宽压隔离电路与电池隔离器、充电器、逆变器、承载体
阅读说明：本技术 宽压隔离电路与电池隔离器、充电器、逆变器、承载体 (Wide-voltage isolation circuit, battery isolator, charger, inverter and carrier ) 是由 不公告发明人 于 2019-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种宽压隔离电路与电池隔离器、充电器、逆变器、承载体。所述隔离电路包含mcu电路、发电机输出电路、开关电路、高频功率变压器电路、整流与滤波电路、副电池电路、发电机电压监控电路、副电池电压监控电路、电源电路。所述开关电路的输入连接发电机输出,所述开关电路的输出连接所述高频功率变压器电路的输入。所述高频功率变压器电路的输出连接所述整流与滤波电路的输入。所述整流与滤波电路的输出一端作为零线,另一端作为正极线接入副电池充电的主回路。借助所述PWM模式控制,所述副电池是完全独立于所述主电池的充电系统,可以完全按电池厂家的充电曲线技术要求充电。(The invention discloses a wide-voltage isolation circuit, a battery isolator, a charger, an inverter and a carrier. The isolation circuit comprises a mcu circuit, a generator output circuit, a switching circuit, a high-frequency power transformer circuit, a rectifying and filtering circuit, an auxiliary battery circuit, a generator voltage monitoring circuit, an auxiliary battery voltage monitoring circuit and a power supply circuit. The input of the switching circuit is connected with the output of the generator, and the output of the switching circuit is connected with the input of the high-frequency power transformer circuit. And the output of the high-frequency power transformer circuit is connected with the input of the rectification and filtering circuit. And one end of the output of the rectification and filtering circuit is used as a zero line, and the other end of the output of the rectification and filtering circuit is used as a positive line to be connected into a main loop for charging the auxiliary battery. By means of the PWM mode control, the auxiliary battery is a charging system completely independent of the main battery, and can be charged completely according to the technical requirements of a charging curve of a battery manufacturer.)
技术领域
属于电子技术领域，具体涉及汽车和船舶电器部件。
背景技术
为了叙述方便，本发明定义以下术语：
“开关管”指本发明中的一个电子部件，是三极管、达林顿管、场效应管的总称；
“语音芯片”是以下三类芯片的总称：专用语音芯片、带语音数据的存储器、或带语音功能的mcu。有些语音芯片使用“绑定”(COB)的方式，比如大多数倒车芯片；
“mcu”指微处理器；
“扬声器”包括市场上常用的蜂鸣片喇叭或动圈喇叭；
“功放电路”是指用于语音信号的功率放大电路；
“电池隔离器”也称为“双电池隔离器”，指利用自身发电机能自动外接副电池充电的电器；
“充电器”指利用市电给副电池充电的电器；
“逆变器”指利用副电池的电能转换成交流220v市电模式的电器，方便家用电器使用，如微波炉、热水器、音响、空调等；
“承载体”指安装了所述电池隔离器、充电器、或逆变器的车辆或船舶。如房车、旅居车、私家车、大货车、游艇、游船、渔船、帆船等长期外出，本身有发电机给自己主电池充电，且另外用户需要额外增加副电池给生活提供方便的情形。在工作过程中利用自身发电机的发电余量给副电池充电；
“主电池”指上述承载体自身工作必须的蓄电池，比如启动马达、灯光、音响、仪表等各种电器部件的工作。一般容量较小；
“副电池”是指用户居家生活的家电所需的另外加装的独立的蓄电池。一般容量较大。本发明的所有工作就是围绕着给这个副电池充电。
人们户外旅游久住，或者有些工作长期在外，比如房车、旅居车、私家车、大货车、游艇、游船、渔船、帆船等长期外出。为了提高生活品质往往需要使用很多家电，但车或船上原供系统工作的电能是有限的，因为主电池的容量很小，特别需要外接大容量副电池。传统的做法就是加装大容量副电池，应用双电池隔离器，应用车或船上现有的发电机给副电池充电。户外市电充电也行，但找充电桩困难，而且需要驻车驻船等待。
传统双电池隔离器，就是利用功率二极管、继电器直接把发电机的输出直接引到副电池的，也就是主副电池是直接并联的。副电池的充电没有任何限流保护。这时发电机同时有两个蓄电池负载。而且副电池的容量往往是主电池的很多倍。控制的过程就是当发现主电池的电压小于某个值时延时一定时间开启充电，躲开发电机点火时的高峰。
传统模式的不足是：
1.发电机烧毁半路停车停船 ：以轿车为例，发电机一般1000瓦左右，12V发电也就100A电流。当大容量副电池比如400AH，在馈电时充电瞬间充电电流能到200A以上，再同时加上主电池的充电电流，这时发电机负载功率超过一倍以上，发电机很快就可能烧坏了。但此时用户可能还不知道，等到主电池欠压时发现车或船停了。这时可能车在半路上，船在大海中。而且发电机的电压调节器也可能随着烧坏。这里的根本原因是传统电池隔离器无限流；
2.充坏副电池：一般电池的充电电流是小于0.1C，即容量的10%。400AH的电池最多40A电流充电。显然传统隔离器做不到，因为根本无限流功能；
3.副电池充不满：因为无法实现副电池的三段式或五段式充电。所述三段式为：恒流-恒压-浮充；所述五段式为：预冲-恒流-恒压-涓流-浮充。显然传统隔离器做不到；
4.副电池无温度补偿和温度保护：电池生产厂家要求要用温度补偿，有特定的温度系数。冬天夏天按不同的充电电压。而且当温度高于特定值后要停止充电，即温度保护。显然传统隔离器做不到；
5.副电池种类不同不能充电：比如主电池为铅酸，副电池为锂电；
6.副电池电压不同不能充电：比如主电池为24V，副电池为12V。更不能充比主电池电压高的副电池；
7.耗电大：传统隔离器靠继电器工作，而继电器的工作需要很大的电流，往往大于30~50mA。二极管正向导通也很耗电：比如50A充电，二极管压降0.5V，则功耗为50*0.5=25W；
8.使用寿命短：因为继电器是有触点的；
9.体积大成本高：功率二极管和继电器个头大，价格贵。
发明内容
本发明的目的：把传统双电池隔离器的功率二极管或继电器对副电池充电的结构，改为PWM模式的精确控制，确保发电机不过载主电池不欠压，而且能对所有类型的副电池都能充电，解决上述传统双电池隔离器的问题。
一种宽压隔离电路：
所述隔离电路包含mcu电路、发电机输出电路、开关电路、高频功率变压器电路、整流与滤波电路、副电池电路、发电机电压监控电路、副电池电压监控电路、电源电路。
所述开关电路的输入连接发电机输出，所述开关电路的输出连接所述高频功率变压器电路的输入。
所述开关电路是一种应用高频MOS管或IGBT组成的高频PWM脉宽调试电路。包含开关管和驱动电路。
所述高频功率变压器电路的输出连接所述整流与滤波电路的输入。
所述高频功率变压器使用的材料是铁氧体。
所述整流与滤波电路的输出一端作为零线，另一端作为正极线接入副电池电路的充电主回路。
所述整流与滤波电路包含整流二极管、滤波电容、或滤波电感。
所以，发电机输出电路-开关电路-高频功率变压器电路-整流与滤波电路-副电池电路，构成整个副电池充电功率回路。
所述mcu电路包含mcu芯片，是所述宽压隔离电路的控制核心。
所述副电池连接所述副电池电压监控电路，所述副电池电压监控电路连接所述mcu电路，用于检测所述副电池的端电压。所述副电池的端电压是所述副电池充电算法的主要参数。
所述副电池电压监控电路包含若干电阻、电容、或运放芯片，把副电池的端电压信号调整到所述mcu电路的电压范围内。最简单的就是一些分压电路和滤波电路。
所述发电机电压监控电路连接发电机输出正极线，所述发电机输出正极线同时也是主电池的正极线，所述发电机电压监控电路连接所述mcu电路，用于检测发电机输出电压。
所述mcu连接所述开关电路，并按PWM模式控制所述开关电路。
所述开关电路包含开关管，用来执行PW M的，是本发明的核心元件。目前最常用的是mos管。小功率的用单个管子，大功率的多个mos管并联。
所述mcu电路通过所检测到的所述发电机输出电压值确定延时充电的时间和充电电流的大小，确保所述主电池的电压不欠压和所述发电机的输出不过载，同时按尽可能大的功率给所述副电池充电。这是本发明的主要目的，是传统继电器隔离器做不到的地方。
所述延时充电的时间是mcu芯片用软件编程的方式实现的。
所述mcu电路按PWM模式控制所述副电池充电电流的大小，这是本发明有别于传统电池隔离器最大技术方案，是新颖性的突出表现。
借助所述PWM模式控制，所述副电池是完全独立于所述主电池的充电系统，可以完全按电池厂家的充电曲线技术要求充电。
进一步，PWM充电模式能轻易实现脉冲充电，对于极化活化副电池性能，延长其寿命，稳定其充放电容量，特别有好处。另外还有一定电池修复功能。
所述宽压隔离电路应用特征是可以给任意类型的副电池充电。
所述宽压隔离电路，对所述副电池来说就是一个独立的充电器。所以，所述主电池和所述副电池的电压可以不同，比如主电池电压14V，副电池可以是11V。在副电池不同的充电阶段，其端电压与主电池电压各不相同。还比如，主电池是24V，副电池可以是12V的。还比如，主电池是12V，副电池可以是48V的。另外，主副电池的种类也可以不同，比如主电池是铅酸电池，副电池是锂电池。对于副电池的充电，可以按三段式或五段式充电。所述三段式为：恒流-恒压-浮充；所述五段式为：预冲-恒流-恒压-涓流-浮充。这是最科学的充电模式。
所述电源电路给整个系统电路供电。
所述宽压隔离电路包含电流取样电路。所述取样电路包含取样电阻、电流互感器、运放芯片、或普通电阻电容。就是把取样电阻的微弱端电压信号发大到所述mcu电路能采样的范围。
所述电流取样电路串接在所述副电池的充电回路里。
所述电流取样电路连接所述mcu电路，用于精确控制所述副电池的充电电流和过流保护。
所述宽压隔离电路包含电池温度检测电路。所述电池温度检测电路包含温度传感器，所述传感器紧贴所述副电池。
所述电池温度检测电路连接所述mcu电路，用于精确控制所述副电池的充电温度补偿和过温保护。所述温度补偿就是根据副电池的温度，修正充电的电压，温度越高电压越低。
低端隔离器不用所述电池温度检测电路，就是为了节省成本。
所述宽压隔离电路包含散热器温度检测电路。所述散热器温度检测电路包含温度传感器，所述传感器紧贴所述散热器。
所述散热器温度检测电路连接所述mcu电路，用于对所述开关电路的温度保护。当散热器温度达到额定限值，会降低充电电流或停止充电，保护所述开关电路的开关管安全，否则容易烧坏。
低端隔离器或小功率隔离器不用所述散热器温度检测电路，为了节省成本，或者没有必要。
所述宽压隔离电路包含散热电路，所述散热电路包含电风扇。
所述散热电路连接所述mcu电路，用于对所述开关电路的散热。
低端隔离器或小功率隔离器不用所述散热电路，为了节省成本，或者没有必要。
所述宽压隔离电路包含设置电路、反馈电路。
所述设置电路包含按键、旋钮开关、拨码开关、或电位器。
所述设置电路连接所述mcu电路，用来设置所述宽压隔离电路的各种参数或者完成某些操作。比如设置充电电流、延时时间、电池电压、温度补偿系数等。或者开关机、马达启动借电开关等操作。
低端隔离器固定这些参数，就无需设置电路了。
所述反馈电路包含LED、LCD、蜂鸣器、或语音喇叭。
所述反馈电路连接所述mcu电路，用来显示或报告所述宽压隔离电路的各种参数。
如果用语音替换LED、LCD的显示，所述反馈电路还包含语音芯片、功放电路、扬声器。
所述宽压隔离电路的应用特征是副电池的电压和种类不受限，任何型号的副电池都可以充电。所谓“宽压”即来源于此。
一种电池隔离器：
所述隔离器包含上述宽压隔离电路。
一种充电器：
所述充电器包含上述宽压隔离电路、传统市电充电器电路。
传统市电充电器电路里包含mcu电路、设置电路、反馈电路、副电池电压监控电路、散热电路、散热器温度检测电路、电源电路。
所述传统市电充电器电路连接所述宽压隔离电路，借用其资源对所述宽压隔离电路进行管理，既能用市电充电也能用发电机对所述副电池充电，达到节省成本和空间的目的，一机二用。
把电池隔离器集成到传统市电充电器里就是为了利用其某些资源，来兼做上述隔离器的某些电路，如mcu电路、设置电路、反馈电路、副电池电压监控电路、散热电路、散热器温度检测电路、电源电路等。
一种逆变器：
所述逆变器包含上述宽压隔离电路、传统逆变器电路。
传统逆变器电路里包含mcu电路、设置电路、反馈电路、副电池电压监控电路、散热电路、散热器温度检测电路、电源电路。
所述传统逆变电器电路连接所述宽压隔离电路，借用其资源对所述宽压隔离电路进行管理，既能用所述副电池逆变220v电源也能用发电机对所述副电池充电，达到节省成本和空间的目的，一机二用。
把电池隔离器集成到传统逆变器里就是为了利用其某些资源，来兼做上述隔离器的某些电路，如mcu电路、设置电路、反馈电路、副电池电压监控电路、散热电路、散热器温度检测电路、电源电路等。
一种承载体：
所述承载体安装了上述电池隔离器、上述充电器、或上述逆变器。
上述承载体是统称，包含房车、旅居车、私家车、大货车、游艇、游船、渔船、帆船等。
本发明效果：
1.保护发电机不烧毁，半路不停车不停船 ：应用PWM充电严格控制充电电流，确保发电机不过载。另外加上延时电路躲开发动机启动时间；
2.不充坏副电池：应用PWM充电严格控制充电电流；
3.副电池能充满：因为本发明的宽压隔离电路是独立于主电池的充电系统，可以完全按副电池的充电算法，灵活使用三段式或五段式充电；
4.副电池有温度补偿和温度保护：能按厂家要求的用温度补偿系数充电。冬天夏天按不同的充电电压。而且当温度高于特定值后可停止充电，即温度保护。因为本发明有电池温度检测电路；
5.副电池种类不同也可以充电：比如主电池为铅酸，副电池为锂电；
6.副电池电压不同也能充电：比如主电池为24V/副电池为12V，或者主电池为12V/副电池为48V。即任意电压的副电池都能充电；
7.耗电小：PWM控制，开关电路的工作电流小于3mA；
8.使用寿命短：因为开关管是无触点的；
9.体积小成本低：开关管，特别mos，体积比继电器个头小，价格低。而且无需功率二极管。
附图说明
图1为本发明宽压隔离电路结构图；
图2为本发明双电池隔离器连线图；
图3为本发明充电器连线图；
图4为本发明逆变器连线图；
图5为本发明市电充电器电路结构图；
图6为本发明逆变器电路结构图；
具体实施方式
一种宽压隔离电路：
图1为本发明宽压隔离电路结构图。
充电主回路按电能转移方向：发电机输出电路14-开关电路2-高频功率变压器电路20-整流与滤波电路22-副电池1 。
发电机输出电路14里包含滤波电容。在EMC要求不高的情况下，为了成本，也可以不用。
开关电路2包含开关管和驱动电路。开关管最常用的是mos场效应管，性能最好价格较低。其它达林顿管和IGBT管子也可以用。特别在大功率多用IGBT。不同的管子有不同的驱动电路。
开关电路2的驱动电路根据不同的模式而变化，如正激、反激、全桥、半桥等。
开关电路2按PWM模式工作，占空比越大对副电池1的充电电流越大。
开关电路2受控于mcu电路4。开关电路2连接mcu电路4内部PWM模块输出即可，延时功能靠编程实现。
mcu电路4是宽压隔离电路的核心，包含MCU芯片。用其强大的功能集成，配合软件编程，能完成复杂的多重功能。
mcu的选型主要考虑的技术参数是：运行的速度快慢、温度范围、GPIO数量、FLASH大小、RAM的大小、对外通讯口的模式等参数来考虑。目前市场上很多单片机都能满足这个要求，如Microchip、freescale、ST、infineon、cypress等厂家的多个品牌技术上都可用。
高频功率变压器电路20包含大功率高频变压器，一般选用铁氧体磁芯。绕线初级次级的匝数比，再配合开关电路2的PWM的占空比，来调节副电池1的充电电压和电流。
发电机电压监控电路23包含分压电路和滤波电路，由电阻电容构成。发电机电压监控电路23连接发电机输出正极线13和mcu电路4，用来检测发电机的输出端电压。
继电器电路21的作用是防止副电池1的接线极性错误，即反接保护。如果mcu电路4检测出副电池1的端电压异常，则不开启继电器，保护高频功率变压器电路20和整流与滤波电路22的安全。如果不需要这种保护，则取消继电器电路21直通即可。
电流取样电路3是用来精确反应充电电流的，包含取样电阻、电流互感器、或运放芯片。电流取样电路3连接mcu电路4，可接MCU的ADC输入口。取样电阻选康铜丝。运放芯片常用的是358。有些MCU内部集成运放功能模块的，则电流取样电路3就无需运放芯片了。
副电池电压监控电路15用来检测副电池1的端电压，主要包含运放和电阻电容，主要是放大、滤波、分压电路。把信号调整到MCU的输入范围。5V系统单片机一般ADC输入范围为0~5V。副电池电压监控电路15连接mcu电路4和副电池1的两端。
电池温度检测电路16包含温度传感器，传感器紧贴副电池，用于副电池充电的温度补偿。电池温度检测电路16连接mcu电路4，可接MCU的ADC输入口。
散热器温度检测电路17包含温度传感器，传感器紧贴散热器，用于保护开关电路2。当温度超过额定值则减小充电电流，或则停止充电。散热器温度检测电路17连接mcu电路4，可接MCU的ADC输入口。小功率充电可不用，因为发热不大。
散热电路19包含散热电风扇。散热电路19连接mcu电路4，可接MCU的输出口。小功率充电可不用，因为发热不大。
设置电路5包含按键、旋钮开关、拨码开关、或电位器等。设置电路5连接mcu电路4，可接MCU的输入口或ADC口。
反馈电路6包含LED、LCD、蜂鸣器、或语音喇叭，用来显示或报告所述宽压隔离电路的各种参数。如果用语音替换LED、LCD的显示，反馈电路6还包含语音芯片、功放电路、扬声器。反馈电路6连接mcu电路4。
语音芯片的选型，与所要存储的语音数据多少和音质的要求来确定，还要考虑工作温度范围。语音数据多，要求的音质高，就需要选用大容量的语音芯片。相反，选用小容量的芯片就可以了。音质的要求，决定了采用多大的语音采样率，也就决定了需要多大的容量。8K、16K、32K的采样率比较常见。目前市场上有很多语音芯片都能实现，大多是台湾生产的，通常040、060、080规格的语音芯片就可以了。040的意思是40秒语音的存储空间，060、080以此类推。
功放电路，就是把语音芯片2输出的微弱语音信号，放大到一定的功率，以便驱动扬声器发出声音。要求的声音越大，功率的放大倍数就越大。功放电路的结构与语音芯片2输出的形式和扬声器的规格有关。通常来讲，芯片的语音输出有DAC、PWM两种形式，声音的播放器件有蜂鸣片和动圈喇叭，这就造成功放电路的多种形式。有的可用普通的分立器件组合电路，小功率可以直接用三极管电路。有的可以用专用的功放芯片，小功率可选用LM386。
扬声器选择一般为动圈喇叭,语音清晰。
电源电路7是给系统电路供电的，输入为正极线10和零线12。
另外特别强调的是，本发明的宽压隔离电路里，发电机电路和副电池充电电路完全可以电隔离。这时开关电路2和发电机电压监控电路23里要增加电隔离器件。最常用的是光电耦合器、互感器、或变压器。如果考虑成本因素，电器隔离器件就不要了。
一种电池隔离器：
隔离器包含上述宽压隔离电路。
图2为本发明双电池隔离器连线图，隔离器2输入端接发电机输出，输出端接副电池1。
一种充电器：
图5为本发明市电充电器电路结构图。
充电器包含宽压隔离电路1、传统市电充电器电路5。传统市电充电器电路5包含mcu电路2、电源电路3、充电电路4。
其中充电电路4包含设置电路、反馈电路、副电池电压监控电路、散热电路、散热器温度检测电路。再加上mcu电路2、电源电路3。这些电路都可以与电机充电电路1里的相应电路合并，能共用的共用，节省空间和成本。
图3为本发明充电器连线图。
用市电充电时，充电器2的能源从市电L极线7、市电N极线8进来去副电池1充电。这是传统充电器的功能。
用发电机充电时，充电器2的能源从发电机输出正极线5、发电机输出负极线6进来去副电池1充电。这是本发明宽压隔离电路的功能。
一种逆变器：
图6为本发明逆变器电路结构图。
逆变器包含宽压隔离电路1、传统逆变器电路5。传统逆变器电路5包含mcu电路2、电源电路3、逆变电路4。
其中逆变电路4包含设置电路、反馈电路、副电池电压监控电路、散热电路、散热器温度检测电路。再加上mcu电路2、电源电路3。这些电路都可以与电机充电电路1里的相应电路合并，能共用的共用，节省空间和成本。
图4为本发明逆变器连线图。
作逆变器时，逆变器2的能源从副电池1的正极线3、负极线4进来，逆变后从AC220-L极线7、AC220-N极线8出去。这是传统逆变器的功能。
用发电机充电时，逆变器2的能源从发电机输出正极线5、发电机输出负极线6进来去副电池1充电。这是本发明宽压隔离电路的功能。
一种承载体：
承载体安装了上述电池隔离器、上述充电器、或上述逆变器。
上述承载体包含房车、旅居车、私家车、大货车、游艇、游船、渔船、帆船等。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和其中一个例子，根据这个原理还会有各种变化和改进，这些变化和改进都是属于本发明的权利保护范围。
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