体结构的强度要求，采用开孔凹槽的方式进行连接，满足电气绝缘，同时为结构节省空间，保证整体结构紧凑。侧面板合理布置孔位置，方便布线，保证安装间距，实现电路板合理安装；屏蔽板采用铝合金板，屏蔽效果更佳；盖板采用合理的安装方式。

在对本装置进行调试的过程中，采用专用的界面软件进行程序下载，且通过界面软件直接观测检测到的数据，现场调试非常方便，修改参数非常容易。同时通过设置LED指示灯分别指示板载电源电压状态和DSP工作状态。

此外，本装置所使用的插件元器件基本上采用SMT表面贴技术，并选用新型元器件，应用可靠，工作性能稳定，且生命周期长。装置的电源电路设计可靠，具有较高的防电磁干扰性能。对外接口备有5路电压、电流检测信号转换电路，通过外接电压和电流传感器可以方便地实现各种不同要求的励磁控制。DSP对于信号的分析计算功能强大，许多采集的量可以经内部计算，从而简化外部信号转换处理电路，实现故障自动诊断。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

为了方便，在此使用的多个项目、结构单元、组成单元和/或材料可出现在共同列表中。然而，这些列表应解释为该列表中的每个元素分别识别为单独唯一的成员。因此，在没有反面说明的情况下，该列表中没有一个成员可仅基于它们出现在共同列表中便被解释为相同列表的任何其它成员的实际等同物。另外，在此还可以连同针对各元件的替代一起来参照本发明的各种实施例和示例。应当理解的是，这些实施例、示例和替代并不解释为彼此的等同物，而被认为是本发明的单独自主的代表。

此外，所描述的特征、结构或特性可以任何其他合适的方式结合到一个或多个实施例中。在其它示例中，周知的结构、材料或操作并未详细示出或描述以免模糊本发明的各个方面。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (9)

1.一种蓄电池充电装置，其特征在于，所述充电装置包括：

相控整流电路，其与外部交流电源连接，用于将所述外部交流电源输出的交流电转换为直流电；

滤波电路，其与所述相控整流电路连接，用于对所述直流电进行滤波；

电流倒灌保护电路，其连接在蓄电池与所述滤波电路之间，用于防止所述蓄电池输出的电流向所述滤波电路倒灌；

所述相控整流电路包括：

整流电路，其用于将所述外部交流电源输出的交流电转换为直流电；

信号采集电路，其与所述整流电路的输入端和蓄电池连接，用于检测输入到所述整流电路的整流输入信号以及所述蓄电池的蓄电池充电信号；

相控控制电路，其与所述整流电路和信号采集电路连接，用于根据所述整流输入信号和蓄电池充电信号产生相应的控制信号，控制所述整流电路产生需要的电流；

其中，所述蓄电池充电信号包括蓄电池充电电压和蓄电池充电电流，所述相控控制电路根据所述整流输入信号将每个周期分为预设数量的工作区间，在每个工作区间中，所述相控控制电路根据蓄电池充电电压和预设目标充电电压产生目标充电电流，并根据所述蓄电池充电电流和目标充电电流产生触发角信号，进而根据所述触发角信号产生相应的控制信号。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述相控控制电路包括：

第一控制器，其与所述信号采集电路连接，用于根据所述蓄电池充电信号产生触发角信号；

第二控制器，其连接在所述第一控制器与所述整流电路之间，用于根据所述触发角信号产生相应的控制信号。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，在每个工作区间中：

所述第一控制器根据当前工作区间的触发角信号产生相应的以预设时长为单位的计数阈值，并将所述计数阈值传输给所述第二控制器；

所述第二控制器计算前一周期所述蓄电池充电电流的有效值，并将所述有效值传输给所述第一控制器，所述第二控制器还根据所述计数阈值进行计数，当计数达到所述计数阈值时，产生并输出相应的控制信号；

第一控制器根据所述蓄电池充电电压和预设目标充电电压按照预设电流曲线产生目标充电电流，并根据所述蓄电池充电电流的有效值和目标充电电流，计算下一工作区间的触发角信号。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，每个周期中工作区间的数量为6个，所述预设时长为0.5μs。

5.如权利要求2～4中任一项所述的装置，其特征在于，所述相控控制电路还包括：

信号同步电路，其与所述信号采集电路连接，用于根据所述整流输入信号产生同步信号，并将所述同步信号传输到所述第一控制器和第二控制器，以供所述第一控制器和第二控制器进行信号同步。

6.如权利要求1～4中任一项所述的装置，其特征在于，所述整流电路贴合设置在散热器上。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述信号采集电路还包括：

温度采集电路，其设置在所述散热器上，电连接与所述相控控制电路，用于检测所述散热器的温度，并将产生的温度信号传输给所述相控控制电路。

8.如权利要求1～4中任一项所述的装置，其特征在于，所述滤波电路包括LC滤波电路，所述LC滤波电路包括第一电感、第二电感、第一电容和放电电阻，其中，

所述第一电感连接在所述相控整流电路的输出端正极与所述电流倒灌保护电路的输入端正极之间，所述第二电感连接在所述相控整流电路的输出端负极与所述电流倒灌保护电路的输入端负极之间，所述第一电容连接在所述电流倒灌保护电路的输入端正负极之间，所述放电电阻与所述第一电容并联。

9.如权利要求1～4中任一项所述的装置，其特征在于，所述电流倒灌保护电路包括二极管，所述二极管的正极与所述滤波电路的输出端正极连接，负极与所述蓄电池的正极连接。