一种超高频岸侧无线充电电能模块变换系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种超高频岸侧无线充电电能模块变换系统，属于船用供电技术领域。


背景技术：

2.随着经济发展，岸电系统建设越来越多，尤其是国内内河港口船舶数量众多，建设积极性比较高。在岸电供电方式方面，目前船舶岸电系统以传导式供电为主，通过船舶—船岸间的电缆接触实现船舶的有效供电。虽然传导式岸电的使用被广泛认同，但依靠电缆接触取电的方式也存在一些不足之处。总的来说，现有的传导式供电方式在岸电系统中发挥着重要作用，但从长远来看，开展岸电系统供电的新模式、新技术研究仍然十分必要。近年来，非接触供电技术在功率和效率上都不断取得突破，但是应对大型电池组的充电需求，在功率和时间上还需要进一步提高。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种超高频岸侧无线充电电能模块变换系统，其能够提高充电模块的频率，提高充电效率。
4.为实现上述目的，本实用新型提出了以下技术方案：一种超高频岸侧无线充电电能模块变换系统，包括：岸基控制柜，辅助机械单元，磁耦合发射端，磁耦合接收端、船侧控制柜和电池；岸基控制柜中设置有逆变器和发射端主控制器，逆变器将岸侧的直流电信号转换为交流电信号，发射端主控制器与逆变器和辅助机械单元连接，并对二者进行控制；岸基控制柜与磁耦合发射端连接，磁耦合发射端和磁耦合接收端无线连接，磁耦合接收端连接船侧控制柜，用于将岸基控制柜的交流电信号传输至船侧控制柜；船侧控制柜中设置有整流器，用于将岸基控制柜的交流电信号转换为直流信号输入电池中。
5.进一步，岸基控制柜还包括前级功率因数校正模块用于对直流电的电压进行调整，前级功率因数校正模块包括串联的功率因数校正子模块和dc/dc转换子模块，前级功率因数校正模块与逆变器连接，其直流电信号进入逆变器。
6.进一步，逆变器为h桥型拓扑结构，其包括并联的两个桥臂，每个桥臂均包括与直流端正极连接的上子桥臂和与直流端负极连接的下子桥臂，每个子桥臂上均设置一igbt。
7.进一步，两个桥臂与若干电解电容及电阻并联，电解电容两两串联后并联，电阻也是两两串联后并联。
8.进一步，直流端正极出串联一lc电抗器，以滤除干扰。
9.进一步，船侧控制柜与电池中的bms通讯连接，船侧控制柜包括若干组串联的整流器和dc/dc转换子模块，其中一组为主控线路，其他组为从属控制线路，各组线路并联。
10.进一步，整流器包括单相二极管整流桥，单相二极管整流桥的交流输入端与磁耦合接收端的交流输出端连接，单相二极管整流桥包括两个并联的桥臂，每个桥臂包括一上子桥臂和一下子桥臂，子桥臂上均设置一二极管，桥臂与第一充电电容并联。
11.进一步，桥臂还与两个串联的电解电容，以及一与电阻串联的igbt并联。
12.进一步，整流器通过三组交错并联的buck电路与电池连接，每组buck电路均串联一电抗器，且均与第二充电电容并联。
13.进一步，buck电路包括上桥臂和下桥臂，上桥臂设置一igbt，下桥臂设置一二极管。
14.本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
15.1、本实用新型的方案环境适应能力强，不易受到大风、冰雪、盐雾等恶劣天气的影响和制约。
16.2、本实用新型的方案安全性强，插头不需要经常插拔，使插头不容易老化。
17.3、本实用新型的方案成本低，不需要额外的人力将电缆以及其他各种电器保护装置连接到岸边泊位上的接线桩，此外由于不需要电缆连接，也节省了电缆由于长期裸露在外而需要的维修成本。
附图说明
18.图1是本实用新型一实施例中超高频岸侧无线充电电能模块变换系统的结构示意图；
19.图2是本实用新型一实施例中逆变器拓扑结构示意图；
20.图3是本实用新型一实施例中整流器拓扑结构示意图。
具体实施方式
21.为了使本领域技术人员更好的理解本实用新型的技术方向，通过具体实施例对本实用新型进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本实用新型，它们不应该理解成对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
22.基于现有技术中环境适应能力差，需要与岸侧进行电缆连接等问题，本实用新型公开了一种船用高频发电机整流电路和整流装置。其通过使磁耦合发射端和磁耦合接收端无线连接，避免了船侧与岸侧需要进行电缆连接的问题，首先使船的离岸距离不再受电缆限制，其次，可以在大风、冰雪、盐雾等恶劣天气下使用，提高了系统的环境适应能力，降低了由于电缆维修成本和人工检测成本。下面通过具体的实施例对本实用新型的方案进行详细说明。
23.图1是本实用新型一实施例中超高频岸侧无线充电电能模块变换系统的结构示意图，如图1所示，其包括设置在岸侧的部分和设置在船侧的部分，设置在岸侧的部分主要包括岸基控制柜，磁耦合发射端和辅助机械单元，岸基控制柜中包括发射端主控制器、前级功率因数校正模块，即前级pfc和逆变器，即图1中的dc/ac，直流电信号首先进入前级pfc进行输入电压范围调整，输入的电压范围为200-750v。经过调整的直流电信号进入逆变器，逆变器将直流电信号转化为交流电信号，本实施例中交流电信号为20khz的高频方波。发射端主控制器与逆变器和辅助机械单元连接，并对二者进行同步控制。经过转化的交流电信号进入岸侧的磁耦合发射端，磁耦合发射端将交流电信号通过无线网络传输至船侧的磁耦合接收端。此处的无线网络可以是wifi、gprs等现有无线传播方式。
24.船侧的部分主要包括磁耦合接收端、船侧控制柜和电池，磁耦合接收端连接船侧控制柜，用于接收磁耦合发射端的交流电信号，并将其传输至船侧控制柜；船侧控制柜中包括若干组串联的整流器和dc/dc转换子模块，整流器用于将交流电信号转换为直流信号输入电池中，dc/dc转换子模块用于直流电压范围调整。其中一组为主控线路，其他组为从属控制线路，各组线路并联，每组线路的额定功率为30kw。各组线路之间通过均流控制充电功率进行分配。电池中的电池管理系统bms与船侧控制柜通信连接。
25.在本实施例中，前级功率因数校正模块包括串联的功率因数校正子模块和dc/dc转换子模块，前级功率因数校正模块与逆变器连接，其直流电信号进入逆变器，逆变器对直流电压进行控制。
26.图2是本实用新型一实施例中逆变器拓扑结构示意图，如图2所示，本实施例中直流端正极出串联一lc电抗器，以滤除干扰。依靠电解电容储能支撑直流侧，h桥型拓扑结构的两个桥臂与若干电解电容及电阻并联，本实施例中电解电容为450v电解电容。电解电容两两串联后并联，电阻也是两两串联后并联，该电阻用于进行均压。逆变器为h桥型拓扑结构，其包括并联的两个桥臂，每个桥臂均包括与直流端正极连接的上子桥臂和与直流端负极连接的下子桥臂，每个子桥臂上均设置一igbt。igbt采用econo4封装的225a/1200v的第四代igbt模块。两个桥臂相互错开0-180
°
的相位，穷开关频率为20khz。h桥型拓扑结构能够产生一定占空比的20khz正负对称的脉冲波。20khz开关频率对于常规逆变器属于较高的开关频率，会产生较大比例的开关损耗，采用开关频率较高的第四代igbt就是为了应对较高的开关频率，此外econo封装为较低矮的扁平化封装，散热面积较大。
27.igbt模块安装在一整块型材散热器上，采用强迫风冷散热，为简化安装形式，减少直流侧杂散电感，拟采用一整块厚铜多层pcb作为基板，把igbt模块、直流侧电容、均压电阻、驱动小板、主控板、风扇驱动电路等元器件都安装在基板上，再整体压接在散热器上。厚铜多层pcb的载流量为100a，有利于抑制igbt关断的尖峰电压，让半导体器件更安全。
28.采用硬件比较器直接产生直流侧过压、交流输出过流的保护触发信号，发生过压、过流的时候能够以最快速度关断igbt。至于igbt过热，因为温度变化相对缓慢，可以针对监测到的温度进行软件保护，检测到95℃时，降低输出功率，如果温度仍然持续上升，则关断igbt。对于输出电流过载，则设定110％的过载阈值，超过阈值且持续1秒则关断igbt。
29.发射端主控制器控制器采用arm处理器+fpga实现控制功能，其中fpga实现20khz的pwm逻辑和igbt的开关保护，arm处理器实现电压、电流采样功能，并执行输出高频电流有效值的反馈控制算法。arm处理器具备较多的uart和can总线接口资源，可满足2路can总线和外扩wifi模块的需求。
30.图3是本实用新型一实施例中整流器拓扑结构示意图，如图3所示，整流器包括单相二极管整流桥，该整流桥在非常宽的负载范围内，谐振频点、输出电压都具备较高的稳定性。单相二极管整流桥的交流输入端与磁耦合接收端的交流输出端连接，单相二极管整流桥包括两个并联的桥臂，每个桥臂包括一上子桥臂和一下子桥臂，子桥臂上均设置一二极管，桥臂与第一充电电容并联。桥臂还与两个串联的电解电容，以及一与电阻串联的igbt并联。
31.整流器交流侧最高运行电压为750v，单相二极管整流桥输出直流侧串联150ω固定负载和一在0-150a范围内可调负载，在电路中电稳定10ms后缓慢增加可调负载的输出负
载。负载从0增加到150a时，母线电压从650v下降到530v，主要的跌落出现在15a以内的轻载范围。
32.整流器通过三组交错并联的buck电路与电池连接，对电池进行充电管理。三组交错并联的buck电路采用扁平封装的igbt三相全桥模块。其具体拓扑结构为：每组buck电路均串联一电抗器，且均与第二充电电容并联。buck电路包括上桥臂和下桥臂，上桥臂设置一igbt，下桥臂设置一二极管。其开关频率为12.8khz，每组buck电路输出额定电流33a，采用多组交错并联的目的是为了对igbt模块进行散热，同时多组交错并联可以抵消电流纹波成分，可以获得价高质量的直流输出。
33.除了整理桥之外，整流器直流侧采用电解电容作为支撑储能元件，并增加受控的假负载用于控制直流侧母线电压不至于过高，主要应对轻负载或者负载突降条件下可能出现的直流侧过冲，如果假负载仍然不足以限制直流侧电压，就需要分断外部开关了。
34.船侧控制柜中控制器采用arm处理器+fpga实现控制功能，其中，fpga用于实现三组交错的buck pwm逻辑和igbt的开关保护，arm处理器实现电压、电流采样功能，并执行电池充电控制的涓流、恒流、恒压三阶段逻辑。arm处理器具备较多的uart和can总线接口资源，可满足2路can总线和外扩wifi模块的需求。
35.根据系统设计要求，船侧控制柜内的防护等级要达到ip56，逆变器的主电路及控制器安装在密封的腔体内，其中主要的发热元件紧贴热管散热器，热管散热器翅片外露，并采用ip56以上等级的风扇进行强迫对流散热，耦合线圈、电池母线、风扇端子均采用航插端子引出。
36.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围。