CN2192091Y

CN2192091Y - 智能充电机

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Publication number: CN2192091Y
Application number: CN 94207702
Authority: CN
Inventors: 冉建国; 付秋良; 赵子臣
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-04-09
Filing date: 1994-04-09
Publication date: 1995-03-15
Anticipated expiration: 2004-04-09

Abstract

本实用新型属充电机设计制造技术领域。该装置包括变压器、整流器、滤波器、检测电路、显示电路以及微机控制单元。其特点是采用隔离变压器，检测电路的电压、电流传感器均采用霍尔感应元件，使该装置强电与弱电隔离；单片机控制单元按控制程序对充电机整个工作过程进行自动控制；实现浮充、均充、强充多功能及过压、过流的自动保护；各部分构成一体化产品。本实用新型具有自动化程度高，控制精度高，抗干扰性强，工作安全可靠等优点。

Description

本实用新型属于电子充电器的设计制造技术领域，特别涉及一种有微机控制的自动化充电机。

充电机广泛应用于电厂、变电站控制的直流供电和充电，另外还应用于工厂，高层建筑以及一切需要直流电源为动力的各种场合。

目前，大多数自动充电机多为多体结构，即强充电和均充电为一台机，浮充电为一台机，两台机联合使用；这类充电机的控制系统多为分离模拟元件，因而受运行环境和条件影响较大，稳压、稳流精度无法提高，同时也影响了充电电池的寿命；此外，大多充电机的强电部分和控制系统（即弱电部分）为直接电联系，无法避免其相互干扰。最近有些充电机的控制系统虽然已经实现计算机化和数字化，但由于测量系统与强电有电的联系，干挠较大，使系统运行不稳定，甚至无法运行，使得在实用中难于推广。

本实用新型的目的在于克服已有技术的不足之处，设计出一种新型的计算机数字化的充电机，使其具有自动化程度高，控制精度高，抗干挠性强的优点，而且实现均充、强充和浮充多功能为一体化的产品。

本实用新型设计出一种智能充电机，包括将电网电压转换成整流所需交流电压的变压器，将变压器输出的交流电转换成直流电的整流器，滤去所说整流器输出的直流中残存的交流成份的滤波器，对充电过程中的电信号进行采样的检测电路，对所说检测电路输出的信号进行处理并对充电机工作过程进行控制的微机控制单元，以及对各种信号进行显示的显示单元，其特征在于所说的变压器为隔离变压器，所说的整流器为由可控硅，整流二极管压组成的半控桥整流模块，所说的变压器与半控桥整流模块之间还连接一交流接触器和快速熔断器，所说的检测电路包括电压检测电路，电流检测电路及纹波检测电路，所说的微机控制单元为由单片机及其外围电路以及予先编制的存入EPROM中的控制程序所组成的控制板，所说的可控硅控制极与单片机控制单元之间还连有脉冲变压器。上述各部分均安装在一个机箱内，构成一体化产品。

本实用新型所说的电压检测电路可由电压传感器及可调电阻所组成，所说的电流检测电路可由电流传感器及可调电阻所组成，所说的纹波检测电路可由电容、电阻及整流二极管所组成，所说的电压、电流传感器均可采用霍尔感应元件，进行无接触测量，实现强电与弱电部分的隔离。所说的微机控制单元的外围电路包括过压、过流及纹波的保护电路，电压－电流显示电路、充电机状态显示电路（包括浮充、均充、强充及故障显示）。在所说的机箱内安装有两块相同的控制板，通过转换开关可进行自动／手动切换。

本实用新型的工作原理如图1所示，结合附图说明本充电机的工作过程如下：

当充电机接通交流电源时，隔离变压器带电，并将380V交流电变为符合整流要求的交流电压，经交流接触器和快速熔断器流入半控桥整流模块，交流电经半控桥整流模块整流后变为直流电，通过LC滤波电路，将其中的交流成分滤去得到合格的直流电，供给负载。

检测系统检测出供给负载的直流电压、电流和纹波，将这三种测量信号输入给单片机控制单元，控制单元使用闭环控制方式。单片机运行按予先写入EPROM中的程序，对测量信号进行处理，通过调整半控桥整流模块的可控硅的触发角的大小，使充电机输出合格的直流，控制单元所用控制方法，是根据充电机所处的工作状态（浮充、均充、强充）而定的。充电机的工作状态可由运行人员手动控制或充电机自动控制所处工作状态。单片机还把测量到的电压、电流送给显示单元，运行人员从机壳上可以看到充电输出的电压、电流。若充电机发生故障，单片机控制单元一方面将可控硅触发角调到最大，使其输出的直流电压、电流为最小，另一方面，发出控制信息，使交流接触器的控制线圈断电，交流接触器断开从而切断充电机的电源。另外，单片机发出状态指示信息，使显示单元的故障状态灯接通电源，指示出充电机处于故障状态。

上述所说的控制程序包括，总控制流程，浮充控制流程，均充控制流程，强充控制流程，状态转换中断流程，及自动保护控制流程。现分别描述如下：

一、总控制流程如图2所示，包括以下步骤：

1、单片机启动；

2、初始化各有关变量；

3、经过一定的延时（如5ms）后，读入经A／D变换后的电流电压量和纹波值（逻辑值）。

4、通过对电流、电压及纹波值的分析，判断电路中是否有故障，若有，启动保护控制电路，并作相应的控制；否则，去第5步。

5、考虑到充电机电路有一定的时间延时，因此，对可控硅的触发角调整不是连续进行的，每隔一定的时间才进行一次（如10ms一次），若调整时间未到，则返回3，否则去6。

6、判断充电机工作在那种状态（强充、均充或浮充），然后做相应的控制，返回到3。

二、浮充控制流程如图3所示

浮充状态是充电机工作时间最长的状态，浮充的主要特点是要求充电电压恒定，具体控制流程步骤结合附图描述如下：

1、测量电压与给定电压比较（由程序实现）。

2、若测量值大于给定值，说明充电机输出电在高于给定值，则应调大可控硅触发角，降低接出电压。

3、若测量值小于给定值，说明充电机输出电压低于给定值，应调高输出电压，因而就必须调小可控制硅触发角。

4、若测量值等于给定值，符合恒压要求，可控硅触发不变。

充电机输出电压U_d与触发角之间关系为：

U_d＝V_doCOSα－IR_d

其中：

V_do－－无相控（α＝0）的理想空载直流电压；

I－－－电路直流电流；

R－－－电路直流电阻；

α－－－可控硅触发角。

三、均充控制流程如图4所示

均充状态的特点是要求在充电过程中，实现稳压、限流，另外，均充一般有时间长度限制，如（3小时），控制流程具体步骤为：

1、流程图中的2、3、5、6实现了均充中要求的稳压、限流。

2、当电池充到一定的状态后，电流就不会越限，框2、4和3、5、6联合调整就实现的恒压充电。

3、均充时间到后，则程序自动转换到浮充状态。从控制框图上看，用单片机程序控制，实现稳压、限流较为方便。

四、强充控制流程如图5所示

强充电的特点是在充电过程中，始终保持电流恒定，当电池的端电压达到一定值后，要求继续强充一定时间（如3小时）根据强充的特点，控制过程如下：

1、控制框1、2、3实现了电流恒定的控制要求。

2、控制框4、5、6实现了电池端电压达到一定值后，继续强充一定时间。

3、控制框6实现了强充是否应转为浮充状态的控制。

五、充电方式自动转换流程如图6所示

充电方式共有三种：强充、均充和浮充，本装置实现了三种充电方式自动转换，状态转换中断信号来自以下几个方面：首先人为地操作，主要是由值班人员进行的。若要进行强充式均充，只要按下相应的按钮开关，单片面就会自行判断。需要进行何种充电方式的控制，其次、控制系统，也可以根据被充电电池的状态自动地进行状态转换。

六、自动保护流程如图7所示

本装置设有电压、电流和纹波三种保护，单片机运行程序、对测量的电压、电流和纹波信号分析判断发现有故障后，按附图的流程进行自动保护。

本实用新型的主要技术要点及其实现的功能包括：

1、自动稳压、稳流及保护

控制系统采用闭环控制，首先由检测电路对电压、电流及纹波信号采样，单片机（8098）运行预先装入EPROM的固化程序，对采样数据进行计算处理，生成控制信号，控制信号去调整可控硅的触发角，从而实现自动稳压、稳流的功能。若测量出的信号经过程序分析判断属于系统故障，则8098单片机将启动相应的保护电路（如过压、过流或纹波保护）。

2、充电方式自动转换

充电方式共有三种：强充、均充和浮充，需充电的蓄电池开始阶段，需要进行强充，当蓄电池充电后，其两端电压上升到某一定值时，单片机将按设定的程序转放均充状态运行。均充的时间是一定的（如3小时），当达到规定的时间，单片机再按程序转入浮充状态运行。根据这些特点，用单片机较方便地实现了充电方式自动转换。

3、可靠性高

根据已往的运行经验，充电机在运行中故障率最高的是控制单元。利用这一特点，本装置采用双控制板，其中一块工作，另一块作为备用，当工作着的控制板出现故障时，自动或手动切换控制板，这样既维持了充电机正常运行又能及时地对故障板进行检修，从而极大地提高了充电机的可靠性。

4、抗干扰性强

本装置使用电路实现成本较低的霍尔感应元件作为测量元件，实现了非接触式测量，控制信号通过光隔到执行元件。使用这种方式，极大地提高了控制系统的抗干扰性，因而，该机运行稳定。

6、故障诊断和显示

充电机故障总是具有一定的表现特征，如电路短路，电流将大幅度上升，本装置的单片机判断测得的电流过大属故障情况，一方面启动过流保护电路，并发出系统短路的显示信息，同时，增大可控硅触发角，将短路电路降到最低（0）。

附图简要说明：

图1为本实用新型工作原理示意框图。

图2为本实用新型总控制流程框图。

图3为本实用新型浮充控制流程框图。

图4为本实用新型均充控制流程框图。

图5为本实用新型强充控制流程框图。

图6为本实用新型状态转换中断流程框图。

图7为本实用新型保护控制流程框图。

图8为本实用新型一种实施例电路原理示意图。

图9为本实施例单片机控制单元电路组成及连接图之一。

图10为实施例单片机控制单元电路组成及连接图之二。

图11为本实施例前面板布局示意图。

本实用新型设计出一种智能充电机实施例其各部分组成及其连接关系，以及工作过程如图8～11图所示，结合各附图分别详细描述如下：

图8为本实施例中除控制、显示单元外的各组成电路连接关系示意图。包括隔离变压器（KT1），交流接触器（KT2）半控桥整流模块（KT3），LC滤波器（KT4），检测电路（KT5）五部分。其中：

KT1为隔离变压器也称整流变压器，它为整流模块提供合适的交流电压，它的输入端经开关K1与380V交流电源连接，它的输出端与交流接触器JC（KT2），另外四个输出端TA、TB、TC、O与控制单元相连，隔离变压器的另一个作用是使本装置的直流电路与交流电路只有磁的联系，设有电的联系，从而起到电隔离作用。

KT2由交流接触器JC－1，JC－2，JC－3，与之相连的快速熔断器BX1、BX2、BX3所组成，它们将隔离变压器与半控桥整流模块连通，JC的控制端与控制单元中的固态继电器相连。交流接触器有灭弧能力，当充电机出现故障时，控制单元将交流接触器的线圈断电，从而切断充电机与交流电源的联系。

KT3为半控桥整流模块，由三组可控硅和整流二极管组成，其输入端与交流接触器相连，输出端与LC滤波器相连，其作用是将交流电变成直流电，可控硅的控制极T1、T2、T3通过脉冲变压器与控制单元的脉冲发生电路连通。脉冲变压器的作用是将主回路的强电与控制系统中的弱电隔离。并且将触发脉冲加到可控硅上。

KT4为LC滤波器，由电感L1，电容C1所构成，其作用是对整流模块KT3输出的直流中残存的交流成分滤掉，最后得到合格的直流输出提供给负载。

KT5为检测电路，它包括电压检测、电流检测和纹波检测三部分。电压检测由电压传感器KV100A（霍尔元件）及一可调电阻（200Ω）组成，其输入与充电机直流输出的正负极相连，输出接于控制单元的单片机第42脚。电流检测由电流传感器（霍尔元件）KT50A／P与可调电阻（200Ω）组成，充电机直流输出的正极从KT50A／P中穿过，其输出接于单片机的第43脚。纹波检测由电容C4，C5、电阻R2，R4，R5及四个整流二极管所构成，其输入端接直流输出的正负极，输出端接控制单元的纹波比较电路中的电压比较器LM311的输入端。检测电路的作用是对充电机工作过程中的电压、电流及纹波进行采样并提供给控制单元进行处理，以便控制系统对充电状态的调整及对故障时的处理。由于使用霍尔元件进行无接触测量，实现强电与弱电部分的隔离。

图9为本实施例的控制单元电路组成与连接示意图之一。包括以下各组成电路：

1、中央处理器KT6.1

单片机是控制系统的核心部件，用于执行控制程序并执行监控。EPROM（2764）用于存贮单片机程序，预先写入。74LS373用于低八位地址锁存，由于单片机数据线与低8位地址线占用相同的总线，因此，在进行从EPROM中读出操作时，必须将低8位地址信号锁存。

2、数据寄存器KT6.2

由芯片U105，（74LS377）构成，用于数据寄存。单片机控制可控硅触发角是发出一定的数据，然后数据转换成一定的“角度”，数据不同，触发角也不同，单片机将数据写入74LS377，74LS337中的数据控制KT6.7（A、B、C）触发电路。

3、纹波比较电路KT6.3

由电压比较器U113（LM311）和光电耦合器U112GDEHQ₂（一部分）构成，纹波测量输入到KT6.3中，通过LM311与给定值比较，纹波超标，LM311输出低电平，否则输出高电平，通过光电耦合传递给单片机，光电耦合器的作用是隔离，从而提高了控制系统的抗干扰性。

4、KT6.4及KT6.5由U1174LS04（反门），光电耦合器U112GDEHQ₂（一部分）和固态继电器U115GTJDQ0构成。单片机发给交流接触控制线圈的信号，通过74LS04反门和光电耦合器传送到固态继电器U115上，从而控制是合上还是开断交流接触器，光电耦合器作用是隔离，固态继电器U115用于控制交流接触器线圈是带电还是断电。

5、充电机状态指示控制电路KT6.6由74LS224，74LS377光电耦合器、固态继电器构成。74LS224，用于数据驱动将单片机发送的电压、电流（两者均用74LS337）测量值传送给显示单元。74LS337数据寄器，单片机将充电机的充电方式、状态（故障或正常）数据送入74LS337，74LS337通过光电耦合器（U₁₂₁，U₁₂₂）和固态继电器（U₁₁₆，U₁₁₇，U₁₁₈，U₁₁₈，驱动信号灯。光电耦合器（U₁₂₁，U₁₂₂）作用是起隔离作用。固态继电器（U₁₁₆.119）用于开、断信号灯的电源（220V交流）

图10为本实施例的控制单元电路组成与连接示意图之二，包括以下各组成电路：

1、触发电路KT6.7（A、B、C）

由4516，4069，4528，MC7805，4040二极管、三极管晶振（3.2768MH）构成。其作用：4516为可预置计数器，数据由KT6.3中的74L377提供，由于4516为四位，而74LS377为八位，因此，要求两块4516才能与74LS377相配。当交流系统（相电压）过零后，4516开始计数，计数脉冲由KT6.9产生，当计数达到746S377给定的值后，4516发出一个脉，该脉冲较窄，通过KT6.8（A，B，C）中的4528脉冲展宽芯片，得到一宽脉冲，经功放后，使用脉冲变压器加到可控硅的控制极上。

7805为集成稳压块，为工作电路提供＋5V的工作电源。4040为分频器，KT6.9中的振荡电路频率为3.2768MHz通过分频后，给4516提供一个较低频率的计数脉冲。

2、脉冲展宽电路KT6.8，由4528，电阻（200K）电容0.1μF组成。本电路功能就是将一个窄脉冲展宽。

3、KT6.9由晶振、4040、74LS04、C₄（22000P）、C₅（30P）、R₂₈（1K）、R₂₉（8.2K）构成，本电路的功能：产生3.2768MHz的方波，然后经4040分频，将输出（CLK）供给KT6。

本实施例为上下分层结构。各组成部分均安装于一个电力系统标准控制框中，控制框选用型号为PK－10型，尺寸为800×600×2200mm。立式框分为六层从上到下为：显示单元、接触器及开关、半控桥整流模块模块、控制板（二块）、检测电路板、隔离变压器及滤波电路。其中显示单元包括充电压、电流显示器，充电机工作状态（强充、均充、浮充和故障）指示。由发光二极管和数码管构成。电压、电流显示器与KT6.3中的元件U105的D₀～D₇连接，状态指示灯与KT6.5的元件连接，其中元件U₁₁₆接浮充指示灯，U₁₁₇接强充指示灯，U₁₁₈接均充指示灯，U₁₁₉接故障指示灯。

图11为机箱前面板显示器分布图，其中上部为电流表、电压表，中部为强充、均充、浮充、故障指示灯，下部为强充、均充、开机、关机按钮。

Claims

1、一种智能充电机，包括将电网电压转换成充电设备所需电压的变压器，将变压器输出的交流电转换成直流电的整流器，滤去所说整流器输出的直流中残存的交流成份的滤波器，对充电过程中的电信号进行采样的检测电路，对所说检测电路输出的信号进行处理并对充电机工程过程进行控制的微机控制单元，以及对各种信号进行显示的显示单元，其特征在于所说的变压器为隔离变压器，所说的整流器为由可控硅，整流二极管及脉冲变压器组成的半控桥整流模块，所说的变压器与半控桥整流模块之间还连接一交流接触器和快速熔断器，所说的检测电路包括电压检测电路、电流检测电路及纹波检测电路，所说的微机控制单元为由单片机及其外围电路以及予先编制的存入EPROM中的控制程序所组成的控制板，所说的可控硅控制极与单片机控制单元之间还连有脉冲电压器，上述各部分均安装在一个机箱内。

2、如权利要求1所述的充电机，其特征在于，所说的电压检测电路由电压传感器及可调电阻所组成；所说的电流检测电路由电流传感器及可调电阻所组成，所说的纹波检测电路由电容、电阻及整流二极管所组成；所说的电压、电流传感器均采用霍尔感应元件。

3、如权利要求1所述的充电机，其特征在于，所说的微机控制单元的外围电路包括过压、过流及纹波的保护电路，电压－电流显示电路、充电机状态显示电路。

4、如权利要求1所述的充电机，其特征在于，在所说的机箱内安装有两块相同的所说的控制板，通过转换开关可进行手动／自动切换。