船用智能充电模块设计

章建峰，喻 浩，鲍陈磊，万 鹏

（1. 中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031；2. 海装上海局，上海 200083）

船用智能充电模块设计

章建峰1，喻 浩2，鲍陈磊1，万 鹏1

（1. 中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031；2. 海装上海局，上海 200083）

研究设计了一种适用于船舶电力系统 24V(100Ah/200Ah/300Ah)和72V(100Ah/200Ah)蓄电池组的船用智能充电模块。采用降压式 BUCK主电路拓扑，基于UC1845的电压、电流双闭环控制方式，能够实现对蓄电池组先恒流后恒压的智能充电控制，有效延长船用蓄电池组的寿命。原理样机试验结果表明，这种智能充电模块能够实现良好的充电效果。

智能；充电模块；蓄电池组

0 引言

随着我国电力电子技术的迅速发展，各类基于电力电子技术的充电装置广泛应用于航空、船舶、电力等军民领域中各个重要环节，实现了对不同特性蓄电池组的智能化充电，保障蓄电池组可靠稳定地工作[1-5]。在船舶行业，从几百吨到数十万吨的轮船都大量使用蓄电池，尤其是阀控式铅酸蓄电池[6]，其充电手段主要是各类常规不间断电源装置的浮充机构，或者是传统的恒压充电装置，想同时获得快速的充电效果和较长的使用寿命，往往非常困难。

本文研究的船用智能充电模块，针对目前船舶领域大量使用的阀控式铅酸蓄电池组，将传统的恒压充电技术，升级为智能的先恒流均充、后恒压浮充充电模式，在保障充电效率的同时，可以非常有效地延长蓄电池组的寿命。下面以72V/100Ah蓄电池组充电为例，详细研究200VDC～300VDC输入/82VDC输出的船用智能充电模块的设计。

1 电路拓扑与控制策略设计

1.1 主电路设计

船用智能充电模块的输入由整流电源或配电中心提供的200～300V直流电压，但是蓄电池组的额定浮充电压只有82V，因此充电主电路采用的是Buck型降压电路，主电路拓扑如图1所示，由输入滤波电容、功率MOSFET、RCD缓冲电路、电流传感器、续流功率二极管、输出LC高频滤波器、无感采样电阻、输出隔离功率二极管组成。考虑到电压、电流容量和散热的问题，主回路中的功率开关MOSFET和二极管都取了至少一倍的裕量，即采用相同两个MOSFET和二极管并联使用的方式，同时元器件都采用SOT-227封装，可以直接将元器件固定在散热器上，很好的解决了大电流时的散热问题。

图1 Buck型主电路拓扑

功率开关MOSFET的工作频率设计为f=20kHz，即TS=50μs，电路最大占空比为：

1.2 控制电路设计

本文设计实例采用的是100Ah的蓄电池组，通常恒流0.2C充电，即给蓄电池组充电时采用恒流20A充电，当蓄电池组电压升到82V后，再自动恒压82浮充，因此，控制电路设计成为恒流恒压双闭环控制，主控芯片采用电流型PWM控制芯片UC1845。

控制电路电流控制环和电压控制环分别见图2、3。采集电流反馈信号和电压反馈信号进行PI调节，两个控制环的输出控制信号 VB同时输入到控制芯片UC1845的COMP脚，实现两路控制信号的低有效；使用LEM霍尔元件采样主电路流经MOSFET的电流，将瞬时采样信号输入到UC1845的ISENSE脚，同时电路设计成软启动功能，UC1845外围控制电路见图4；由于主电路与控制电路需要隔离，所以本文采用了光耦隔离驱动，见图5。光耦选择的是TLP250，该光耦具有延迟时间短、输出电流大等特点，且其内部输出部分就是一个推挽电路，可以直接用来驱动MOSFET。

图2 电流控制环

图3 电压控制环

图4 UC1845控制电路图

图5 MOSFET驱动电路图

2 实验结果与分析

为了验证理论设计的正确性，搭建了一台82VDC/20A船用智能充电模块样机。采用Buck型降压主电路拓扑，基于 UC1845的恒流恒压双闭环控制电路，MOSFET选取 IXYS公司 SOT-227封装的IXFN48N50，滤波电感取400μH，电容取1000μF，开关频率20kHz，示波器为LeCroy 44MXs-A，蓄电池组为72V/100Ah华达蓄电池组。样机恒流输出波形如图 6所示，充电电流波形稳定；恒流充电阶段结束后样机满载时的恒压输出波形、输出电压纹波与毛刺波形，及轻载时的恒压输出波形、输出电压纹波与毛刺波形，如图 7～10所示，输出电压波形稳定、纹波较小。

图6 恒流输出波形

图7 满载时恒压输出波形

图8 满载时输出电压纹波与毛刺波形

图9 轻载时恒压输出波形

图10 轻载时输出电压纹波与毛刺波形

试验结果表明，该船用智能充电模块样机输出波形稳定、纹波较小，较好地实现了对蓄电池组的恒流恒压充电功能，满足设计要求。

3 结论

本文针对船舶电力系统24V 100/200/300Ah、72V 100/200Ah蓄电池组，设计了一种基于UC1845的电压电流双闭环控制、BUCK降压型船用智能充电模块，能够较好地实现对蓄电池组恒流恒压智能充电控制，有效延长船用蓄电池组的寿命。原理样机实验结果证明，该船用智能充电模块具有良好的充电效果，与理论设计一致。

[1] 赵异波, 何湘宁, 丁劲松. 蓄电池充电技术研究[J].电源技术应用, 2001(11): 32-34.

[2] 江国强, 王智灵, 何淼, 等. 并联冗余DC-DC模块蓄电池充电均流方法[J]. 电子技术, 2010(9): 63-67.

[3] 刁洪君, 李苗苗. 一种新型的蓄电池充电技术研究[J]. 现代电子技术, 2011, 34(12): 160-162.

[4] 沈志武. 基于三相PFC的新型15kW充电模块设计[D]. 北京: 北京交通大学, 2011.

[5] 何维. 大容量蓄电池智能高效充电控制技术的研究[D]. 长春: 长春理工大学, 2012.

[6] 吴宏, 方雄伟. 船舶阀控式铅酸蓄电池充电温度补偿技术[J]. 机电设备, 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，硕士，研究方向：船舶电源及智能配电。