一种智能充电机的制作方法

专利名称：一种智能充电机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及充电技术，尤其是一种铅酸蓄电池用高频谐振软开关变换技术型全自动充电机。
背景技术：
随着社会经济的发展，以及国家对清洁能源建设力度的加大，矿山、观光、仓储转运等企业的产能逐年不断提高，其运输量逐年增加，以电池驱动的工具需求也就越来越多， 以电池做驱动工具以其环保、高效已成趋势，因此对铅酸蓄电池充电技术的安全性、可靠性、快速性要求也越来越高。目前，铅酸蓄电池充电技术大部分采用的是单一的恒流或恒压方式。恒压方式的不足之处在于对新电池初充时，无法正确识别电池的真正容量。恒流方式的不足之处在于对电池常充时，充电时间较长，对电池溶液气体析出量及温度控制有限。这两种方式只能分别满足单一行业的单一充电方式。

实用新型内容本实用新型的发明目的在于针对上述存在的问题，提供一种操作方便，可靠性高，效率高，兼容恒流恒压方式的铅酸蓄电池用智能充电机。本实用新型采用的技术方案是这样的一种智能充电机包括输入整流滤波单元、功率变换单元、环路控制单元、PWM控制及驱动单元；所述输入整流滤波单元用于保护充电机、并将输入交流电压转换为直流电信号， 输入整流滤波单元包括防浪涌电路、整流电路与滤波电路，所述防浪涌电路、整流电路与滤波电路顺次连接，输入整流滤波单元的输出端与功率变换单元的输入端连接；功率变换单元具有电压输出端与电流输出端，功率变换单元用于实现输入输出电信号的功率变换以及输入输出电气隔离，并输出充电电压和充电电流；功率变换单元还具有与充电电流大小成正比例关系的充电电流采样电压输出端；环路控制单元具有电压控制部分、电压控制端、电流控制部分与电流控制端，功率变换单元输出的充电电压、充电电流采样电压分别接至环路控制单元的电压控制端、电流控制端；环路控制单元用于根据充电电压、充电电流采样电压的大小控制PWM控制信号的脉冲宽度，并输出所述PWM控制信号；环路控制单元的PWM控制信号接至PWM控制及驱动单元的输入端连接；所述PWM 控制及驱动单元用于加强PWM控制信号的驱动能力；所述PWM控制及驱动单元输出的PWM控制信号用于控制功率变换单元实现输入输出电信号的功率变换。优选地，所述环路控制单元的电压控制部分电路结构为功率变换单元输出的充电电压通过电阻网络比例分压取得电压信号送至运算放大器IUi正相输入端，运算放大器 IUl反相输入端接MCU单元输出的电压基准！ Vadj，电容1C6、电阻1R9、电容1C7、运算放大器IUl组成电压误差放大器，且电容1C6和电阻1R9串联后与电容1C7并联，一起构成运算放大器IUl的反馈网络，运算放大器IUl输出端与二极管1D2B的阳极连接；所述环路控制单元的电流控制部分电路结构为包括PWM控制芯片、电容2C6、电容2C7、电阻2RA与运算放大器2U2 ；电容2C6、电容2C7、电阻2RA与运算放大器2U2组成电流误差放大器，且电容2C7和电阻2RA串联后与电容2C6并联，一起构成运算放大器2U2的反馈网络，功率变换单元输出的充电电流采样电压和MCU单元输出的电流基准！Iadj同时接至运算放大器2U2的同相输入端，，运算放大器2U2输出端与二极管1D2A的阳极连接；二极管1D2A的阴极与二极管1D2B的阴极连接在一起，并通过开关三极管5Q3接至PWM控制芯片的控制信号输入端，PWM控制芯片用于输出PWM控制信号OUTA及PWM控制信号OUTB。优选地，还包括MCU单元、显示电路、输出电压过压保护单元、输出电流过流保护单元、机器内部过热保护单元与电池极性防反接单元；所述输出电压过压保护单元用于检测充电电压大小，向MCU单元输出过压报警信号，同时控制关断PWM控制芯片输出的PWM控制信号OUTA及PWM控制信号OUTB ；输出电流过流保护单元用于检测充电电流大小，向MCU单元输出过流报警信号；机器内部过热保护单元用于检测智能充电机内部温度，控制关断PWM控制芯片输出的PWM控制信号OUTA及PWM控制信号OUTB ；电池极性防反接单元用于检测接入充电电池极性，向MCU单元输出电池极性反接报警信号，同时控制关断PWM控制芯片输出的PWM控制信号OUTA及PWM控制信号OUTB ；MCU单元用于控制显示电路显示接收到的所述过压报警信号、过流报警信号、过热报警信号及电池极性反接报警信号，同时控制关断PWM控制芯片输出的PWM控制信号OUTA 及PWM控制信号OUTB。优选地，还包括输入电压过欠压保护单元；所述输入电压过欠压保护单元包括输入电压采样电路、低通滤波电路与过欠压判断电路； 输入电压采样电路用于对输入交流电压半波整流，并输出给低通滤波电路，低通滤波电路用于滤除整流后交流电压的高频干扰，并输出给过欠压判断电路，所述过欠压判断电路用于将输入交流电压与设定的电压范围比较，当输入交流电压值大于或低于设定的电压范围时向MCU单元输出输入电压过欠压报警信号，同时关断PWM控制芯片输出PWM控制信号OUTA及PWM控制信号OUTB。优选地，还包括电池防反接接触器，MCU单元还用于控制所述防反接接触器的吸合与断开。优选地，还包括电池充电输出接触器，MCU单元还用于控制所述电池充电输出接触器的吸合与断开。优选地，充电电压经电阻网络分压后，进入电压跟随器7U3A，电压跟随器7U3A的输出端接于MCU单元；MCU单元用于显示电压跟随器7U3A输出的电压信号。优选地，充电电流通过电阻2R1接至运算放大器2U1的反相输入端，电容2C3与电阻2R2并联后跨接于运算放大器2U1的输出端及反向输入端之间，运算放大器2U1的输出电压经电阻网络分压后接至MCU单元显示。优选地，PWM控制及驱动单元接收所述PWM控制信号OUTA及PWM控制信号0UTB，输出三路均与PWM控制信号OUTA相位、频率一致的脉冲信号脉冲信号OUT-Α、脉冲信号QG-C 与脉冲信号QG-D ；同时还输出三路均与PWM控制信号OUTB相位、频率一致的脉冲信号脉冲信号OUT-B、脉冲信号QG-A与脉冲信号QG-B。优选地，所述功率变换单元包括变压器初级能量转换部分与变压器次级整流滤波部分；所述变压器初级能量转换部分的电路结构为包括8个开关电路、电感Lr，电容 Crl，电容Cr2与变压器；PWM控制及驱动单元脉冲信号OUT-A输出端通过电感Lr，电容Crl，电容Cr2与变压器的初级线圈接至脉冲信号OUT-B输出端，且电容Crl与电容Cr2并联后与电感Lr、变压器的初级线圈串联；输入整流滤波单元输出电压信号的正极通过相互并联的第一开关电路、第二开关电路与脉冲信号OUT-A输出端连接；脉冲信号QG-A控制第一开关电路、第二开关电路断开与闭合；输入整流滤波单元输出电压信号的负极通过相互并联的第三开关电路、第四开关电路与脉冲信号OUT-A输出端连接；脉冲信号QG-B控制第三开关电路、第四开关电路断开与闭合；输入整流滤波单元输出电压信号的正极通过相互并联的第五开关电路、第六开关电路与脉冲信号OUT-B输出端连接；脉冲信号QG-C控制第五开关电路、第六开关电路断开与闭合；输入整流滤波单元输出电压信号的正极通过相互并联的第七开关电路、第八开关电路与脉冲信号OUT-B输出端连接；脉冲信号QG-D控制第七开关电路、第八开关电路断开与闭合；变压器次级整流滤波部分的电路结构为所述变压器的次级线圈中点引出有地线接至地，次级线圈的两端分别接有4支相互并联的二级管的阳极，所述8支二极管的阴极连接在一起与地作为功率变换单元的电压输出端；在所述变压器的次级线圈中点与地之间串联功率变换单元的电流输出端，且在所述地线上串联有电流取样电阻，所述电流取样电阻接近次级线圈中点的一端为充电电流采样电压输出端。综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是1.功率变换采用全桥LLC谐振软开关技术设计，比传统的硬开关变换技术具有体积小，电磁辐射低，变换效率高等优点；2.环路控制采用电压环、电流环双环路设计，极易实现无级调节输出电压、电流限流。

图1是本实用新型的系统框图；图2输入整流滤波单元的实施例电路图；图3是输入电压过欠压保护单元中电压采样电路的实施例电路图；图4是输入电压过欠压保护单元中低通滤波电路与过欠压判断电路的实施例电路图；[0042]图5是功率变换单元变压器初级能量转换部分的实施例电路图；[0043]图6是功率变换单元变压器次级整流滤波部分的实施例电路图；[0044]图7是环路控制单元的电压控制部分的实施例电路图；[0045]图8是环路控制单元的电流控制部分的实施例电路图；[0046]图9是环路控制单元的PWM控制信号发生单元的实施例电路图；[0047]图10是本实用新型的实施例3的电气原理图；[0048]图11是本实用新型的实施例3的电气原理图；[0049]图12是输出电压过压保护单元的实施例电路图；[0050]图13是输出电流过流保护单元的实施例电路图；[0051]图14是机器内部过热保护单元的实施例电路图；[0052]图15是电池极性防反接单元的实施例电路图；[0053]图16是充电电压显示预处理电路的实施例电路图；[0054]图17是充电电流显示预处理电路的实施例电路图；[0055]图18是MCU单元的实施例电路图；[0056]图19是MCU单元控制防反接接触器的实施例电路图；[0057]图20是MCU单元控制电池充电输出接触器的实施例电路图；[0058]图21是MCU单元与输出电压过压保护单元、输出电流过流保护单元、机器内部过
热保护单元与电池极性防反接单元报警信号输出端连接的实施例电路图。
具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型作详细的说明。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。1.输入整流滤波单元这一部分电路主要是将电网提供的交流电压转换为直流电压，为后面的功率变换单元做准备，防止电网对充电机供电的干扰，同时也要处理好充电机对电网的污染，必须采取以下电路措施(1)电源输入侧的防浪涌和防电磁辐射处理如图2所示，在供电电源的输入进线侧，采用3拼的交流断路器控制充电机的电源交流三相380V “开”、“关”，即AC/A、AC/B、AC/C为进线，由压敏电阻YMU YM2、YM3、YM4，Y 电容CY1、CY2、CY3, X电容CXI、CX2、CX3、CX4，接地电阻RGl及共模电感FLl组成EMI/EMC 电路，防止浪涌电压的吸收及防电磁辐射滤波；如果“雷击浪涌电压”是以“共模形式”输入的，即“雷击浪涌电压”同时从三相交流进线“AC/A”、“AC/B”、“AC/C”任意两相间回路灌入，可以通过压敏电阻任意两相之间互相吸收，如“ AC/A，，与“ AC/B，，间通过YM3、CX3和YM2、CX2串接后，箝位吸收“ AC/A，，与“ AC/ B”两相间的浪涌电压，如“AC/A”与“AC/C”间通过YM3、CX3和YM1、CX1串接后，箝位吸收， “AC/A”与“AC/C”两相间的浪涌电压，如“AC/B”与“AC/C”间通过YM2、CX2和YMU CXl 串接后，箝位吸收，“AC/B”与“AC/C”两相间的浪涌电压。[0066]如果“雷击浪涌电压”是以“差模形式”输入的，即“雷击浪涌电压”分别从三相交流进线“AC/A”、“AC/B”、“AC/C”任意一相和大地之间回路灌入，如从“AC/A”相和大地回路灌入，通过压敏YM3和YM4、CY1吸收；如从“AC/B”相和大地回路灌入，通过压敏YM2和YM4、 CYl吸收；如从“AC/C”相和大地回路灌入，通过压敏YMl和YM4、CY1吸收。由于功率变换单元开关管的开通和关断是交替变换的，也会产生脉动纹波电压干扰到电网，所以在回路中串接一个共模电感FL1，防止电磁对外的辐射，同时将一些其它差模干扰信号经过RG1、CY2、CY3对大地泄放。(2)三相电源进线经过防止浪涌电压的吸收后，由2个整流桥QL1、QL2整流，由 CX4、HCl、HC2、HC3、HC4、HC5滤波，由于HCl、HC2、HC3、HC4串接后，各个电容内阻不一至会导致上下两组电容电压不平衡，所以曾加HR1、HR2起到电容电压平衡和关机后将电容的高压电放电作用。网络标号“VH+”是高压直流电源正极，“VH-”是高压直流电源负极。由于电解电容HC1、HC2、HC3、HC4内阻比较小，在上电瞬间会有很大的充电电流， 电网电压瞬间被拉低，造成电网电压波动。必须增加上电软启动功能保证开机瞬间不会对电网造成冲击现象。上电瞬间，JKl处于断开状态，直流电压“UH+”通过热敏电阻RM1、RM2 (PTC电阻， 电流越大温度上升越快，电阻越大)限流往电解电容HC1、HC2、HC3、HC4充电及辅助电源供电，当电解电容HC1、HC2、HC3、HC4给充电后电压(VH+)上升到接近“UH+”时，即继电器触点间压差非常小的时候，继电器吸合，这样开机瞬间没有冲击电流，自然不会造成对电网电压的冲击。(3)输入电压的过欠压保护和软启动控制如图3、4 所示，进线 AC/A、AC/B、AC/C 网络分别经过电阻HR7、HR8、HR9、HRlO、HRl 1、 HRl2, HRl3, HR14、HRl5, HR16、HRl7 和二极管 HD1、HD2、HD3 采样，采样信号"AC-DET"连至由运放HUl组成的过欠压比较器进行过压、欠压的判断。“AC-EDT”经过HR1A、HRlB和HR2 分压，分压信号通过HC2、HC3、HC4、HR4、HUlA处理峰值滤波后，分别与欠压比较器“HU1D” 和过压比较器“HU1C”进行阀值比较；当输入市电采样电压的分压信号(HU1D的13脚)低于 HR9.HRA的分压值(HU1D的12脚，欠压设定基准即对应市电电压304Vac)，也就是说HUlD的反相输入端(13脚)电压低于同相输入端(12脚)电压，所以HUlD的第14脚输出高电平， 再与HUB的5脚(VRE基准电压5V)比较，即HUlB的6脚(反相输入端)电压高于5脚(同相输入端)电压，所以HUlB的7脚会输出低电平，HQ2的1、2脚没有电流流过无法导通，HQl 基极电压没有，HQl无法导通，“JK” (输入继电器JKl线圈控制信号)没法拉到低电平，即输入继电器JKl不会吸合，同时HQ2的另一侧“AC0K”也是没法变为低电平，锁住了 PWM控制回路的脉冲输出，即输入电压欠压保护。当输入市电采样电压的分压信号(HU1D的13脚)高于HR9、HRA的分压值(HU1D的 12脚，欠压设定基准即对应市电电压304Vac)，也就是说HUlD的反相输入端(13脚)电压高于同相输入端(12脚)电压，所以HUlD的第14脚输出会低电平，再与HUB的5脚(VRE基准电压5V)比较，即HUlB的6脚(反相输入端)电压低于5脚(同相输入端)电压，所以HUlB 的7脚输出高电平，HQ2有电流流过导通，HQl基极有饱和导通电压，“JK”(输入继电器JKl 线圈控制信号)被拉到低电平，即输入继电器JKl吸合，同时HQ2的另一侧“AC0K”也变为低电平，打开输出控制脉冲，即输入电压正常。[0074]当输入市电采样电压的分压信号(连至HUlC的10脚)高于HUlC的9脚(基准电压，即对应市电电压456Vac)，也就是说HUlC的同相输入端(10脚)电压高于反相输入端 (9脚)电压，所以HUlC的第8脚输出高电平，再与HUB的5脚(VRE基准电压5V)比较，即 HUlB的6脚(反相输入端)电压高于5脚(同相输入端)电压，所以HUlB的7脚输出低电平， HQ2的1、2脚没有电流流过无法导通，HQl基极电压没有，HQl无法导通，“ JK” (输入继电器JKl线圈控制信号)没法拉到低电平，即输入继电器JKl不会吸合，同时HQ2的另一侧 “AC0K”也是没法变为低电平，锁住了 PWM控制回路的脉冲输出，即输入电压过压保护。2.功率变换单元这一部分电路主要是通过高频PWM开关方式(脉宽控制方式)实现输入输出的电气隔离。( 1)变压器初级能量转换部分如图5所示前级功率变换采用全桥LLC谐振主拓扑结构，由大功率MOSFET管1Q1、 1Q2、1Q3、1Q4、1Q5、1Q6、1Q7、1Q8，谐振电感 Lr、谐振电容 Crl、Cr2，变压器 3T1，组成全桥 LLC 谐振软开关变换，即完成从“DC”到“AC”的转换过程。大功率MOSFET管IQl、电阻1R1、1R2、1R3、二极管IDl组成第一开关电路，大功率 M0SFET管1Q2、电阻1R4、1R5、1R6、二极管1D2组成第二开关电路，依次类推，第三、第四、第五、第六、第七、第八开关电路由相应的大功率MOSFET管、电阻、二极管组成，其电路结构与第一、第二开关电路一致，在此不再赘述。MOSFET管1Q1、1Q2与1Q7、1Q8同时导通(两个同相桥臂)，即“VH+”电源经开通的lQl、lQ2、Lr、Crl、Cr2、3Tl原边、1Q7、1Q8到电源“VH-”，形成变压器初级的正相周期充电；MOSFET管1Q3、1Q4与1Q5、1Q6同时导通(两个同相桥臂)，即“VH+”电源经开通的 1Q5、1Q6、3T1原边、Crl、Cr2、Lr、lQ3、lQ4到电源“VH-”，形成变压器初级的反相周期充电。( 2 )变压器次级整流滤波部分图6所示变压器的初、次级通过磁场耦合后将能量传递过来，由变压器次级绕组线圈、快恢复整流二极管 3D1、3D2、3D3、3D4、3D5、3D6、3D7、3D8 和滤波电容 3C5、3C6、3C7、 3C8完成整流滤波，即将变压器初级储存的“交变”能量传递到次级变换成“连续”的直流能量，即完成从“AC”到“DC”的转换过程。所述变压器的次级线圈中点引出有地线接至地，次级线圈的两端分别接有4支相互并联的二级管的阳极，所述8支二极管的阴极连接在一起与地作为功率变换单元的电压输出端；在所述变压器的次级线圈中点与地之间串联功率变换单元的电流输出端，且在所述地线上串联有电流取样电阻，所述电流取样电阻接近次级线圈中点的一端为充电电流采样电压输出端。当变压器次级回路为正相周期时，3D1、3D2、3D5、3D6导通，将变压器初级传递过来的交流方波电压变成直流电压；当变压器次级回路为反相周期时，3D3、3D4、3D7、3D8导通， 将变压器初级传递过来的交流方波电压变成直流电压，在经电解电容3C5、3C6、3C7、3C8滤波输出。其中JM3、JM4、JM5、JM6、JM7是变压器的次级接线端子。3.环路控制单元图7所示功率变换单元输出的充电电压“V0UT”通过电阻SR1、SR2、1R4、1R10比例分压取得电压信号和MCU板给出“电压设置”基准信号“ ！ Vadj”同时与运放IUl组成一个电压误差放大器，电容1C6和电阻1R9串联后与电容1C7并联，一起构成运算放大器IUl 的反馈网络，误差放大器输出端接至二极管1D2B的阳极，通过二极管1D2B控制ERR点的电位。假如当前设定基准电压为2. 5V，对应要输出60V的电压，如果输出电压比设置的基准对应电压偏高时，运放IUl输出的误差信号就会比较大，通过ERR的大小来控制调节输出脉宽变小，使得输出电压变低，如果输出电压比设置的基准对应电压偏低时，运放IUl输出的误差信号就会比较小，通过ERR的大小来控制调节输出脉宽变大，使得输出电压变高， 这个过程是一个动态调节过程，直到输出电压稳定在设置值。图6所示功率变换单元输出的充电电流CS-和MCU单元给出的“电流设置”基准 “ ！Iadj ”同时与运放2U2组成一个电流误差放大器，电容2C7和电阻2RA串联后与电容2C6 并联，一起构成运算放大器2U2的反馈网络，误差放大器输出端接至二极管1D2A的阳极，通过二极管1D2A控制ERR点的电位。例如当前设定基准电压为2. 5V，对应要输出90A的电流，如果输出电流比设置的基准对应电流偏高时，运放IUl输出的误差信号就会比较大，通过“ERR”的大小来控制调节输出脉宽变小，即限制输出电流变大，如果输出电流比设置的基准对应电流压偏低时，运放皿输出的误差信号就会比较小，通过“ERR”的大小来控制调节输出脉宽变大，使得输出电流限流点放开，这个过程是一个动态调节过程，直到输出电流稳定在设置值。以上电压、电流误差放大器输出信号都是经过了二极管1D2A、1D2B隔离最终控制 “ERR”电压大小，即电压电流两个环路同时作用到“ERR”信号，两个环路在不同状态下切换， 即当工作在稳压模式时候，电压环路作用调节“ERR”。“ERR”电压越高，5Q3的导通电流越大，芯片6U1 (6U1为PWM控制芯片)的第9脚电压就会被拉得越低，6U1的输出脉冲0UTA、 OUTB宽度就会越小，输出电压就会变低，“ERR”电压越低，5Q3的导通电流越小，6U1的第9 脚电压就会变高(5RA上拉电阻接到5V基准)，6U1的输出脉冲0UTA、0UTB宽度就会越大，输出电压就会变高，整个反复调节的过程就是电压环路稳压的过程；当工作在限流模式时候， 电流环路作用调节ERR，ERR电压越高，5Q3的导通电流越大，6U1的第9脚电压就会被拉得越低，6U1的输出脉冲OUTA、OUTB宽度就会越小，输出电流限流点就会被限的更小，ERR电压越低，5Q3的导通电流越小，6U1的第9脚电压就会变高(5RA上拉电阻接到5V基准)，6U1 的输出脉冲OUTA、OUTB宽度就会越大，输出电流限流点就会被放得更开，整个反复调节的过程就是电流环路稳流的过程。4. PWM控制及驱动单元图10、图11所示由于6U1输出的2路脉冲信号0UTA、0UTB的带载能力有限，不能直接驱动由多个MOSFET组成的全桥开关电路，必需采用TTL方式(或其他驱动方式)驱动2 个隔离变压器变换成四路方波信号，每两路同相，分别驱动4个“桥臂”的大功率M0SFET。当输出脉冲OUTA为高电平，OUTB为低电平时，AQ1、AQ3、BQ2、BQ4同时打开，驱动变压器3T1和3T2初级1脚为低电平，3T1和3T2的2脚为高电平，同时驱动变压器3T1和 3T2次级的6、4脚(即VHl-、OUT-B、QG-A、QG-B)为低电平，3、5脚为高电平(即VH2-、OUT-A、 QG-C、QG-D )。当输出脉冲OUTA为低电平，OUTB为高电平时，AQ2、AQ4、BQ1、BQ3同时打开，驱动
11变压器3T1和3T2初级1脚为高电平，3T1和3T2的2脚为低电平，同时驱动变压器3T1和 3T2 次级的 6、4 脚(8口 VH1-、OUT-B, QG-A, QG-B)为高电平，3、5 脚(8口 VH2-、OUT-A、QG-C, QG-D )为低电平。驱动脉冲OUTA、OUTB高低电平按一定周期交替驱动3T1和3T2初级，次级输出两两同相的四路方波脉冲信号控制功率变换单元包括变压器初级能量转换部分的开关电路导通或关闭。驱动脉冲OUTA、OUTB的频率发生变化将改变变压器次级线圈输出的电压、电流大小，进而实现充电电压、充电电流的无级调节。具体是PWM控制及驱动单元脉冲信号OUT-A输出端通过电感Lr，电容Crl，电容 Cr2与变压器的初级线圈接至脉冲信号OUT-B输出端，且电容Crl与电容Cr2并联后与电感 Lr、变压器的初级线圈串联。输入整流滤波单元输出电压信号的正极通过相互并联的第一开关电路、第二开关电路与脉冲信号OUT-A输出端连接；脉冲信号QG-A控制第一开关电路、第二开关电路断开与闭合。输入整流滤波单元输出电压信号的负极通过相互并联的第三开关电路、第四开关电路与脉冲信号OUT-A输出端连接；脉冲信号QG-B控制第三开关电路、第四开关电路断开与闭合。输入整流滤波单元输出电压信号的正极通过相互并联的第五开关电路、第六开关电路与脉冲信号OUT-B输出端连接；脉冲信号QG-C控制第五开关电路、第六开关电路断开与闭合。输入整流滤波单元输出电压信号的正极通过相互并联的第七开关电路、第八开关电路与脉冲信号OUT-B输出端连接；脉冲信号QG-D控制第七开关电路、第八开关电路断开与闭合。5.保护措施为保证整个电路的安全稳定工作，提高设备的运行可靠性必需采用各种保护措施(1)图12所示输出电压过压保护由“比较器” 3U2A和9U2A组成，设定规定的过压点对应基准给3U2A的2脚(VREF经3RA、3RB分压，反相输入端)，与输出电压采样值“UB” (连至电阻3RC输入3U2A的3脚，同相输入端)比较，如果3U2A的3脚电压高于设定的基准电压阀值，比较器输出一个高与IOV的电平，打开二极管9D1B作用到9U2A的2脚(反相输入端)与9U2A的3脚(默认！ ON电压为5V)比较，9U2A的1脚输出一个低电平信号“SHDN” 将6U1的8脚电压拉低，使得6U1关断输出第11和14脚的脉冲信号“0UTA”、“0UTB”，起到过压保护作用；同时与3U2A的1脚相连的3Q1三极管开通，与MCU连通的过压保护信号“ ！ 0VP"为低电平信号，MCU (单片机)就会收到过压保护信号告警显示。(2)图13所示输出电流过流保护(或输出短路保护)在功率变压器的初级引线上套接了一个环状电流互感器，将电流互感器的交流采样信号“CT+”、“CT-”电流信号通过电阻6RS1、6RS2、6R3、6R4接地，形成电流互感器的次级回路，在6R3、6R4两端上产生交流电压，当“CT+”为正相周期时，6D1B导通，经6R5接地形成回路，当“CT-”为正相周期时，6D1A 导通经6R5接地形成回路，将“CT+”、“CT-”的交流电流信号整流转换成直流脉动的峰值电压信号，6Z1稳压二极管防止输入的峰值电压过高损坏9U2B起箝位保护作用，峰值电压加到9U2B的反相输入端6脚，与9U2B的同相输入端5脚基准比较，如果出现输出短路时，原边的电流就会增大，电流互感器采样的信号也增大，当电流互感器采样信号峰值电压高于 9U2B的5脚基准时，9U2B的7脚输出的低电平连至6U1的8脚“SHDN”关断6U1的11、14 脚脉冲输出，起到输出过流或输出短路保护作用。(3)图14所示机器内部过热保护由2J3连接的"Ts+" "Ts-" (Ts-与ACOK同网络)的温度开关信号是闭合的，“Ts+”的电压是低电平，如果机器内部过热，温度开关常闭触点就会断开，“Ts+”的电压变高至“VCC”即9U2A的2脚(反相输入端)电压就会高于3脚电压，9U1的1脚输出的低电平连至拉低6U1的8脚“SHND”关断6U1的11、14脚脉冲输出， 起到机器内部过热保护作用，同时与“Ts+”相连的二极管9D3反相截止，JQ2三极管开通，与 MCU连通的过热保护信号“！ 0CP”被拉为低电平信号，MCU (单片机)就会收到“过温”保护告警信号显示。(4)图15所示电池极性防反接告警将被充电电池的电压“BAT+”通过2J6连接至R32、R31、R30、R29分压后，连至7U3B的6脚(反相输入端)，与7U3的5脚(同相输入端) 比较，如果电池极性接反了，7U3B的7脚输出一个高电平控制JQ4导通，由4J3连至MCU的 “！ RLY”信号由原来的高电平被拉成为低电平，MCU做出判断，认为电池极性接反，同时禁止打开防反接接触器的吸合动作信号，完成电池防反接保护动作。6.充电机输出电压(即电池充电电压)及输出电流(即电池充电电电流)显示电池的充电电压、电流采样信号送至MCU处理，一方面用于LED显示，另一方面用于被充电电池的容量计算。如图15、16，电池电压即(充电机输出电压)由“BAT+”经R32、R31、R30、R29 分压得“B+”，在经过由7U3A跟随输出“ ！ V0”，送至MCU显示。如图16所示功率变换单元输出的充电电流采样电压CS-通过电阻2R1接至运算放大器2U1的反相输入端，电容2C3与电阻2R2并联后跨接于运算放大器2U1的输出端及反向输入端之间，运算放大器2U1的输出电压ISEN经电阻2R3、2R4分压后接至MCU单元处
理显示。7. MCU智能管理:(1)图18所示主控芯片TI公司的16位单片机处理器(2)遥控本实用新型还包括防反接接触器、电池充电输出接触器，所述防反接接触器、电池充电输出接触器的吸合与断开由MCU单元控制。如图19，1 ^单元12_1脚为高电平，经过1 10，1 61分压，02的1脚(基极)为高电平，Q2的1和2脚间有电流流过，Q2就饱和导通，与控制电池充电输出接触器的继电器线圈相连的CH插座J8的11脚/JK被拉低，继电器吸合，连通电池充电输出接触器的线圈供电，电池充电输出接触器吸合连通充电机与被充电电池的正极。YK2_JK为低电平，Q2的1脚(基极)被拉成低电平，Q2的1和2脚间有电流流过， Q2就不导通，与控制电池充电输出接触器的继电器线圈相连的/JK不能被拉低，继电器无法吸合，电池充电输出接触器的线圈供电没有连通，电池充电输出接触器的触点无法连通充电机与被充电电池的正极即关断输出。如图20，MCU单元的 (1_0Ν为低电平时，Ql的1脚为低电平，Ql导通，与控制板
1相连的插座J8的10脚/ON信号被拉为低电平，连通防反接接触器的线圈不供电，防反接接触器断开，充电机处于关机状态。YK1_0N为高电平时，由R8、R62分压，Ql的1脚为高电平，Ql不导通，与控制板相连的插座J8的10脚/ON信号为高电平，充电机处于开机状态。(3)遥信输入电压过欠压保护单元、输出电压过压保护单元、机器内部过热保护单元与电池极性防反接单元输出的报警信号通过图21所示的电路与MCU单元连接。以输入电压过欠压保护为例电阻R25 —端与Vcc连接，电阻R25的另一端与电阻似6连接，电阻R26的另一端接至MCU单元，电阻R26与MCU单元的连接点通过电容C34接地，输入电压过欠压保护单元输出的报警信号接至R25与R26的连接点， (1_ΙΝ0Κ处电位为高电平定义为“输入正常”， (1_ΙΝ0Κ为低电平定义为“输入异常”，并显示故障代码“Ε1”。依次类推，机器内部过热保护单元的报警信号通过结构相同的电路接至MCU单元，YX2_0CP处电位为高电平定义为“正常”，"YX2_0CP"为低电平定义为“过温”，并显示故障代码“E6”。充电电池极性接反保护单元的报警信号通过结构相同的电路接至MCU单元，YX3_ RLY处电位为高电平定义为“正确接线”，如果RLY为低电平定义为“电池接反”，并显示故障代码“Ε4”。输出电压过压保护单元的报警信号通过结构相同的电路接至MCU单元，YX4_0VP 处电位为高电平定义为“输出正常”，如果为低电平定义为“输出过压”，并显示故障代码“Ε2”。(6)本实用新型的MCU单元与上位机通过串口 SR485通讯接口连接，以便于上位机实现后台管理，开放多种充电方案选择，可以实现后台遥调、遥信、遥控功能。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种智能充电机，其特征在于包括输入整流滤波单元、功率变换单元、环路控制单元、PWM控制及驱动单元；所述输入整流滤波单元用于保护充电机、并将输入交流电压转换为直流电信号，输入整流滤波单元包括防浪涌电路、整流电路与滤波电路，所述防浪涌电路、整流电路与滤波电路顺次连接，输入整流滤波单元的输出端与功率变换单元的输入端连接；功率变换单元具有电压输出端与电流输出端，功率变换单元用于实现输入输出电信号的功率变换以及输入输出电气隔离，并输出充电电压和充电电流；功率变换单元还具有与充电电流大小成正比例关系的充电电流采样电压输出端；环路控制单元具有电压控制部分、电压控制端、电流控制部分与电流控制端，功率变换单元输出的充电电压、充电电流采样电压分别接至环路控制单元的电压控制端、电流控制端；环路控制单元用于根据充电电压、充电电流采样电压的大小控制PWM控制信号的脉冲宽度，并输出所述PWM控制信号；环路控制单元的PWM控制信号接至PWM控制及驱动单元的输入端连接；所述PWM控制及驱动单元用于加强PWM控制信号的驱动能力；所述PWM控制及驱动单元输出的PWM控制信号用于控制功率变换单元实现输入输出电信号的功率变换。
2.根据权利要求1所述的一种智能充电机，其特征在于，所述环路控制单元的电压控制部分电路结构为功率变换单元输出的充电电压通过电阻网络比例分压取得电压信号送至运算放大器IUl正相输入端，运算放大器IUl反相输入端接MCU单元输出的电压基准！ Vadj,电容1C6、电阻1R9、电容1C7、运算放大器IUl组成电压误差放大器，且电容1C6和电阻1R9串联后与电容1C7并联，一起构成运算放大器IUl的反馈网络，运算放大器IUl输出端与二极管1D2B的阳极连接；所述环路控制单元的电流控制部分电路结构为包括PWM控制芯片、电容2C6、电容 2C7、电阻2RA与运算放大器2U2 ；电容2C6、电容2C7、电阻2RA与运算放大器2U2组成电流误差放大器，且电容2C7和电阻2RA串联后与电容2C6并联，一起构成运算放大器2U2的反馈网络，功率变换单元输出的充电电流采样电压和MCU单元输出的电流基准！Iadj同时接至运算放大器2U2的同相输入端，，运算放大器2U2输出端与二极管1D2A的阳极连接；二极管1D2A的阴极与二极管1D2B的阴极连接在一起，并通过开关三极管5Q3接至PWM 控制芯片的控制信号输入端，PWM控制芯片用于输出PWM控制信号OUTA及PWM控制信号 OUTB。
3.根据权利要求2所述的一种智能充电机，其特征在于，还包括MCU单元、显示电路、输出电压过压保护单元、输出电流过流保护单元、机器内部过热保护单元与电池极性防反接单元；所述输出电压过压保护单元用于检测充电电压大小，向MCU单元输出过压报警信号， 同时控制关断PWM控制芯片输出的PWM控制信号OUTA及PWM控制信号OUTB ；输出电流过流保护单元用于检测充电电流大小，向MCU单元输出过流报警信号； 机器内部过热保护单元用于检测智能充电机内部温度，控制关断PWM控制芯片输出的 PWM控制信号OUTA及PWM控制信号OUTB ；电池极性防反接单元用于检测接入充电电池极性，向MCU单元输出电池极性反接报警信号，同时控制关断PWM控制芯片输出的PWM控制信号OUTA及PWM控制信号OUTB ；MCU单元用于控制显示电路显示接收到的所述过压报警信号、过流报警信号、过热报警信号及电池极性反接报警信号，同时控制关断PWM控制芯片输出的PWM控制信号OUTA及 PWM控制信号OUTB。
4.根据权利要求3所述的一种智能充电机，其特征在于，还包括输入电压过欠压保护单元；所述输入电压过欠压保护单元包括输入电压采样电路、低通滤波电路与过欠压判断电路；输入电压采样电路用于对输入交流电压半波整流，并输出给低通滤波电路，低通滤波电路用于滤除整流后交流电压的高频干扰，并输出给过欠压判断电路，所述过欠压判断电路用于将输入交流电压与设定的电压范围比较，当输入交流电压值大于或低于设定的电压范围时向MCU单元输出输入电压过欠压报警信号，同时关断PWM控制芯片输出PWM控制信号OUTA及PWM控制信号OUTB。
5.根据权利要求3所述的一种智能充电机，其特征在于，还包括电池防反接接触器， MCU单元还用于控制所述防反接接触器的吸合与断开。
6.根据权利要求3所述的一种智能充电机，其特征在于，还包括电池充电输出接触器， MCU单元还用于控制所述电池充电输出接触器的吸合与断开。
7.根据权利要求3所述的一种智能充电机，其特征在于，充电电压经电阻网络分压后， 进入电压跟随器7U3A，电压跟随器7U3A的输出端接于MCU单元；MCU单元用于显示电压跟随器7U3A输出的电压信号。
8.根据权利要求3所述的一种智能充电机，其特征在于，充电电流通过电阻2R1接至运算放大器2U1的反相输入端，电容2C3与电阻2R2并联后跨接于运算放大器2U1的输出端及反向输入端之间，运算放大器2U1的输出电压经电阻网络分压后接至MCU单元显示。
9.根据权利要求2所述的一种智能充电机，其特征在于，PWM控制及驱动单元接收所述 PWM控制信号OUTA及PWM控制信号0UTB，输出三路均与PWM控制信号OUTA相位、频率一致的脉冲信号脉冲信号OUT-Α、脉冲信号QG-C与脉冲信号QG-D ；同时还输出三路均与PWM控制信号OUTB相位、频率一致的脉冲信号脉冲信号0UT-B、脉冲信号QG-A与脉冲信号QG-B。
10.根据权利要求9所述的一种智能充电机，其特征在于，所述功率变换单元包括变压器初级能量转换部分与变压器次级整流滤波部分；所述变压器初级能量转换部分的电路结构为包括8个开关电路、电感Lr，电容Crl，电容Cr2与变压器；PWM控制及驱动单元脉冲信号OUT-A输出端通过电感Lr，电容Crl，电容Cr2与变压器的初级线圈接至脉冲信号OUT-B输出端，且电容Crl与电容Cr2并联后与电感Lr、变压器的初级线圈串联；输入整流滤波单元输出电压信号的正极通过相互并联的第一开关电路、第二开关电路与脉冲信号OUT-A输出端连接；脉冲信号QG-A控制第一开关电路、第二开关电路断开与闭合；输入整流滤波单元输出电压信号的负极通过相互并联的第三开关电路、第四开关电路与脉冲信号OUT-A输出端连接；脉冲信号QG-B控制第三开关电路、第四开关电路断开与闭合；输入整流滤波单元输出电压信号的正极通过相互并联的第五开关电路、第六开关电路与脉冲信号OUT-B输出端连接；脉冲信号QG-C控制第五开关电路、第六开关电路断开与闭合；输入整流滤波单元输出电压信号的正极通过相互并联的第七开关电路、第八开关电路与脉冲信号OUT-B输出端连接；脉冲信号QG-D控制第七开关电路、第八开关电路断开与闭合；变压器次级整流滤波部分的电路结构为所述变压器的次级线圈中点引出有地线接至地，次级线圈的两端分别接有4支相互并联的二级管的阳极，所述8支二极管的阴极连接在一起与地作为功率变换单元的电压输出端；在所述变压器的次级线圈中点与地之间串联功率变换单元的电流输出端，且在所述地线上串联有电流取样电阻，所述电流取样电阻接近次级线圈中点的一端为充电电流采样电压输出端。
专利摘要本实用新型公开了一种智能充电机，涉及充电技术。旨在提供一种兼容恒流恒压方式的铅酸蓄电池用智能充电机。本实用新型的技术要点是包括输入整流滤波单元、功率变换单元、环路控制单元、PWM控制及驱动单元以及MCU单元。所述输入整流滤波单元的输出端与功率变换单元的输入端连接；功率变换单元用于实现输入输出电信号的功率变换以及输入输出电气隔离，并输出充电电压和充电电流；环路控制单元用于根据充电电压、充电电流采样电压的大小控制PWM控制信号的脉冲宽度，并输出；所述PWM控制及驱动单元用于加强PWM控制信号的驱动能力；所述PWM控制及驱动单元输出的PWM控制信号用于控制功率变换单元实现输入输出电信号的功率变换。
文档编号H02M7/217GK202218051SQ20112026635
公开日2012年5月9日 申请日期2011年7月26日 优先权日2011年7月26日
发明者杨宇强 申请人:四川省乐山宇强电机车制造有限公司