船用智能充電模塊設(shè)計(jì)

章建峰，喻 浩，鮑陳磊，萬(wàn) 鵬

（1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031；2. 海裝上海局，上海 200083）

船用智能充電模塊設(shè)計(jì)

章建峰1，喻 浩2，鮑陳磊1，萬(wàn) 鵬1

（1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031；2. 海裝上海局，上海 200083）

研究設(shè)計(jì)了一種適用于船舶電力系統(tǒng) 24V(100Ah/200Ah/300Ah)和72V(100Ah/200Ah)蓄電池組的船用智能充電模塊。采用降壓式 BUCK主電路拓?fù)?，基于UC1845的電壓、電流雙閉環(huán)控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)蓄電池組先恒流后恒壓的智能充電控制，有效延長(zhǎng)船用蓄電池組的壽命。原理樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，這種智能充電模塊能夠?qū)崿F(xiàn)良好的充電效果。

智能；充電模塊；蓄電池組

0 引言

隨著我國(guó)電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各類(lèi)基于電力電子技術(shù)的充電裝置廣泛應(yīng)用于航空、船舶、電力等軍民領(lǐng)域中各個(gè)重要環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同特性蓄電池組的智能化充電，保障蓄電池組可靠穩(wěn)定地工作[1-5]。在船舶行業(yè)，從幾百?lài)嵉綌?shù)十萬(wàn)噸的輪船都大量使用蓄電池，尤其是閥控式鉛酸蓄電池[6]，其充電手段主要是各類(lèi)常規(guī)不間斷電源裝置的浮充機(jī)構(gòu)，或者是傳統(tǒng)的恒壓充電裝置，想同時(shí)獲得快速的充電效果和較長(zhǎng)的使用壽命，往往非常困難。

本文研究的船用智能充電模塊，針對(duì)目前船舶領(lǐng)域大量使用的閥控式鉛酸蓄電池組，將傳統(tǒng)的恒壓充電技術(shù)，升級(jí)為智能的先恒流均充、后恒壓浮充充電模式，在保障充電效率的同時(shí)，可以非常有效地延長(zhǎng)蓄電池組的壽命。下面以72V/100Ah蓄電池組充電為例，詳細(xì)研究200VDC～300VDC輸入/82VDC輸出的船用智能充電模塊的設(shè)計(jì)。

1 電路拓?fù)渑c控制策略設(shè)計(jì)

1.1 主電路設(shè)計(jì)

船用智能充電模塊的輸入由整流電源或配電中心提供的200～300V直流電壓，但是蓄電池組的額定浮充電壓只有82V，因此充電主電路采用的是Buck型降壓電路，主電路拓?fù)淙鐖D1所示，由輸入濾波電容、功率MOSFET、RCD緩沖電路、電流傳感器、續(xù)流功率二極管、輸出LC高頻濾波器、無(wú)感采樣電阻、輸出隔離功率二極管組成。考慮到電壓、電流容量和散熱的問(wèn)題，主回路中的功率開(kāi)關(guān)MOSFET和二極管都取了至少一倍的裕量，即采用相同兩個(gè)MOSFET和二極管并聯(lián)使用的方式，同時(shí)元器件都采用SOT-227封裝，可以直接將元器件固定在散熱器上，很好的解決了大電流時(shí)的散熱問(wèn)題。

圖1 Buck型主電路拓?fù)?/p>

功率開(kāi)關(guān)MOSFET的工作頻率設(shè)計(jì)為f=20kHz，即TS=50μs，電路最大占空比為：

1.2 控制電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)實(shí)例采用的是100Ah的蓄電池組，通常恒流0.2C充電，即給蓄電池組充電時(shí)采用恒流20A充電，當(dāng)蓄電池組電壓升到82V后，再自動(dòng)恒壓82浮充，因此，控制電路設(shè)計(jì)成為恒流恒壓雙閉環(huán)控制，主控芯片采用電流型PWM控制芯片UC1845。

控制電路電流控制環(huán)和電壓控制環(huán)分別見(jiàn)圖2、3。采集電流反饋信號(hào)和電壓反饋信號(hào)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，兩個(gè)控制環(huán)的輸出控制信號(hào) VB同時(shí)輸入到控制芯片UC1845的COMP腳，實(shí)現(xiàn)兩路控制信號(hào)的低有效；使用LEM霍爾元件采樣主電路流經(jīng)MOSFET的電流，將瞬時(shí)采樣信號(hào)輸入到UC1845的ISENSE腳，同時(shí)電路設(shè)計(jì)成軟啟動(dòng)功能，UC1845外圍控制電路見(jiàn)圖4；由于主電路與控制電路需要隔離，所以本文采用了光耦隔離驅(qū)動(dòng)，見(jiàn)圖5。光耦選擇的是TLP250，該光耦具有延遲時(shí)間短、輸出電流大等特點(diǎn)，且其內(nèi)部輸出部分就是一個(gè)推挽電路，可以直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)MOSFET。

圖2 電流控制環(huán)

圖3 電壓控制環(huán)

圖4 UC1845控制電路圖

圖5 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)的正確性，搭建了一臺(tái)82VDC/20A船用智能充電模塊樣機(jī)。采用Buck型降壓主電路拓?fù)?，基?UC1845的恒流恒壓雙閉環(huán)控制電路，MOSFET選取 IXYS公司 SOT-227封裝的IXFN48N50，濾波電感取400μH，電容取1000μF，開(kāi)關(guān)頻率20kHz，示波器為L(zhǎng)eCroy 44MXs-A，蓄電池組為72V/100Ah華達(dá)蓄電池組。樣機(jī)恒流輸出波形如圖 6所示，充電電流波形穩(wěn)定；恒流充電階段結(jié)束后樣機(jī)滿(mǎn)載時(shí)的恒壓輸出波形、輸出電壓紋波與毛刺波形，及輕載時(shí)的恒壓輸出波形、輸出電壓紋波與毛刺波形，如圖 7～10所示，輸出電壓波形穩(wěn)定、紋波較小。

圖6 恒流輸出波形

圖7 滿(mǎn)載時(shí)恒壓輸出波形

圖8 滿(mǎn)載時(shí)輸出電壓紋波與毛刺波形

圖9 輕載時(shí)恒壓輸出波形

圖10 輕載時(shí)輸出電壓紋波與毛刺波形

試驗(yàn)結(jié)果表明，該船用智能充電模塊樣機(jī)輸出波形穩(wěn)定、紋波較小，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池組的恒流恒壓充電功能，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文針對(duì)船舶電力系統(tǒng)24V 100/200/300Ah、72V 100/200Ah蓄電池組，設(shè)計(jì)了一種基于UC1845的電壓電流雙閉環(huán)控制、BUCK降壓型船用智能充電模塊，能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組恒流恒壓智能充電控制，有效延長(zhǎng)船用蓄電池組的壽命。原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該船用智能充電模塊具有良好的充電效果，與理論設(shè)計(jì)一致。

[1] 趙異波, 何湘寧, 丁勁松. 蓄電池充電技術(shù)研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用, 2001(11): 32-34.

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[3] 刁洪君, 李苗苗. 一種新型的蓄電池充電技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2011, 34(12): 160-162.

[4] 沈志武. 基于三相PFC的新型15kW充電模塊設(shè)計(jì)[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2011.

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Design of Intelligent Charging Module for Ships

ZHANG Jian-feng1, YU Hao2, BAO Chen-lei1, WAN Peng1
(1. No.704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China; 2. Shanghai Military Representative Bureau of Navy Equipment Department, Shanghai 200083, China)

An intelligent charging module for 24V 100Ah/200Ah/300Ah and 72V 100Ah/200Ah storage batteries in electric power system of ships is researched. Using BUCK main circuit topology, based on voltage and current double-closed-loop control of UC1845, the intelligent charging module can realize the intelligent charging control that charging current is constant firstly, and charging voltage is constant secondly. Also it can effectively lengthen the life of storage batteries for ships. The prototype test results show that the intelligent charging module can realize the good charging effect.

intelligence; charging module; storage batteries

TM912; U665.26

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.015

章建峰（1979-），男，碩士，研究方向：船舶電源及智能配電。