CN102916477B - 一种兼容多电压等级的多用途智能蓄电池放电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种兼容多电压等级的多用途智能蓄电池放电装置，包括监控模块和放电功率模块组，其中所述放电功率模块组包括一块或者多块并联的放电功率模块，每一所述放电功率模块包括全桥整流电路、Boost升压单元电路、Boost单元控制电路、PWM调节负载单元、PWM调节控制电路、开关调节负载单元、开关调节控制电路和通信接口电路，其中放电功率模块的通信接口电路与监控模块相连接。本发明所提出的装置具有能兼容多电压等级，能快速地满足用户定制化的一体化产品的要求，能作为交流负载使用，产品用途多样化等优点。

Description

一种兼容多电压等级的多用途智能蓄电池放电装置

技术领域

本发明涉及一种蓄电池放电装置，尤其是一种可兼容各种电压等级的蓄电池组的多用途智能蓄电池放电装置，属于电力电子技术及微机控制技术在工业检测控制领域中的应用。

背景技术

随着社会的发展及人民生活水平的不断提高，对生产的安全性、可靠性的要求越来越高，生产的安全性及可靠性很多情况下是由生产设备供电情况决定的。为生产设备可靠地供电是保证生产的安全性及可靠性的基础，因此各种保证生产设备供电可靠性的交、直流不间断电源系统在金融、电信、电力、铁路、地铁等行业中广泛地使用。如电信行业、电力行业使用的-48V通信电源系统、电信和金融行业广泛使用的UPS、这两年开始推广将来有可能替代UPS的HVDC电源系统、电力行业使用的110V、220V等级的电力操作电源系统等。这些交直流电源系统基本上都是以蓄电池组作为后备能源。当市电正常时，电源系统经过电源变换装置将市电变为需要的交流电或直流电供给负载；当市电停电时由蓄电池组经电源变换装置变换继续为负载供电。因此了解掌握蓄电池组的荷电量及荷电能力对于保证电源系统的供电可靠性就显得很重要很有意义。

目前判断蓄电池组电池组的荷电量及荷电能力最准确最有效的手段就是容量核对性放电试验（简称核容放电），即定期给蓄电池组进行一次实际的放电，放电结束时统计计算蓄电池组实际的放电安时数来判断蓄电池组的荷电量和荷电能力是否还能满足运行要求。核容放电以恒流方式进行，放电过程中需要监测蓄电池组的端电压、每个蓄电池单体的端电压、放电时间、放电容量，当其中任意一项达到预设的停止放电条件时就应停止放电，以免放电过度而损坏蓄电池。电力行业标准DL/T724-2000《电力系统用直流电源装置运行与维护技术规程》第6条对蓄电池核容放电进行了相关规定。

早期的蓄电池放电设备是由电源系统的运行维护人员根据现场的实际情况，用可调电阻、电炉丝做为放电负载，用多个空气开关在放电过程中手动调节负载的大小来维持放电电流基本恒定，在放电过程中用人工记录各种放电数据、需要人工终止放电。这种方法存在着设备体积大、笨重、不安全、不可靠、费时、费力、工作效率低、不能精确计算实际放电容量等问题等缺点。近年来出现使用PTC发热器作为负载的智能型蓄电池恒流放电装置，实现恒流的自动控制、终止放电的自动控制、放电数据的自动记录等功能，这种新型的放电装置使用的PTC发热器具有体积小、重量轻、安全性好等优点，而且整个放电过程基本上都是自动完成的，很大程度的减轻了电源系统运行维护人员的工作量，因此非常受运行维护人员的欢迎。

但现有的蓄电池智能恒流放电装置也有不足之处，其中最大的不足是不能兼容不同电压等级的蓄电池组。不同的电源系统配置的蓄电池组的电压有区别，比如说大型发电厂同时存在48V的通信电源系统、110V和220V的操作电源系统、UPS等，它们的蓄电池组的标称电压分别是48V、110V、220V、400V。因为低电压的PTC不能用于高电压，否则PTC将被击穿。又因为PTC不是一个线性电阻，高电压的PTC在低电压时功率将大幅降低，放电容量大幅下降，例如一个1800W/220V的PTC，在110V电压时，功率大约250w不到。因此现在的PTC蓄电池智能恒流放电仪都只能适用于一个电压等级，不能兼容多个电压等级，如上述的电厂用户必须购置4种电压等级的放电装置，非常不经济。另外因为不同行业不同地方不同用途的电源系统的蓄电池组的容量有比较大的区别，分布范围很宽，因此对放电仪的容量需求也很分散，无法进行标准化设计。这给放电仪生产厂家的设计与生产带来很大麻烦，必须定制设计定制生产，因此无法快速满足用户的需求。有些厂家采取多机并联工作的方式进行扩容，但这种方式并不受用户的认可，用户更希望一体化结构设计的产品。一体化结构的产品使用时接线简单、操作也更接近用户的习惯，更容易掌握，保管、运输、维护也更方便、简单，总体成本也较低。

现有的产品都只能作为直流负载使用，不能作为交流负载使用。这是因为两个原因：1、现有产品都是用IGBT、MOSFET等半导体开关器件作为开关控制调节负载，这些器件是单向器件不适合用于交流情况；2、以额定电压220Vdc的放电装置为例说明问题，放电装置选用220V额定电压的PTC发热器作为负载，接入220V的直流可正常工作。但接入220Vac的交流时，220Vac交流电经过整流滤波后（整流滤波是为了解决IGBT、MOSFET等半导体开关器件不适合用于交流的问题)变成310V的直流电压，有效值比交流时高了1.414，但电网电压往往高于220Vac，有时甚至可达265Vac，经整流滤波后的直流电压最高可达375V。这么高的电压很容易损坏220V的PTC发热器，如果改用高电压PTC，在220V的额定直流电压时PTC的功率又出不来。基于这两原因，现在的PTC蓄电池恒流放电装置不能作为交流负载使用。

综上所述，现有的产品都只能进行蓄电池组的恒流放电，产品的用途比较单一，没有把装置充分利用起来。

发明内容

为了克服以上缺陷并满足市场的需要，本发明的目的在于提供本专利主要是解决上述提到的现有产品的四个问题：1、不能兼容多电压等级；2、不能快速地满足用户定制化的一体化产品的要求；3、不能作为交流负载使用；4、产品用途太单一。

本发明采取的技术方案是：

一种兼容多电压等级的多用途智能蓄电池放电装置，包括监控模块和放电功率模块组，所述放电功率模块组包括一块或者多块并联的放电功率模块，每一所述放电功率模块包括全桥整流电路、Boost升压单元电路、Boost单元控制电路、PWM调节负载单元、PWM调节控制电路、开关调节负载单元、开关调节控制电路和通信接口电路；其中，全桥整流电路与需放电的蓄电池相连接， Boost单元控制电路将其稳压值设定在放电装置欲满足的最高的电压等级的蓄电池组的标称电压上，当装置输入电压低于这个电压时Boost升压单元电路工作将电压升至设定的稳压值供给后面的PWM调节负载单元和开关调节负载单元；当装置输入电压等于或略高于设定的稳压值时，Boost升压单元电路不工作，输入电压相当于被直接施加到后面的PWM调节负载单元和开关调节负载单元之上；通信接口电路与监控模块相连接，放电功率模块根据监控模块发来的指令来启停装置的放电及控制放电的电流、电压或温度，同时放电功率模块将自己的工作状态信息回传给监控模块。

作为以上技术方案的一种改进，所述监控模块包括MCU（嵌入式单片机）、数据储存单元、上行通信接口、LCD显示器、USB接口、输入按键、开关量输入输出接口、第一下行通信接口、第二下行通信接口、监控模块辅助电源，其中第一下行通信接口与放电功率模块的通信接口电路通过RS485串行通信接口相连接，第二下行通信接口（18）以及开关量输入输出接口（16）与电池巡检装置联接。

作为以上技术方案的一种改进，每一所述放电功率模块还包括功率输入接口端子、散热风扇组、散热风扇控制电路、控制电路工作电源、散热风扇组工作电源和工作电源输入接口电路。

作为以上技术方案的一种改进，所述PWM调节负载单元和开关调节负载单元采用PTC加热器作为负载。

作为以上技术方案的一种改进，所述装置还包括工作电源开关、工作电源“交流/直流”选择开关、交流输入插座、主功率输入开关和蓄电池组接入端子，其中蓄电池组接入端子用于将放电电源接入放电装置，交流输入插座用于为装置工作电源提供交流输入接口，工作电源“交流/直流”选择开关的输入端分别与交流输入插座和蓄电池组接入端子相连接，输出端连接放电功率模块的工作电源输入接口电路和监控模块的监控模块辅助电源，工作电源开关接在工作电源“交流/直流”选择开关和监控模块辅助电源之间，用于开关装置中的工作电源，主功率输入开关接在蓄电池组接入端子和放电功率模块的功率输入接口之间，为放电装置的主功率回路提供控制回路通断、过流保护、短路保护的功能。

本发明的有益效果是：

1) 装置采用输入前级Boost稳压技术，把输入电压升压并稳压到装置需要满足的最高电压等级的蓄电池组的额定电压上，选用该电压等级的PTC作为负载，这样就可兼容此最高电压等级及以下的其它电压等级的蓄电池组，可以不降低放电功率实现一机兼容多个电压等级的蓄电池组放电，可提高设备的利用率，减少有着多种电压等级蓄电池组的用户的设备投资。

2) 装置采用主从模块化结构，即能实现标准化生产又能快速地满足用户提出的各种非标产品的需求。

3) 装置的工作电源交直流兼容，方便用户使用。在进行蓄电池放电的工作现场往往不方便提供交流电源，因此能直接用蓄电池组为放电装置的工作电源供电是最方便的。而用户结束放电工作回到办公地点后经常要查阅存储在放电装置里的放电数据，而办公地点又没有直流电，只能用交流电为放电装置供电。本专利的装置的所有工作电源包括散热风机的电源采用的都是交直流输入兼容的高频开关电源，即能用蓄电池组供电也可用交流市电供电，便于用户使用。

4) 装置可用作交流电源的可调负载。主电路的输入端加入了全桥整流电路，这样即可起到防反保护，防止蓄电池输入接反损坏放电装置，又能将交流整流成直流，另外由于采用了输入前级Boost稳压技术把加于PTC的电压进行提升，并使用高电压的PTC作为负载，因此放电装置也能作为交流电源的负载使用。

5) 装置提供多种控制方式，除了恒流工作方式，还提供恒压、恒温工作方式，扩展了装置的用途。恒压工作方式可把装置做为电流源的负载使用，用户的电源系统在一些工况下是作为电流源使用的，工作于恒压方式放电装置能满足这些工况的对负载的要求。放电装置工作于恒温方式时，接上外部的温度传感器，可作为一个恒温加热装置使用。

6) 装置采用PTC加热器作为负载，具有：体积小、重量轻，工作时不发红、无明火、可自动限制功率，安全性高等优点。

7) 装置带有RS485串行通信接口、开关量输入输出接口，可以方便的与其他装置及设备联接，实现“四遥”功能。

8) 装置带有USB接口，可以方便地将装置的设置参数、放电的记录数据导入PC电脑中处理。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，其中：

图1为本发明的原理方框图；

图2为本发明中放电功率模块的原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所提供的放电装置由监控模块1、工作电源开关2、工作电源“交流/直流”选择开关3、交流输入插座4、主功率输入开关5、蓄电池组接入端子6和放电功率模块组7组成。其中，工作电源“交流/直流”选择开关3是一个双刀双掷开关，用于为各个工作电源选择交流或直流作为电源的输入，蓄电池组接入端子6用于将放电电源如蓄电池组接入放电装置，交流输入插座4用于为装置中的各个工作电源提供交流输入接口，工作电源开关2用于开关装置中的各个工作电源，主功率输入开关5为放电装置的主功率回路提供控制回路通断、过流保护、短路保护的功能，放电功率模块组7中的放电功率模块71~7n和监控模块1是放电装置的核心。

具体讲，蓄电池组或其它交直流电源从蓄电池组接入端子6接入，然后分两路，一路是主功率通道接入主功率输入开关5，另一路接入供工作电源用，属于小功率应用，接入工作电源“交流/直流”选择开关3的一对触点上。主功率输入开关5的输出接到放电功率模块组7中各放电功率模块的功率输入接口处。放电功率模块组由71~7n个完全相同的放电功率模块组成，n最多为30个。交流电从交流输入插座4接入，输入插座4的输出接到工作电源“交流/直流”选择开关3的另一对触点上。工作电源“交流/直流”选择开关3的输出接到工作电源开关2上，工作电源开关2的输出接到监控模块1中的监控模块辅助电源19的输入端和放电功率模块组7中各放电功率模块的工作电源输入接口。

监控模块1由MCU（嵌入式单片机）11、数据储存单元110、上行通信接口12、LCD显示器13、USB接口14、输入按键15、开关量输入输出接口16、第一下行通信接口17、第二下行通信接口18、监控模块辅助电源19组成。

放电功率模块71~7n完全相同，都是由功率输入接口端子、全桥整流电路、Boost升压单元电路、Boost单元控制电路、PWM调节负载单元、PWM调节控制电路、开关调节负载单元、开关调节控制电路、散热风扇组、散热风扇控制电路、控制电路工作电源、散热风扇工作组工作电源、通信接口电路、工作电源输入接口电路组成。放电功率模块的控制电路的核心也是由嵌入式单片机构成。

监控模块1中的监控模块辅助电源和放电功率模块7n中的散热风扇工作组工作电源、控制电路工作电源都是输入交直流兼容的高频开关电源，因为装置的工作电源即可用交流电源供电也可用蓄电池组供电。

放电功率模块组7中的各放电功率模块71~7n是并联的关系，功率输入端并联、工作电源输入端并联。它们的通信接口是RS485接口，与监控模块1的第一下行通信接口17通过通信双绞线以手牵手的方式并联，这是放电功率模块组7与监控模块1的两个联接关系之一，另一个是两者的工作电源的输入端也是并联的关系。模块化结构是本发明的关键技术之一，而以上这种联接方式是实现放电装置模块化设计的基础。

监控模块1是放电装置的控制中心，它的主要作用：设置并保存相关参数，包括放电功率模块的数量、工作模式（有恒流放电、恒压放电、恒温放电三种工作模式供选择）、放电电流、放电电压、恒温温度、放电终止条件等参数；具备显示信息、记录并储存放电数据、信息查询等功能。设置的参数及记录的放电数据都保存在数据存储单元110中；通过上行通信接口12及开关量输入输出接口实现“四遥”功能；通过第二下行通信接口18及开关量输入输出接口16与电池巡检装置联接，接收电池巡检装置控制放电停止的指令；控制整个放电装置的工作，包括控制放电的启停，放电模式、放电参数的执行。进行相关控制时，监控模块1只负责发出相关指令，各放电功率模块是执行单元，它们之间通过RS485通信联系，放电功率模块根据监控模块1发来的指令来启停装置的放电及控制放电的电流、电压或温度，同时放电功率模块71~7n将自己的工作状态信息回传给监控模块1。

放电功率模块71~7n的是放电装置的执行单元及功率部分，它的作用包括：执行监控模块发来的启停放电的指令；根据监控模块的指令动态地调节负载大小，使装置的输入电流、电压或需要控制的环境温度符合监控模块相关设置值；将自身的工作数据及状态实时的传送给监控模块。它工作原理：主功率电源经功率输入接口接入，然后经过一个全桥整流电路，全桥整流电路可把交流转化为直流，也可将正接或反接的直流都转为一个正确的方向送入后面的电路，避免可能的直流电源反接损坏后面的电路。整流电路之后是一个Boost稳压电路，这是本发明的一个技术关键，通过该技术可让放电装置兼容多电压等级的蓄电池组的放电，Boost稳压电路把稳压值设定在放电装置欲满足的最高的电压等级的蓄电池组的标称电压上，当装置输入电压低于这个电压时Boost电路工作将电压升至设定的稳压值供给后面的PTC负载；当装置输入电压等于或略高于设定的稳压值时，Boost电路不工作，Boost电路的输入输出端基本相当于短路，输入电压相当于直接加到后面的PTC负载之上。如此放电装置就可以工作于小于等于这个电压等级的电压下了。经过Boost电路升压的电源送到后面的可调负载单元电路。可调负载调节由两部分组成，一部分是采用开关方式进行调节的粗调节负载，这部分负载由多个PTC发热器组成，每个PTC发热器与一个IGBT或MOSFET串联，IGBT或MOSFET作为由单片机控制的开关投切PTC发热器，单片机逐个开通IGBT或MOSFET可以逐级增加放电功率，相反则可逐级减小放电功率，如此实现负载的粗调节。另一部分是由一个PTC负载与一组由PWM信号控制的IGBT或MOSFET组成，这部分通过PWM斩波的技术进行负载的精细调节。整个可调负载工作原理大致如下，放电功率模块内的单片机接收监控模块的工作模式及控制目标的命令，由信号采样反馈电路采集待控制目标的实际输出量并送给单片机，单片机根据实际输出量与目标的误差逐个增加或减小粗调节负载中的PTC发热器使实际输出量逼近控制目标。单片机把控制目标送给精细调节负载单元的PWM调节控制电路，信号采样反馈电路也把实际输出量信号送给PWM调节控制电路，PWM控制电路根据两者的误差来控制PWM波的脉冲宽度以调节负载去弥补粗调节负载的调节死区，使实际输出等于控制目标。放电功率模块还有一组给PTC负载散热的散热风扇，放电一经启动，风扇控制电路也同时控制风扇启动。放电功率模块的控制电路及风扇分别由两个独立的高频开关电源供电

这里以一台兼容440Vdc/80A、220Vdc/160A 、110Vdc/320A，并能够完成恒流、恒压、恒温三种放电模式的智能蓄电池放电装置的具体实施方案为例来说明发明，其中又以恒流放电模式重点进行说明，其它两种工作模式可参照恒流工作模式去理解。该装置还能用做交流220Vac电源的交流负载使用。

该装置设计为由一个监控模块和四个放电功率模块组成，把它们以模块化方式安装到一个移动式机柜中，图1中的其它元件直接安装在移动机柜里。监控模块1的功能单元在图1中得以体现，这里不做详细说明。这里重点说明放电功率模块的设计。

放电功率模块的原理示意图见图2，该放电功率模块设计为兼容440Vdc/20A、220Vdc/40A、110Vdc/80A三种电压电流等级。放电模块由Boost升压电路7-1、开关控制方式的粗调节负载7-2、PWM控制方式的精细调节负载7-3、散热风扇组7-4、风扇控制单元7-5、PWM控制电路电路7-6、单片机系统7-7、输入整流桥7-8、散热风扇组工作电源7-9、控制电路工作电源7-10、输入继电器7-11（由于控制功率电路的电源输入）、光耦隔离的RS485接口电路7-12、输入电流采样电路7-13、输入电压采样电路7-14、控温点温度采样电路7-15、输入输出接口7-16（包括功率输入端子、工作电源输入端子、RS485通信接口端子）组成。

其中，输入继电器7-11选用220Vac/120A的磁保持型继电器。输入整流桥7-8选用600V/200A的单相整流桥。Boost升压电路7-1的稳压值设置为380V，当输入电压低于380V时，Boost升压电路7-1把输入电压升至并稳定于380Vdc；当输入电压高于380V时，Q7始终处于截止状态，Boost电路不起作用，输入电压直接送给后面的负载。Q7使用600V/150A的coolmos，D1使用600V/160A软恢复二极管。

开关控制方式的粗调节负载7-2由5个440V/2000W的PTC发热器（PTC1~PTC5）及5个600V/12A的MOSFET（Q1~Q5）组成，MOSFET由单片机系统7-7控制通断，驱动信号经开关控制方式的粗调节负载7-2中的光耦进行光电隔离，一个通道一个光耦，总共5个，光耦用的是PC817。

PWM控制方式的精细调节负载7-3由1个440V/2000W的PTC发热器（PTC6）及1个600V/20A的MOSFET（Q6）组成，MOSFET的驱动信号由1个光耦TLP250与PWM控制电路7-6进行光电隔离。

PWM控制电路7-6是由SG3525组成的PWM控制电路，单片机系统7-7把电流、电压、温度设置值送给它的设置端，输入电流采样电路7-13把实际输入电流采样值、输入电压采样电路7-14把实际输入电压采样值、控温点温度采样电路7-15把待控温点的实际温度采样值都送给PWM控制电路7-6的反馈端。

单片机系统7-7是由PIC18F66K80单片机组成的单片机系统，它把电流、电压、温度设置值送到PWM控制电路7-6的设置端，需要进行恒流控制时只设置电流值，电压与温度的设置值都设为零。进行恒压、恒温控制也同理进行设置。输入电流采样电路7-13把实际输入电流采样值、输入电压采样电路7-14把实际输入电压采样值、控温点温度采样电路7-15把待控温点的实际温度采样值也分别送给单片机系统7-7的3个AD转换输入端。

散热风扇组7-4由6个24V的风扇组成。散热风扇组工作电源7-9是兼容交直流输入的开关电源，输入电压范围75~500Vdc/85~265Vac,输出电压24V，输出功率70W。控制电路工作电源7-10是兼容交直流输入的开关电源，输入电压范围75~500Vdc/85~265Vac,4路隔离输出电压，输出功率15W。输入电流采样电路7-13是由额定电流为100A的霍尔电流传感器的组成的输入电流采样电路。输入电压采样电路7-14是由电阻分压网络及线性光耦HCPL7840组成的隔离输入电压采样电路。

以上所述只是本发明优选的实施方式，其并不构成对本发明保护范围的限制，只要是以基本相同的手段实现本发明的目的都应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种兼容多电压等级的多用途智能蓄电池放电装置，其特征在于：包括监控模块（1）和放电功率模块组（7），所述放电功率模块组（7）包括一块或者多块并联的放电功率模块（71~7n），每一所述放电功率模块（71~7n）包括全桥整流电路、Boost升压单元电路、Boost单元控制电路、PWM调节负载单元、PWM调节控制电路、开关调节负载单元、开关调节控制电路和通信接口电路;其中，全桥整流电路与需放电的蓄电池相连接， Boost单元控制电路将其稳压值设定在放电装置欲满足的最高的电压等级的蓄电池组的标称电压上，当装置输入电压低于这个电压时Boost升压单元电路工作将电压升至设定的稳压值供给后面的PWM调节负载单元和开关调节负载单元，当装置输入电压等于或略高于设定的稳压值时，Boost升压单元电路不工作，输入电压相当于直接加到后面的PWM调节负载单元和开关调节负载单元之上；通信接口电路与监控模块（1）相连接，放电功率模块（71~7n）根据监控模块（1）发来的指令来启停装置的放电及控制放电的电流、电压或温度，同时放电功率模块（71~7n）将自己的工作状态信息回传给监控模块（1）；所述监控模块（1）包括MCU（嵌入式单片机）（11）、数据储存单元（110）、上行通信接口（12）、LCD显示器（13）、USB接口（14）、输入按键（15）、开关量输入输出接口（16）、第一下行通信接口（17）、第二下行通信接口（18）、监控模块辅助电源（19），其中第一下行通信接口（17）与放电功率模块（71~7n）的通信接口电路通过RS485串行通信接口相连接,第二下行通信接口（18）以及开关量输入输出接口（16）与电池巡检装置联接；每一所述放电功率模块（71~7n）还包括功率输入接口端子、输入继电器、散热风扇组、散热风扇控制电路、控制电路工作电源、散热风扇组工作电源和工作电源输入接口电路；所述PWM调节负载单元和开关调节负载单元采用PTC加热器作为负载；所述装置还包括工作电源开关（2）、工作电源“交流/直流”选择开关（3）、交流输入插座（4）、主功率输入开关（5）和蓄电池组接入端子（6），其中蓄电池组接入端子（6）用于将蓄电池接入放电装置，交流输入插座（4）用于为装置的工作电源提供交流输入接口，工作电源“交流/直流”选择开关（3）的输入端分别与交流输入插座（4）和蓄电池组接入端子（6）相连接，输出端连接放电功率模块（71~7n）的工作电源输入接口和监控模块（1）的监控模块辅助电源（19），工作电源开关（2）接在工作电源“交流/直流”选择开关（3）和监控模块辅助电源（19）之间，用于开关装置中的工作电源，主功率输入开关（5）接在蓄电池组接入端子（6）和放电功率模块（71~7n）的功率输入接口之间，为放电装置的主功率回路提供控制回路的通断、过流保护、短路保护的功能。