CN212106039U - 一种启动式直流电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种启动式直流电源，涉及发电机技术领域。本实用新型包括与汽油发动机连接的三相永磁电机，所述三相永磁电机信号连接控制器，所述控制系统还分别与电池、负载、显示器以及控制开关信号连接，其特征在于：所述控制器包括处理模块以及与所述处理模块信号连接的电机驱动模块、直流输出模块、点火模块、防反接检测及保护模块和辅助模块；以实现利用控制器将汽油发动机输出的机械能，转换成稳定、可控的直流电能输出的目的。

Description

一种启动式直流电源

技术领域

本实用新型涉及燃油发电机技术领域，具体的说，是一种启动式直流电源。

背景技术

在现有生活很多应用中需要直流电源，特别是有电池应用环境，如通信基站用48V直流，汽车用24V、60V、72V直流，UPS，无人机用直流充电机等应用。但是现有直流发电机组应用通常为内燃机带动永磁发电机加AC-DC高频开关电源、或内燃机带动AVR(automaticvoltage regulator)励磁发电机加整流器组合而成。永磁发电机具有体积小、效率高、功率密度高等优点，还方便在电动机和发电机两种模式之间切换，但是发电机模式时不能自动调节输出电压，高性能大功率的AC-DC高频开关电源价格高、体积较大，不利于市场推广。AVR 励磁发电机相比永磁发电机在体积大、功率密度低、输出电性能稳定性低等方面有所不足，更不方便在电动机和发电机两种模式之间切换，但是可以用AVR 调节电压。

受以上两种发电机组的特性影响，现在应用的直流发电机占比很小，市场亟需一种性能媲美高频开关电源、同时体积小、成本适中的直流发电机组用直流电源。

实用新型内容

针对目前直流发电机应用的问题，本设计提供一种永磁发电机组用直流电源，以实现满足对直流发电机组的输出性能的稳定，功率可控，同时体积小，成本适中，可以驱动永磁电机工作在电机动模式下，带动发动机启动，从而取消机组的启动马达而节约成本、减轻重量的目的。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术手段：

一种启动式直流电源，包括与汽油发动机连接的三相永磁电机，所述三相永磁电机信号连接控制器，所述控制系统还分别与电池、负载、显示器以及控制开关信号连接，所述控制器包括处理模块以及与所述处理模块信号连接的电机驱动模块、直流输出模块、点火模块、防反接检测及保护模块和辅助模块；

所述电机驱动模块与所述直流输出模块通过共用电路模块信号连接；

所述直流输出模块与所述防反接检测及保护模块信号连接；

所述辅助模块包括与所述处理模块、点火模块、直流输出模块以及电机驱动模块信号连接的辅助电源，所述辅助电源用于为系统器件提供电源；

所述处理模块包括相互信号连接的副MCU模块和主MCU模块，所述电机驱动模块以及所述点火模块与所述副MCU模块信号连接，所述直流输出模块、所述防反接检测及保护模块与主MCU模块信号连接，所述电机驱动模块同时也与所述主MCU模块信号连接；

所述点火模块包括分别于所述副MCU模块信号连接的触发信号采样电路和点火脉冲发生电路。

作为优选的，所述电机驱动模块包括三相MOS全桥、MOS驱动电路、电机相位检测电路、电流采样电路以及电流方向识别电路；所述三相MOS全桥通过所述MOS驱动电路与所述主MCU模块信号连接，所述电机相位检测电路与所述主MCU模块信号连接，所述电流采样电路以及所述电流方向识别电路分别与所述主MCU模块信号连接，且所述电流采样电路与所述电流方向识别电路信号连接。

进一步的，所述直流输出模块包括依次信号连接的输出直流滤波、可控硅半控三相桥、可控硅驱动电路以及导通角相位控制电路，所述导通角相位控制电路与输出控制电路信号连接；

所述输出控制电路包括连通的输出电压控制电路和输出电流控制电路；

所述输出电压控制电路同时与所述主MCU模块以及电压采样电路信号连接，所述电压采样电路也与所述主MCU模块信号连接；

所述输出电流控制电路同时与所述主MCU模块以及输出电流采样电路信号连接，所述输出电流采样电路也与所述主MCU模块信号连接。

更进一步的，所述主MCU模块包括芯片U1，U1型号为R7F0C009，所述副MCU模块包括芯片U2，U2型号为R5F1006A。

更进一步的，所述防反接检测及保护模块包括分别与所述主MCU模块信号连接的反接状态采样电路和防反接保护电路，所述防反接保护电路分别与所述电机驱动模块的三相MOS全桥以及所述直流输出模块的输出直流滤波信号连接。

更进一步的，所述辅助模块还包括与所述辅助电源信号连接的功能模块，所述辅助电源还用于向所述功能模块提供电源，所述功能模块包括与所述副 MCU模块信号连接的风门步进电机控制电路、发动机温度采样电路、发动机机油采样电路、以及与所述主MCU模块信号连接的控制器温度采样电路、油门步进电机控制电路、通信电路以及用户控制信号采样电路。

本实用新型在使用的过程中，具有以下有益效果：

1、可以输出电压、电流稳定可控的直流电能，输出电压与永磁发电机转速没有直接联系，同时可以有极高的转换效率(输出48V时可达95％左右；输出72V时可达97％左右；如果使用高频开关，转换效率在 90％～93％左右)，而且没有高频开关电源难以处理的高频脉冲纹波。

2、可以对发动机转速精确控制，同时对发动机点火角度精确控制，提升发动机功率和燃油效率。

3、可以在输出端与电池发生反接的时候，保护电源和电池及线路不损坏。

4、可以在发动机停机状态时，利用永磁电机的可逆性，让永磁电机工作在电动机模式，从而反拖发动机启动，同时根据温度条件自动控制发动机风门和油门，实现机组一键启停功能。

5、将永磁电机驱动电路和输出整流电路部分共用，可以降低系统成本。

附图说明

图1为本实用新型整机结构框图。

图2为本实用新型控制器原理框架图。

图3为本实用新型直流输出模块第一电路图。

图4为本实用新型直流输出模块第二电路以及防反接检测及保护模块电路连接图。

图5为本实用新型防反接检测及保护模块电路图。

图6为本实用新型MOS三相全桥、电流采样电路及共用电路模块电路图。

图7为本实用新型辅助电源电路图。

图8a与图8b为本实用新型副MCU模块电路图。

图9为本实用新型主MCU模块电路图。

图10为本实用新型触发信号采样电路图。

图11为本实用新型点火脉冲发生电路图。

图12为本实用新型MOS驱动电路图。

图13为本实用新型电机相位检测电路图。

图14为本实用新型电流采样电路放大图。

图15a、图15b以及图15c为本实用新型电流方向识别电路图。

图16为本实用新型输出直流滤波及可控硅半控三相桥连接电路图。

图17为本实用新型输出直流滤波电路图。

图18为本实用新型可控硅半控三相桥电路图。

图19a、图19b以及图19c为本实用新型可控硅驱动电路图。

图20为本实用新型导通相位角控制电路图。

图21为本实用新型输出控制电路图。

图22为本实用新型电压采样电路图。

图23为本实用新型输出电流采样电路图。

图24为本实用新型风门及油门步进电机驱动电路图。

图25为本实用新型发动机温度采样电路图。

图26为本实用新型控制器温度采样电路图。

图27为本实用新型用户控制信号采样电路图。

图28为本实用新型发动机机油采样电路图。

其中，1-输出直流滤波、2-可控硅半控三相桥、3-可控硅驱动电路、4-导通角相位控制电路、5-输出控制电路、6-电压采样电路、7-输出电流采样电路、8- 三相MOS全桥、9-电流采样电路、10-共用电路模块。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

首先，请参考图1至图11所示的，一种启动式直流电源，包括与汽油发动机连接的三相永磁电机。

这里的三相永磁电机由定子、转子两部分组成，有电动机和发电机两者工作模式。当由外部机械能带动转子转动，则其可作为发电机将机械能转化为电能；当用外部电能驱动其转子转动，则可作为电动机把电能转换成机械能。转子直接与发动机曲轴相连接，即转子与发动机曲轴同步转动；

同时，对于三相永磁电机的定子由多片厚0.3mm左右的多级硅钢片堆叠成的铁芯、绝缘体、漆包线和输出线束组成，其中漆包线可以是三相星形或三角形接法的线圈形式绕在定子极上；

另外，三相永磁电机的转子又多对N极、S极永磁铁氧体、转子壳体组成；

再者，三相永磁电机的定子极数和转子磁极数比为3:2(如定子极数为27极时、转子磁极数为18极)，当转子转动时，漆包线绕成的线圈会切割磁感线，从而产生电能；因为转子磁极与定子间相对位置是周期性交替变化的，即线圈输出是交流电能。当外部对线圈通入电流时，线圈会产生磁场，该磁场与永磁体磁场相互吸力或排斥力，从而推动转子转动。

所述三相永磁电机信号连接控制器，所述控制系统还分别与电池、负载、显示器以及控制开关信号连接，所述控制器包括处理模块以及与所述处理模块信号连接的电机驱动模块、直流输出模块、点火模块、防反接检测及保护模块 11和辅助模块；

其中，电机驱动模块在发动机未工作时，用电池电能驱动永磁电机转动，从而让发动机启动；

并且，电机驱动模块工作时，从外部输入的电源获取能源，以反电势采样方式检测永磁电机定子与转子的相对位置，并以三路变化电平信号传递到中央处理器MCU中，MCU再根据电机相位信号输出六路按特定规律变化的PWM 驱动MOS三相全桥，在永磁电机定子线圈内形成周期变化的电流，线圈电流产生磁场与转子永磁体磁场相互作用，推动转子转运，从而将电能转换成机械能，进而带动发动机转运。

再者，前述的直流输出模块将永磁电机输出的三相中频交流电，通过三相半控全桥整流的方式转换成稳定可控的直流电能输出；

在直流输出模块工作时，必须是发动机启动成功且稳定工作后，发动机曲轴带动永磁电机转子转动，定子线圈切割磁感线产生电能输出；

因为永磁电机输出是交流电能，且电压与转速成正比变化，而输出需要的是电压稳定的直流电能，所以必须将发电机发出的交流电转换成稳定的直流电输出。

前述的直流输出模块利用三相半控整流桥，由MCU控制，根据不同的采样电路(电压采样电路以及输出电流采样电路)反馈的当前输出电压、电流值，按导通角方式控制可控硅，同时MCU检测流过MOS(三相半控整流桥下半桥)体二极管的电流方向，再按电流方向信号开通顺对应的MOS管，将交流电能转换成脉动的直流电，再用电容滤波将脉动的直流电转变成稳定的直流电能。

前述的处理模块根据用户控制信号，驱动永磁电机转动，启动、熄火发动机；根据电池电压和控制信号，控制直流电流部分输出电压和电流；控制步进电机驱动电路；与外围设备通信，数据处理。

前述的点火模块采集发动机转速、触发信号等，为汽油发动机提供点火能量，消耗直流输出模式下永磁电机的尖峰电压能量。

所述电机驱动模块与所述直流输出模块通过共用电路模块10信号连接；

所述直流输出模块与所述防反接检测及保护模块11信号连接；

所述辅助模块包括与所述处理模块、点火模块、直流输出模块以及电机驱动模块信号连接的辅助电源，所述辅助电源用于为系统器件提供电源；

并且，前述的辅助电源在发动机未启动时，从外部输入获取能源；在发动机启动后，从永磁发电机获取能源，为控制电路及点火器提供能源；在辅助电源吸收半控桥工作时，发电机产生的能量有限的尖峰脉动能量，并转换成低压电源，供控制电路和点火器消耗掉，防止尖峰能量损坏电路器件。

所述处理模块包括相互信号连接的副MCU模块和主MCU模块，所述电机驱动模块以及所述点火模块与所述副MCU模块信号连接，所述直流输出模块、所述防反接检测及保护模块11与主MCU模块信号连接，所述电机驱动模块同时也与所述主MCU模块信号连接；

所述点火模块包括分别于所述副MCU模块信号连接的触发信号采样电路和点火脉冲发生电路。

更进一步的，请在结合图12-15所示的，所述电机驱动模块包括三相MOS 全桥8、MOS驱动电路、电机相位检测电路、电流采样电路9以及电流方向识别电路；所述三相MOS全桥8通过所述MOS驱动电路与所述主MCU模块信号连接，所述电机相位检测电路与所述主MCU模块信号连接，所述电流采样电路9以及所述电流方向识别电路分别与所述主MCU模块信号连接，且所述电流采样电路9与所述电流方向识别电路信号连接。其中，MOS驱动电路用于将主MCU输出的驱动信号进行电压和功率放大，驱动MOS正常工作；所述电机相位检测电路用于为主MCU输出PWM驱动电机转动提供位置信号；所述电流采样电路9用于检测流过MOS的电流，将其转成电压信号；所述电流方向识别电路用于在整流模式下，当有三相电流任意一相有电流流过MOS时，输出对应的相位信号。

更进一步的，请再结合图16-23所示的，所述直流输出模块包括依次信号连接的输出直流滤波1、可控硅半控三相桥2、可控硅驱动电路3以及导通角相位控制电路4，所述导通角相位控制电路4与输出控制电路5信号连接，前述的输出控制电路5用于根据当前输出电流或电压以及MCU控制信号，输出电流控制分量；

所述输出控制电路5包括连通的输出电压控制电路和输出电流控制电路；

所述输出电压控制电路同时与所述主MCU模块以及电压采样电路6信号连接，所述电压采样电路6也与所述主MCU模块信号连接；

所述输出电流控制电路同时与所述主MCU模块以及输出电流采样电路7信号连接，所述输出电流采样电路7也与所述主MCU模块信号连接。

前述的输出直流滤波1将脉动直流电能削峰填谷，平滑输出波形；

前述的可控硅半控三相桥2在直流输出时，分时机导通，控制电机能量流出总量。

前述的可控硅驱动电路3根据导通角相位控制电路4控制可控硅导通时序。

前述的导通角相位控制电路4根据电机相位信号、当前电压、电流信号及 MCU控制信号，输出可控硅需要开通的相位信号。

前述的输出电压控制电路将当前输出端电压与MCU控制信号计算，输出电压控制分量。

前述的电压采样电路将输出端的高电压转换成MCU和控制电路可识别的电压。

前述的输出电流控制电路根据当前输出电流和MCU控制信号计算，输出电流控制分量。

前述的输出电流采样电路将输出电流大小转换成MCU和控制电路可识别的电压信号。

在前述方案的基础上，再进一步的，所述主MCU模块包括芯片U1，U1型号为R7F0C009，所述副MCU模块包括芯片U2，U2型号为R5F1006A。

更进一步的，请再次结合图5所示的，所述防反接检测及保护模块11包括分别与所述主MCU模块信号连接的反接状态采样电路12和防反接保护电路13，所述防反接保护电路13分别与所述电机驱动模块的三相MOS全桥8以及所述直流输出模块的输出直流滤波1信号连接。

前述的反接状态采样电路12当有外接电源输入时，检测电源极性是否正确。

前述的防反接保护电路13当外接电源发生反接时，切断输入电流通路，保护控制器不损坏。

更进一步的，请再结合图24至图28所示的，所述辅助模块还包括与所述辅助电源信号连接的功能模块，所述辅助电源还用于向所述功能模块提供电源，所述功能模块包括与所述副MCU模块信号连接的风门步进电机控制电路、发动机温度采样电路、发动机机油采样电路、以及与所述主MCU模块信号连接的控制器温度采样电路、油门步进电机控制电路、通信电路以及用户控制信号采样电路。

前述的风门步进电机控制电路将控制信号功率放大，驱动四相四线步进电机工作,调节发动机风门。

前述的发动机温度采样电路采集发动机温度状态，并转换成电压信号。

前述的发动机机油采样电路检测发动机机油状态，当缺少机油时，为MCU 提供信号，保护发动机。

前述的控制器温度采样电路采集控制器温度状态，并转换成电压信号。

前述的油门步进电机控制电路将控制信号功率放大，驱动四相四线步进电机工作，调节发动机节气门。

前述的用户控制信号采样电路检测用户控制信号，转换成MCU可识别的信号。

并且前述的通信电路采用与前述的主MCU模块的22引脚和43引脚连接的 CAN通信模块，用于将控制器状态按设定格式传送，并接收设定格式的信号。

尽管这里参照本实用新型的多个解释性实施例对本实用新型进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (6)

1.一种启动式直流电源，包括与汽油发动机连接的三相永磁电机，所述三相永磁电机信号连接控制器，所述控制器还分别与电池、负载、显示器以及控制开关信号连接，其特征在于：所述控制器包括处理模块以及与所述处理模块信号连接的电机驱动模块、直流输出模块、点火模块、防反接检测及保护模块(11)和辅助模块；

所述电机驱动模块与所述直流输出模块通过共用电路模块(10)信号连接；

所述直流输出模块与所述防反接检测及保护模块(11)信号连接；

所述辅助模块包括与所述处理模块、点火模块、直流输出模块以及电机驱动模块信号连接的辅助电源，所述辅助电源用于为系统器件提供电源；

所述处理模块包括相互信号连接的副MCU模块和主MCU模块，所述电机驱动模块以及所述点火模块与所述副MCU模块信号连接，所述直流输出模块、所述防反接检测及保护模块(11)与主MCU模块信号连接，所述电机驱动模块同时也与所述主MCU模块信号连接；

所述点火模块包括分别于所述副MCU模块信号连接的触发信号采样电路和点火脉冲发生电路。

2.根据权利要求1所述的一种启动式直流电源，其特征在于：所述电机驱动模块包括三相MOS全桥(8)、MOS驱动电路、电机相位检测电路、电流采样电路(9)以及电流方向识别电路；所述三相MOS全桥(8)通过所述MOS驱动电路与所述主MCU模块信号连接，所述电机相位检测电路与所述主MCU模块信号连接，所述电流采样电路(9)以及所述电流方向识别电路分别与所述主MCU模块信号连接，且所述电流采样电路(9)与所述电流方向识别电路信号连接。

3.根据权利要求1所述的一种启动式直流电源，其特征在于：所述直流输出模块包括依次信号连接的输出直流滤波(1)、可控硅半控三相桥(2)、可控硅驱动电路(3)以及导通角相位控制电路(4)，所述导通角相位控制电路(4)与输出控制电路(5)信号连接；

所述输出控制电路(5)包括连通的输出电压控制电路和输出电流控制电路；

所述输出电压控制电路同时与所述主MCU模块以及电压采样电路(6)信号连接，所述电压采样电路(6)也与所述主MCU模块信号连接；

所述输出电流控制电路同时与所述主MCU模块以及输出电流采样电路(7)信号连接，所述输出电流采样电路(7)也与所述主MCU模块信号连接。

4.根据权利要求1所述的一种启动式直流电源，其特征在于：所述主MCU模块包括芯片U1，U1型号为R7F0C009，所述副MCU模块包括芯片U2，U2型号为R5F1006A。

5.根据权利要求1所述的一种启动式直流电源，其特征在于：所述防反接检测及保护模块(11)包括分别与所述主MCU模块信号连接的反接状态采样电路(12)和防反接保护电路(13)，所述防反接保护电路(13)分别与所述电机驱动模块的三相MOS全桥(8)以及所述直流输出模块的输出直流滤波(1)信号连接。

6.根据权利要求1所述的一种启动式直流电源，其特征在于：所述辅助模块还包括与所述辅助电源信号连接的功能模块，所述辅助电源还用于向所述功能模块提供电源，所述功能模块包括与所述副MCU模块信号连接的风门步进电机控制电路、发动机温度采样电路、发动机机油采样电路、以及与所述主MCU模块信号连接的控制器温度采样电路、油门步进电机控制电路、通信电路以及用户控制信号采样电路。

Images