CN103595093A - 太阳能蓄电池放电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蓄电池放电装置，尤其涉及一种太阳能领域的蓄电池放电装置。本发明的太阳能蓄电池放电装置，包括主电路单元、驱动单元、保护单元、控制单元和辅助电源，主电路单元分别与驱动单元、保护单元、控制单元电连接，驱动单元、保护单元分别电连接辅助电源。本发明的蓄电池放电模块解决了以下设计难点：高功率输出，宽范围电压输入，蓄电池高输出电流。

Description

太阳能蓄电池放电装置

技术领域

本发明涉及一种蓄电池放电装置，尤其涉及一种太阳能领域的蓄电池放电装置。

背景技术

在现代光伏发电系统中，由于光伏电池受到光照强度、光伏电池结温等因素的影响，光伏电池输出功率将会随之变化。为充分利用光伏能源、扩大光伏发电系统的应用范围，对光伏能源实行能源管理策略：当光伏电池输出能量大于外电网需求时，对蓄电池进行充电，对剩余的电能进行存储，存储在蓄电池中的电能一方面可以经变换电路后作为辅助电源为光伏发电系统中的控制与操作模块提供工作电压；另一方面可以在光伏输出功率不足时，如阴雨天、夜晚等缺乏光照条件，将光伏电池输出的低压直流电转换为高压直流电，由逆变单元将其转换为与外电网电压幅值、频率和相位相同的交流电后输出给外电网；同时，考虑到蓄电池放电电流对蓄电池使用寿命的影响，必须对蓄电池的输出电流加以限制，对蓄电池使用寿命进行保护。所以，在光伏发电系统中设计可靠、合理的蓄电池放电单元极为必要。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种太阳能蓄电池放电装置，其提高了电池的利用率和使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括主电路单元、驱动单元、保护单元、控制单元和辅助电源，主电路单元分别与驱动单元、保护单元、控制单元电连接，驱动单元、保护单元分别电连接辅助电源。

针对光伏电池发电系统关键组成部分蓄电池放电模块的设计，放电模块的主要功能是在光伏电池方阵输出功率小于外电网需求时，对蓄电池进行放电处理，通过直直变换电路，将幅值相对较低的蓄电池输出直流电压转换为幅值相对较高的直流电压，向逆变器输出，最终经逆变器将此高电压转换为符合频率和幅度等要求的交流电压。此外，放电控制器必须具有防止蓄电池深度放电的功能。

所述的主电路是实现占空比调节输出电压的执行单元，将放电模块输入端蓄电池输出的低压直流电转换为幅值相对较高的高压直流电输出，主电路单元包括直交变换电路、升压电路、整流电路和滤波输出电路，主电路采用基于PPFC的新型组合式推挽直直变换器拓扑结构，将四个独立且参数次相同的推挽正激变换器采用原边并联、副边绕组异名端串联的方式进行连接，以达到在满足输出功率的同时，通过对功率电流进行并联分流，减小流过单个开关管中功率电流值和实现直流升压的。

所述的驱动单元包括信号调理电路、保护功能电路、放大隔离电路与稳压输出电路，其中信号调理电路对控制板输出的两路25KHz、幅度为0～5V的PWM波信号转换为0V～+15V的PWM控制信号放大输出功能，同时通过对控制单元输出的PWM控制信号的预处理，尽可能的滤除控制信号中的毛刺；保护功能电路根据保护电路输出状态，对驱动信号进行使能控制；驱动电路具有负电压关断信号的输出能力；稳压输出电路稳定驱动电路输出电压范围。

所述的保护单元实现在过压、过流、欠压情况下对主电路进行保护，其包括输入信号采样电路、准电压产生电路、比较电路、锁存输出电路，其中输入信号采样电路：将电路中某一电量信息转换为0～5V的电压值，并将转换后的电压值输出给比较电路，从而实现对该电量信息的监控；基准电压产生电路：设置比较电路中的基准比较值，该值表示电压、电流上限值或下限值，实现电量信息的范围限制；比较电路：当输入信号采样电路输出的电压值大于或小于基准电压产生电路所设置的上限或下限时，比较电路将输出保护电平，使锁存电路锁存输出，实现对电路的保护；锁存输出电路：对从比较电路输出的保护电平进行锁存处理，使保护电路在进入锁存状态后，向驱动单元持续输出低电平保护信号，待保护电平复位后重新进入待保护状态。

所述的控制单元包括控制模块、缓冲输出电路、采样调理电路，控制模块分别与缓冲输出电路、采样调理电路电连接，所述的控制模块，对AD端口输入电压进行采样，并以此为根据，通过控制算法对采样值进行处理，控制器向主电路开关管控制极引脚输出特定占空比的开关控制信号，控制放电模块输出电压；所述的采样调理电路：实现对各种电参量的采样，并将采样信号进行限幅，滤除的由于电磁环境和开关管导通关断在滤除采样信号中形成的毛刺，保证输入到AD转换器的采样信号介于0～3.3V之间；所述的缓冲输出电路：提高控制模块输出0～3.3V的PWM控制信号幅度。

所述的控制模块包括PWM发生模块、数字PI调节器、AD转换模块、I/O接口电路。

本发明的蓄电池放电模块解决了以下设计难点：高功率输出，宽范围电压输入，蓄电池高输出电流。

附图说明

图1为本发明的模块结构示意图；

图2为本发明的主电路单元组成框图；

图3为主电路单元的电路示意图；

图4为驱动单元模块示意图；

图5为驱动单元电路示意图；

图6为保护单元模块示意图；

图7为保护单元电路示意图；

图8为控制单元模块示意图；

图9为控制单元电路示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的太阳能蓄电池放电装置，包括主电路单元、驱动单元、保护单元、控制单元和辅助电源，主电路单元分别与驱动单元、保护单元、控制单元电连接，驱动单元、保护单元分别电连接辅助电源。

蓄电池放电模块硬件电路工作流程如下所示：当控制单元检测到相关参量满足蓄电池放电条件时，这里相关参量指的是逆变器输入电压或放电模块输出端电压，控制单元周期性地通过对主电路输入输出电压等电量信息进行实时采样，并根据特定算法计算当前输出PWM控制信号占空比，由控制器端口电路向主电路开关管控制级输出双路、相位差为180o的PWM控制信号，通过间隔控制正、反向主电路开关管组导通时间，实现对放电模块输出电压幅度进行动态调节；考虑到控制单元输出的PWM控制信号的驱动能力以及强弱电隔离的设计需求，必须在下级电路中增加驱动单元。驱动单元根据当前保护单元输出信号状态实现对控制单元信号的放大、控制电路与主电路电气隔离等功能，即当保护单元输出为正常工作状态时，将控制单元输出的幅度为0～5V、频率为25KHz数字PWM控制信号转换为-15V～+15V开关控制信号；当电路出现异常使保护单元输出为保护状态时，驱动单元输出0占空比控制信号，关闭主电路开关管，实现对主电路的保护。保护单元用于监控电路状态，当电路出现异常时，向驱动单元输出保护信号，关闭开关管，实现对主电路的保护。主电路是实现直直变换的直接执行单元，根据控制电路输出的PWM开关控制信号控制开关管导通时间，实现对输出电压的稳定。

1、主电路单元设计

(1)主电路功能描述

主电路是实现占空比调节输出电压的执行单元，将放电模块输入端蓄电池输出的低压直流电转换为幅值相对较高的高压直流电输出。在本设计中，考虑到蓄电池输出电流所造成的蓄电池压降，直直变换器具有的输入电压具有较宽的范围，40～56V，额定48V，输出电压为340～360V，额定功率为5kW。考虑到原边功率开关管输入电流较高时对系统产生的负面影响。

(2)主电路组成

主电路单元组成框图如图2所示，按照功能划分，主电路主要包含四大部分，即直交变换部分、升压部分、整流部分和滤波输出部分：

(3)主电路详图

主电路采用基于PPFC的新型组合式推挽直直变换器拓扑结构，将四个独立且参数次相同的推挽正激变换器采用原边并联、副边绕组异名端串联的方式进行连接，以达到在满足输出功率的同时，通过对功率电流进行并联分流，减小流过单个开关管中功率电流值和实现直流升压的目的。主电路原理如图3所示：正反侧开关管组构成主电路中的直交变换电路，双侧开关管组交替导通，将蓄电池输入的额定48V直流电压变换为正负交变信号，向升压电路输出；升压电路由双端输入、单端输出的高频变压器构成，其匝数比为1：2.5，其作用是将直交变换电路输出的交变电压通过变压器磁路，由变压器副边向整流电路输出；整流电路将变压器副边输出的双向交流功率电压转换为单向功率电压，经过滤波电路，滤除其中的交流成分与脉动电流，向逆变器输出340～360V稳恒直流电压。

2、驱动单元设计

(1)驱动单元功能需求分析

作为控制电路的重要组成部分，驱动单元主要负责将由控制板输出的两路25KHz幅度为0～5V的PWM控制信号转换为幅度范围为-15V～+15VPWM开关信号，并将转换后的信号输出给开关管控制级，从而控制开关管在一个周期内的导通时间，达到控制输出电压的目的。其主要实现以下功能：

1)输出幅度稳定的PWM控制信号；

2)对控制单元输出的开关控制信号进行预处理，防止由于电磁干扰产生的毛刺导致开关管的误操作；

3)具有根据保护信号状态，对驱动信号进行使能控制，在电路出现异常时关闭所有主电路开关管，维护系统的稳定运行；

4)提高驱动信号高电平幅值并将低电平幅值调理到0V电压以下，保证与加速开关管的导通与截止；

5)尽量减小和避免主电路对其他单元的干扰，实现控制弱电信号与受控强电信号隔离。

(2)驱动单元组成

根据上述功能介绍，并结合模拟电子技术原理，共包含信号调理电路、保护功能电路、放大隔离电路与稳压输出电路构成，驱动单元设计框图如图4所示：

1)信号调理电路：

在设计蓄电池放电模块单元电路时，必须充分考虑开关管的开通与关断、高频变压器所产生的电磁干扰，所以信号调理电路不仅需要具备对控制板输出的两路25KHz、幅度为0～5V的PWM波信号转换为0V～+15V的PWM控制信号放大输出功能，同时必须对考虑电磁干扰带来的毛刺进行充分考虑，通过对控制单元输出的PWM控制信号的预处理，尽可能的滤除控制信号中的毛刺。

2)保护功能电路：

为防止由于过压或过流对主电路所造成的损害，必须在驱动电路中增加保护功能电路。其主要作用是根据保护电路输出状态，对驱动信号进行使能控制。即当出现过压、过流状况时，将会使驱动电路输出0占空比PWM信号，从而使开关管始终处于关断状态，达到对模块的保护功能。

3)放大与隔离电路：

为了实现功率开关管的可靠导通，必须增加PWM控制信号幅度。同时出于提高功率开关管关断速度与可靠性方面的考虑，驱动电路应具有负电压关断信号的输出能力，将PWM控制信号的关断电平设置为0V以下，即驱动电路输出的开关管关断控制电平必须远远小于0V。而且，为实现控制弱电信号与受控强电信号隔离，达到对模块的保护目的。

4)稳压输出电路：

为防止驱动信号电压绝对值过高减缓开关管导通或关断的速度，必须将驱动信号的幅值限制在一定范围之内。为此，为达到稳定驱动电路输出电压范围的目的，需要在驱动电路输出端增设稳压电路。

(3)驱动单元设计方案

信号调理电路：由于模块内存在高功率高频变压器，对模块内电磁环境的产生影响，所以驱动单元对于相对较弱的控制器输出的PWM控制信号应进行一定预处理，以防止由于受电磁干扰所产生的毛刺导致开关管的误导通。初步选用电压比较器实现对控制单元输出的PWM控制信号的预处理。输入驱动单元的的含有干扰杂波的PWM信号通过与基准电压进行比较，输出“高”与“低”两种电平信号，削弱毛刺对开关控制信号的影响。信号调理电路中，高电平信号为15V，低电平信号为0V。保护功能电路：保护电路输出信号P_Pro，低电平为保护状态输出，高电平为正常状态输出，P_Pro与PWM波信号进行与逻辑运算，运算逻辑关系如下式所示：

即当P_Pro为高电平时，保护单元控制驱动单元使能输出PWM实时控制信号；当P_Pro为低电平时，保护单元控制驱动单元输出始终为低电平，强制关闭主电路中所有功率开关管。

放大与隔离电路：放大电路采用由两个三极管组成的图腾柱结构，通过推挽对保护功能电路输出的PWM控制信号进行放大，并在图腾柱输出电路后级增加磁环变压器，进一步提高驱动信号幅度、产生负压关断控制信号，并实现控制电路与主电路的电气隔离。

稳压输出电路：为了稳定驱动电路输出的PWM控制信号的幅度，故在驱动电路末级增加稳压电路，从而达到稳定输出电压的目的。

(4)驱动单元原理图

根据设计方案，驱动单元原理图如图5所示：

3、保护单元设计

(1)保护单元功能需求分析

作为蓄电池放电模块的重要组成部分，保护电路主要实现在过压、过流、欠压等情况下对主电路进行保护，P_Pro保护信号低电平有效。当主电路工作正常时，P_Pro输出高电平信号，控制驱动单元处于输出使能状态，将控制单元输出的PWM开关控制信号经调理后，向开关管控制极引脚输出；当主电路出现异常导致相关电参量超出设定范围情况时，将会锁存输出低电平保护信号P_Pro，控制驱动单元处于非使能输出状态，关断主电路中的开关管，避免由于电路异常对蓄电池放电模块所产生的损害。

(2)保护单元电路组成

根据上述功能介绍，保护电路设计框图如图6所示：

输入信号采样电路：将电路中某一电量信息转换为0～5V的电压值，并将转换后的电压值输出给比较电路，从而实现对该电量信息的监控。

基准电压产生电路：设置比较电路中的基准比较值，该值表示电压、电流上限值或下限值。从而实现电量信息的范围限制。

比较电路：保护电路的核心器件，当输入信号采样电路输出的电压值大于或小于基准电压产生电路所设置的上限或下限时，比较电路将输出保护电平，使锁存电路锁存输出。从而实现对电路的保护。

锁存输出电路：对从比较电路输出的保护电平（低电平有效）进行锁存处理，使保护电路在进入锁存状态后，向驱动单元持续输出低电平保护信号，待保护电平复位后重新进入待保护状态。

(3)保护单元电路设计方案

输入信号采样电路：当监控对象为电压量时，采用电阻分压实现对该电压量实现采样；当监控对象为电流量时，选择电流传感器将电流信息转换为电压信息，再采用电阻分压实现对该电流量实现采样。

基准电压产生电路：参考电压通过串联电阻对电源电压分压产生，通过相对稳定的电源电压产生可靠的基准比较电压。

锁存输出电路：锁存输出电路采用基于基本RS触发器的锁存电路实现。真值表如下所示：

表1锁存输出电路真值表

根据此真值表，电路中通过将S端置为高电平，从而实现锁存电路对R的锁存处理。

(4)保护单元电路设计原理图

根据设计方案，保护电路设计原理图如图7所示

4、控制单元设计

(1)控制单元功能需求分析

作为蓄电池放电模块的核心控制部分，控制单元主要实现以下功能：

1)对放电模块进行流程控制，即首先根据外电网需求情况对放电条件进行判断，带进入蓄电池放电模式后，根据模块输入与输出电压控制放电模块的各流程有序进行，实现能源管理策略和对电路的保护功能；

2)通过RS232接口与外围元件进行通信，与其他模块进行协调工作；

3)通过LCD实时显示当前模块状态。

此外，考虑到高频变压器周围的电磁环境较为复杂，控制单元必须具有一定的抗干扰能力。

(2)控制单元组成

根据上述功能介绍，控制单元设计框图如图8所示：

(3)控制单元设计方案

采样调理电路：实现对各种电参量的采样，并将采样信号进行限幅，尽可能滤除的由于电磁环境和开关管导通关断在滤除采样信号中形成的毛刺，保证输入到AD转换器的采样信号介于0～3.3V之间。

控制模块：控制单元的核心器件，对AD端口输入电压进行采样，并以此为根据，通过特定控制算法对采样值进行处理，控制器向主电路开关管控制极引脚输出特定占空比的开关控制信号，达到控制放电模块输出电压的目的，这就要求控制器芯片具有较为丰富的片内硬件资源和高速处理速度；除此之外，控制模块同时担负着与其他模块协调工作的任务，需要与外围其他模块控制器进行通信，这就需要控制器具有丰富的外围接口和中断处理能力；最后，由于高频变压器和开关管的存在，蓄电池放电模块内部电磁环境较为复杂，这就需要控制模块具有较强的抗干扰能力。

缓冲输出电路：提高控制模块输出0～3.3V的PWM控制信号幅度，并增强控制信号的驱动能力，从而提高信号的抗干扰能力与带负载能力。

Claims (6)

1.一种太阳能蓄电池放电装置，其特征在于，包括主电路单元、驱动单元、保护单元、控制单元和辅助电源，主电路单元分别与驱动单元、保护单元、控制单元电连接，驱动单元、保护单元分别电连接辅助电源。

2.根据权利要求1所述的太阳能蓄电池放电装置，其特征在于，所述的主电路是实现占空比调节输出电压的执行单元，将放电模块输入端蓄电池输出的低压直流电转换为幅值相对较高的高压直流电输出，主电路单元包括直交变换电路、升压电路、整流电路和滤波输出电路，主电路采用基于PPFC的新型组合式推挽直直变换器拓扑结构，将四个独立且参数次相同的推挽正激变换器采用原边并联、副边绕组异名端串联的方式进行连接，以达到在满足输出功率的同时，通过对功率电流进行并联分流，减小流过单个开关管中功率电流值和实现直流升压的。

3.根据权利要求1所述的太阳能蓄电池放电装置，其特征在于，所述的驱动单元包括信号调理电路、保护功能电路、放大隔离电路与稳压输出电路，其中信号调理电路对控制板输出的两路25KHz、幅度为0～5V的PWM波信号转换为0V～+15V的PWM控制信号放大输出功能，同时通过对控制单元输出的PWM控制信号的预处理，尽可能的滤除控制信号中的毛刺；保护功能电路根据保护电路输出状态，对驱动信号进行使能控制；驱动电路具有负电压关断信号的输出能力；稳压输出电路稳定驱动电路输出电压范围。

4.根据权利要求1所述的太阳能蓄电池放电装置，其特征在于，所述的保护单元实现在过压、过流、欠压情况下对主电路进行保护，其包括输入信号采样电路、准电压产生电路、比较电路、锁存输出电路，其中输入信号采样电路：将电路中某一电量信息转换为0～5V的电压值，并将转换后的电压值输出给比较电路，从而实现对该电量信息的监控；基准电压产生电路：设置比较电路中的基准比较值，该值表示电压、电流上限值或下限值，实现电量信息的范围限制；比较电路：当输入信号采样电路输出的电压值大于或小于基准电压产生电路所设置的上限或下限时，比较电路将输出保护电平，使锁存电路锁存输出，实现对电路的保护；锁存输出电路：对从比较电路输出的保护电平进行锁存处理，使保护电路在进入锁存状态后，向驱动单元持续输出低电平保护信号，待保护电平复位后重新进入待保护状态。

5.根据权利要求1所述的太阳能蓄电池放电装置，其特征在于，所述的控制单元包括控制模块、缓冲输出电路、采样调理电路，控制模块分别与缓冲输出电路、采样调理电路电连接，所述的控制模块，对AD端口输入电压进行采样，并以此为根据，通过控制算法对采样值进行处理，控制器向主电路开关管控制极引脚输出特定占空比的开关控制信号，控制放电模块输出电压；所述的采样调理电路：实现对各种电参量的采样，并将采样信号进行限幅，滤除的由于电磁环境和开关管导通关断在滤除采样信号中形成的毛刺，保证输入到AD转换器的采样信号介于0～3.3V之间；所述的缓冲输出电路：提高控制模块输出0～3.3V的PWM控制信号幅度。

6.根据权利要求5所述的太阳能蓄电池放电装置，其特征在于，所述的控制模块包括PWM发生模块、数字PI调节器、AD转换模块、I/O接口电路。

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