一种船用低压大功率直流智能配电模块及其控制策略的制作方法

[0001]
本发明涉及一种船用低压大功率直流智能配电模块及其控制策略，属于船用低压直流智能配电系统。


背景技术：

[0002]
随着船舶系统自动化程度的不断提高，其对供配电质量、可靠性和容错能力等要求也越来越高，因此，必须采取合理有效的配电设计和保护，一方面，在冲击性负载启动时快速限流，避免集中式供电系统母线电压发生大幅跌落或出现配电支路误跳闸；另一方面，在发生故障时及时切除故障支路，确保故障不扩散、不蔓延，从而确保非故障系统的供电连续性。
[0003]
目前，我国船舶领域广泛采用的配电器件仍然是熔断器、断路器、机电式热保护继电器、接触器等。基于这些传统配电器件的配电系统故障响应速度慢，且不具备限流功能，在共源负载出现大电流冲击或配电支路发生短路故障时，母线电压会大幅跌落，从而导致敏感性负载失电；此外，传统配电器件不具备对外通讯功能，致使监控系统无法获取配电支路运行状态及故障信息，从而增加了故障隔离及定位难度，且故障解除后需要人工闭合或更换，大大增加了管理和维护工程量，已不能满足船舶配电系统对信息化、数字化和智能化的要求。
[0004]
船舶负载特性复杂，负载大小、位置及电缆走线多样，为避免出现误保护或母线电压跌落，必须做到状态识别精准、故障响应迅速，其动作时间必须严格控制在微秒级；而针对大电流冲击性负载，为保证其安全、可靠启动，不仅需要快速进入限流模式，且需在限流模式下持续运行一定时间，其瞬时耐受功率可高达数百kw，这对研制性能优异、运行稳定的直流智能配电模块提出了严峻挑战。


技术实现要素：

[0005]
本发明要解决的技术问题是：针对背景技术中现有技术方案的不足及船舶终端配电系统面临的技术挑战，提供一种低压大功率直流智能配电模块。
[0006]
为解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种船用低压大功率直流智能配电模块，其特征在于：包括功率电路、缓冲电路、检测电路、控制电路、驱动电路和辅助电源；
[0007]
所述功率电路，包括功率器件，用于将集中供电系统的供电电源分配给受电负载；
[0008]
所述缓冲电路，包括电容c1和tvs二极管，以降低线路杂散电感造成的电压尖峰和系统中的浪涌电压，保护功率器件和负载免受电压冲击；
[0009]
所述检测电路，包括检测电阻、热敏电阻和信号调理电路，实现输入输出电压、负载电流和工作温度的采集和调理，并反馈至控制电路；
[0010]
所述控制电路，包括工作状态评测单元、通断控制单元、故障诊断单元、限流单元和通讯单元，根据所述检测电路提供的参数，判断供电电源、配电支路及自身的工作状态，发出控制指令至驱动电路，并实时上传运行状态及工作参数至监控系统；
[0011]
所述驱动电路，用于接收控制电路提供的控制信号，实现功率放大，驱动功率器件进行动作；
[0012]
所述辅助电源用于为直流智能配电模块各功能电路提供辅助供电。
[0013]
优选地，所述功率电路包括功率器件、功率电阻r1、直流电源输入端和直流电源输出端；
[0014]
所述功率器件由大功率、低通态阻抗mosfet并联而成，mosfet的漏极连接直流电源输入端，源极通过检测电阻rs连接直流电源输出端，栅极连接驱动电路的输出端；
[0015]
功率电阻r1连接在直流电源输出端和功率地之间，用于在直流智能配电模块关断时消除输出端浮压。
[0016]
优选地，所述缓冲电路包括解耦电容c1、大功率tvs二极管z1和大功率tvs二极管z2；
[0017]
解耦电容c1采用铝电解电容，连接在直流电源输入端和功率地之间；
[0018]
tvs二极管z1并联于功率mosfet的漏、源极；
[0019]
tvs二极管z2连接在直流电源输出端和功率地之间。
[0020]
优选地，所述检测电路包括检测电阻rs、热敏电阻和信号调理电路；所述检测电阻rs采用大功率、高精度贴片分流器，一端连接至功率mosfet的源极，另一端连接直流电源输出端；
[0021]
信号调理电路由高速运放组成。
[0022]
优选地，所述控制电路采用数字和模拟混合控制，包括工作状态评测单元、通断控制单元、故障诊断单元、限流单元和通讯单元，用于实现正常工况下的缓开通和缓关断、大电流冲击性负载与短路工况的智能区分、限流及保护和过载时的i2t反时限保护功能，同时实时上传工作状态、运行参数及故障信息。
[0023]
优选地，所述控制电路的数字控制部分采用基于dsp的最小系统，实现通断控制、通讯及输入过欠压、过温及i2t反时限分段保护；
[0024]
模拟控制部分采用高速运放和逻辑器件，实现硬件限流控制和短路故障时的快速分断控制。
[0025]
优选地，所述硬件限流控制采用比例调节电路，高速运放u1及电阻r1、r2、r3、r4组成调理电路对电流反馈信号进行放大处理，高速运放u2及电阻r5、r6、r7、r8组成比例调节电路，v
ref
经分压后接至高速运放u2的同相输入端，作为维持电流基准电压，高速运放u2的输出即为限流控制电压，高速运放u2的输出端经固态开关q1与选通二极管d1连接。
[0026]
优选地，当限流控制信号有效时，固态开关q1导通，限流控制电压经选通二极管d1输出至功率mosfet的控制电压连接端，此时控制电压v
c
经驱动电路连接至功率mosfet的栅极，控制功率mosfet进入线性区，将负载电流限制在设定值。
[0027]
优选地，所述辅助电源包括emi滤波器和隔离型dc/dc电源模块，将外部24v直流电压转换为
±
15v、+5v电压，为直流智能配电模块各功能电路提供辅助供电。
[0028]
优选地，所述控制电路通过can通讯网络实时上传工作状态、运行参数及故障信息。
[0029]
本发明的另一个技术方案是提供了一种船用低压大功率直流智能配电模块控制策略，应用于如上所述的一种船用低压大功率直流智能配电模块，其特征在于：
[0030]
当负载电流小于1.1倍额定电流时，直流智能配电模块长期稳定运行；
[0031]
当负载电流为1.1倍额定电流时，直流智能配电模块稳定运行1h后保护，切断配电支路并上传故障信息；
[0032]
当负载电流大于1.1倍额定电流且小于1.25倍额定电流时，进入第一段i2t反时限保护曲线；负载电流越大，反时限延迟时间越短；
[0033]
当负载电流为1.25倍额定电流时，直流智能配电模块稳定运行3min后保护，切断配电支路并上传故障信息；
[0034]
当负载电流大于1.25倍额定电流且小于硬件限流值i
limit
时，进入第二段i2t反时限保护曲线，负载电流越大，反时限延迟时间越短；
[0035]
当负载电流大于硬件限流阈值i
th
(3.5倍额定电流)时，硬件控制电路在微秒级做出判断，控制模块进入限流模式，恒流运行，将负载电流限定为设定限流值i
limit
，同时启动短路故障判断，将输出电压实时检测值与预设电压曲线进行对比，若输出电压无法跟随预设电压曲线且接近于0，则判定配电支路短路故障，迅速切断配电支路并上传故障信息；若输出电压逐渐增大但在限流时间超过设定阈值t
th
后仍然无法跟随预设电压曲线，则判定后级负载超过模块阻容性冲击负载的带载能力，切断配电支路并上传故障信息；若在设定时间内输出电压跟随预设电压曲线且负载电流逐渐减小，则退出限流模式，进入正常工作状态。若硬件限流失效，则执行软件保护，在检测到负载电流大于等于限流值i
limit
时，延迟10ms切断配电支路并上传故障信息；
[0036]
当负载电流大于等于4倍额定电流时，执行立即跳闸保护，切断配电支路并上传故障信息。
[0037]
优选地，所述硬件限流控制策略包括：
[0038]
进入/退出限流控制采用滞环比较策略，当负载电流大于3.5倍额定电流时，在微秒级做出判断，限流控制信号生效，模块进入限流模式；当负载电流小于1.5倍额定电流时，限流控制信号失效，模块退出限流模式；
[0039]
在限流模式下，利用功率mosfet自身的输出特性，通过控制驱动电压，将负载电流限制在设定值。
[0040]
优选地，所述大电流冲击性负载与短路工况的区分策略包括：
[0041]
采用rc网络模拟阻容性冲击负载的充电曲线，并实时检测直流智能配电模块的输出电压；
[0042]
在限流模式下，设定限流时长，对比输出电压检测值与模拟充电曲线，若限流时间超过设定阈值时输出电压仍然无法跟随模拟充电曲线，则判定后级负载超过模块阻容性冲击负载的带载能力或配电支路发生短路故障；若在设定时间内输出电压跟随模拟充电曲线且负载电流逐渐减小，则退出限流模式，进入正常工作状态。
[0043]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0044]
(1)状态识别精准，故障响应迅速，可实现大电流冲击和短路工况的智能区分，并可在微秒级做出判断，从而避免集中式供电系统母线电压发生跌落；
[0045]
(2)具备大电流冲击性负载的带载能力和瞬时大功率耐受能力；
[0046]
(3)可以通过can通讯网络上传运行参数及故障信息，并接收监控系统下发的控制指令，为负载智能化管理奠定基础；
[0047]
(4)具备参数在线编程功能，适用于24v/27v(
±
20％)低压直流配电系统，其额定电流连续向下可调，i2t反时限保护曲线可在线修正，适用于100a以下(含100a)的所有配电场合，极大拓宽了模块应用范围，提升了负载兼容性；
[0048]
(5)具备自检、故障隔离、信息传输、远程控制及复位等优越性能。
[0049]
直流智能配电模块应用于船舶领域，可以极大提高电力、动力等系统的供电保障能力，具有非常广阔的应用前景。
附图说明
[0050]
图1为本发明中直流智能配电模块的原理框图；
[0051]
图2为i2t反时限分段保护曲线；
[0052]
图3为进入/退出限流控制策略示意图；
[0053]
图4为限流控制电路原理图；
[0054]
图5为突加阻容性冲击负载的试验波形；
[0055]
图6为配电支路短路时的试验波形。
具体实施方式
[0056]
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0057]
图1所示为本发明提出的直流智能配电模块的原理框图，包括功率电路、缓冲电路、检测电路、控制电路、驱动电路和辅助电源。
[0058]
功率电路包括：功率器件、功率电阻r1、直流电源输入端、直流电源输出端；功率器件由3个大功率、低通态阻抗mosfet并联而成(mosfet并联数量可根据实际需求确定)，mosfet的漏极连接直流电源输入端、源极通过检测电阻连接直流电源输出端、栅极连接驱动电路的输出端；功率电阻r1连接在直流电源输出端和功率地之间，用于在直流智能配电模块关断时消除输出端浮压。
[0059]
缓冲电路包括：解耦电容c1、大功率tvs二极管z1、大功率tvs二极管z2；解耦电容c1采用铝电解电容，正极连接直流电源输入端，负极连接功率地；大功率tvs二极管z1阳极连接功率mosfet组的源极，阴极连接功率mosfet组的漏极；大功率tvs二极管z2阳极连接功率地，阴极连接直流电源输出端。此处优选大功率tvs二极管作为瞬态电压抑制器，具有电路实现简单、工作稳定可靠的特点。
[0060]
检测电路包括：检测电阻、热敏电阻和信号调理电路；检测电阻采用大功率、高精度贴片分流器，用于采集电流信号，其一端连接至功率mosfet组的源极，另一端连接直流电源输出端；信号调理电路由高速运放组成。
[0061]
控制电路采用数字和模拟混合控制，数字控制部分采用基于dsp的最小系统，实现通断控制、通讯及输入过欠压、过温及i2t反时限分段保护；模拟控制部分采用高速运放和逻辑器件，实现硬件限流和短路故障时的快速分断控制。
[0062]
驱动电路，接收控制电路提供的控制信号，实现功率放大，驱动功率器件进行动作。
[0063]
辅助电源，由emi滤波器和隔离型dc/dc电源模块组成，将外部24v直流电压转换为
±
15v、+5v电压，为直流智能配电模块各功能电路提供辅助供电。
[0064]
低压大功率直流智能配电模块的主体控制策略为：
[0065]
当负载电流小于1.1倍额定电流时，直流智能配电模块长期稳定运行；
[0066]
当负载电流为1.1倍额定电流时，直流智能配电模块稳定运行1h后保护，切断配电支路并上传故障信息；
[0067]
当负载电流大于1.1倍额定电流且小于1.25倍额定电流时，进入第一段i2t反时限保护曲线；负载电流越大，反时限延迟时间越短；
[0068]
当负载电流为1.25倍额定电流时，直流智能配电模块稳定运行3min后保护，切断配电支路并上传故障信息；
[0069]
当负载电流大于1.25倍额定电流且小于硬件限流值i
limit
时，进入第二段i2t反时限保护曲线，负载电流越大，反时限延迟时间越短；
[0070]
当负载电流大于硬件限流阈值i
th
(3.5倍额定电流)时，硬件控制电路在微秒级做出判断，控制模块进入限流模式，恒流运行，将负载电流限定为设定限流值i
limit
，同时启动短路故障判断，将输出电压实时检测值与预设电压曲线进行对比，若输出电压无法跟随预设电压曲线且接近于0，则判定配电支路短路故障，迅速切断配电支路并上传故障信息；若输出电压逐渐增大但在限流时间超过设定阈值t
th
后仍然无法跟随预设电压曲线，则判定后级负载超过模块阻容性冲击负载的带载能力，切断配电支路并上传故障信息；若在设定时间内输出电压跟随预设电压曲线且负载电流逐渐减小，则退出限流模式，进入正常工作状态。若硬件限流失效，则执行软件保护，在检测到负载电流大于等于限流值i
limit
时，延迟10ms切断配电支路并上传故障信息；
[0071]
当负载电流大于等于4倍额定电流时，执行立即跳闸保护，切断配电支路并上传故障信息。
[0072]
具体如下表所示。
[0073]
[0074][0075]
图2所示为i2t反时限分段保护曲线。分段保护曲线的参数可通过上位机实现在线整定，大大提升了负载适应性。
[0076]
图3为进入/退出限流控制策略示意图。i
cs
为硬件检测电流，limiton为限流控制信号。进入/退出限流控制采用滞环比较策略实现，当i
cs
大于3.5倍额定电流时，硬件控制电路在微秒级做出判断，限流控制信号limiton生效(变为高电平)，模块进入限流模式；当i
cs
小于1.5倍额定电流时，限流控制信号发生翻转(变为低电平)，模块退出限流模式。
[0077]
图4为限流控制电路原理图。
[0078]
为保证大电流冲击工况下快速进入限流状态，采用比例调节电路。图中，v
if
为检测电阻测得的电流反馈信号，u1及r1、r2、r3、r4组成调理电路对电流反馈信号进行放大处理，u2及r5、r6、r7、r8组成比例调节电路，v
ref
经分压后接至u2的同相输入端，作为维持电流基准电压。u2的输出即为限流控制电压。q1为固态开关，当限流控制信号有效时，q1导通，限流控制电压经选通二极管d1输出至功率mosfet的控制电压连接端，此时控制电压v
c
经驱动电路连接至功率mosfet的栅极，控制功率mosfet进入线性区，将负载电流限制在设定值。
[0079]
维持电流基准电压依据功率mosfet的转移特性曲线来选定。当功率mosfet处于线性区时，通过mosfet的电流i
d
与控制电压v
gs
线性相关，而与其漏源极电压v
ds
无关。如此，当
通过mosfet的电流大于设定限流值时，经比例调节输出的控制电压将变小，并最终稳定在转移特性曲线上与设定限流值相对应的某个点，控制电流维持在设定限流值，直至限流控制信号解除。
[0080]
图5为突加阻容性冲击负载的试验波形，由图可知，当发生阻容性冲击时，配电模块可在微秒级进入限流模式，将负载电流控制在设定值，母线电压基本稳定。图6为配电支路短路时的试验波形，由图可知，当出现短路时，配电模块同样可在微秒级进入限流模式，经判断后迅速切断故障支路。本发明提出的具有限流功能的船用低压直流智能配电控制策略可以快速、准确、可靠地识别负载状态，满足使用需求。
[0081]
本发明用于将集中供电系统的供电电源分配给受电负载，同时实时监测供电电源、受电负载及其自身的工作状态，实现故障状态下的保护及报警，并通过can总线与上级监控系统进行信息交互，实现正常状态下的遥控通断、参数在线整定及故障解除后的远程复位。此外，具有大电流冲击负载下的快速限流能力和短路故障下的快速分断能力，相较于传统配电器件，具有负载管理智能化、故障响应快速化、故障影响最小化的特点，其输出电流定额可通过编程实现在线整定，适用于船用24v/27v低压直流配电系统中额定电流100a以下(含100a)的所有配电场合。