船用智能充電模塊設計

章建峰，喻 浩，鮑陳磊，萬 鵬

（1. 中國船舶重工集團公司第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計

章建峰1，喻 浩2，鮑陳磊1，萬 鵬1

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

研究設計了一種適用于船舶電力系統 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主電路拓撲，基于UC1845的電壓、電流雙閉環控制方式，能夠實現對蓄電池組先恒流后恒壓的智能充電控制，有效延長船用蓄電池組的壽命。原理樣機試驗結果表明，這種智能充電模塊能夠實現良好的充電效果。

智能；充電模塊；蓄電池組

0 引言

隨著我國電力電子技術的迅速發展，各類基于電力電子技術的充電裝置廣泛應用于航空、船舶、電力等軍民領域中各個重要環節，實現了對不同特性蓄電池組的智能化充電，保障蓄電池組可靠穩定地工作[1-5]。在船舶行業，從幾百噸到數十萬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常規不間斷電源裝置的浮充機構，或者是傳統的恒壓充電裝置，想同時獲得快速的充電效果和較長的使用壽命，往往非常困難。

本文研究的船用智能充電模塊，針對目前船舶領域大量使用的閥控式鉛酸蓄電池組，將傳統的恒壓充電技術，升級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，可以非常有效地延長蓄電池組的壽命。下面以72V/100Ah蓄電池組充電為例，詳細研究200VDC～300VDC輸入/82VDC輸出的船用智能充電模塊的設計。

1 電路拓撲與控制策略設計

1.1 主電路設計

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，主電路拓撲如圖1所示，由輸入濾波電容、功率MOSFET、RCD緩沖電路、電流傳感器、續流功率二極管、輸出LC高頻濾波器、無感采樣電阻、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題，主回路中的功率開關MOSFET和二極管都取了至少一倍的裕量，即采用相同兩個MOSFET和二極管并聯使用的方式，同時元器件都采用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的散熱問題。

圖1 Buck型主電路拓撲

功率開關MOSFET的工作頻率設計為f=20kHz，即TS=50μs，電路最大占空比為：

1.2 控制電路設計

本文設計實例采用的是100Ah的蓄電池組，通常恒流0.2C充電，即給蓄電池組充電時采用恒流20A充電，當蓄電池組電壓升到82V后，再自動恒壓82浮充，因此，控制電路設計成為恒流恒壓雙閉環控制，主控芯片采用電流型PWM控制芯片UC1845。

控制電路電流控制環和電壓控制環分別見圖2、3。采集電流反饋信號和電壓反饋信號進行PI調節，兩個控制環的輸出控制信號 VB同時輸入到控制芯片UC1845的COMP腳，實現兩路控制信號的低有效；使用LEM霍爾元件采樣主電路流經MOSFET的電流，將瞬時采樣信號輸入到UC1845的ISENSE腳，同時電路設計成軟啟動功能，UC1845外圍控制電路見圖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動，見圖5。光耦選擇的是TLP250，該光耦具有延遲時間短、輸出電流大等特點，且其內部輸出部分就是一個推挽電路，可以直接用來驅動MOSFET。

圖2 電流控制環

圖3 電壓控制環

圖4 UC1845控制電路圖

圖5 MOSFET驅動電路圖

2 實驗結果與分析

為了驗證理論設計的正確性，搭建了一臺82VDC/20A船用智能充電模塊樣機。采用Buck型降壓主電路拓撲，基于 UC1845的恒流恒壓雙閉環控制電路，MOSFET選取 IXYS公司 SOT-227封裝的IXFN48N50，濾波電感取400μH，電容取1000μF，開關頻率20kHz，示波器為LeCroy 44MXs-A，蓄電池組為72V/100Ah華達蓄電池組。樣機恒流輸出波形如圖 6所示，充電電流波形穩定；恒流充電階段結束后樣機滿載時的恒壓輸出波形、輸出電壓紋波與毛刺波形，及輕載時的恒壓輸出波形、輸出電壓紋波與毛刺波形，如圖 7～10所示，輸出電壓波形穩定、紋波較小。

圖6 恒流輸出波形

圖7 滿載時恒壓輸出波形

圖8 滿載時輸出電壓紋波與毛刺波形

圖9 輕載時恒壓輸出波形

圖10 輕載時輸出電壓紋波與毛刺波形

試驗結果表明，該船用智能充電模塊樣機輸出波形穩定、紋波較小，較好地實現了對蓄電池組的恒流恒壓充電功能，滿足設計要求。

3 結論

本文針對船舶電力系統24V 100/200/300Ah、72V 100/200Ah蓄電池組，設計了一種基于UC1845的電壓電流雙閉環控制、BUCK降壓型船用智能充電模塊，能夠較好地實現對蓄電池組恒流恒壓智能充電控制，有效延長船用蓄電池組的壽命。原理樣機實驗結果證明，該船用智能充電模塊具有良好的充電效果，與理論設計一致。

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

[2] 江國強, 王智靈, 何淼, 等. 并聯冗余DC-DC模塊蓄電池充電均流方法[J]. 電子技術, 2010(9): 63-67.

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

[4] 沈志武. 基于三相PFC的新型15kW充電模塊設計[D]. 北京: 北京交通大學, 2011.

[5] 何維. 大容量蓄電池智能高效充電控制技術的研究[D]. 長春: 長春理工大學, 2012.

[6] 吳宏, 方雄偉. 船舶閥控式鉛酸蓄電池充電溫度補償技術[J]. 機電設備, 2011, 28(2): 31-33.

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。