CN101604853B - 蓄电池充放电装置 - Google Patents

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Abstract

一种蓄电池充放电装置，包括蓄电池充放电组件和全数字控制器，其特征在于：蓄电池充放电组件由交流-直流电压型PWM可控整流部分、直流环节滤波部分和直流-直流双向斩波部分级联后组成；交流-直流电压型PWM可控整流部分由交流进线电感和全控整流桥串联组成，其中交流进线电感由变压器输出漏感和交流电感串联而成，全控整流桥的桥臂由功率开关器件串联而成；直流环节滤波部分为直流电容和高频吸收电容并联而成；直流-直流双向斩波部分由功率开关器件和直流输出电感串联而成。它具有充电时网侧功率因数接近为1、输入电流谐波含量低、输出电压范围宽、输出电流精度高等优点，同时实现了掉电时安全停机。

Description

蓄电池充放电装置
技术领域
本发明涉及一种蓄电池充放电装置，属于电力电子设备领域。
背景技术
蓄电池作为一种性能可靠的化学电源，在电力系统、交通运输、便携式电子产品等工业领域得到了广泛应用。尤其在国防、电信及金融等部门，蓄电池作为系统的后备电源，是这些系统中的关键部件之一。随着经济的发展，近几年蓄电池的使用量逐年增加，这对蓄电池生产厂的产能提出了更高要求。蓄电池的充放电装置是其生产、测试的关键设备，其功能主要是将供电的工频交流电压转换为可调的直流电压，并在控制下完成蓄电池的充放电。蓄电池厂一般会配备几百台到上千台充放电装置完成相应工序。目前，已有的蓄电池充放电装置，按照功能模式可分为两类：一类是由同一组电路实现充电和放电，另一类是由不同电路分别实现充电和放电，前者采用的技术为晶闸管相控整流，后者一般采用直流斩波的原理。
已有的晶闸管相控整流装置由晶闸管整流桥构成，通过改变晶闸管的导通角来调节输出直流电压。这种方法技术成熟、控制简单，但其缺点是输入功率因数很低，网侧谐波大，对电网的影响大，因此一般还须另外配备体积庞大的功率因数补偿装置。
已有的直流斩波装置一般由二极管整流桥加直流斩波单元组成，整流后交流电压变成固定的直流电压，然后由直流斩波单元来调节输出直流电压给蓄电池充电，蓄电池放电时通过另外的放电电阻来完成。这种方法在输入功率因数指标方面要优于晶闸管相控整流形式，控制简单、且不存在放电时电网突然跌落引起的逆变失败的问题，但放电时需要体积较大的放电电阻，没有充分利用能量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种蓄电池充放电装置，它不仅在充电时功率因数高，而且在放电时能量几乎全部回馈。
为解决上述技术问题，本发明的一种蓄电池充放电装置，包括蓄电池充放电组件和全数字控制器，其中蓄电池充放电组件由交流-直流电压型PWM可控整流部分、直流环节滤波部分和直流-直流双向斩波部分组成；交流-直流电压型PWM可控整流部分由交流进线电感和全控整流桥串联组成，其中交流进线电感由变压器输出漏感和交流电感串联而成，全控整流桥的桥臂由功率开关器件串联而成；直流环节滤波部分为直流电容和高频吸收电容并联而成；直流-直流双向斩波部分由功率开关器件和直流输出电感串联而成。
具有附加技术特征的进一步技术方案是：
所述的蓄电池充放电装置，其交流-直流电压型PWM可控整流部分由三相交流进线电感和三相全控整流桥串联组成，三相全控整流桥由功率开关及其相应的反并联二极管组成。
所述的蓄电池充放电装置，其交流-直流电压型PWM可控整流部分由单相交流进线电感和单相全控整流桥组成，单相全控整流桥由功率开关及其相应的反并联二极管组成。
所述的蓄电池充放电装置，其直流-直流双向斩波部分由单组功率开关器件及其相应的反向二极管和直流输出电感串联而成。
所述的蓄电池充放电装置，其直流-直流双向斩波部分由两组并联的功率开关器件及其相应的反向二极管和两组并联的直流输出电感串联而成。
所述的蓄电池充放电装置，其全数字控制器包括电压电流检测环节、数字信号微处理器、脉宽调制信号的驱动和保护电路及人机接口和通信单元。
所述的蓄电池充放电装置，其电压电流检测环节，包括交流侧进线电压检测部分、交流侧电流检测部分、直流环节电压检测部分及输出直流侧电流检测部分四个部分；用于实现交流进线线电压检测、交流进线电流检测、直流母线电压检测、输出直流电流检测和输出直流电压检测。
所述的蓄电池充放电装置，其数字信号微处理器，包括模拟信号输入接口、脉宽调制输出口和作为辅助控制的I/O口。
所述的蓄电池充放电装置，其模拟信号输入接口，是用于实现模拟输入为从电压电流检测环节得到的检测电压、电流信号，经过模拟输入接口电路进行变换，然后输入到数字信号微处理器的模数转换接口。
所述的蓄电池充放电装置，其脉宽调制输出口有6～10路，作为辅助控制的I/O口有2条，用于实现输出6～10路脉宽调制脉冲信号和作为辅助控制的2路I/O信号
所述的蓄电池充放电装置，其脉宽调制信号的驱动和保护电路，它是6～10路脉宽调制功率驱动信号连接到所述蓄电池充放电组件桥臂对应的功率开关器件，用于实现输入为所述脉宽调制输出口的6～10路脉宽调制脉冲信号，输出为6～10路脉宽调制功率驱动信号及保护信号。
所述的蓄电池充放电装置，其人机接口和通信单元，其接口与CAN通信接口或485通信接口连接，用于完成液晶屏的显示及与PC机的通信，实现远程操作和监控功能。
本发明具有的有益效果在于：
1、兼有充电及放电的功能。与传统晶闸管相控整流方式相比，省去模式切换单元，且充电与放电工况可快速切换；
2、充电时网侧功率因数高，可以达到0.99，网侧电流谐波小。而晶闸管相控整流方式的充放电装置的功率因数多为0.4～0.6之间，因此需要额外的功率因数补偿装置，本发明与之相比可省去外部的功率因数补偿装置；在蓄电池放电时，回馈到交流电源侧的效率大于95％。
3、由于采用高频斩波的方法，输出电压范围宽，输出电流动态精度高，响应速度快。
4、当蓄电池通过本发明装置放电作业时，如果电网突然掉电，可实现安全停机，避免了晶闸管相控整流装置逆变失败后损坏晶闸管的缺点。
5、对于不同安时数容量的蓄电池组、单相及三相供电电源都通用；输出电流容量可以实现模块化组合，通用性强。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1本发明的蓄电池充放电装置图
图2电源为三相时本发明的交流-直流电压电压型PWM可控整流部分示意图。
图3电源为单相时本发明的交流-直流电压电压型PWM可控整流部分示意图。
图4单组功率开关器件和直流输出电感组成的双向斩波部分示意图。
图5两组功率开关器件和两组直流输出电感并联组成的多重双向斩波部分示意图。
图6 350V、30A蓄电池充放电组件的电路原理图。
图7 350V、30A全数字控制器电路逻辑示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明的一种蓄电池充放电装置，它有蓄电池充放电组件和全数字控制器；其蓄电池充放电组件由交流-直流电压型PWM可控整流部分1、直流环节滤波部分2和直流-直流双向斩波部分3组成；交流-直流电压型PWM可控整流部分1由交流进线电感和全控整流桥串联组成，其中交流进线电感由变压器输出漏感和交流电感串联而成，当变压器输出漏感满足系统需求时，以变压器漏感作为交流进线电感；当变压器输出漏感不足以满足系统要求时，在变压器输出端串联适当的交流电感作为交流进线电感；全控整流桥的桥臂由功率开关器件串联而成，全控整流桥，根据交流电网情况可分为三相可控整流桥和单相可控整流桥；当交流电网为三相电网时包括三相三线和三相四线，功率开关S1～S6及其相应的反并联二极管构成了三相可控整流桥，如图2所示。Ua1、Ub1、Uc1为三相交流输入，g1～g6作为相应功率开关的驱动触发信号，Up、Un为直流母线电压输出端子。当交流电网为单相电网时，功率开关S1～S4及其相应的反并联二极管构成了单相可控整流桥，如图3所示。Ua1、Ub1为单相交流输入，g1～g4作为相应功率开关的驱动触发信号，Up、Un为直流母线电压输出端子。直流环节滤波部分2为直流电容和高频吸收电容并联而成；直流-直流双向斩波部分3由功率开关器件和直流输出电感串联而成。图4和图5所示为本发明蓄电池充放电装置的直流-直流双向斩波单元，根据负载情况可分为单组功率开关器件和直流输出电感组成的双向斩波单元和由两组功率开关器件和两组直流输出电感并联组成的多重双向斩波单元，分别如图4和图5所示。当直流-直流双向斩波单元为单组功率开关器件和直流输出电感组成的双向斩波单元时，S7、S8及其相应的反向二极管与直流输出电感Lo组成双向斩波单元，g7～g8作为相应功率开关的驱动触发信号，u+和u-为电压输出端子。当直流-直流双向斩波单元为由两组功率开关器件和两组直流输出电感并联组成的多重双向斩波单元时，S7～S10及其相应的反向二极管与直流输出电感Lo1、Lo2组成多重双向斩波单元g7～g10作为相应功率开关的驱动触发信号，u+和u-为电压输出端子。
本实施例中：所述的交流-直流电压型PWM可控整流部分1由三相交流进线电感(La、Lb、Lc)和三相全控整流桥串联组成，三相全控整流桥由功率开关S1～S6及其相应的反并联二极管组成。交流-直流电压型PWM可控整流部分1由单相交流进线电感(La、Lb)和单相全控整流桥组成，单相全控整流桥由功率开关S1～S4及其相应的反并联二极管组成。所述直流-直流双向斩波部分3由单组功率开关器件S7、S8及其相应的反向二极管和直流输出电感Lo串联而成。所述直流-直流双向斩波部分3由两组并联的功率开关器件S7～S10及其相应的反向二极管和两组并联的直流输出电感Lo1、Lo2串联而成。
还有：所述全数字控制器有电压电流检测环节、数字信号微处理器、脉宽调制信号的驱动和保护电路及人机接口和通信单元。所述电压电流检测环节有交流侧进线电压检测部分、交流侧电流检测部分、直流环节电压检测部分及输出直流侧电流检测部分四个部分；用于实现交流进线线电压检测、交流进线电流检测、直流母线电压检测、输出直流电流检测和输出直流电压检测。所述数字信号微处理器，有模拟信号输入接口、脉宽调制输出口和作为辅助控制的I/O口；所述模拟信号输入接口，是用于实现模拟输入为从电压电流检测环节得到的检测电压信号、电流信号，经过模拟输入接口电路进行变换，然后输入到数字信号微处理器的模数转换接口。所述脉宽调制输出口有6～10路，作为辅助控制的I/O口有2条，用于实现输出6～10路脉宽调制脉冲信号和2路辅助控制的I/O信号，本实施例脉宽调制输出口有8路，还可以是6路或10路属另外的实施例。所述脉宽调制信号的驱动和保护电路，它是6～10路脉宽调制功率驱动信号、本实施例为8路，连接到所述蓄电池充放电组件桥臂对应的功率开关器件；用于实现输入为所述脉宽调制输出口的6～10路、本实施例为8路脉宽调制脉冲信号及辅助控制的2条I/O，输出为6～10路本实施例为8路脉宽调制功率驱动信号，所述人机接口和通信单元，其接口与CAN通信接口或485通信接口连接，用于完成液晶屏的显示及与PC机的通信，实现远程操作和监控功能。
对本发明的技术方案、结构原理及效果作进一步的说明如下：
PWM可控整流桥和直流-直流双向斩波单元，根据输出电压等级不同采用相应等级的功率半导体开关器件，如IGBT，IPM，IGCT等。根据交流回路的调节及PWM可控整流桥和直流-直流双向斩波单元的多种组合情况，实现0～350V、0～200A不同电压、电流等级的蓄电池充放电装置。
电压电流检测环节，由交流侧进线电压检测部分、交流侧电流检测部分、直流环节电压检测部分及输出直流侧电流检测部分四个部分组成。交流侧进线电压检测部分，由交流电压传感器或电压差分电路输入端并接在交流侧进线检测交流电压；交流侧进线电流检测部分，是由交流电流传感器或分流器串接在交流侧，检测交流电流；直流环节电压检测部分，由电压传感器或电压差分电路输入端并接在直流环节，检测直流电压；输出直流侧电流检测部分，由电流传感器或分流器串接在输出端，检测输出直流电流。
图6为一个350V、30A蓄电池充放电装置主电路的原理图：隔离变压器原边X、Y、Z同时对应的三相交流输出为U、V、W，原边输入380V，副边输出线电压有效值为200V，副边输出串联一个三相交流电感构成输入电感，PWM可控整流功率开关管桥路采用三相可控整流桥形式见图1，中间直流滤波单元由直流滤波电容及高频吸收电容并联而成，直流-直流双向斩波单元由单组功率开关器件和直流输出电感组成见图4，S1～S6为600V耐压的IPM模块，S7、S8为另一个耐压600V的IPM模块的一个桥路，4路差分电路分别检测输入线电压Uab、Ubc、直流母线电压Udc、输出电压Uout，电流传感器分别检测输入的A相电流ia、C相电流ic、输出电流Io，由PWM驱动单元发出的触发信号g1～g6分别触发开关管S1～S6，实现三相输入功率因数接近1，母线电压恒定在350V，由PWM驱动单元发出的触发信号g7～g8分别触发开关管S7～S8，实现直流双向斩波，输出直流电压0～350V、电流-30A～30A精确可调。
全数字控制器包括电压电流检测环节、数字信号微处理器、脉宽调制信号的驱动和保护电路及人机接口和通信单元，以高性能数字信号微处理器Digital Signal Processor为核心，其16路PWM输出口根据电路形式选取6～10路PWM信号，经驱动电路驱动6～10个功率半导体开关。电压检测环节由电压传感器或电压差分电路构成，用于检测进线交流电压、母线电压和输出电压；电流检测环节由分流器或电流传感器构成，用于检测交流进线电流和输出电流；电压检测环节和电流检测环节构成系统的电压电流检测环节。模拟输入接口电路完成信号调理和隔离的功能，将电压电流检测环节检测到的电压、电流信号进行变换后输入到DSP的模数转换口。软件实时计算出上述所有的电压、电流信号与设定值的偏差，预测并发出实时的PWM控制脉冲，以此动态控制母线电压及输出电压、电流，实现蓄电池充放电机的稳定充、放电功能。人机接口和通信单元通过CAN通信接口或485通信接口完成液晶屏显示以及与PC机的通信和监控功能；开关量输入输出单元完成系统运行状态的监控和系统故障保护功能；其它外围控制功能，视具体实现要求而定。
图7为全数字控制器电路逻辑原理图。全数字控制器以高性能数字信号微处理器Digital Signal ProcessorTMS320LF2407A为核心，其8路PWM输出口经驱动电路生成8路驱动信号，触发8个功率开关管，PWM整流单元和直流双向斩波单元各输出一路I/O信号给DSP控制器，作为硬件过流、过压、过温保护信号，DSP的两路输出I/O信号控制控制设备的启动和停止，4路电压检测信号和3路电流检测信号调理后，经模数转换进入DSP，DSP通过对采样值与设定值的比较，实现对输出电压、电流实时控制，并实现设备的运行和故障保护功能，控制器留有CAN通信接口完成液晶屏显示以及与PC机的通信和监控功能，DSP控制器通过CAN通信接口接收PC机发出的运行、暂停、停止等信号，实现远程控制功能，同时将实时的工作状态通过CAN通信的形式在液晶屏上显示，并将数据发送至PC机，实现远程监控、记录功能。

Claims (11)

1.一种蓄电池充放电装置，包括蓄电池充放电组件和全数字控制器，其特征在于：蓄电池充放电组件由交流-直流电压型PWM可控整流部分(1)、直流环节滤波部分(2)和直流-直流双向斩波部分(3)组成；交流-直流电压型PWM可控整流部分(1)由交流进线电感和全控整流桥串联组成，其中交流进线电感由变压器输出漏感和交流电感串联而成，全控整流桥的桥臂由功率开关器件串联而成；直流环节滤波部分(2)为直流电容和高频吸收电容并联而成；直流-直流双向斩波部分(3)由功率开关器件和直流输出电感串联而成；所述全数字控制器包括电压电流检测环节、数字信号微处理器、脉宽调制信号的驱动和保护电路及人机接口和通信单元。
2.如权利要求1所述的蓄电池充放电装置，其特征在于：所述的交流-直流电压型PWM可控整流部分(1)由三相交流进线电感(La、Lb、Lc)和三相全控整流桥串联组成，三相全控整流桥由功率开关(S1～S6)及其相应的反并联二极管组成。
3.如权利要求1所述的蓄电池充放电装置，其特征在于：所述的交流-直流电压型PWM可控整流部分(1)由单相交流进线电感(La、Lb)和单相全控整流桥组成，单相全控整流桥由功率开关(S1～S4)及其相应的反并联二极管组成。
4.如权利要求1所述的蓄电池充放电装置，其特征在于：所述直流-直流双向斩波部分(3)由单组功率开关器件(S7、S8)及其相应的反向二极管和直流输出电感(Lo)串联而成。
5.如权利要求1所述的蓄电池充放电装置，其特征在于：所述直流-直流双向斩波部分(3)由两组并联的功率开关器件(S7～S10)及其相应的反向二极管和两组并联的直流输出电感(Lo1、Lo2)串联而成。
6.如权利要求1所述的蓄电池充放电装置，其特征在于：所述电压电流检测环节包括交流侧进线电压检测部分、交流侧电流检测部分、直流环节电压检测部分及输出直流侧电流检测部分四个部分；用于实现交流进线线电压检测、交流进线电流检测、直流母线电压检测、输出直流电流检测和输出直流电压检测。
7.如权利要求1所述的蓄电池充放电装置，其特征在于：所述数字信号微处理器，包括模拟信号输入接口、脉宽调制输出口和作为辅助控制的I/O口。
8.如权利要求7所述的蓄电池充放电装置，其特征在于：所述模拟信号输入接口，是用于实现模拟输入为从电压电流检测环节得到的检测电压、电流信号，经过模拟输入接口电路进行变换，然后输入到数字信号微处理器的模数转换接口。
9.如权利要求7所述的蓄电池充放电装置，其特征在于：所述脉宽调制输出口有6～10路，作为辅助控制的I/O口有2条，用于实现输出6～10路脉宽调制脉冲信号和2路辅助控制的I/O信号。
10.如权利要求1所述的蓄电池充放电装置，其特征在于：所述脉宽调制信号的驱动和保护电路，它是6～10路脉宽调制功率驱动信号连接到所述蓄电池充放电组件桥臂对应的功率开关器件；用于实现输入为脉宽调制输出口的6～10路脉宽调制脉冲信号，输出为6～10路脉宽调制功率驱动信号及保护信号。
11.如权利要求1所述的蓄电池充放电装置，其特征在于：所述人机接口和通信单元，其接口与CAN通信接口或485通信接口连接，用于完成液晶屏的显示及与PC机的通信，实现远程操作和监控功能。
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