CN102684284A - 一种基于小型离网风力发电的便携式移动电源 - Google Patents

Abstract

本发明适用于新能源发电技术领域，提供了一种基于小型离网风力发电的便携式移动电源；该移动电源包括：整流模块、充电模块、储能模块、升压模块和逆变模块；升压模块根据外部的控制信号将充电模块输出的直流电进行升压整流处理后通过输出端输出直流电，升压模块还将储能模块的输出进行升压整流处理后通过输出端输出直流电；逆变模块根据外部的控制信号控制升压模块输出端输出的直流电逆变成交流电并输出供给负载。本发明提供的便携式移动电源采用简单、可靠的电路拓扑结构，储能模块采用能量密度高的锂电池，前后级可拆卸，使整个装置灵巧、便携。

Description

一种基于小型离网风力发电的便携式移动电源

技术领域

本发明属于新能源发电技术领域，尤其涉及一种基于小型离网风力发电的便携式移动电源。

背景技术

随着人类对能源需求的增加和传统化石性能源的枯竭，人们对可再生能源的关注愈加密切。我国的陆地风能资源分布广泛，但是如今风力发电设备大多是大型的设备，只能在拥有固定设备的地点才能满足用电的需求，并没有给普通百姓生活带来便利。故对于风力资源较好的住宅、办公区、电网不能到达或供电不足的牧区、农区、湖区、滩涂、边远哨所等地区，有必要发明一种整体小型化、轻型化、便携的风力发电电源。

传统的风力发电电源存在如下问题：首先，电源的充电效率低，损耗大。其次，整体体积大，移动不易。再者，电源输出电能质量差，谐波含量高。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种基于小型离网风力发电的便携式移动电源，旨在解决现有技术中的风力发电设备体积大、充电效率低，损耗大的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种基于小型离网风力发电的便携式移动电源，包括：

整流模块，其输入端与外部的风力发电机连接，将风力发电机产生的交流电能转变为直流电；

充电模块，其输入端连接至所述整流模块的输出端，其控制端连接外部的控制信号，根据外部的控制信号将所述整流模块输出的直流电变成储能模块所需的直流电；

储能模块，其输入端连接至所述充电模块的第二输出端，用于储能；

升压模块，其第一输入端连接至所述充电模块的第一输出端，所述升压模块的第二输入端连接至所述储能模块的输出端，所述升压模块的控制端连接外部的控制信号，所述升压模块根据外部的控制信号将所述充电模块输出的直流电进行升压整流后通过输出端输出直流电或将所述储能模块的输出进行升压整流处理后通过输出端输出直流电；

逆变模块，其输入端连接至所述升压模块的输出端，其控制端连接外部的控制信号，所述逆变模块根据外部的控制信号控制所述升压模块输出的直流电逆变成交流电并输出供给负载。

更进一步地，所述整流模块和所述充电模块作为前级装在一个盒子中；所述储能模块、所述升压模块和所述逆变模块作为后级装在另一个盒子中；两个盒子通过接口连接。

更进一步地，所述整流模块包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管；所述第一二极管的阳极、所述第三二极管的阳极和所述第五二极管的阳极连接后作为所述整流模块的输出端正极；所述第二二极管的阴极、所述第四二极管的阴极和所述第六二极管的阴极连接后作为所述整流模块的输出端负极；所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阳极连接后与外部的风力发电机连接；所述第三二极管的阴极与所述第四二极管的阳极连接后与外部的风力发电机连接；所述第五二极管的阴极与所述第六二极管的阳极连接后与外部的风力发电机连接。

更进一步地，所述充电模块包括：第一开关管、第一滤波单元、第一稳压电容和第七二极管；所述第一稳压电容连接在所述整流模块的输出端正负极之间；所述第一开关管的输入端作为所述充电模块的输入端，所述第一开关管的控制端作为所述充电模块的控制端，所述第一开关管的控制端控制其输入端与输出端之间的导通；所述第七二极管的阳极与所述第一开关管的输出端连接，所述第七二极管的阴极连接至所述整流模块的输出端负极；所述第一滤波单元的输入端连接至所述第一开关管的输出端，所述第一滤波单元的输出端作为所述充电模块的输出端。

更进一步地，所述第一开关管为MOS管或IGBT管。

更进一步地，所述储能模块为锂电池。

更进一步地，所述升压模块包括：第二开关管、第三开关管、推挽变压器、整流单元以及第二滤波单元；所述推挽变压器原边的中心抽头连接至储能模块的正极，所述第二开关管的漏极和所述第三开关管的漏极均连接至所述储能模块的负极，所述第二开关管的源极和所述第三开关管的源极分别连接至所述推挽变压器的另外两个抽头上；所述推挽变压器副边连接所述整流单元，所述第二滤波单元与所述整流单元连接。

更进一步地，所述逆变模块包括：稳压单元，其输入端作为所述逆变模块的输入端，将所述升压模块的输出进行稳压处理；开关单元，其输入端与所述稳压单元的输出端连接，所述开关单元的控制端连接外部的控制信号，所述开关单元根据所述外部的控制信号调节占空比并调节逆变输入的直流母线电压实现逆变输出的闭环；第三滤波单元，其输入端与所述开关单元的输出端连接，所述第三滤波单元的输出端作为所述逆变模块的输出端；所述开关单元包括：第四开关管、第五开关管、第六开关管和第七开关管；所述第四开关管的输入端和第五开关管的输入端均与所述稳压单元的输出端连接，所述第四开关管的输出端与所述第六开关管的输入端连接，所述第五开关管的输出端与所述第七开关管的输入端连接，所述第六开关管的输出端接地，所述第七开关管的输出端接地；所述第四开关管与所述第六开关管的连接端还接地；所述第五开关管与所述第七开关管的连接端还作为所述开关单元的输出端。

更进一步地，所述移动电源还包括：与所述储能模块连接，用于显示充电电流、瞬时功率以及所述储能模块的电量的显示模块。

更进一步地，所述所述移动电源还包括：与所述储能模块连接用于保护的防反接电路，所述防反接电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一MOS管、第二MOS管、第十二二极管和保险丝；所述第一电阻的一端通过所述保险丝连接至所述储能模块的正极；所述第一MOS管的栅极通过所述第二电阻连接至所述第一电阻的另一端，所述第一MOS管的源极接地；所述第二MOS管的栅极通过所述第三电阻连接至所述第一电阻的另一端，所述第二MOS管的源极接地；所述第一MOS管的漏极与所述第二MOS管的漏极均连接至所述储能模块的负极；所述第十二二极管的阴极连接至所述第一电阻的另一端，所述第十二二极管的阳极接地。

本发明提供的便携式移动电源采用简单、可靠的电路拓扑结构，储能模块采用能量密度高的锂电池，前后级可拆卸，使整个装置灵巧、便携。此外，本发明的前后级既可搭配使用，又可分开，分别作为充电器或电源使用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于小型离网风力发电的便携式移动电源的模块结构原理示意图；

图2是本发明实施例提供的便携式移动电源中整流模块和充电模块的具体电路图；

图3是本发明实施例提供的便携式移动电源中升压模块的具体电路图；

图4是本发明实施例提供的便携式移动电源中逆变模块的具体电路图；

图5是本发明实施例提供的便携式移动电源中防反接保护电路的具体电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的基于小型离网风力发电的便携式移动电源通过改进充电电路的拓扑结构，采用整体能量管理的方法，提高了电源的充电效率。图1示出了本发明实施例提供的基于小型离网风力发电的便携式移动电源的模块结构；为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

基于小型离网风力发电的便携式移动电源3包括：整流模块31、充电模块32、储能模块33、升压模块34和逆变模块35；整流模块31的输入端与外部的风力发电机2连接，将风力发电机2产生的交流电能转变为直流电；充电模块32的输入端连接至整流模块31的输出端，充电模块32的控制端连接外部的控制信号，根据外部的控制信号控制将整流模块31输出的直流电变成储能模块所需的直流电；储能模块33的输入端连接至充电模块32的第二输出端，用于储能；升压模块34的第一输入端连接至充电模块32的第一输出端，升压模块34的第二输入端连接至储能模块33的输出端，升压模块34的控制端连接外部的控制信号，升压模块34根据外部的控制信号将充电模块32输出的直流电进行升压整流处理后通过升压模块34的输出端输出或升压模块34根据外部的控制信号将储能模块33的输出进行升压整流处理后通过升压模块34的输出端输出直流电；逆变模块35的输入端连接至升压模块34的输出端，逆变模块35的控制端连接外部的控制信号，根据外部的控制信号逆变模块35控制升压模块34输出的直流电逆变成交流电并输出供给负载4。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的便携式移动电源，现结合图1详述其工作原理如下：

风能1经过风力发电机2将机械能转化为电能，所产生的交流电能经过整流模块31转变为直流电；经过稳压滤波后，再通过充电模块32，一方面可以通过升压模块34直接供给后方负载4使用，另一方面可以对储能模块33进行储能，这可由控制器的整体能量管理方案进行处理；储存到储能模块33的能量经升压模块34升压整流后转变为直流电，再经逆变模块35转变为负载4所需要的交流电；在整个控制器工作的过程中，在各个模块中的开关管的控制信号由主控芯片提供。本发明实施例充分利用软件与硬件，使系统电路拓扑结构简单，充电部分与放电部分分别装在两个盒子里，盒子之间通过接口连接，从而使电源便于携带。另外，本发明实施例在放电部分所采用的拓扑结构，使得电源的输出电压稳定性好，过载能力强，电能质量好，谐波小。

在本发明实施例中，整流模块31和充电模块32作为前级装在一个盒子中；储能模块33、升压模块34和逆变模块35作为后级装在另一个盒子中；两个盒子之间通过接口连接，从而使前后级可拆卸。此外，本发明的前后级既可搭配使用，又可分开，分别作为充电器或电源使用。

如图2所示，整流模块31包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6；其中第一二极管D1的阳极、第三二极管D3的阳极和第五二极管D5的阳极连接后作为整流模块31的输出端正极；第二二极管D2的阴极、第四二极管D4的阴极和第六二极管D6的阴极连接后作为整流模块31的输出端负极；第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极连接后与外部的风力发电机2连接；第三二极管D3的阴极与第四二极管D4的阳极连接后与外部的风力发电机2连接；第五二极管D5的阴极与第六二极管D5的阳极连接后与外部的风力发电机2连接。

充电模块32包括：第一开关管321、第一滤波单元322、第一稳压电容C1和第七二极管D7；其中第一稳压电容C1连接在整流模块31的输出端正负极之间；第一开关管321的输入端作为充电模块32的输入端，第一开关管321的控制端作为充电模块32的控制端，第一开关管321的控制端控制其输入端与输出端之间的导通；第七二极管D7的阳极与第一开关管321的输出端连接，第七二极管D7的阴极连接至整流模块31的输出端负极；第一滤波单元322的输入端连接至第一开关管321的输出端，第一滤波单元322的输出端作为充电模块32的输出端。

作为本发明的一个实施例，第一开关管321可以为MOS管或IGBT管。当第一开关管321为MOS管T1时，MOS管T1的栅极作为第一开关管321的控制端，MOS管T1的源极作为第一开关管321的输出端，MOS管T1的漏极作为第一开关管321的输入端。

作为本发明的一个实施例，第一滤波单元322包括：依次连接的第一电感L1和第二电容C2。

在本发明实施例中，风力发电机2发出的交流电经过三相不控整流模块转变为直流电，经滤波稳压后通过Buck电路对锂电池进行充电。对于三相不控整流模块，D1、D3、D5三个单向导通器件共阴极，D4、D6、D2共阳极。风力发电机2输出的三相电总有一相最正，一相最负，从而使最正一相上桥臂的单向导通器件导通，最负一相下桥臂的单向导通器件导通，则输出的总为正值的电压，实现整流功能。对于BUCK电路，采用脉冲宽度调制方式，通过控制开关管在一个周期中的导通时间，对直流电压进行适当降压后，接到储能模块两端，对其充电。作为本发明的一个实施例，储能模块33可以为锂电池。

如图3所示，升压模块34包括：第二开关管341、第三开关管342、推挽变压器、整流单元343以及第二滤波单元345；推挽变压器原边的中心抽头连接至储能模块33的正极，第二开关管341的漏极和第三开关管342的漏极均连接至储能模块33的负极，第二开关管341的源极和第三开关管342的源极分别连接至推挽变压器的另外两个抽头上；推挽变压器副边连接整流单元343，第二滤波单元345与整流单元343连接。

在本发明实施例中，第二开关管341和第三开关管342均可以为MOS管或IGBT管；当第二开关管341为MOS管T2时，MOS管T2的栅极作为第二开关管341的控制端连接外部的控制信号，MOS管T2的源极连接至推挽变压器的一个抽头上；MOS管T2的漏极连接至储能模块33的负极；当第三开关管342为MOS管T3时，MOS管T3的栅极作为第三开关管342的控制端连接外部的控制信号，MOS管T3的源极连接至推挽变压器的一个抽头上，MOS管T3的漏极连接至储能模块33的负极。

整流单元343包括：二极管D8、二极管D9、二极管D10和二极管D11；其中二极管D8和二极管D10串联连接，二极管D9和二极管D11串联连接，二极管D8和二极管D10的串联连接端与推挽变压器副边N3端连接，二极管D9和二极管D11的串联连接端与推挽变压器副边另一端连接；非串联连接端与第二滤波单元345连接。而第二滤波单元345包括：依次连接电感L2和电容C3。

在本发明实施例中，在推挽变换器中锂电池的正极连接到推挽变压器原边的中心抽头上，两个功率开关管T1和T2的漏极都连接到锂电池的负极，源极分别连接到推挽变压器的另外两个抽头上。变压器副边接单相不控整流桥，整流后经LC滤波电路，得到稳定的高压直流Vo。假设推挽变压器原边绕组N1=N2=Np，副边绕组N3=Ns，功率开关管T1和T2源漏极电路为RDS，整流桥二极管单管压降为VD，每个周期开关管导通时间为TON，一个周期时间为T。当开关管T1导通，T2处于关断时，输入Vin加到推挽变压器原边绕组N1上，N1下端为正，所以副边N3下端为正，整流桥D2、D3导通。当开关管T2导通，T1处于关断时，输入Vin加到推挽变压器原边绕组N2上，N2上端为正，所以副边N3上端为正，整流桥D1、D4导通。

如图4所示，逆变模块35包括：稳压单元351、开关单元352和第三滤波单元353；其中稳压单元351的输入端作为逆变模块35的输入端，将升压模块34的输出进行稳压处理；开关单元352的输入端与稳压单元351的输出端连接，开关单元352的控制端连接外部的控制信号，开关单元352根据外部的控制信号调节占空比，调节逆变输入的直流母线电压从而实现逆变输出的闭环；第三滤波单元353的输入端与开关单元352的输出端连接，第三滤波单元353的输出端作为逆变模块35的输出端。

作为本发明的一个实施例，开关单元352包括：第四MOS管T4、第五MOS管T5、第六MOS管T6和第七MOS管T7；第四MOS管T4的输入端和第五MOS管T5的输入端均与稳压单元351的输出端连接，第四MOS管T4的输出端与第六MOS管T6的输入端连接，第五MOS管T5的输出端与第七MOS管T7的输入端连接，第六MOS管T6的输出端接地，第七MOS管T7的输出端接地；第四MOS管T4与第六MOS管T6的连接端还接地；第五MOS管T5与第七MOS管T7的连接端还作为开关单元352的输出端。

在本发明实施例中，逆变模块35采用全桥逆变拓扑结构，以推挽变压器经整流桥后的输出作为逆变桥的输入，采用SPWM调制方式，输出稳定的工频交流电，供各种用电设备使用。要使逆变输出为稳定的220V，是通过调节推挽变压器初级出开关管的占空比实现的，调节占空比，可以调节逆变输入的直流母线电压。这样就可以很容易实现逆变输出的闭环。其中，稳压管TVS和电容C4起稳压作用，电感L3和电容C5起滤波作用，滤除高频谐波，提高输出电压波形的质量。

作为本发明的一个实施例，便携式移动电源还包括：与储能模块33连接用于保护的防反接电路37。如图5所示，防反接电路37包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一MOS管T8、第二MOS管T9、第十二二极管D12和保险丝371；第一电阻R1的一端通过保险丝371连接至储能模块33的正极；第一MOS管T8的栅极通过第二电阻R2连接至第一电阻R1的另一端，第一MOS管T8的源极接地；第二MOS管T9的栅极通过第三电阻R3连接至第一电阻R1的另一端，第二MOS管T9的源极接地；第一MOS管T8的漏极与第二MOS管T9的漏极均连接至储能模块33的负极；第十二二极管D12的阴极连接至第一电阻R1的另一端，第十二二极管D12的阳极接地。当没有安装锂电池时，N-MOS管因没有偏置而截止。当正确接上电池后，由于电池的作用，N-MOS的G极获得高电位而导通，电池正常充电。如果电池反接，则由于N-MOS没有偏置而截止，没有电流通过；起到保护电路的作用。

在本发明实施例中，便携式移动电源还包括：与储能模块33连接，用于显示充电电流、瞬时功率以及所述储能模块的电量的显示模块36。具体地，可以由显示模块36上的数码管实时读出充电电流及瞬时功率，亦可由第一LED发光管得到控制器的工作状态，由第二LED和第三LED得到储能模块的电量。

本发明提供的便携式移动电源采用简单、可靠的电路拓扑结构，储能模块采用能量密度高的锂电池，前后级可拆卸，使整个装置灵巧、便携。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于小型离网风力发电的便携式移动电源，其特征在于，包括：

整流模块，其输入端与外部的风力发电机连接，将风力发电机产生的交流电能转变为直流电；

充电模块，其输入端连接至所述整流模块的输出端，其控制端连接外部的控制信号，根据外部的控制信号将所述整流模块输出的直流电变成储能模块所需的直流电；

储能模块，其输入端连接至所述充电模块的第二输出端，用于储能；

升压模块，其第一输入端连接至所述充电模块的第一输出端，所述升压模块的第二输入端连接至所述储能模块的输出端，所述升压模块的控制端连接外部的控制信号，所述升压模块根据外部的控制信号将所述充电模块输出的直流电进行升压整流处理后输出直流电或将所述储能模块的输出进行升压整流处理后输出直流电；

逆变模块，其输入端连接至所述升压模块的输出端，其控制端连接外部的控制信号，所述逆变模块根据外部的控制信号控制所述升压模块输出的直流电逆变成交流电并输出供给负载。

2.如权利要求1所述的移动电源，其特征在于，所述整流模块和所述充电模块作为前级装在一个盒子中；所述储能模块、所述升压模块和所述逆变模块作为后级装在另一个盒子中；两个盒子通过接口连接。

3.如权利要求1所述的移动电源，其特征在于，所述整流模块包括：

第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管；

所述第一二极管的阳极、所述第三二极管的阳极和所述第五二极管的阳极连接后作为所述整流模块的输出端正极；

所述第二二极管的阴极、所述第四二极管的阴极和所述第六二极管的阴极连接后作为所述整流模块的输出端负极；

所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阳极连接后与外部的风力发电机连接；所述第三二极管的阴极与所述第四二极管的阳极连接后与外部的风力发电机连接；所述第五二极管的阴极与所述第六二极管的阳极连接后与外部的风力发电机连接。

4.如权利要求1所述的移动电源，其特征在于，所述充电模块包括：

第一开关管、第一滤波单元、第一稳压电容和第七二极管；

所述第一稳压电容连接在所述整流模块的输出端正负极之间；

所述第一开关管的输入端作为所述充电模块的输入端，所述第一开关管的控制端作为所述充电模块的控制端，所述第一开关管的控制端控制其输入端与输出端之间的导通；

所述第七二极管的阳极与所述第一开关管的输出端连接，所述第七二极管的阴极连接至所述整流模块的输出端负极；

所述第一滤波单元的输入端连接至所述第一开关管的输出端，所述第一滤波单元的输出端作为所述充电模块的输出端。

5.如权利要求4所述的移动电源，其特征在于，所述第一开关管为MOS管或IGBT管。

6.如权利要求1所述的移动电源，其特征在于，所述储能模块为锂电池。

7.如权利要求1所述的移动电源，其特征在于，所述升压模块包括：

第二开关管、第三开关管、推挽变压器、整流单元以及第二滤波单元；

所述推挽变压器原边的中心抽头连接至储能模块的正极，所述第二开关管的漏极和所述第三开关管的漏极均连接至所述储能模块的负极，所述第二开关管的源极和所述第三开关管的源极分别连接至所述推挽变压器的另外两个抽头上；

所述推挽变压器副边连接所述整流单元，所述第二滤波单元与所述整流单元连接。

8.如权利要求1所述的移动电源，其特征在于，所述逆变模块包括：

稳压单元，其输入端作为所述逆变模块的输入端，将所述升压模块的输出进行稳压处理；

开关单元，其输入端与所述稳压单元的输出端连接，所述开关单元的控制端连接外部的控制信号，所述开关单元根据所述外部的控制信号调节占空比并调节逆变输入的直流母线电压实现逆变输出的闭环；

第三滤波单元，其输入端与所述开关单元的输出端连接，所述第三滤波单元的输出端作为所述逆变模块的输出端；所述开关单元包括：

第四开关管、第五开关管、第六开关管和第七开关管；

所述第四开关管的输入端和第五开关管的输入端均与所述稳压单元的输出端连接，所述第四开关管的输出端与所述第六开关管的输入端连接，所述第五开关管的输出端与所述第七开关管的输入端连接，所述第六开关管的输出端接地，所述第七开关管的输出端接地；

所述第四开关管与所述第六开关管的连接端还接地；所述第五开关管与所述第七开关管的连接端还作为所述开关单元的输出端。

9.如权利要求1所述的移动电源，其特征在于，所述移动电源还包括：

与所述储能模块连接，用于显示充电电流、瞬时功率以及所述储能模块的电量的显示模块。

10.如权利要求1所述的移动电源，其特征在于，所述移动电源还包括：与所述储能模块连接用于保护的防反接电路，

所述防反接电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一MOS管、第二MOS管、第十二二极管和保险丝；

所述第一电阻的一端通过所述保险丝连接至所述储能模块的正极；

所述第一MOS管的栅极通过所述第二电阻连接至所述第一电阻的另一端，所述第一MOS管的源极接地；所述第二MOS管的栅极通过所述第三电阻连接至所述第一电阻的另一端，所述第二MOS管的源极接地；所述第一MOS管的漏极与所述第二MOS管的漏极均连接至所述储能模块的负极；

所述第十二二极管的阴极连接至所述第一电阻的另一端，所述第十二二极管的阳极接地。

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