专利名称：隔爆型逆变式充电机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及蓄电池充电设备，特别涉及一种隔爆型逆变式充电机。
背景技术：
目前广泛使用的大功率铅酸蓄电池充电机，普遍采用变压器变压与可控硅(晶闸
管)整流相结合的技术，通常，这种充电机设备笨重，体积大，充电效率低，充电电压动态范
围窄，对电源波动适应能力差，对电网运行质量影响大，需要人工干预充电过程，使用操作
不便，无法实现对充电过程的精准控制，严重影响蓄电池的循环使用寿命。 采取开关电源式逆变技术设计的充电机，可以解决可控硅(晶闸管)整流充电技
术存在的缺点，充电机的体积和重量都大大减小，充电效率提高，输入、输出电压范围宽，自
动化程度高，可以严格按照蓄电池理想充电工艺曲线进行精准充电控制，提高电池循环使
用寿命等。但是，开关电源式充电机无法适应煤矿井下的特殊环境，大功率隔爆型逆变式充
电机在为煤矿井下运营的大功率电机车进行快速充电时，普遍存在散热问题和电磁干扰造
成的不稳定问题。这些问题影响着大功率隔爆型逆变式充电机的使用，给生产企业和用户
带来非常大的不便。
实用新型内容本实用新型的目的是克服上述缺陷，提供一种可在煤矿井下的特定环境下对蓄电
池进行智能快速充电、散热性能和抗电磁干扰性能好的隔爆型逆变式充电机。 本实用新型提供的隔爆型逆变式充电机，包括壳体，所述壳体中安装有主变换回
路、主控制单元和显示操作单元，所述壳体为隔爆壳体，所述隔爆壳体设有两腔 隔爆主腔，用于安装所述主变换回路；禾口 隔爆接线腔，用于安装输入、输出接线和所述主控制单元； 所述隔爆主腔位于所述隔爆壳体中部，所述隔爆接线腔位于所述隔爆壳体后背下 部，所述隔爆壳体后背上部在所述隔爆主腔外安装有功率模块散热器，所述隔爆壳体顶部 在所述隔爆主腔外安装有腔内热量散热器，所述隔爆接线腔外设有电磁隔离铁盒；所述隔 爆壳体前面设有显示操作台面用于安装所述显示操作单元，所述显示操作台面设有用于屏 蔽和隔热的盖板，所述盖板安装在所述隔爆主腔的壁上。 本实用新型隔爆型逆变式充电机，其中所述功率模块散热器为型号为 RZM-DGDF-509A的热管散热器，其给定功率1200W，最大温升〈38°C。 本实用新型隔爆型逆变式充电机，其中所述主变换回路包括输入开关电路、合闸 电路、三相整流电路、输入滤波电路、IGBT全桥变换电路、主变压器、高频整流滤波电路、输 出滤波电路和输出开关电路，其中所述输入开关电路、三相整流电路、输入滤波电路、IGBT 全桥变换电路、主变压器、高频整流滤波电路、输出滤波电路与所述输出开关电路依次连 接；所述合闸电路与所述输入开关电路并联连接。 本实用新型隔爆型逆变式充电机，其中所述主控制单元包括输出电流传感器、输出电压传感器、测点温度传感器、主控模块和IGBT驱动模块，其中所述输出电流传感器、输 出电压传感器和测点温度传感器的采集信号接至所述主控模块，所述主控模块的控制信号 通过所述IGBT驱动模块接至所述IGBT全桥变换电路。 本实用新型隔爆型逆变式充电机，其中所述主控制单元设有安全电路，所述安全 电路包括输入滤波电容电荷泻放电路和输出滤波电容电荷泻放电路，所述输入滤波电容电 荷泻放电路与所述输入滤波电路相连，所述输出滤波电容电荷泻放电路接于所述输出滤波 电路的输出端与所述主控模块之间。 本实用新型隔爆型逆变式充电机的优点和积极效果在于由于采用了隔爆主腔、
隔爆接线腔的两腔设计和热管散热、盖板屏蔽隔热，有效解决大功率逆变式充电机在密闭
条件下的散热问题和电磁干扰造成的不稳定问题，进一步在主控制单元中设置了安全电
路，可以在煤矿井下的特定环境下对蓄电池进行智能快速充电，应用效果良好。 下面将结合实施例参照附图进行详细说明。
图1是本实用新型隔爆型逆变式充电机的主视图； 图2是图1的左视图； 图3是图1的后视图； 图4是本实用新型隔爆型逆变式充电机的方框图； 图5是主变换回路的电路图。
具体实施方式图中，l.输入开关电路，2.合闸电路，3.输入整流模块，4.输入滤波电容电荷泻放 电路，5.输入滤波电路，6. IGBT全桥变换电路，7.主变压器，8.高频整流滤波电路，9.输出 滤波电路，IO.输出滤波电容电荷泻放电路，ll.主控模块，12.输出开关电路，13.输出电流 传感器，14.输出电压传感器，15.测点温度传感器，16. IGBT驱动模块，17. LCM显示模块， 18.键盘，19.显示操作单元。 参照图1至图3，本实用新型提供的隔爆型逆变式充电机，包括一体化散热的隔爆 壳体4，采用热管散热技术和一体化散热的隔爆壳体设计是本实用新型的技术关键。隔爆壳 体4设有两腔隔爆接线腔1和隔爆主腔2。隔爆接线腔1位于隔爆壳体4后背下部，隔爆 接线腔1外壁设有专门设计的电磁隔离铁盒，电磁隔离铁盒安装在隔爆壳体4的下部。隔 爆接线腔1中安装有输入、输出接线和主控制单元，以实现主控制单元与其他电路的电磁 隔离。隔爆主腔2位于隔爆壳体4后下方，隔爆主腔2中安装有主变换回路和主控制单元， 左上部是主变压器，右上部是输出滤波电感和滤波电容组件、IGBT驱动模块和输出开关电 路的控制接触器。 本实用新型隔爆型逆变式充电机的隔爆壳体4后背上部在隔爆主腔2外安装有功 率模块散热器5。将功率模块装于散热器基板上，功率模块散热器5的热管把热量带出并 由外翼片散出。热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件。热管由管壳、 吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥 发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸汽在微小的压力差下流向另外一端，并释放出 热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热 量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量即可以被源源不断地传导开来。 功率模块散热器5采用型号为RZM-DGDF-509A的热管散热器，其给定功率1200W，最大温升 <381:。将热管散热器用于隔爆型大功率充电机很好地解决了设备在密闭环境下的散热问 题。 隔爆壳体4顶部在隔爆主腔2外安装有腔内热量散热器19，可将腔体内部变压器、 电感等元件产生的热量散出。隔爆壳体4前面设有显示操作台面3，显示操作单元安装在显 示操作台面3上中央是显示器，左右两边是两个自复位操作开关，对设备的控制操作及工 艺参数的设定由这两个控制开关完成。操作台内部装有LCD显示模块、控制模块和控制开 关。显示操作台面3设有用于屏蔽和隔热的盖板，盖板安装在隔爆主腔2的壁上，用盖板封 堵，实现屏蔽和隔热。
以下结合附图详细说明本实用新型隔爆型逆变式充电机的电路及其工作过程。 在本实用新型隔爆型逆变式充电机的实施例中，主变换回路采用IGBT全桥变换 拓扑结构。结合附图4和图5，主变换回路将660V交流电源变换为可对蓄电池进行充电的 可控直流电源，包括输入开关电路1、合闸电路2、三相整流电路3、输入滤波电路5、IGBT全 桥变换电路6、主变压器7、高频整流滤波电路8、输出滤波电路9和输出开关电路12。输入 开关电路1、三相整流电路3、输入滤波电路5、 IGBT全桥变换电路6、主变压器7、高频整流 滤波电路8、输出滤波电路9与输出开关电路12依次连接，合闸电路2与输入开关电路1并 联连接。在非运行状态时，输入开关电路l可切断主通道电源。输入开关电路l设计有合 闸启动回路，避免启动冲击对回路元件造成损伤。 IGBT全桥变换电路6是主通道的核心，完成从直流到交流再到直流的变换，通过 改变桥臂IGBT控制信号的宽度，来改变偶合到高频变压器的波形宽度，从而改变输出给被 充蓄电池的电流、电压值。高频整流滤波电路8将高频变压器副边的高频交流电整流为蓄 电池充电要求的平滑直流电。输出开关电路12在非充电状态下将主通道与被充蓄电池隔 离，防止反接造成的危险发生。 主控制单元是整个系统的控制核心和中枢，控制单元接收来自对话单元给定的参 数和命令，并通过对主通道各相关参数的实时检测，动态控制主通道的工作，实现要求的充 电功能和充电进程。结合附图4，主控制单元包括输出电流传感器13、输出电压传感器14、 测点温度传感器15、主控模块11和IGBT驱动模块16。输出电流传感器13、输出电压传感 器14和测点温度传感器15的采集信号接至主控模块11，主控模块11的控制信号通过IGBT 驱动模块16接至IGBT全桥变换电路6。控制单元采用最新嵌入式内核芯片ARM设计。采 集模拟量为4路温度、输出电流、输出电压和输入电压。控制量为输入开关、软启动、输出 开关、电容放电和P丽变换控制等。同时，控制单元与对话单元之间为RS232全双工通信。 控制单元接收来自对话单元的各种控制命令，并向对话单元实时发送数据。 主控制单元还设有安全电路，为设备提供多种保护。安全电路包括输入滤波电容 电荷泻放电路4和输出滤波电容电荷泻放电路IO，输入滤波电容电荷泻放电路4与输入滤 波电路5相连，输出滤波电容电荷泻放电路10，接于输出滤波电路9的输出端与主控模块 11之间。安全电路解决了停充时切断输入、输出回路，上电时对输入滤波电容进行预充电(软启动)，避免上电对整流桥和输入回路的冲击，切断输入、输出回路时自动泻放输入、输 出回路滤波电容电荷。 显示操作单元是整机操作平台，接收并实现操作者的各种工作指令，完成各种工 作方式的参数设定、记忆及各种动、静态参数显示，由LCM显示模块17，键盘18和显示操作 单元19组成。显示操作单元19采用32位ARM7T匿I-S CPU作为核心，完成显示、按键读取、 参数设定存储并保持与主控制模块11实时通讯。 结合附图l，主变换回路工作过程描述如下充电前，外网660V三相电源，先经合 闸电路2在电阻的限流下，经三相整流电路3对输入滤波电路5进行慢速预充电，电容基本 充满后输入开关电路l闭合，此时输入直流干线获得约891V直流电压，充电准备完成。此 后，主控制模块11开始进行自检，包括变换电路能否正常工作、输出蓄电池是否反接、是否 超温及其他检测是否异常。若存在故障时，停止充电进程并报警。自检正常时，主控制模块 11控制输出开关12闭合，接通负载回路，继而打开IGBT驱动模块16，同时通过输出电流传 感器13、输出电压传感器14实时监测负载电压和电流，进行PID运算，产生P丽数据，通过 IGBT驱动模块16控制IGBT全桥变换电路6工作。IGBT全桥变换电路6产生的高频交流 电压，经主变压器7偶合变压后，得到隔离后的高频交流电压，此电压经高频整流滤波电路 8整流并经输出滤波电路9滤波后，得到稳定的电流和电压供负载电池充电。 本实用新型隔爆型逆变式充电机具有两种工作方式，便捷方式和智能方式。 便捷方式是一种常规的恒流限压定时充电的工作方式，在此方式工作下，充电机 以设定的电流向负载蓄电池恒流充电，当充电电压达到限制电压时，电压不再上升，而充电 电流逐渐减小。当充电时间达到设定时间时，充电机自动结束充电过程。此种模式充电，电 流不宜超过60A。 智能方式是一种针对不同规格型号的蓄电池采取不同整定参数全自动充电的工 作方式。而对每一种蓄电池又有两种充电模式，即初充模式和快速模式。初充模式为两阶 段的定电流、定时间的自动充电方式，主要为新蓄电池初充设计。快速模式包含三个顺序阶 段，即恒流、稳压和小电流维持三个阶段。恒流段以大电流充电为特征，当恒流充电时间达 到限定值或充电电压上升到限定值时，自动转入稳压段。恒流段可使蓄电池恢复70%左右 的容量。稳压段则保持恒流充电结束时的电压不变，而电流逐渐减小，当稳压充电达到设 定时间时自动转入小电流维持充电过程，维持段持续时间到，自动结束快充过程，这是基本 快充过程。当充电时间足够长时，基本进程会周期性瞬时停充，叠加后的充电过程为"充停 充"。稳压过程结束时，蓄电池容量可恢复95%以上。当充电进程转入维持充电过程时，叠 加停充脉冲停止。 本实用新型提供了一种适应井下特定环境的大功率隔爆型逆变式充电机，输出电 压达300V、输出电流达100A、输出功率达30KW，可以为井下运行的大功率电机车或其它同 等蓄电池提供智能化快速充电。 上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实 用新型的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计方案前提下，本领域中普通工程 技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本实用新型的保护范 围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
权利要求一种隔爆型逆变式充电机，包括壳体(24)，所述壳体(24)中安装有主变换回路、主控制单元和显示操作单元，其特征在于所述壳体(24)为隔爆壳体，所述隔爆壳体设有两腔隔爆主腔(22)，用于安装所述主变换回路；和隔爆接线腔(21)，用于安装输入、输出接线和所述主控制单元；所述隔爆主腔(22)位于所述隔爆壳体(24)中部，所述隔爆接线腔(21)位于所述隔爆壳体(24)后背下部，所述隔爆壳体(24)后背上部在所述隔爆主腔(22)外安装有功率模块散热器(25)，所述隔爆壳体(24)顶部在所述隔爆主腔(22)外安装有腔内热量散热器(29)，所述隔爆接线腔(21)外设有电磁隔离铁盒；所述隔爆壳体(24)前面设有显示操作台面(23)用于安装所述显示操作单元(19)，所述显示操作台面(23)设有用于屏蔽和隔热的盖板，所述盖板安装在所述隔爆主腔(22)的壁上。
2. 根据权利要求1所述的隔爆型逆变式充电机，其特征在于其中所述功率模块散热 器(2)为型号为RZM-DGDF-509A的热管散热器，其给定功率1200W，最大温升〈38°C。
3. 根据权利要求1或2所述的隔爆型逆变式充电机，其特征在于其中所述主变换回 路包括输入开关电路(1)、合闸电路(2)、三相整流电路(3)、输入滤波电路(5)、 IGBT全桥 变换电路(6)、主变压器(7)、高频整流滤波电路(8)、输出滤波电路(9)和输出开关电路 (12)，其中所述输入开关电路(1)、三相整流电路(3)、输入滤波电路(5)、 IGBT全桥变换电 路(6)、主变压器(7)、高频整流滤波电路(8)、输出滤波电路(9)与所述输出开关电路(12) 依次连接；所述合闸电路(2)与所述输入开关电路(1)并联连接。
4. 根据权利要求3所述的隔爆型逆变式充电机，其特征在于其中所述主控制单元包 括输出电流传感器(13)、输出电压传感器(14)、测点温度传感器(15)、主控模块(11)和 IGBT驱动模块(16)，其中所述输出电流传感器(13)、输出电压传感器(14)和测点温度传感 器(15)的采集信号接至所述主控模块(ll)，所述主控模块(11)的控制信号通过所述IGBT 驱动模块(16)接至所述IGBT全桥变换电路(6)。
5. 根据权利要求4所述的隔爆型逆变式充电机，其特征在于其中所述主控制单元设 有安全电路，所述安全电路包括输入滤波电容电荷泻放电路(4)和输出滤波电容电荷泻放 电路(IO)，所述输入滤波电容电荷泻放电路(4)与所述输入滤波电路(5)相连，所述输出 滤波电容电荷泻放电路(10)接于所述输出滤波电路(9)的输出端与所述主控模块(11)之 间。
专利摘要本实用新型隔爆型逆变式充电机，隔爆壳体设有隔爆主腔和隔爆接线腔，隔爆主腔位于隔爆壳体中部，隔爆接线腔位于隔爆壳体后背下部，隔爆壳体后背上部在隔爆主腔外安装有功率模块散热器，隔爆壳体顶部在隔爆主腔外安装有腔内热量散热器，隔爆接线腔外设有电磁隔离铁盒。隔爆壳体前面的显示操作台面设有用于屏蔽和隔热的盖板，盖板安装在隔爆主腔的壁上。其优点和积极效果在于由于采用了隔爆主腔、隔爆接线腔的两腔设计和热管散热、盖板屏蔽隔热，有效解决了大功率逆变式充电机在密闭条件下的散热问题和电磁干扰造成的不稳定问题，进一步在主控制单元中设置了安全电路，可以在煤矿井下的特定环境下对蓄电池进行智能快速充电，应用效果良好。
文档编号H01M10/44GK201499009SQ200920309738
公开日2010年6月2日 申请日期2009年9月7日 优先权日2009年9月7日
发明者刘振翮, 张淳 申请人:淮南市长安机电设备有限公司