引言

隨著船舶電氣化的發展，對電源系統的要求越來越高，本文設計了一種高可靠性冗余電源，該電源系統主要完成對輸入電源的電源濾波、電氣隔離及電壓轉換，為負載設備提供工作所需的電源。該系統具有AC220 V、DC220 V及DC24 V電源輸入接口，當輸入電源失電時，能夠自動啟動備用電池供電至少2 h。電源管理及轉換模塊系統可實現電源輸入不斷電切換，保證設備供電的連續性，可監測電源裝置輸入輸出端故障，并附帶兩路CAN 通訊接口，可與其他監控設備通訊。該電源裝置具有智能化、安全可靠的優點。

1 冗余電源系統整體框架設計

電源系統由蓄電池、電源模塊、控制模塊構成。系統框圖如圖1所示。

電源系統通過電源模塊完成主用電(AC220V，DC175～320 V)和備用電(DC24 V)的電源轉換，電源系統可實現電源輸入不斷電切換，保證設備供電的連續性。為保證控制模塊的不斷電工作，控制模塊從電源模塊輸出端取電。控制模塊可對設備狀態進行實時監控，監控電源系統中的故障信息，并將相關信息通過CAN 總線傳輸給船舶的監控系統，同時船舶的監控系統也可以通過CAN 總線向控制模塊發送關機指令，切斷系統的工作。

2 電源系統的電路設計

2．1電源模塊的設計

系統要求電源轉換模塊的輸入范圍廣，形式多樣，輸出電壓精度高，噪聲低。根據需求可選擇板型電源模塊或磚型電源模塊。板型電源模塊技術成熟、選擇多樣、價格便宜，但體積較大。磚型電源模塊功率較小、價格高昂，但體積遠小于板型電源模塊。為滿足系統性能指標及小型化的技術要求，選用磚型電源模塊。

電源模塊采用國外知名品牌VICOR 公司的電源模塊，VICOR公司電源模塊支持輸入電壓包括185～264 VAC、175～375 VDC、24 VDC，輸出電壓為24 V DC。VICOR公司電源模塊工作溫度范圍寬，輸入電壓范圍寬，輸出電壓紋波小、精度高、噪聲低，具備短路、過壓、過載、過溫保護功能，可靠性高，安全性好。

如圖2所示，整流單元采用整流模塊FARM，與后端的DC．DC 轉換器配套可組成自動調節整流、高密度、薄身的電源系統。后端的DC．DC轉換器采用VICOR公司的Maxi轉換器模塊，該系列DC—DC轉換器輸入范圍寬、效率在85％以上、功率密度高達120 W／in3。。、3000 V電氣隔離，具備輸入欠壓封鎖、輸出過壓保護、過流保護等功能。

BatMod 電池充電器模塊是以VICOR DC—DC轉換器為基礎的可編程電流源模塊。它的輸入電壓有48 VDC，150 VDC和300 VDC三種選擇，在本系統中選用輸入電壓為300 VDC的型號，該模塊提供可編程的輸出電流及可調的輸出電壓，可以根據電池的不同來進行編程輸出，適用于大部份的電池種類，滿足本系統的需要。

在系統圖中，AC和DC175～320 V輸入構建300 V母線系統，300 V母線通過300 V／24 V電源模塊轉換成所需的24 v 電源，同時通過300V／24 V 電池充電器模塊給24 v 電池組充電，DC24 V輸入和24 V電池分別使用24 V／24 V電源模塊轉換成所需的24 V電源。

在AC和DC同時輸入的情況下，優選AC供電；AC斷電情況下，切換到DC(175—320)V供電，當前面兩種電源都失效的情況下，切換到DC24V供電；AC與DC同時斷電的情況下，切換至備用電池供電。

電源單元輸入端有AC或DC輸入后，電源轉換模塊在實現其正常轉換，對后端用電設備正常供電的同時， 同時對蓄電池組進行充電，保證蓄電池組處于滿充狀態。蓄電池組充電至滿的時間不超過6 h。

2．2控制模塊的設計

控制單元使用ARM微控制器作為主控制器，ARM微控制器具有功耗小，高性能的特性。在本系統中采用基于Cortex—M3架構的STM32F10微處理器，該處理器擁有以下特性：

● 工作速度快：最高72 MHz工作頻率；最大512 K字節的閃存；高達64 K的SRAM；

●擁有眾多外設：最多3個12位模數轉換器1μs轉換時間(多達21個輸入通道)；2通道12位DA轉換器； 多達11個定時器；

●通信端口多：2個I2C接口，5個USART接口(可拓展為RS232／485／422)，3個SPI接口，2個CAN接口(2．0b)。

●低功耗， 高性能， 工作溫度范圍為一40℃ ～+105℃ 。

控制模塊主要完成以下功能：

1)通訊功能。通訊采用CAN協議，波特率125 kbps，支持CAN2．0b規范，兼容CAN2．0a規范。采用光電隔離，隔離電壓大于2500 V．

由于選用的STM32F105系統微控制器自帶2個CAN接口(支持2．0b協議)，只需要使用最基本的CAN收發芯片TJA1040搭建最基本的電路，在電路設計中，為保證CAN 通信的穩定性， 采用開關電源進行CAN通信電源的電氣隔離。

2)關機功能。如圖1所示，當控制模塊接收到船舶監控系統發送的關機指令，控制模塊可控制相應繼電器和模塊使能端斷開，切斷外部供電，實現關機操作。同時當蓄電池供電超過2 h之后，控制系統發送相關信息至船舶監控系統， 由船舶監控系統判斷是否切斷供電。

3)監測電源轉換模塊故障狀態。具備自身故障監測能力，包括電源輸入故障、電源轉換故障、蓄電池充放電狀態等， 并實時將狀態信息通過CAN接口發送到主機單元。

控制模塊完成對電源輸入端的監測， 同時監測VICOR的DC．DC轉換模塊，控制模塊可監測輸入電壓，當以上任何參數超出其指定的操作范圍時，模塊會關閉以完成對VICOR模塊的保護。控制模塊通過監測VICOR 電源模塊，將故障信息通過CAN 通訊發送給船舶監控系統。同時控制模塊通過監測BatMod充電器判斷電池是否處于充電狀態。

4)具備供電狀態指示， 白檢狀態報警功能。

如圖4所示，具備供電狀態指示，分別為220V AC供電正常，175～320 V DC供電正常，24 VDC 供電正常，電池供電正常，輸出正常。控制系統的狀態指示可根據需要進行擴展。

2.3 蓄電池的選取

蓄電池選用中船重工712所6FM系列閥控制密封鉛酸電池，該產品具有以下特點：

1）密封結構：6FM系列閥控制密封鉛酸電池具有獨特的結構并采用了先進的密封技術，確保電解液不會溢出，不漏酸、無酸霧，不污染環境。

2）良好的放電性能：內阻非常小，大電流放電性能強。

3）自放電小：采用高純度的原材料添加劑，使電池在儲存或不使用時的自放電功率大大降低，25℃下，28天內自放電率小于2.4%。

4）免維護：具有良好的氧循環復合能力，充電時所產生的氧氣幾乎被完全吸收，使用時不需要測量電解液的季度。

5）電池壽命長：采用特殊的合金板柵，堅固耐用的阻燃ABS樹脂，高純度的超細玻璃纖維隔板，精密開啟的安全閥，先進的工藝設計使電池具有很長的使用壽命和耐用性。

6）結構緊湊，抗震性能好，安裝方便，可才用屏、架式安裝，減少占地面積。且對安裝場地要求較小。

7）電池使用溫度范圍廣，可在溫度-20℃~+60℃的工作場所工作，貯存溫度可到-40℃~+70℃。

3 電源系統的結構設計

機箱采用密封式結構，電源模塊在工作時發熱量較大，對于VICOR電源模塊來講簡化散熱管理是使用VICOR電源模塊的優點之一。電源模塊的操作效率高，兼之薄身的封裝，減少了熱損耗。適當的散熱管理能夠有效改善電源轉換模塊和系統的平均故障間（MTBF）、縮小體積和降低產品使用周期成本。

紫銅具有優良的導熱性、延展性，為了盡量加大散熱量，電源轉換模塊殼體選用紫銅材料。這是因為同時在結構設計中，考慮到模塊的散熱性，電源轉換效率的殼體與箱體的接觸面積盡可能大，并且兩者接觸面圖上導熱硅脂。見結構圖5所示。

電池可以與箱體緊密接觸，因此把電池放在這個箱體底面上，上面用一個4mm厚度的鋼板焊接的框架對電池進行固定。然后在框架和銅板上打孔安裝在電池安裝架上。而為了保證電源模塊的加固性，將電源模塊固定在電池框架和底板上。電源模塊緊貼在紫銅板上，同時另一面紫銅板緊貼在箱體底面，保證模塊的散熱性。

4 結束語

本文設計了一種基于VICOR模塊的高密度、高可靠性的冗余電源。同時采用ARM Cortex-M3 內核的STM32 系列微控制處理器作為控制模塊核心，完成對電源模塊的監控并將相應的狀態信息通過CAN通訊的方式傳輸至其他設備，在船舶上非常廣泛的應用，具有高密度、安全可靠、智能化等特點。