CN101882806A - 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，用于蓄电池充放电的生产、测试。含有蓄电池充放电组件及全数字控制器。主电路由不控整流单元、直流滤波单元与直流-直流双向斩波单元串联组成。不控整流单元由二极管整流桥构成，直流滤波单元由直流滤波电容和高频吸收电容并联组成，双相斩波单元由功率开关器件和直流输出电感组成。全数字控制器以高性能数字信号微处理器为核心生成脉宽调制信号控制信号，对直流输出电压、电流进行动态控制。本发明避免了充放电装置在功率因数和能量利用方面的缺陷，可高效利用电能，实现模块化组合、充放电能量双向流动的功能和安全掉电停机功能，通用性强，网侧功率因数高、输出电压范围宽、输出电流动态精度高、响应速度快。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术领域内的一种蓄电池充放电电源，特指一种以不控整流单元与直流-直流斩波-升压双向变换单元相串联的结构，其输出电压及电流采用动态控制、电源与负载具有能量双向流动的蓄电池充放电装置。
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。尤其是在国防、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。其中，蓄电池的充放电装置是其生产、测试的关键设备，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，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。目前，已有的蓄电池充放电装置按照功能模式可分为由同一组电路实现充电和放电以及充电、放电由不同电路分别实现两类，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。
公知的晶闸管相控整流装置由晶闸管整流桥构成，如图1所示，为晶闸管相控整流蓄电池充放电装置示意图。其中1为电压匹配变压器，2为三相晶闸管整流桥，3为充电和放电模式切换单元，4为待充电的蓄电池组。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，目前这类技术占市场主流。显然，这一技术路线已经不能满足今后的发展要求。
公知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，如图2所示，为蓄电池斩波充电加电阻放电装置示意图。其中1为二极管整流桥，2为直流斩波单元，3为待充电的蓄电池组，4为放电电阻。其中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，蓄电池放电时能量由电阻消耗，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，且没有充分利用能量。
因此，现有的技术路线已经不能满足发展要求，需要积极寻求新的解决方案。
发明内容
为了克服现有的蓄电池充放电装置在功率因数和能量利用方面的不足，本发明的发明目的在于提供一种蓄电池充放电装置，以实现不仅能提高电源侧功率因数，而且能充分利用电网能量的目的。
本发明含有蓄电池充放电组件及全数字控制器。
蓄电池充放电组件由不控整流单元、直流环节滤波单元与直流-直流双向斩波单元分级串联组成。交流电压由不控整流单元变换为直流电压，充电时通过斩波电路对蓄电池充电，放电时将蓄电池电能通过升压电路回馈到中间直流电容储存，在下个充电时间段释放给蓄电池。不控整流单元由二极管整流桥组成；
直流环节滤波单元由直流电容和高频吸收电容并联组成；直流-直流双向斩波单元由功率开关器件和直流输出电感串联而组成。
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、。所述电压电流检测环节、由直流环节电压检测部分及输出直流侧电流检测部分组成，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；所述数字信号微处理器、，其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，数字信号微处理器、包括2路脉宽调制输出口和作为辅助控制的2条I/O口；所述脉宽调制信号的驱动和保护电路(8)，输入为所述脉宽调制输出口的2路脉宽调制脉冲信号及辅助控制的2条I/O，将主回路中的I/O信号，经过输入I/O电路送入数字信号处理器的I/O接口，负责接收设备的故障信号，实现故障保护功能；输出为2路脉宽调制功率驱动信号，控制设备的接触器开关，实现设备的运行、停止控制功能；所述2路脉宽调制功率驱动信号连接到所述蓄电池充放电组件中直流-直流双向斩波部分对应的功率开关器件；所述人机接口和通信单元、，通过CAN通信接口或485通信接口，接收PC机发出的运行、暂停、停止等信号，完成液晶屏的显示及与PC机的通信，实现远程操作、记录和监控功能。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、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；
2、与传统晶闸管相控整流方式相比，省去放电切换单元；
3、放电时由直流滤波环节的电容存储能量，充电时再释放到负载中去，与传统不控整流加直流斩波的充放电机相比，省去了放电电阻，电能利用率高；
4、网侧功率因数高，通过调整不控整流方案，功率因数可达到0.8-0.95，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，本方案与之相比可省去外部的功率因数补偿装置；
5、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；
6、本方案在工作原理上可实现任意时刻掉电安全停机，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。
附图说明
图1为现有技术中晶闸管相控整流蓄电池充放电装置示意图；
图2为现有技术中蓄电池斩波充电加电阻放电装置示意图；
图3本发明的主回路示意图；
图4为本发明电路逻辑原理框图。
具体实施方式
如图3所示，其中1为不控整流单元，2为直流环节滤波单元，3为直流-直流双向斩波单元，构成蓄电池充放电组件。不控整流单元1、直流环节滤波单元2与直流-直流双向斩波单元3串联，其中二极管D7、D8为功率开关管S1、S2的反并联二极管，输入端为交流电压源，输出端接蓄电池负载，检测单元分别检测直流母线电压、输出电压和输出电流。
蓄电池充放电装置处于充电状态时，开关管S1、二极管D8和电感L构成BUCK(斩波)电路，为负载提供可调的直流输出电流。
蓄电池充放电装置处于放电状态时，开关管S2、二极管D7和电感L构成BOOST(升压)电路，将蓄电池电能回馈至直流电容，这部分能量在下次充电过程中释放至负载，实现能量的充分利用。
根据输出电压、电流等级不同，不控整流单元1可采用相应等级的二极管，直流-直流双向斩波单元2可采用相应等级的功率半导体开关器件，如IGBT(绝缘栅极双极性晶体管)，IPM(智能功率模块)等，可实现不同电压、电流等级的蓄电池充放电装置。
如图4所示，本发明由蓄电池充放电组件4、全数字控制器5组成，其中，全数字控制器5由数字信号微处理器7、脉宽调制信号的驱动和保护电路8及人机接口和通信单元9组成。以高性能数字信号微处理器(DSP)7如TI公司的TMS320LF2407A(一种高性能数字信号处理器)为核心，在其16路PWM(脉宽调制信号)输出口中选取2路PWM(脉宽调制信号)信号，经脉宽调制信号的驱动8的驱动电路驱动直流-直流双向斩波单元的2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6。脉宽调制信号的驱动8的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(数字信号处理器)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(脉宽调制信号)控制脉冲，以此来动态控制母线电压及输出电压、电流。人机接口和通信单元9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；全数字控制器5的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。
Claims (5)
1.一种蓄电池充放电装置，其特征在于：含有蓄电池充放电组件(4)及全数字控制器(5)，蓄电池充放电组件(4)由不控整流单元(1)、直流环节滤波单元(2)与直流-直流双向斩波单元(3)分级串联组成。交流电压由不控整流单元(1)变换为直流电压，充电时通过斩波电路对蓄电池充电，放电时将蓄电池电能通过升压电路回馈到中间直流电容储存，在下个充电时间段释放给蓄电池。
2.根据权利要求1所述的蓄电池充放电装置，其特征在于：所述不控整流单元(1)由二极管整流桥组成。
3.根据权利要求1所述的蓄电池充放电装置，其特征在于：所述直流环节滤波单元(2)由直流滤波电容和高频吸收电容并联组成。
4.根据权利要求1所述的蓄电池充放电装置，其特征在于：所述直流-直流双向斩波单元(3)由功率开关器件和直流输出电感串联而组成。
5.根据权利要求1所述的蓄电池充放电装置，其特征在于：全数字控制器(5)包括电压电流检测环节(6)、数字信号微处理器(7)、脉宽调制信号的驱动和保护电路(8)及人机接口和通信单元(9)。所述电压电流检测环节(6)由直流环节电压检测部分及输出直流侧电流检测部分组成，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；所述数字信号微处理器(7)，其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，数字信号微处理器(7)包括2路脉宽调制输出口和作为辅助控制的2条I/O口；所述脉宽调制信号的驱动和保护电路(8)，输入为所述脉宽调制输出口的2路脉宽调制脉冲信号及辅助控制的2条I/O，将主回路中的I/O信号，经过输入I/O电路送入数字信号处理器的I/O接口，负责接收设备的故障信号，实现故障保护功能；输出为2路脉宽调制功率驱动信号，控制设备的接触器开关，实现设备的运行、停止控制功能；所述2路脉宽调制功率驱动信号连接到所述蓄电池充放电组件中直流-直流双向斩波部分对应的功率开关器件；所述人机接口和通信单元(9)，通过CAN通信接口或485通信接口，接收PC机发出的运行、暂停、停止等信号，完成液晶屏的显示及与PC机的通信，实现远程操作、记录和监控功能。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: HUBEI TECHPOW ELECTRIC CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: HUBEI GUATAI HUARUI ELECTRONIC TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20121017 Free format text: FORMER OWNER: XIANGFAN TECHPOW ELECTRIC CO., LTD. Effective date: 20121017 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Guoan Inventor after: Liu Shijie Inventor after: Chen Chang Inventor after: Li Mingyong Inventor after: Kuang Peng Inventor after: Zhu Lutao Inventor after: Li Miaoxian Inventor before: Wang Guoan Inventor before: Li Mingyong Inventor before: Kuang Peng Inventor before: Zhu Lutao Inventor before: Liu Shijie Inventor before: Chen Chang |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: WANG GUOAN LI MINGYONG KUANG PENG ZHU LUTAO LIU SHIJIE CHEN CHANG TO: WANG GUOAN LIU SHIJIE CHEN CHANG LI MINGYONG KUANG PENG ZHU LUTAO LI MIAOXIAN Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 441003 XIANGFAN, HUBEI PROVINCE TO: 441000 XIANGFAN, HUBEI PROVINCE |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20121017 Address after: 441000 No. 10, Chemical Road, Xiangfan, Hubei Applicant after: Hubei Depu Electric Co.,Ltd. Address before: 441003 Hubei city of Xiangfan province high tech Development Zone, Road No. 2 Applicant before: Hubei Guotai Huarui Electronic Technology Co., Ltd. Applicant before: Xiangfan Techpow Electric Co., Ltd. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20121128 Effective date of abandoning: 20170524 |
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| AV01 | Patent right actively abandoned |