CN106877477B - 一种蓄电池充电机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种蓄电池充电机及其控制方法，基于开关磁阻发电机的柴油发电机组，经充电主电路控制开关磁阻发电机发出的电能向蓄电池充电，充电主电路主要由相绕组变流主电路和励磁主电路组成，励磁主电路具备隔离、变励磁电压功能，相绕组变流主电路直接控制发电机绕组完成励磁、续流、发电功能，过程可控、输出可控，是一套适应不同容量、不同充电速度需求蓄电池的简易充电机系统，在大量使用蓄电池和柴油发电机组的离网地区具备广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及蓄电池充电领域，具体涉及一种利用柴油机拖动开关磁阻发电机直接向蓄电池充电的电路及其控制方法。
背景技术
利用开关磁阻发电机发电，是一种新型的发电方式。
将开关磁阻发电机用于柴油发电机组，也是一种创新，相比传统交流发电机组，开关磁阻发电机直接发出直流电，特别适合于直流负载；另外，开关磁阻发电机也存在结构简单坚固、成本低、容错性强等优点，非常适合于野外恶劣环境中使用。
蓄电池都是直流电，需要直流充电机充电，从而就有了利用直接发出直流电的开关磁阻发电机作为蓄电池充电机的设想。
考虑到大部分野外、岛屿、船舶上等等应用的柴油发电机组体积较为庞大，相关离网电气设备所用蓄电池容量也大小不一，也就是说，为了适应更多不同容量蓄电池的充电的需求，希望一套基于开关磁阻发电机的柴油发电机组满足该需求，则一定具备广泛的业界需求。
发明内容
根据以上的背景技术，本发明针对适应大范围容量的蓄电池充电问题，也考虑到快速充电问题，提出了一种利用开关磁阻发电机作为柴油发电机组发电机，其充电主电路及其控制方法来实现以上功能的设计方案及其实现实例。
本发明的技术方案为；
一种蓄电池充电机，由柴油机、开关磁阻发电机、充电主电路、控制器、蓄电池组成，其特征在于，所述柴油机拖动所述开关磁阻发电机，开关磁阻发电机的绕组连接于所述充电主电路中，充电主电路连接所述蓄电池，所述控制器接收来自开关磁阻发电机、充电主电路以及蓄电池的信号，并输出信号控制充电主电路的运行；
充电主电路由相绕组变流主电路、充电电容器、励磁主电路组成，所述相绕组变流主电路输出并联连接所述充电电容器并连接所述励磁主电路的输入端以及蓄电池，相绕组变流主电路的输入端连接励磁主电路的输出端；
相绕组变流主电路由三到四个相绕组变流支路并联连接组成，每个相绕组变流支路由一相相绕组、续流开关管、励磁开关管、发电开关管组成，其中所述相绕组一端与所述续流开关管阴极连接并作为相绕组变流主电路输入正极端和输出负极端即励磁主电路输出正极端、充电电容器负极端、蓄电池负极端、励磁主电路输入负极端，相绕组另一端连接所述励磁开关管阳极、续流开关管阳极、所述发电开关管阳极，励磁开关管阴极作为相绕组变流主电路输入负极端即励磁主电路输出负极端，发电开关管阴极作为相绕组变流主电路输出正极端连接充电电容器正极端、蓄电池正极端及励磁主电路输入正极端；
励磁主电路由输入电容器、变压器、控制开关管、二极管、输出电容器组成，其中所述输入电容器正极作为励磁主电路输入正极端连接所述变压器一次绕组一端，变压器一次绕组另一端连接所述控制开关管阳极，控制开关管阴极连接输入电容器负极并作为励磁主电路输入负极端，变压器二次绕组一端连接所述二极管阳极，变压器二次绕组另一端与一次绕组一端作为同名端，连接所述输出电容器负极并作为励磁主电路输出负极端，输出电容器正极连接二极管阴极并作为励磁主电路输出正极端。
一种蓄电池充电机的控制方法，根据开关磁阻发电机基本工作原理，并且开关磁阻发电机定子绕组采取固定开关角的方式，控制器接收手动输入的充电指令，检测蓄电池两端即充电电容器两端与励磁主电路输入电压信号、蓄电池充电电流信号、开关磁阻发电机转子位置信号、各相绕组电流信号、励磁主电路输出励磁电压信号，输出控制充电主电路中全部开关管，其特征在于：
充电控制即开关磁阻发电机根据转子位置信号相应的相绕组变流支路工作中分为两种工作模式：
模式一，中低励磁模式：励磁阶段开始时励磁开关管闭合，控制开关管采用PWM斩波控制方式，控制开关管的具体占空比大小根据检测得到的蓄电池充电所需充电电流和电压需要而调节，励磁阶段结束后励磁开关管关断，发电开关管闭合，进入发电阶段，发电开关管也采用PWM斩波控制，并根据蓄电池侧所需电流电压而调节占空比大小，根据转子位置信号达到发电结束时间时断开发电开关管控制信号，该相绕组变流支路工作结束；
模式二，高励磁模式：控制开关管采用PWM斩波控制的开关占空比大于0.5，励磁阶段开始时励磁开关管闭合，控制开关管的具体占空比大小根据检测得到的蓄电池充电所需充电电流和电压需要而调节，励磁阶段结束后，励磁开关管断开并且续流开关管闭合，进入续流阶段，当相绕组电流达到续流阶段设定的最长时间之前达到限定值时，断开续流开关管，否则到达设定的续流阶段最长时间时断开续流开关管，然后闭合发电开关管进入发电阶段，根据转子位置信号达到发电结束时间时关断发电开关管，该相绕组变流支路工作结束。
本发明的技术效果主要有：
(1)采用开关磁阻发电机作为柴油发电机组主发电机，针对蓄电池充电这种典型直流负载，开关磁阻发电机直接发出直流电，省去了整流环节，除了开关磁阻发电机本体成本低于交流发电机，变流器省去了整流环节也节省了成本，另外开关磁阻发电机还有容错性强的优点，更适合于野外无电网地区的应用。
(2)在相绕组变流主电路中，各绕组变流支路中，续流开关管的设置，可在需要增强电能输出能力时，增加一续流阶段，在无反向电压下快速提升绕组电流，提高了发电机组的功率输出能力和适应面。
(3)发电开关管的设置，尤其在当他进行PWM控制时，增强了系统的适应性和控制输出的精确性，另外，将理论上开关磁阻发电机发电阶段绕组电流不可控这个缺憾得以克服！
(4)隔离型励磁主电路完成开关磁阻发电机的解耦化自励磁，克服了传统自励和他励的缺点，更重要的是励磁电压可以相对独立调节而不完全受蓄电池电压制约。
(5)本发明控制模式分为两大类，针对不同容量、不同充电速度要求、不同充电阶段的蓄电池，都有相应的因应之道，可更安全充电，适应面更广，做到一台发电机组给不同蓄电池都可以可靠、安全、快速充电。
(6)在中低励磁模式下，发电开关管的PWM工作模式在实际中仅仅在满足相当苛刻条件下才进入PWM模式，所以大部分工况下发电开关管为单脉波模式，即一阶段工作时要么闭合要么断开，很少有频繁开断的PWM工作模式情况，所以开关损耗并不大；续流开关管、励磁开关管也是单脉波模式。
(7)与传统开关磁阻发电机功率变换器相比，本发明的相绕组变流主电路结构简单，无需主二极管，仅仅增加一续流开关管，但增加了适应更宽发电范围的功能，提高了发电能力。
(8)本发明提出了一种新的蓄电池充电装置，可以根据蓄电池充电状态进行自我调节充电电能的装置，可以根据不同容量蓄电池进行自我调节充电电能的装置，可以根据对充电时间快速性要求而选择快速充电的充电装置，这些都基于一身；必然具有广阔的应用前景。
附图说明
图1所示为本发明的基于开关磁阻发电机的蓄电池充电主电路结构图。
图1中：1、相绕组变流主电路，2、励磁主电路。
具体实施方式
一种蓄电池充电机，由柴油机、开关磁阻发电机、充电主电路、控制器、蓄电池X组成，柴油机恒速拖动开关磁阻发电机，开关磁阻发电机的绕组连接于充电主电路中，充电主电路连接蓄电池X，控制器接收来自开关磁阻发电机、充电主电路以及蓄电池X的信号，并输出信号控制充电主电路的运行。
如附图1所示，充电主电路由相绕组变流主电路1、充电电容器Cm、励磁主电路2组成，相绕组变流主电路1输出并联连接充电电容器Cm并连接励磁主电路2的输入端以及蓄电池X，相绕组变流主电路1的输入端连接励磁主电路2的输出端。
本实施例的相绕组变流主电路1由四个相绕组变流支路并联连接组成，每个相绕组变流支路由一相相绕组M/N/P/Q、续流开关管V1/V4/V7/V10、励磁开关管V2/V5/V8/V11、发电开关管V3/V6/V9/V12组成，相绕组M/N/P/Q一端与续流开关管V1/V4/V7/V10阴极连接并作为相绕组变流主电路1输入正极端和输出负极端即励磁主电路2输出正极端、充电电容器Cm负极端、蓄电池X负极端、励磁主电路2输入负极端，相绕组M/N/P/Q另一端连接励磁开关管V2/V5/V8/V11阳极、续流开关管V1/V4/V7/V10阳极、发电开关管V3/V6/V9/V12阳极，励磁开关管V2/V5/V8/V11阴极作为相绕组变流主电路1输入负极端即励磁主电路2输出负极端，发电开关管V3/V6/V9/V12阴极作为相绕组变流主电路1输出正极端连接充电电容器Cm正极端、蓄电池X正极端及励磁主电路2输入正极端。
励磁主电路2由输入电容器C1、变压器T、控制开关管V13、二极管D、输出电容器C2组成，输入电容器C1正极作为励磁主电路2输入正极端连接变压器T一次绕组a一端，变压器T一次绕组a另一端连接控制开关管V13阳极，控制开关管V13阴极连接输入电容器C1负极并作为励磁主电路2输入负极端，变压器T二次绕组b一端连接二极管D阳极，变压器T二次绕组b另一端与一次绕组a一端作为同名端，连接输出电容器C2负极并作为励磁主电路2输出负极端，输出电容器C2正极连接二极管D阴极并作为励磁主电路2输出正极端；变压器T实现了励磁主电路2的输入输出两端的电磁隔离，其一次绕组a和二次绕组b的匝数相等，设控制开关管V13工作期间的占空比为α，则该励磁主电路2的输出励磁电压VL与输入电压VX之间的关系为：
VL＝VX·[α/(1-α)]
从而，该励磁主电路2，当控制开关管V13的α＜0.5时降压，α＞0.5时则实现升压。
本实施例的蓄电池充电机的控制方法，根据开关磁阻发电机基本工作原理，并且开关磁阻发电机定子绕组采取固定开关角的方式，根据开关磁阻发电机转子位置信号，确定需投入工作的相绕组及相绕组变流主电路1中所在的变流支路，在控制器接收手动输入的充电指令后，检测蓄电池X两端即充电电容器Cm两端与励磁主电路2输入电压信号、蓄电池X充电电流信号、开关磁阻发电机转子位置信号、各相绕组电流信号、励磁主电路2输出励磁电压信号，控制需工作的绕组支路投入工作，并对充电主电路中全部开关管进行控制；
充电控制即开关磁阻发电机根据转子位置信号相应的相绕组变流支路工作中分为两种工作模式：
模式一，中低励磁模式：励磁阶段开始时励磁开关管V2/V5/V8/V11闭合，控制开关管V13采用PWM斩波控制方式，占空比越大，励磁主电路2输出励磁电压越大，发电机相绕组励磁阶段电流越大，反之越小，实际中控制开关管V13的具体占空比大小根据检测得到的蓄电池X充电所需充电电流和电压需要而定，励磁阶段结束后励磁开关管V2/V5/V8/V11关断，发电开关管V3/V6/V9/V12闭合，进入发电阶段，发电开关管V3/V6/V9/V12也采用PWM斩波控制，并根据蓄电池X侧所需电流电压而调节占空比大小，根据转子位置信号达到发电结束时间时断开发电开关管V3/V6/V9/V12控制信号，该相绕组变流支路工作结束；该模式还遵循一条规律，即只有当控制开关管V13的占空比达到实际的极限无法再调节后，才在接下来的绕组变流支路工作中采用发电开关管PWM模式下占空比小于1的操作，即只要通过控制开关管V13的PWM调节能完成的发电输出需求，则接下来的发电开关管的PWM控制占空比为1(实为单脉波模式)。
模式二，高励磁模式：控制开关管V13采用PWM斩波控制的开关占空比大于0.5，励磁阶段开始时励磁开关管V2/V5/V8/V11闭合，控制开关管V13的具体占空比大小根据检测得到的蓄电池X充电所需充电电流和电压需要而调节，励磁阶段结束后，励磁开关管V2/V5/V8/V11断开并且续流开关管V1/V4/V7/V10闭合，进入续流阶段，由于此时该通电相绕组的电流回路上(假设是M相绕组，则为M-V1-M回路)没有给予绕组以电压，其电流将快速上升，当相绕组电流达到续流阶段设定的最长时间之前达到限定值时，断开续流开关管V1/V4/V7/V10，否则到达设定的续流阶段最长时间时断开续流开关管V1/V4/V7/V10，然后闭合发电开关管V3/V6/V9/V12进入发电阶段，根据转子位置信号达到发电结束时间时关断发电开关管V3/V6/V9/V12，该相绕组变流支路工作结束。
柴油机起动后恒速拖动开关磁阻发电机旋转，即开关磁阻发电机的转速是稳恒的。
柴油机及开关磁阻发电机起动并稳速后，充电主电路工作前待充电的蓄电池X先接入(如附图1)，开关磁阻发电机发电起动初期即相绕组变流主电路1投入工作起动时所需励磁电源来自于蓄电池X的剩余电能，经由励磁主电路2即控制开关管V13按PWM方式开关工作，输出励磁电压给相应相绕组所在变流支路进入励磁阶段。
本实施例下，根据蓄电池X的不同充电快慢要求、不同容量蓄电池X、不同充电时段等对电能供应的不同要求，可通过控制器实现在如上模式一和模式二之间切换，在同一模式内，也根据不同实际充电情况选择不同的开关方式和占空比；
在蓄电池X充电已达容量的95％以上时，或针对中小容量蓄电池X的充电，则在模式一即中低励磁模式下控制运行即可满足需求；反之在大容量蓄电池X及其充电容量95％之前，则采用模式二即高励磁模式实现大发电功率输出的控制模式，另外，在快充指令下，蓄电池X电压、绕组电流及充电电流反馈控制器进行保护措施下，采用模式二也可针对中小容量蓄电池X进行快速充电作业。
此外，根据蓄电池X端电压和电流检测结果，结合给定指令，本实施例也可以根据需要实现恒电流或恒电压充电。
本实施例所述蓄电池X容量的大小，是根据开关磁阻发电机的额定功率来说的，蓄电池X额定容量低于开关磁阻发电机额定功率的50％，则认为是中小容量蓄电池X，常规主充电(95％容量前)期间适合于中低励磁模式下；反之高于50％开关磁阻发电机额定功率的蓄电池X为大容量蓄电池X，主充电期间适合于高励磁模式。
充电电容器Cm的值选取要较大，以适应更宽容量的蓄电池X，以及滤波作用。
全部的开关管选用IGBT(含IPM)或者MOSFET或者GTR等全控型电力电子开关器件。
Claims (2)
1.一种蓄电池充电机，由柴油机、开关磁阻发电机、充电主电路、控制器、蓄电池组成，其特征在于，所述柴油机拖动所述开关磁阻发电机，开关磁阻发电机的绕组连接于所述充电主电路中，充电主电路连接所述蓄电池，所述控制器接收来自开关磁阻发电机、充电主电路以及蓄电池的信号，并输出信号控制充电主电路的运行；
充电主电路由相绕组变流主电路、充电电容器、励磁主电路组成，所述相绕组变流主电路输出并联连接所述充电电容器并连接所述励磁主电路的输入端以及蓄电池，相绕组变流主电路的输入端连接励磁主电路的输出端；
相绕组变流主电路由三到四个相绕组变流支路并联连接组成，每个相绕组变流支路由一相相绕组、续流开关管、励磁开关管、发电开关管组成，其中所述相绕组一端与所述续流开关管阴极连接并共同与如下端子连接：相绕组变流主电路输入正极端、相绕组变流主电路输出负极端、励磁主电路输出正极端、充电电容器负极端、蓄电池负极端、励磁主电路输入负极端，相绕组另一端连接所述励磁开关管阳极、续流开关管阳极、所述发电开关管阳极，励磁开关管阴极作为相绕组变流主电路输入负极端即励磁主电路输出负极端，发电开关管阴极作为相绕组变流主电路输出正极端连接充电电容器正极端、蓄电池正极端及励磁主电路输入正极端；
励磁主电路由输入电容器、变压器、控制开关管、二极管、输出电容器组成，其中所述输入电容器正极作为励磁主电路输入正极端连接所述变压器一次绕组一端，变压器一次绕组另一端连接所述控制开关管阳极，控制开关管阴极连接输入电容器负极并作为励磁主电路输入负极端，变压器二次绕组一端连接所述二极管阳极，变压器二次绕组另一端与一次绕组一端作为同名端，连接所述输出电容器负极并作为励磁主电路输出负极端，输出电容器正极连接二极管阴极并作为励磁主电路输出正极端。
2.根据权利要求1所述的一种蓄电池充电机的控制方法为：根据开关磁阻发电机基本工作原理，并且开关磁阻发电机定子绕组采取固定开关角的方式，控制器接收手动输入的充电指令，检测蓄电池两端即充电电容器两端与励磁主电路输入电压信号、蓄电池充电电流信号、开关磁阻发电机转子位置信号、各相绕组电流信号、励磁主电路输出励磁电压信号，输出控制充电主电路中全部开关管，其特征在于：
充电控制即开关磁阻发电机根据转子位置信号相应的相绕组变流支路工作中分为两种工作模式：
模式一，中低励磁模式：励磁阶段开始时励磁开关管闭合，控制开关管采用PWM斩波控制方式，控制开关管的具体占空比大小根据检测得到的蓄电池充电所需充电电流和电压需要而调节，励磁阶段结束后励磁开关管关断，发电开关管闭合，进入发电阶段，发电开关管也采用PWM斩波控制，并根据蓄电池侧所需电流电压而调节占空比大小，根据转子位置信号达到发电结束时间时断开发电开关管控制信号，该相绕组变流支路工作结束；
模式二，高励磁模式：控制开关管采用PWM斩波控制的开关占空比大于0.5，励磁阶段开始时励磁开关管闭合，控制开关管的具体占空比大小根据检测得到的蓄电池充电所需充电电流和电压需要而调节，励磁阶段结束后，励磁开关管断开并且续流开关管闭合，进入续流阶段，当相绕组电流达到续流阶段设定的最长时间之前达到限定值时，断开续流开关管，否则到达设定的续流阶段最长时间时断开续流开关管，然后闭合发电开关管进入发电阶段，根据转子位置信号达到发电结束时间时关断发电开关管，该相绕组变流支路工作结束。
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