CN102906962B - 电源以及用于操作电源的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电源，所述电源包括控制装置（5）和功率部分（1），其中输出直流电压（U_L）附在功率部分（1）的第一输出（OUT1）上，具有可变的电流消耗的负载（3）能够被连接到该输出直流电压（U_L）上。在此，功率部分（1）的第二输出（OUT2）通过电流测量设备被引导，其中蓄电池（4）被连接到该第二输出（OUT2）上。此外，蓄电池（4）的借助电流测量设备测量的充电电流（I_L）或放电电流通过控制输出直流电压（U_L）而被调整。由此，在没有专用USV组件的情况下也可确定蓄电池（4）的充电电流或放电电流。

Description

电源以及用于操作电源的方法

技术领域

本发明涉及一种电源，所述电源包括控制装置和功率部分，其中输出直流电压附在功率部分的第一输出上，具有可变的电流消耗的负载可连接到该输出直流电压上。

背景技术

尤其是在工业设备中常常遇见如下情形：负载借助电源被供电并且在此提取没有预先确定的电流。电源所连接到的供电网络通常不具有完整的故障安全。因此公知不同的措施，以便在电网故障时在一定的时间内保证对负载继续供电。这尤其是在安全相关的应用中情况如此。例子是缆车（Seilbahn）和升降椅，所述缆车和升降椅根据各种规定需要电池缓冲，以便维持控制电压（大多为24V）以应急供给信号以及对控制和通信装置应急供电。

在此，所采用的缓冲蓄电池（Pufferakkumulator）应达到尽可能长的寿命，以便将设备的维护开销保持得低。在这种蓄电池中，因而必要时注意温和的充电过程和放电过程以及注意对蓄电池深度放电的保护。

这例如在采用直流电压的无中断的电源设备（USV设备）的情况下予以考虑，其中缓冲蓄电池借助充电调节器和在深度放电时的断路被操作。在这种设备中，负载大多被供给有电源的额定输出电压。只有在紧急情况下，负载被转换到充好电的蓄电池的大多较高的电压上。

USV设备表示全面的解决方案，因为蓄电池通过充电调节器可以以经过协调的并且优化的充电电流特征被充电，而不影响负载。同时，该方法非常昂贵，因为除了电源之外大多需要专用的USV组件。

因此，也了解了不带专用USV组件的解决方案。在此，电源以这种方式被选择，使得存在用于将输出电流限制到在额定电流以上的限定值的可能性。缓冲蓄电池通过保险装置或断路器（Sicherungsautomaten）直接被连接到这种电源的输出上，即与所连接的负载并联。在电网故障时，蓄电池直接承担对负载的供电。

电源的输出电压被调整为使得该输出电压对应于蓄电池的充电结束电压。只要蓄电池没有被充满电，电源就在其功率极限处被操作。负载的消耗与功率极限之间的差作为充电电流被引入蓄电池中。受控的充电在此是不可能的。负载在蓄电池充电之后以充电结束电压被操作。然而，这通常由于负载的供电电压范围的足够的公差（至少在24V载荷（Verbraucher）的情况下）是无问题的。

除了已经谈及的不可控的充电电流之外，其他缺点还在于，在有意使设备断路时始终也必须将蓄电池单独断开。要不然，存在深度放电的危险，同时有由此得到的对蓄电池的损害。

发明内容

本发明所基于的任务是针对开头所述类型的电源给出了相对于现有技术的改进。

根据本发明，该任务通过根据权利要求1所述的电源和根据权利要求10所述的方法来解决。扩展方案在从属权利要求中被找到。

简单的解决方案规定了，功率部分的第二输出通过电流测量设备被引导，在第二输出上连接有蓄电池并且蓄电池的借助电流测量设备所测量的充电电流或放电电流通过对输出直流电压的控制而被调整。由此，在没有专用USV组件的情况下也可确定蓄电池的充电电流或放电电流。蓄电池和要被供电的负载被连接在仅仅一个功率部分上。

与公知的电源的主要不同在于，对于蓄电池而言没有专用的输出电压被调节。本来存在的用于给负载供电的输出直流电压变化，以便由此调整蓄电池的充电电流或放电电流或将其再调节到预给定的值。

在充电时，充电电流借助电流测量设备被测量，并且输出直流电压以这种方式被改变，使得充电电流对应于预给定的值。受制于蓄电池的内阻，得到充电电流的电流特性曲线。这允许通过输出电压的变化来精确地调节充电电流。在此，负载电压随着蓄电池充电电压而波动，但这由于所连接的负载的公差而不起作用。该装置节省了充电调节器电路并且尽管如此仍允许对蓄电池的受控充电。

在最简单的情况下，输出直流电压通过电流测量设备被引导到第二输出。作为充电回路，因此第二输出从电源的输出端子借助电流测量设备被得出。替换于此地，充电回路也可以已在输出端子之前被分支，或包括变压器的次级侧的专用辅助绕组。在后者情况下，在辅助绕组与次级侧的主绕组之间存在固定的耦合。因此在此例如也仅需执行机构和脉宽调制器。

有利地，负载借助第一开关或第一二极管被连接到蓄电池。第一二极管或第一开关以简单的方式阻止充电电流直接进一步流入负载中。第一开关在缓冲器工作时才被接通。

有利的是，将开关构造为功率MOSFET。

简单的设计（Auspraegung）规定，电流测量设备包括分流电阻并且与控制装置连接。替换于此地，电流测量设备被构造为电流转换器（Stromwandler）并且与控制装置连接。

为了保护蓄电池免受深度放电影响，在另一设计中，第二开关被设置在蓄电池线路中。借助电源的次级侧的电子装置识别有威胁的深度放电，并且借助控制装置使第二开关断路。在此，次级侧的电子装置在应急工作时此外还由蓄电池通过负载回路和输出电压端子被供电。

另一改进方案规定，在充电电流线路中布置有另一开关或第二二极管，蓄电池通过该充电电流线路来充电。在缓冲器工作时，另外的开关通过借助控制装置进行断路和/或第二二极管通过截止（Sperrung）来防止能量从蓄电池回流到电源中。整个电流因此从蓄电池流入负载。这尤其是在蓄电池在确定的时间内没有被配备有电压源时才是重要的。例如当充电规定需要完全断开电源时，在一种情况下借助控制装置使另外的开关断路。在其他情况下，借助控制装置将输出电压略微降低并且第二二极管将蓄电池与电源去耦。

有利地，电源包括微控制器。该微控制器以简单的方式被设立用于执行控制任务。

用于操作根据本发明的电源的方法规定，借助控制装置在预给定的持续时间内将输出直流电压降低，使得负载在预给定的持续时间内借助蓄电池被供电。这例如用于确定蓄电池的剩余寿命或用于确定充电状态。此外，由此实现了所期望的脉冲充电和短放电循环，以延长寿命。这尤其是在锂离子蓄电池的情况下是有意义的，因为这些蓄电池在较长的备用工作时在无放电的情况下变得有缺陷。内部化学反应可以仅通过偶尔的较大电流流动被阻止。

附图说明

以下以示例性方式参照所附的附图阐述了本发明。附图以示意图示出：

图1：基本电路

图2：带有第一二极管的电路

图3：带有第一二极管和第二二极管的电路

图4：带有深度放电保护的电路

图5：带有第一二极管和附加的第二开关的电路

图6：带有深度放电保护和附加的第二开关的电路

图7：带有深度放电保护、附加的第二开关和被跨接的（ueberbrueckt）第二二极管的电路

图8：带有用于分离蓄电池的开关的电路

图9：电压变化曲线。

具体实施方式

图1中所示的电源包括功率部分1和控制装置5。功率部分1的转换器2具有初级侧P，该初级侧P可连接到供电网络上。相对于参考电势G的输出直流电压U_L附在转换器2的次级侧S的第一输出OUT1上。负载3被连接到该输出直流电压U_L上。

根据本发明，输出直流电压U_L通过电流测量设备被引导到第二输出OUT2。

在图1中，电流测量设备包括分流电阻R1。电流转换器形成对此的替换方案。充电电流通过检测在分流电阻R1上的电压降借助控制装置5的充电电流测量单元5a被测量，在该图中通过虚线箭头来表示。同样，输出直流电压U_L借助控制装置5的输出电压测量单元5b持续地被测量。

在第二输出OUT2与参考电势G之间接上蓄电池4。蓄电池电压U_A借助控制装置5的蓄电池电压测量单元5c被测量。为了调整所期望的充电电流I_L或放电电流，输出直流电压U_L借助控制装置5被影响。控制装置5为此包括影响单元5d，该影响单元5d给电源的输出电压调节器传送相对应的控制信号。

例如，当充电电流I_L的降低被识别出时，借助控制装置5给输出电压调节器预给定提高的期望值。而如果因为例如负载3吸收较少电流，充电电流I_L升高，则给输出电压调节器预给定降低的期望值。

由此，实现了简单的调节，其中通过影响输出电压调节器将充电电流I_L调节到所期望的值。

在蓄电池4的所期望的放电的情况下，输出直流电压借助控制装置5被降低到所期望的放电电流从蓄电池4流入负载3中的程度。

利用所介绍的解决方案也可以操作更多的蓄电池4。通过多个电流测量设备和其它的输出在此可以针对每个蓄电池4实现不同的充电和放电特征。

图2中的装置基本上对应于图1中的那个装置，不同在于在第二输出OUT2与负载3之间布置有第一二极管D1。阳极与第二输出OUT2连接，使得输出直流电压U_L一降低到蓄电池电压U_A之下，电流就从蓄电池4流入负载3中。

第二二极管D2在图3中被布置在蓄电池4的充电电流线路中，其中该第二二极管D2对于从功率部分1到蓄电池4中的充电电流I_L而言是可通过的并且在相反方向上截止。以这种方式阻止了，在缓冲器工作时，能量从蓄电池4回流到功率部分1中和/或通过电流测量设备回流。作为对第二二极管D2的替换方案，可采用另一开关，所述另一开关被控制装置在缓冲器工作时断路并且在此中断充电电流线路。

用于阻止蓄电池4的深度放电的电路变型方案在图4中被示出。在图2和3中所绘出的第一二极管在此通过第一开关S1替换，该第一开关S1借助控制装置5来控制。当取消通过功率部分1的供电时，控制装置5借助蓄电池4被继续供电。第一开关S1因此即使功率部分1被断路也可以借助控制装置5来控制。蓄电池电压U_A在缓冲器工作时一达到不允许的值并且一存在深度放电的风险，控制装置5就使第一开关S1断路并且在此使在蓄电池4与负载3之间的连接中断。

另一具有深度放电保护的电路变型方案在图5中示出。在此，又布置有第一二极管D1，而不是第一开关S1，并且直接在蓄电池4之前设置有第二开关S2，借助控制装置5来控制。附加地，由第一输出OUT1设置针对控制装置5的供电V。

在缓冲器工作时，必要时通过使第二开关S2断路而无电流地切换蓄电池4并且因此防止深度放电。

图6中所示的电路变型方案基本上对应于图5中的那个电路变型方案，但是第一二极管D1通过借助控制装置5可控制的第一开关S1被替换。

图7中所示出的电路基本上对应于图6中所示的那个电路，但是此处第二二极管D2被跨接。被断开的第一开关S1和被闭合的第二开关S2提供了用于通过第一输出OUT1上的输出电压的变化而有针对性地进行蓄电池充电和放电的可能性。这种蓄电池调节设置了经过优化的充电脉冲和放电脉冲，用于蓄电池4的寿命延长。实际的蓄电池电流在此通过电流测量设备被测量。在缓冲器工作时，第一开关S1可以被闭合，以便减轻电流测量设备的负荷。该电路通过第二开关S2被断开也提供了深度放电保护。

另一具有用于防止深度放电的第二开关S2的电路变型方案在图8中被示出。附加地，布置有辅助开关SH，该辅助开关SH能够实现将控制装置5与蓄电池4完全分离。由此实现了，在较长的工作中断期间，蓄电池4也没有通过蓄电池电压测量单元5c的分压器进行放电。蓄电池4因此与所有可能的载荷不连接。

输出直流电压（=负载电压）U_L、蓄电池电压U_A和充电电流I_L的在时间t上的示例性变化曲线在图9中示出。

在第一阶段，蓄电池4以恒定的充电电流I_L充电。该输出直流电压U_L在此略微在蓄电池电压U_A上。该差通过在电流测量设备上的电压降ΔU来给出。

一达到蓄电池4的充电结束电压U_LS，充电电流流动就停止。蓄电池电压U_A随后对应于输出直流电压U_L。为了补偿自放电过程，通常需要在没有其间的缓冲器工作的情况下也在时间上隔一定距离地给蓄电池4再充电。在再充电持续时间t_N期间，为此目的提高输出直流电压U_L，以便引起充电电流I_L。

有时也可在没有缓冲器工作的情况下需要在时间上隔一定距离地对蓄电池4执行短时放电。这例如在锂离子蓄电池的情况下或为了确定剩余寿命或充电状态而是必要的。为此，输出直流电压U_L没有被提高，而是降低到蓄电池电压U_A之下。接着得到从蓄电池4经过负载回路的电流流动。

为了能够对蓄电池的剩余寿命发表声明，电压变化曲线在荷载（Belastung）期间被检查。为此通常以预给定的时间间隔将检查负载连接到蓄电池，并且造成短时荷载，或恰好流动的负载电流被用作负荷。

Claims (9)

1.一种电源，其包括控制装置（5）和功率部分（1），其中输出直流电压（U_L）附在功率部分（1）的第一输出（OUT1）上，具有可变的电流消耗的负载（3）能够被连接到该输出直流电压（U_L）上，其中，功率部分（1）的第二输出（OUT2）通过电流测量设备被引导，在第二输出（OUT2）上连接有蓄电池（4）并且蓄电池（4）的借助电流测量设备所测量的充电电流（I_L）或放电电流通过对输出直流电压（U_L）的控制而被调整，

其中当充电电流（I_L）的降低被识别出时，给所述电源的输出电压调节器预给定提高的期望值，而当充电电流（I_L）的升高被识别出时，给所述电源的输出电压调节器预给定降低的期望值，

其中在蓄电池（4）以恒定的充电电流（I_L）充电期间，输出直流电压（U_L）略微在蓄电池电压（U_A）之上，

其中一达到蓄电池（4）的充电结束电压（U_LS），充电电流流动就停止，而且蓄电池电压（U_A）随后对应于输出直流电压（U_L），

而且其中与蓄电池（4）串联地布置第二开关（S2），该第二开关（S2）借助控制装置（5）以如下方式被控制用于阻止蓄电池（4）的深度放电：借助电源的在应急工作时由蓄电池供电的次级侧的电子装置来识别有威胁的深度放电并且使该第二开关断路。

2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，输出直流电压（UL）通过电流测量设备被引导到第二输出（OUT2）上。

3.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，负载（3）借助第一开关（S1）或第一二极管（D1）被连接到蓄电池（4）上。

4.根据权利要求3所述的电源，其特征在于，开关（S1）被构造为功率MOSFET。

5.根据权利要求1至4之一所述的电源，其特征在于，电流测量设备包括分流电阻（R1）并且与控制装置（5）连接。

6.根据权利要求1至4之一所述的电源，其特征在于，电流测量设备被构造为电流转换器并且与控制装置（5）连接。

7.根据权利要求1至4之一所述的电源，其特征在于，另外的开关或第二二极管（D2）被布置在蓄电池（4）的充电电流线路中。

8.根据权利要求1至4之一所述的电源，其特征在于，设置有用于执行控制任务的微控制器。

9.一种用于操作根据权利要求1至8之一所述的电源的方法，其特征在于，

当充电电流（I_L）的降低被识别出时，给所述电源的输出电压调节器预给定提高的期望值，而当充电电流（I_L）的升高被识别出时，给所述电源的输出电压调节器预给定降低的期望值，其中在蓄电池（4）以恒定的充电电流（I_L）充电期间，输出直流电压（U_L）略微在蓄电池电压（U_A）之上，以及其中一达到蓄电池（4）的充电结束电压（U_LS），充电电流流动就停止，而且蓄电池电压（U_A）随后对应于输出直流电压（U_L），

借助电源的在应急工作时由蓄电池供电的次级侧的电子装置来识别蓄电池的有威胁的深度放电，

并且借助该次级侧的电子装置使与蓄电池（4）串联地布置的第二开关（S2）断路以阻止蓄电池（4）的深度放电。