CN101826793B - 能源转换控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种能源转换控制器，本装置内部设置输入调整单元、输入电压判断单元、输入软开关网络、升压模块和降压模块、直流输出模块、交流输出模块，充放电控制模块，电池管理单元，蓄电池组，单片机芯片，本装置与外部的风力发电机、太阳能电池板、潮汐发电机连接。设计原理上具有先进性和实用性，诸多功能集中管理与控制于一体，且造价低廉，具有较强的实用价值。

Description

能源转换控制器

技术领域

本发明属于应用电子产品的技术领域，涉及一种能源转换控制器。

背景技术

在使用风能、太阳能等环保能源时存在电能形式的转换问题：风能、太阳能、潮汐发电机不能直接转换成为方便使用的市电和通用的直流电源，对于蓄电池中的能源的使用也存在同样的问题。如果使用电机作为负载的话，存在调速困难的问题。电能转换器的主要功能：

1、将各种形式转化来的电能进行转换、存储；2、将存储的电能以常用的几种形式输出，用户可根据场合选择低压直流、220v交流、变频交流电或直接驱动无刷电机；3、电能转换器具有优良的电池管理模块，能够最大限度的保护蓄电池。4、与风力发电机、太阳能电池、潮汐发电机等发电装置配合可以方便的将自然能源转化为电能储存。本装置最大的优点是对输入电源要求较低，电压范围很宽，并且抗波动能力强。这对于风能、太阳能、潮汐能等简易可循环能源的利用具有重要的意义。

国内相关文献中涉及能源转换控制装置研究的报道较多。例如：郁苗成，唐厚君，刘伟(上海交通大学)电工技术，2008(9)：44-45，基于LPC2210嵌入式平台的潮流电站电能变换控制系统设计与开发介绍了基于LPC2210嵌入式平台的潮流电站电能变换转换控制系统的设计，阐述了该系统的设计方案及控制重点，并给出了该系统的嵌入式软件设计方案和主要硬件组成。该系统以嵌入式控制器LPC2210为控制核心，与SA4828相结合完成了对逆变主电路的控制，利用LPC2210内部的脉冲调制器实现了蓄电池充电控制，基本完成了系统设计要求的功能，获得了稳定的交流电。

杨春帆，刘刚，张庆荣(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院).磁悬浮姿控/储能飞轮能量转换控制系统设计与实验研究，航天控制，2007，25(3)：91-96针对磁悬浮姿控/储能飞轮(ACESFW)的能量释放问题，采用直流降压斩波原理，设计了一种能量转换控制器，提出对降压斩波器输出进行软件功率因数校正的转换控制方法，将高速ACESFW存储的动能，转变为稳定直流电能输出。仿真和地面试验结果表明，所设计的能量转换器转换效率高、性能稳定、可靠性高，满足航天应用要求；而且输出直流电压稳定、系统动态响应好、负载部分输出电流稳定连续、脉动小。

宋进良，满永奎，沈辉(东北大学信息科学与工程学院).Boost电路在风力发电系统中的应用，变频器世界，2007(8)：80-84针对变速风力发电系统中直流升压技术，提出了一种基于V/F转换和PID算法的闭环自动控制方法。V/F转换电路使得模拟信号量较稳定的变成了数字信号量，并且通过V/F转换和PID控制较好的实现了boost电路在风力发电系统中的电压提升，尽管随着风速的变化输入电压时刻变动，但输出电压时刻稳定在220V左右，同时采用电感充放电原理，可以把电感释放的能量储存起来，达到很好的节能效果。

张俊，薛廷民，孙妙平(中南大学信息科学与工程学院).基于80C196KC的供电控制系统的设计[J].可编程控制器与工厂自动化(PLCFA)，2006(11)：94-96，106文献4采用一种以80C196KC单片机为核心的数字移相触发闭环供电控制系统，直接从铁路电气自动化接触网获取大功率电能，并通过对三相晶闸管组进行交流调压以及对蓄电池的持续充电控制，将高电压转换为宿营车的稳定生活电源。汤天浩(上海海运学院电气自动化系).新能源与电能变换：系统集成、技术融合及应用展望[J].电源世界，2006(7)：1-6文献5阐述了电能变换装置在新能源供电系统中的核心作用，以及电力电子变换技术与现代电源技术的融合，研究了几种电能混合供电方式，重点探讨了集成供电系统的电源变换、智能管理及安全控制等问题，并展望了新能源供电系统的应用前景。

钟小芬，吴捷，雷春林(华南理工大学电力学院雅达电源实验室).矩阵变换器在风力发电系统中的应用研究.电源技术应用，2003，6(7)：15-19介绍了应用于新型风力发电系统的矩阵变换器，详细分析了具有9个双向开关的传统矩阵变换器与改进的双桥结构矩阵变换器，以及各自的优缺点。通过分析比较得出，双桥结构矩阵变换器控制策略简单，对于不同负载，开关数目可以减少。其中，具有15个开关的双桥矩阵变换器以其经济性和控制的成熟性，适用于新型的风力发电系统。最后，文献还详细介绍了该双桥式矩阵变换器箝位电路的工作原理和参数设计。

李清华，邵志标，耿莉(西安交通大学电子与信息工程学院).高频单片DC-DC buck变换器的驱动与控制设计[C].2005中国控制与决策学术年会论文集(下)，2005报道了采用硅衬底CMOS工艺实现的单片集成DC-DC buck交换器，必须提高开关频率才能实现无源器件尤其电感器的安全集成，因此在优化芯片面积和功耗的基础上，提出了在高频时具有良好稳定性与可靠性的鲁棒控制。仿真结果表明，开关频率在80MHz时，输入电压5V，输出电压3V的完全集成单片buck变换器在负载电流200mA时，输出电压纹波可控制在5％以内，能量转换效率可达到74％。

蔡植如，徐兆斌，廖志华，张仕军.一种能量转换系统及具有旋转运动部件的设备：中国，201061156[P].2008-05-14涉及一种能量转换系统，特别涉及一种将运动能量转换为电能的能量转换系统；以及使用该系统的具有旋转运动装置的设备。一种能量转换系统，包括一旋转运动部件及其驱动部件、一电能产生装置、至少一电能存储模块、一控制模块及一电能临时储存模块；控制模块分别与驱动部件、电能产生装置、电能存储模块、电能临时储存模块电讯连接；电能产生装置和电能存储模块通过电能临时储存模块电相连；电能存储模块与所述驱动部件电相连；旋转运动与电能产生装置之间通过传动装置相连。该发明通过运动能量与电能之间的相互循环转换完成各种不同的工作；达到节约能源的目的，做到零排放、零污染。

北京航空航天大学.一种高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮能量释放控制系统：中国，1986335[P].2007-06-27，涉及一种高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮能量释放控制系统，可以为卫星、空间站等航天器在阴影区时提供电能，它主要由基于DSP的软件控制器、直流降压斩波器、三相二极管整流桥、永磁无刷直流电动机、霍尔效应转子位置传感器等组成。储能飞轮能量释放技术在航天器能源存储方面具有独特的优势，它储能密度大、寿命长(蓄电池为3～5年，集成能量与姿态控制系统为20年)、工作性能稳定、能量转换效率高达85％～95％，对于诸多航天器的有效提高电源供给能力、延长寿命、提高可靠性等性能方面具有显著意义。该发明通过三相二极管整流桥和直流降压斩波器，将高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮永磁无刷直流电动机的输出电压经过整流、降压，最终输出稳定的直流电压。

马军兴.自然能无逆变可组并直流电源：中国，马军兴.自然能无逆变可组并直流电源：中国2742655[P].2005-11-23，涉及一种电力装置，即一种适于风能、太阳能、潮汐能等不稳定自然能源的电能转换及应用的自然能无逆变可组并直流电源。

目前，该类电能转换多采用低压发电，低压存储，再经逆变升压，变成220V或380V交流电的模式。要消耗大量的材料和电能，损坏率高，不能同机组网和区域联网，限制了应用和发展。该发明在发电机后面装配了专用的充电器和120V蓄电池，直接向用电器供电，节约了材料，减少了故障，降低了成本，实现了同机组网和区域并网，为自然能源的利用提供了条件。

再生能源使用的现有技术状况：

1、一般再生能源转换装置的输出为电能；

2、各种再生能源适应的应用场合较为狭窄，不能广泛使用；

3、目前再生能源的应用系统只能适应于某一种能源，不能综合利用；

4、目前再生能源的输出形式单一，不能方便的满足用户的需求。

目前再生能源存在的缺陷：

整合性差：各部分功能彼此独立。不能够收集、存储能源。各部件分散，不便维护和管理。体积较大，不便于携带和使用。

智能化程度低：目前的再生能源利用系统人机界面简单，不方便用户使用。不能根据需要选择输出；不能根据应用场合选择输入；出现故障时不能自我诊断。技术功能分散，整机的装配、调试、维护等均增加了软成本，并降低了可靠性。

产品性价比低，不能面向大众：硬件成本较高。各电子部分分散，设计不够节约、精简。功能单一，不能灵活使用。

综上所述，国内未见运用32位单片机芯片技术、软件控制和管理技术、硬件和软件抗干扰技术以及电力控制转换等系列技术研制开发的能源转换控制器装置的文献报道。

发明内容

本发明的目的提供一种产品生产工艺可操作性好；产品应用的广泛性强；产品功能的可扩展性好；产品的性价比高；产品吸引市场的能力大的能源转换控制器。

为了达到本发明的目的提供一种能源转换控制器，其特征在于本装置内部设置输入调整单元、输入电压判断单元、输入软开关网络、升压模块和降压模块、直流输出模块、交流输出模块，充放电控制模块，电池管理单元，蓄电池组，单片机芯片，本装置与外部的风力发电机、太阳能电池板、潮汐发电机连接构成；

外部的电源输入经过输入调整单元进行稳幅、滤波后由输入电压判断单元进行比较判断，输入电压比较单元根据电压比较判断的结果控制软开关网络，将输入电压切换到升压模块或者是降压模块；输入电压通过升压或则降压变为合适的电压后供给直流输出模块、交流输出模块，充放电控制模块进行使用，可根据电源的使用情况控制电池处于充电还是放电状态；直流输出模块可以输出常用的直流电压；交流输出模块可以输出220伏市电；充放电控制模块根据输入电源情况选择对电池充电还是使电池放电，电池管理单元可以检测记录电池的使用情况，用以对电池组进行评估，通过电阻分流、分压进行电流、电压采样，再由单片机进行记录；单片机芯片，负责控制各部分模块的运行；另有一个重要功能是产生交流逆变输出的控制信号。

所述的能源转换控制器，其特征在于所述的单片机芯片是：32位单片机芯片负责控制各部分模块的运行，另有一个重要功能是产生交流逆变输出的控制信号。

所述的能源转换控制器，其特征在于所述的输入调整单元是：由整流桥电容组成，稳定输入电压，过滤杂波。对于交流输入可以整流成直流，对于直流输入可起到校正极性的作用。

所述的能源转换控制器，其特征在于所述的输入电压判断单元是：由基准电压电路和比较器组成，能够判断出输入电压是高于给定值还是低于给定值，给定值与电池组电压有关。

所述的能源转换控制器，其特征在于所述的输入软开关网络是：输入软开关网络由IGBT和驱动保护电路构成。

所述的能源转换控制器，其特征在于所述的电池管理单元是：电流采样电阻、分压电阻、8位单片机芯片组成，充电放电时能够判断出剩余电量的多少，通过电阻分流、分压进行电流、电压采样，再由单片机进行记录。

本发明的能源转换控制器运用32位单片机芯片技术、软件控制和管理技术、硬件和软件抗干扰技术以及电力控制转换等系列技术研制开发的一种能源转换控制器装置，该装置的具有以下功能：(1)输入自动检测功能，自动根据输入电能的特性选择工作模式；(2)输出选择功能，根据用户的选择，输出需要的功率驱动模式；(3)蓄电池管理功能，可记录电池的使用情况，并针对使用情况进行相应的控制，以尽可能的延长电池的使用寿命；(4)过流、过压保护功能；(5)变频交流输出功能；(6)与相应的蓄电池匹配，直接驱动直流无刷电机，作为各种电动车的动力使用。具备如下的特点：

1、设计原理上具有先进性和实用性：诸多功能集中管理与控制；思路明晰、简单明了、实效快捷。

2、结构设计符合产品的人性化要求：独立性强、可视性好；操作简单、使用方便。

3、本发明的产品便于商品化转换：产品生产工艺可操作性好；产品应用的广泛性强；产品功能的可扩展性好；产品的性价比高；产品吸引市场的能力大。

附图说明

图1是本发明的能源转换控制器结构框图。

图2是本发明的能源转换控制器输入调整单元电路图。

图3是本发明的能源转换控制器输入软开关网络和输入电压判断单元电路图。

图4是本发明的能源转换控制器软开关网络电路图。

具体实施方式

风力发电机、太阳电池、潮汐发电机都是可以方便的把自然能源转化为电能的器件，但是由于风能、太阳能、潮汐能都不能像水力那样可以得到稳定的输入，其发出的电能的稳定程度与风速、日照强度、潮汐潮差关系很大，而风速、日照强度、潮汐潮差小易人为控制，该装置内部使用输入调整单元、输入电压判断单元、输入软开关网络、升压模块和降压模块来实现将不稳定的电能输入变为稳定的直流电。经过稳定的直流电能可存储在蓄电池组中，也可以经过变换电路直接输出为所需要的直流电或交流电。图1是本发明的能源转换控制器结构框图。图2是本发明的能源转换控制器输入调整单元电路图。图3是本发明的能源转换控制器输入软开关网络和输入电压判断单元电路图。图4是本发明的能源转换控制器软开关网络电路图。以下结合附图详细说明本发明的解决方案：

1)技术上创新及先进性

①选用世界上先进的32位单片机芯片技术。

②使用世界上先进的软件控制和管理技术。

③完善有效的硬件和软件抗干扰技术。

④采用世界上先进的电力控制转换技术。

2)功能控制的集散性

①本发明具有输入自动检测功能，自动根据输入电能的特性选择工作模式。

②本发明具有输出选择功能，根据用户的选择，输出需要的功率驱动模式。

③本发明具有蓄电池管理功能，可记录电池的使用情况，并针对使用情况进行相应的控制，以尽可能的延长电池的使用寿命。

④本发明具有过流、过压保护功能。

⑤本发明具有变频交流输出功能。

⑥本发明与相应的蓄电池匹配，直接驱动直流无刷电机。作为各种电动车的动力使用。

总之，本产品可以满足目前小功率(1000w以下)的不同能源的转换、存储和驱动输出的功能。在某些场合下可简化为在线式后备电源和简单变频器来使用。

3)系统设计的可靠性

①技术基理的可靠性--设计原理方面

a.选用先进的、成熟的、高可靠的芯片技术；

b.系统构成的各部件、各环节均无不可靠因素。

c.采用世界上先进的变频控制、电力转换控制技术。

②结构原理设计的可靠性

a.控制电路的输入、输出采用隔离技术，保证强电、弱电之间的信号隔离及干扰的串入。

b.采用大功率IGBT和专用的驱动电路：保证输出的带载能力；保证输出控制逻辑的可靠。

c.采用数字控制的输入转换电路：保证将输入电能转换为稳定的中间电源；能够根据输入判断，选择不同的工作模式。

③外观结构设计的可靠性

a.独立的外观结构，系统的功能与控制器一体；

b.精练、精简的、合理的器件布局；

c.明确、清晰的人性化结构；

d.简捷、明快的设计理念；

e.输入信号、输出信号、电源信号彼此分开

④选用部件的可靠性

a.选用的部件均无易损器件；

b.选用的部件均为易采购器件；

c.选用的部件均为技术成熟的器件

4)系统配套的低价位

①技术原理设计的低价位

a.集多种功能于一体，有效地降低技术成本；

b.各种功能部件有机结合有效地降低技术成本

②确定本发明的市场配套价格与生产成本的性价比为最低

a.选用器件最少；

b.选用器件最优；

c.结构设计最合理；

d.生产工艺成本最低。

③确定本发明的产品商品化与其行业配套中的价格新概念

a.性能最先进；

b.结构最合理；

c.价格最低廉；

d.市场最需求；

e.用户最欢迎。

本发明的能源转换控制器系统工作原理：风力发电机、太阳能电池、潮汐发电机都是可以方便的把自然能源转化为电能的器件，但是由于风能、太阳能、潮汐能都不能像水利那样可以得到稳定的输入，其发出的电能的稳定程度与风速、日照强度、潮汐潮差关系很大，而风速、日照强度、潮汐潮差不易人为控制，本装置内部使用输入调整单元、输入电压判断单元、输入软开关网络、升压模块和降压模块来实现将不稳定的电能输入变为稳定的直流电。经过稳定的直流电能可存储在蓄电池组中也可以经过变换电路直接输出为所需要的直流电或交流电。

本发明的能源转换控制器，本装置内部设置输入调整单元、输入电压判断单元、输入软开关网络、升压模块和降压模块、直流输出模块、交流输出模块、充放电控制模块、电池管理单元、蓄电池组、单片机芯片、本装置与外部的风力发电机、太阳能电池板、潮汐发电机连接构成；

外部的电源输入经过输入调整单元进行稳幅、滤波后由输入电压判断单元进行比较判断，输入电压比较单元根据电压比较判断的结果控制软开关网络，将输入电压切换到升压模块或者是降压模块；输入电压通过升压或则降压变为合适的电压后供给直流输出模块、交流输出模块，充放电控制模块进行使用，可根据电源的使用情况控制电池处于充电还是放电状态；直流输出模块可以输出常用的直流电压；交流输出模块可以输出220伏市电；充放电控制模块根据输入电源情况选择对电池充电还是使电池放电；电池管理单元可以检测记录电池的使用情况，用以对电池组进行评估，通过电阻分流、分压进行电流、电压采样，再由单片机进行记录；单片机芯片，负责控制各部分模块的运行；另有一个重要功能是产生交流逆变输出的控制信号。

系统功能单元

1)输入调整单元：由整流桥电容组成，稳定输入电压，过滤杂波。对于交流输入可以整流成直流，对于直流输入可起到校正极性的作用，输入调整单元主要负责将交流输入转换为直流输入，对于直流输入，能够自动将其输入极性转换为正确的。整流桥后面接一高耐压大电容，以实现简单的稳压和滤波。

2)输入软开关网络和输入电压判断单元：输入软开关网络是：输入软开关网络由IGBT和驱动保护电路构成；输入电压判断单元是由基准电压电路和比较器组成，该单元能接受输入电压比较器的控制，根据输入电压的大小选择需要将输入电压升高还是降低。该网络的逻辑拓扑如下，其中开关逻辑使用IGBT元件来实现；电压基准使用稳压二极管来产生。输入电压为经过整流滤波的不稳定的直流电。

3)升压模块和降压模块：电路使用成熟的TOP系列集成PWM电源芯片，能够在输入电压大范围变化时完成升压和降压功能。

4)充放电控制模块：通过比较输入电源电压与蓄电池电源电压来控制一开关网络，来实现对电能流转的控制，即蓄电池充放电的控制。

5)电池管理保护单元：电流采样电阻、分压电阻、8位单片机芯片组成，充电放电时能够判断出剩余电量的多少，通过电阻分流、分压进行电流、电压采样，再由单片机进行记录。单独使用一片单片机来对蓄电池的充放电情况进行监控，并对电池使用的历史情况进行记录，根据这些记录信息可以判断出电池的寿命和是否有过对电池损伤的违规操作。

6)直流输出模块：单独使用一片单片机来根据用户的设置输出合适的直流电，当用户需要高于内部直流电的电压时，单片机自动驱动升压电路工作并输出，当用户需要低于内部直流电的电压时，单片机选择驱动斩波降压电路进行输出。用户可调整的输出电压精度可达0.1v。可调整至于笔记本电脑的电源适配器输出相匹配，可直接驱动笔记本工作。

7)交流输出模块：使用SPWM技术将低压直流电转换为交流输出。

8)为了提高整个系统的灵活性，本设计中多处用到了软开关网络，该电路主要部分如下：以上各部分模块由一片32位单片机作为主处理器协调运行。SPWM由主处理器直接输出。液晶屏和按钮人机界面也由主处理器处理。

本发明的动作原理及如何达到预期的效果和目的：输入电能可调整

①通过整流和变换将输入的电能变为直流电，然后根据其电压的高低选择升压变换还是降压变换。

②通过软开关网络，可以快速的切换升压和降压变换，对于大幅度变化的电力输入，如风力发电具有良好的效果。

2)输出变换

①可调整的直流电压电流输出。直流输出电压可调整需要的任意值，并针对USB设备专门提供驱动输出，可直接给USB手机充电，通过转换器也可以给其他类型的移动设备直接充电，免去相应的电源适配器。

②可提供220V/110V交流电源。方便一些需要交流电源的小功率设备，如音响、电视、洗衣机等家电或是气泵、冲击钻等电动工具。

3)后备使用或应急使用：在有稳定电能输入时，可以自动工作在后备模式，可长时间供给电源；没有输入时，转为应急模式，依靠蓄电池组提供电源输出，应急供电的时间长短根据电池组的情况而定。在最小配置情况下可以将整个系统装入背包。

4)友好的人机界面：

①使用轻触按键，美观大方。结实耐用。

②高清晰度的液晶显示屏，信息丰富，直观。通过键盘和显示屏，可以丰富自定义功能，不同的用户可以方便的通过设置来满足自己的需求。

Claims (1)

1.能源转换控制器，其特征在于本装置内部设置由整流桥电容组成的输入调整单元、由基准电压电路和比较器组成的输入电压判断单元、由IGBT和驱动保护电路构成的输入软开关网络、升压模块和降压模块、直流输出模块、交流输出模块，充放电控制模块，电池管理单元，蓄电池组，单片机芯片，本装置与外部的风力发电机、太阳能电池板、潮汐发电机连接构成；所述的电池管理单元由电流采样电阻、分压电阻、8位单片机芯片组成；

外部的电源输入经过输入调整单元进行稳幅、滤波后由输入电压判断单元进行比较判断，输入电压比较单元根据电压比较判断的结果控制软开关网络，将输入电压切换到升压模块或者是降压模块；输入电压通过升压或降压变为合适的电压后供给直流输出模块、交流输出模块，充放电控制模块进行使用，可根据电源的使用情况控制电池处于充电还是放电状态；直流输出模块可以输出常用的直流电压；交流输出模块可以输出220伏市电；充放电控制模块根据输入电源情况选择对电池充电还是使电池放电；电池管理单元可以检测记录电池的使用情况，用以对电池组进行评估，通过电阻分流、分压进行电流、电压采样，再由单片机进行记录；32位的单片机芯片，负责控制各部分模块的运行；另有一个重要功能是产生交流逆变输出的控制信号。

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