CN109494841B - 一种蓄电池充电装置主电路结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蓄电池充电装置主电路结构，包括输入双极接触器KM1、软启接触器KM3、软启接触器KM4、软启电阻R1、软启电阻R2、输入熔断器F1、输入EMI滤波器、输入差模滤波电感Lf1、输入分压电容C1、输入分压电容C2、半桥三电平逆变单元、高频变压器T1、高频变压器T2、整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4、输出差模滤波电感Lf2、输出差模滤波电感Lf3、输出滤波电容Cf1、输出电容C3、输出熔断器F2、输出双极接触器KM2、蓄电池组。本发明的蓄电池充电装置主电路结构适用于给蓄电池全充电，功率等级低、体积小、重量轻、成本低。

Description

一种蓄电池充电装置主电路结构
技术领域
本发明涉及电力变换技术领域，具体涉及一种蓄电池充电装置主电路结构。
背景技术
蓄电池在使用过程中需要定期进行充电和维护保养，以提高蓄电池的使用性能，提高蓄电池供电的稳定性和安全性。通常情况下，蓄电池可以进行浮充电，例如，可以直接通过发电机对蓄电池进行充电，直到蓄电池电压达到其浮充电电压。但是，该充电方法无法保证蓄电池充满，也无法对充电电流进行精确控制和抑制充电电流纹波。若要保证蓄电池达到最优的使用性能，还需要进行全充电。
全充电时，蓄电池充电装置主要完成将电池组电压从浮充电电压(如900V)充满到全充电完成电压(如960V)，传统的蓄电池充电装置是一个900V到960V的全功率直流变换器，如Boost变换器、双向Buck-Boost变换器等非隔离型的直流变换器。这些全功率变换器的功率等级一般需要300kW左右，开关器件承受的电压、电流应力高、损耗大、散热困难、体积大、重量重、成本高。
发明内容
本发明的目的是针对传统的蓄电池充电装置功率等级高、体积大、重量重等问题，提出一种蓄电池充电装置主电路结构。
其特征在于包括输入双极接触器KM1、软启接触器KM3、软启接触器KM4、软启电阻R1、软启电阻R2、输入熔断器F1、输入EMI滤波器、输入差模滤波电感Lf1、输入分压电容C1、输入分压电容C2、半桥三电平逆变单元(1)、高频变压器T1、高频变压器T2、整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4、输出差模滤波电感Lf2、输出差模滤波电感Lf3、输出滤波电容Cf1、输出电容C3、输出熔断器F2、输出双极接触器KM2、蓄电池组。
所述输入双极接触器KM1的第一输出端连接至输入熔断器F1的输入端，软启接触器KM3的输入端连接至输入双极接触器KM1的第一输入端，软启接触器KM3的输出端连接至软启电阻R1的输入端，软启电阻R1的输出端连接至输入双极接触器KM1的第一输出端，输入熔断器F1的输出端连接至输入EMI滤波器的输入正极，软启接触器KM4的输入端连接至输入双极接触器KM1的第二输入端，软启接触器KM4的输出端连接至软启电阻R2的输入端，软启电阻R2的输出端连接至输入双极接触器KM1的第二输出端，输入双极接触器KM1的第二输出端连接至输入EMI滤波器的输入负极，输入EMI滤波器的输出正极连接至输入差模滤波电感Lf1的第一输入端，输入EMI滤波器的输出负极连接至输入差模滤波电感Lf1的第二输入端，输入差模滤波电感Lf1的第一输出端连接至输入分压电容C1的正极，输入分压电容C1的负极连接至输入分压电容C2的正极，输入分压电容C2的负极连接至输入差模滤波电感Lf1的第二输出端，输入分压电容C1的正极连接至半桥三电平逆变单元(1)的第一输入端，输入分压电容C2的负极连接至半桥三电平逆变单元(1)的第二输入端，半桥三电平逆变单元(1)的第一输出端连接至高频变压器T1的第一输入端，半桥三电平逆变单元(1)的第二输出端接连接至输入分压电容C1的负极，高频变压器T2的第二输入端连接至半桥三电平逆变单元(1)的第二输出端，高频变压器T1的第二输入端连接至高频变压器T2的第一输入端，高频变压器T1的第一输出端连接至整流二极管D1的正极，高频变压器T1的第三输出端连接至整流二极管D2的正极，高频变压器T2的第一输出端连接至整流二极管D3的正极，高频变压器T2的第三输出端连接至整流二极管D4的正极，高频变压器T1的第二输出端连接至输出差模滤波电感Lf2的第二输入端，高频变压器T2的第二输出端连接至输出差模滤波电感Lf3的第二输入端，整流二极管D1的负极连接至输出差模滤波电感Lf2的第一输入端，整流二极管D2的负极连接至整流二极管D1的负极，整流二极管D3的负极连接至输出差模滤波电感Lf3的第一输入端，整流二极管D4的负极连接至整流二极管D3的负极，差模滤波电感Lf2的第一输出端连接至输出滤波电容Cf1的正极，差模滤波电感Lf2的第二输出端连接至输出滤波电容Cf1的负极，差模滤波电感Lf3的第一输出端连接至差模滤波电感Lf2的第一输出端，差模滤波电感Lf3的第二输出端连接至差模滤波电感Lf2的第二输出端，输出滤波电容Cf1的负极连接至输出电容C3的正极，输出电容C3的正极连接至输入EMI滤波器的输入正极，输出电容C3的负极连接至输入EMI滤波器的输入负极，输出滤波电容Cf1的正极连接至输出熔断器F2的输入端，输出熔断器F2的输出端连接至输出双极接触器KM2的第一输入端，输出双极接触器KM2的第一输出端连接至蓄电池组的正极，输出电容C3的负极连接至输出双极接触器KM2的第二输入端，输出双极接触器KM2的第二输出端连接至蓄电池组的负极。
进一步地，所述的蓄电池充电装置主电路中输入双极接触器KM1的第一输入端作为整个电路输入电压Vin的正极，输入双极接触器KM1的第二输入端作为整个电路输入电压Vin的负极，输出滤波电容Cf1的正极作为输出电压Vo的正极，输出电容C3的负极作为输出电压Vo的负极。
进一步地，所述的蓄电池充电装置主电路中给蓄电池组充电时，首先闭合软启接触器KM3和软启接触器KM4，通过软启电阻R1、软启电阻R2给输入分压电容C1和输入分压电容C2充电，直到输入分压电容C1和输入分压电容C2的电压之和与输入电压Vin接近(±1％以内)，然后闭合输入双极接触器KM1，断开软启接触器KM3和软启接触器KM4，变换器正常工作，当输出电压Vo与蓄电池组电压VB接近(±1％以内)时才能闭合输出双极接触器KM2，充电装置开始给蓄电池组充电。
进一步地，所述的蓄电池充电装置主电路中，蓄电池充电分为恒流充电和恒压充电。先采用恒流充电，控制输出滤波电感电流ILf。当蓄电池组电压VB达到其设定值时，开始恒压充电，恒压充电时控制功率变换电路输出电压Vo1，如果输入电压Vin波动导致输出电压Vo波动，可以控制功率变换电路输出电压Vo1的大小来保持输出电压Vo恒定。
本发明的优点在于：
(1)本发明的蓄电池充电装置主电路结构特别适合用于船用蓄电池充电。
(2)本发明可以大幅减小蓄电池充电装置的功率等级、开关器件的电压应力、设备体积、重量和成本。
(3)本发明逆变部分为半桥三电平拓扑结构，可适用于高压直流主网或低压直流辅助电网，输入电压范围更广。
附图说明
图1为本发明的蓄电池充电装置主电路结构。
图2为功率变换电路和输入变换电路结构。
图3为蓄电池充电装置启动操作步骤。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行更详细的说明。
本发明所述的蓄电池充电装置主电路结构如图1所示，输入电压Vin为900V，输出电压Vo为960V，额定充电电流为310A。
主电路结构包括输入双极接触器KM1、软启接触器KM3、软启接触器KM4、软启电阻R1、软启电阻R2、输入熔断器F1、输入EMI滤波器、输入差模滤波电感Lf1、输入分压电容C1、输入分压电容C2、半桥三电平逆变单元(包括：4个IGBT T1、T2、T3、T4，及其反并联二极管和结电容，箝位二极管Dc1、Dc2，飞跃电容Css)、高频变压器T1、高频变压器T2、整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4、输出差模滤波电感Lf2、输出差模滤波电感Lf3、输出滤波电容Cf1、输出电容C3、输出熔断器F2、输出双极接触器KM2、蓄电池组。
其中输入双极接触器KM1的第一输出端连接至输入熔断器F1的输入端，软启接触器KM3的输入端连接至输入双极接触器KM1的第一输入端，软启接触器KM3的输出端连接至软启电阻R1的输入端，软启电阻R1的输出端连接至输入双极接触器KM1的第一输出端，输入熔断器F1的输出端连接至输入EMI滤波器的输入正极，软启接触器KM4的输入端连接至输入双极接触器KM1的第二输入端，软启接触器KM4的输出端连接至软启电阻R2的输入端，软启电阻R2的输出端连接至输入双极接触器KM1的第二输出端，输入双极接触器KM1的第二输出端连接至输入EMI滤波器的输入负极，输入EMI滤波器的输出正极连接至输入差模滤波电感Lf1的第一输入端，输入EMI滤波器的输出负极连接至输入差模滤波电感Lf1的第二输入端，输入差模滤波电感Lf1的第一输出端连接至输入分压电容C1的正极，输入分压电容C1的负极连接至输入分压电容C2的正极，输入分压电容C2的负极连接至输入差模滤波电感Lf1的第二输出端，输入分压电容C1的正极连接至IGBT T1的集电极，IGBT T1的发射极连接至IGBT T2的集电极，IGBT T2的发射极连接至IGBT T3的集电极，IGBT T3的发射极连接至IGBT T4的集电极，输入分压电容C2的负极连接至IGBT T4的发射，IGBT T1的发射极连接至飞跃电容Css的第一端，IGBT T3的发射极连接至飞跃电容Css的第二端，飞跃电容Css的第一端连接至箝位二极管Dc1的负极，飞跃电容Css的第二端连接至箝位二极管Dc2的正极，箝位二极管Dc1的正极连接至箝位二极管Dc2的负极，IGBT T2的发射极连接至高频变压器T1的第一输入端，箝位二极管Dc1的负极接连接至输入分压电容C1的负极，高频变压器T2的第二输入端连接至箝位二极管Dc1的负极，高频变压器T1的第二输入端连接至高频变压器T2的第一输入端，高频变压器T1的第一输出端连接至整流二极管D1的正极，高频变压器T1的第三输出端连接至整流二极管D2的正极，高频变压器T2的第一输出端连接至整流二极管D3的正极，高频变压器T2的第三输出端连接至整流二极管D4的正极，高频变压器T1的第二输出端连接至输出差模滤波电感Lf2的第二输入端，高频变压器T2的第二输出端连接至输出差模滤波电感Lf3的第二输入端，整流二极管D1的负极连接至输出差模滤波电感Lf2的第一输入端，整流二极管D2的负极连接至整流二极管D1的负极，整流二极管D3的负极连接至输出差模滤波电感Lf3的第一输入端，整流二极管D4的负极连接至整流二极管D3的负极，差模滤波电感Lf2的第一输出端连接至输出滤波电容Cf1的正极，差模滤波电感Lf2的第二输出端连接至输出滤波电容Cf1的负极，差模滤波电感Lf3的第一输出端连接至差模滤波电感Lf2的第一输出端，差模滤波电感Lf3的第二输出端连接至差模滤波电感Lf2的第二输出端，输出滤波电容Cf1的负极连接至输出电容C3的正极，输出电容C3的正极连接至输入EMI滤波器的输入正极，输出电容C3的负极连接至输入EMI滤波器的输入负极，输出滤波电容Cf1的正极连接至输出熔断器F2的输入端，输出熔断器F2的输出端连接至输出双极接触器KM2的第一输入端，输出双极接触器KM2的第一输出端连接至蓄电池组的正极，输出电容C3的负极连接至输出双极接触器KM2的第二输入端，输出双极接触器KM2的第二输出端连接至蓄电池组的负极。
输入双极接触器KM1的第一输入端作为整个电路输入电压Vin的正极，输入双极接触器KM1的第二输入端作为整个电路输入电压Vin的负极，输出滤波电容Cf1的正极作为输出电压Vo的正极，输出电容C3的负极作为输出电压Vo的负极。
如图1和图2所示，功率变换电路(2)与输入变换电路(3)的输入并联、输出串联给蓄电池组充电。功率变换电路(2)输出电压Vo1为60V，输出电流310A，功率为18.6kW。与传统的900V到960V的全功率变换器(297.6kW)相比，本发明可以大幅减小充电电路的功率等级、体积、重量和成本。功率变换电路的主要参数如下表所示：
表1功率变换电路主要参数
Figure BDA0001921985370000071
如图3所示，给蓄电池组充电时，首先闭合软启接触器KM3和软启接触器KM4，通过软启电阻R1、软启电阻R2给输入分压电容C1和输入分压电容C2充电，直到输入分压电容C1和输入分压电容C2的电压之和与输入电压Vin接近(±1％以内)，然后闭合输入双极接触器KM1，断开软启接触器KM3和软启接触器KM4，变换器正常工作，当输出电压Vo与蓄电池组电压VB接近(±1％以内)时才能闭合输出双极接触器KM2，充电装置开始给蓄电池组充电。
蓄电池充电分为恒流充电和恒压充电。先采用恒流充电，控制输出滤波电感电流ILf。当蓄电池组电压VB达到其设定值时，开始恒压充电，恒压充电时控制功率变换电路输出电压Vo1，如果输入电压Vin波动导致输出电压Vo波动，可以控制功率变换电路输出电压Vo1的大小来保持输出电压Vo恒定。
本发明采用一个隔离型直流变换器，用900V输入电压生成一个60V电压，再将其与输入端串联，形成960V电压，完成对蓄电池组的全充电，充电电路功率等级只需要20kW左右。该方法可以大幅减小变换器的体积、重量和成本。
以上以具体实施例的方式描述了本发明的电路拓扑结构，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本领域的技术人员可根据需求进行适当变化，这些变化都归入所要求保护的范围内。

Claims (4)

1.一种蓄电池充电装置主电路结构，其特征在于，包括输入双极接触器KM1、软启接触器KM3、软启接触器KM4、软启电阻R1、软启电阻R2、输入熔断器F1、输入EMI滤波器、输入差模滤波电感Lf1、输入分压电容C1、输入分压电容C2、半桥三电平逆变单元、高频变压器T1、高频变压器T2、整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4、输出差模滤波电感Lf2、输出差模滤波电感Lf3、输出滤波电容Cf1、输出电容C3、输出熔断器F2、输出双极接触器KM2、蓄电池组；
所述输入双极接触器KM1的第一输出端连接至输入熔断器F1的输入端，软启接触器KM3的输入端连接至输入双极接触器KM1的第一输入端，软启接触器KM3的输出端连接至软启电阻R1的输入端，软启电阻R1的输出端连接至输入双极接触器KM1的第一输出端，输入熔断器F1的输出端连接至输入EMI滤波器的输入正极，软启接触器KM4的输入端连接至输入双极接触器KM1的第二输入端，软启接触器KM4的输出端连接至软启电阻R2的输入端，软启电阻R2的输出端连接至输入双极接触器KM1的第二输出端，输入双极接触器KM1的第二输出端连接至输入EMI滤波器的输入负极，输入EMI滤波器的输出正极连接至输入差模滤波电感Lf1的第一输入端，输入EMI滤波器的输出负极连接至输入差模滤波电感Lf1的第二输入端，输入差模滤波电感Lf1的第一输出端连接至输入分压电容C1的正极，输入分压电容C1的负极连接至输入分压电容C2的正极，输入分压电容C2的负极连接至输入差模滤波电感Lf1的第二输出端，输入分压电容C1的正极连接至半桥三电平逆变单元的第一输入端，输入分压电容C2的负极连接至半桥三电平逆变单元的第二输入端，半桥三电平逆变单元的第一输出端连接至高频变压器T1的第一输入端，半桥三电平逆变单元的第二输出端接连接至输入分压电容C1的负极，高频变压器T2的第二输入端连接至半桥三电平逆变单元的第二输出端，高频变压器T1的第二输入端连接至高频变压器T2的第一输入端，高频变压器T1的第一输出端连接至整流二极管D1的正极，高频变压器T1的第三输出端连接至整流二极管D2的正极，高频变压器T2的第一输出端连接至整流二极管D3的正极，高频变压器T2的第三输出端连接至整流二极管D4的正极，高频变压器T1的第二输出端连接至输出差模滤波电感Lf2的第二输入端，高频变压器T2的第二输出端连接至输出差模滤波电感Lf3的第二输入端，整流二极管D1的负极连接至输出差模滤波电感Lf2的第一输入端，整流二极管D2的负极连接至整流二极管D1的负极，整流二极管D3的负极连接至输出差模滤波电感Lf3的第一输入端，整流二极管D4的负极连接至整流二极管D3的负极，差模滤波电感Lf2的第一输出端连接至输出滤波电容Cf1的正极，差模滤波电感Lf2的第二输出端连接至输出滤波电容Cf1的负极，差模滤波电感Lf3的第一输出端连接至差模滤波电感Lf2的第一输出端，差模滤波电感Lf3的第二输出端连接至差模滤波电感Lf2的第二输出端，输出滤波电容Cf1的负极连接至输出电容C3的正极，输出电容C3的正极连接至输入EMI滤波器的输入正极，输出电容C3的负极连接至输入EMI滤波器的输入负极，输出滤波电容Cf1的正极连接至输出熔断器F2的输入端，输出熔断器F2的输出端连接至输出双极接触器KM2的第一输入端，输出双极接触器KM2的第一输出端连接至蓄电池组的正极，输出电容C3的负极连接至输出双极接触器KM2的第二输入端，输出双极接触器KM2的第二输出端连接至蓄电池组的负极。
2.如权利要求1所述的一种蓄电池充电装置主电路结构，其特征在于，输入双极接触器KM1的第一输入端作为整个电路输入电压Vin的正极，输入双极接触器KM1的第二输入端作为整个电路输入电压Vin的负极，输出滤波电容Cf1的正极作为输出电压Vo的正极，输出电容C3的负极作为输出电压Vo的负极。
3.如权利要求2所述的一种蓄电池充电装置主电路结构的操作方法，其特征在于给蓄电池组充电时，首先闭合软启接触器KM3和软启接触器KM4，通过软启电阻R1、软启电阻R2给输入分压电容C1和输入分压电容C2充电，直到输入分压电容C1和输入分压电容C2的电压之和与输入电压Vin相差±1％以内，然后闭合输入双极接触器KM1，断开软启接触器KM3和软启接触器KM4，当输出电压Vo与蓄电池组电压VB相差±1％以内时才能闭合输出双极接触器KM2，充电装置开始给蓄电池组充电。
4.如权利要求3所述的一种蓄电池充电装置主电路结构的操作方法，其特征在于蓄电池充电分为恒流充电和恒压充电，先采用恒流充电，当蓄电池组电压VB达到其设定值时，开始恒压充电。
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