CN104333107B - 一种使用混合电源的直流屏电源装置 - Google Patents

Abstract

一种使用混合电源的直流屏电源装置，有连接电源的电容充电单元、电池充电单元和交流监控单元，电容充电单元输出连接母线调压单元、第一馈线输出单元及电容模块，电容模块连接母线调压单元，母线调压单元输出连接第二馈线输出单元，电池充电单元输出端通过电池模块和DC/DC转换单元连接第二馈线输出单元，电容充电单元、电池充电单元、电容模块、电池模块、DC/DC转换单元、母线调压单元、第一馈线输出单元和第二馈线输出单元连接直流监控单元，第一馈线输出单元和第二馈线输出单元连接绝缘检测单元，电池模块连接电池巡检单元，交流监控单元、电池巡检单元、直流监控单元和绝缘检测单元输出连接与人机界面相连的总监控单元。本发明能够提供大电流充放电。

Description

一种使用混合电源的直流屏电源装置

技术领域

本发明涉及一种直流屏电源。特别是涉及一种含超级电容器模块和电池的使用混合电源的直流屏电源装置。

背景技术

超级电容器(又叫电化学电容器)是一种新型的电荷储备元件，具有容量大、支持大电流充放电、循环寿命长、低温特性好和环保无污染等优点，因此超级电容器在新能源、交通运输、工业等领域有着广阔的应用前景。

传统直流屏电源使用蓄电池作为后备电源，蓄电池虽然有着容量大的优点，但是随着现代社会的发展，对环境保护提出的更高要求，由于蓄电池电介质为铅酸介质，为重金属和酸性物质，电池报废后对环境的污染较为严重。在现代工业和纳米技术的迅速发展的今天，纳米技术在超级电容得到应用，使得电容的蓄电能力大大加强，因此，使用超级电容代替电池作为后备电源，符合低碳、环保的清洁能源的理念要求。考虑到电容容量的局限性，同时兼顾环保理念的要求和系统运行的可靠性，系统可采用锂电池作为控制母线的后备电源。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提供大电流充放电、循环寿命长、低温特性好、智能化管理及环保的使用混合电源的直流屏电源装置。

本发明所采用的技术方案是：一种使用混合电源的直流屏电源装置，包括有人机界面和与人机界面输入端相连接的总监控单元，还设置有分别与交流电源相连接的电容充电单元、电池充电单元和交流监控单元，所述的电容充电单元的输出端分别连接母线调压单元、第一馈线输出单元及电容模块，所述电容模块的输出还连接母线调压单元，所述母线调压单元的输出端连接第二馈线输出单元，所述电池充电单元的输出端依次通过电池模块和DC/DC转换单元连接第二馈线输出单元，所述的电容充电单元、电池充电单元、电容模块、电池模块、DC/DC转换单元、母线调压单元、第一馈线输出单元和第二馈线输出单元还分别连接直流监控单元，所述第一馈线输出单元和第二馈线输出单元还分别连接绝缘检测单元，所述的电池模块还连接电池巡检单元，所述的交流监控单元、电池巡检单元、直流监控单元和绝缘检测单元的输出分别连接与人机界面相连的总监控单元。

所述的电容充电单元和电池充电单元结构完全相同，均包括有依次相连的尖峰抑制EMI滤波电路、工频整流电路、PFC功率因数矫正电路、DC/AC高频逆变电路、高频整流电路、LC滤波电路和EMI滤波电路，其中，所述的尖峰抑制EMI滤波电路的输入端连接所述的交流电源，所述的EMI滤波电路的输出构成电容充电单元或电池充电单元的输出端，尖峰抑制EMI滤波电路和EMI滤波电路的输出端还连接脉宽调制电路，所述脉宽调制电路双向连接计算机监控单元，所述的EMI滤波电路输出端还连接计算机监控单元，所述计算机监控单元的输出端通过CAN总线连接DC/AC高频逆变电路的控制输入端。

所述的交流监控单元包括有：交流监控CPU处理器，与所述交流监控CPU处理器输入端相连的第一电压隔离变压器和第二电压隔离变压器，与所述交流监控CPU处理器输出端通过一个继电器相连的交流接触器，所述交流接触器的输出分别连接所述交流监控CPU处理器的输入端，以及连接报警装置，所述的交流监控CPU处理器还通过一个隔离电路连接RS485总线，并通过RS485总线连接所述的总监控单元。

所述的直流监控单元包括有：直流监控CPU处理器，分别通过A/D转换器与所述直流监控CPU处理器输入端相连的信号变换电路、霍尔传感器和温度传感器，所述直流监控CPU处理器的输出端通过一个继电器连接报警显示单元，所述的直流监控CPU处理器还通过一个隔离电路连接RS485总线，并通过RS485总线连接所述的总监控单元，其中，所述的信号变换电路的输入端为电压信号输入端，所述霍尔传感器的输入端为电流信号的输入端，所述温度传感器是分别设置在所述电容模块和电池模块上的温度传感器。

所述的母线调压单元包括有依次相连的电压检测电路、电压比较电路、控制调节电路和调压硅堆，其中，所述的电压检测电路的输入端通过合闸母线连接电容充电单元和电容模块，通过控制母线连接第二馈线输出单元，所述调压硅堆的输出通过控制母线连接第二馈线输出单元。

所述的电容模块是由2个以上的超级电容串并联构成，每两个超级电容之间设置有用于防止单体超级电容过充的电压均衡电路。

所述的电池模块是由2个以上的电池串并联构成。

所述的DC/DC转换单元是由两个DC/DC转换模块并机运行，两个模块之间设置有自动均流电路。

本发明的一种使用混合电源的直流屏电源装置，能够提供大电流充放电，既可以满足断路器合闸电流的要求，又能够满足智能化管理系统的需求，而且使用寿命长，低温特性良好，环保无污染，无需维护，适用性广。本发明具有低温特性好、智能化、支持大电流放电等特点，能够同时兼顾环保理念的要求和系统运行的可靠性，可以广泛地生产普及，具有重大的生产实践意义。

附图说明

图1是本发明的整体构成框图；

图2是本发明中电容充电单元和电池充电单元的构成框图；

图3是本发明中交流监控单元的构成框图；

图4是本发明中直流监控单元的构成框图；

图5是本发明中母线调压单元的构成框图。

图中

1：交流电源 2：电容充电单元

3：电池充电单元 4：电容模块

5：电池模块 6：DC/DC转换单元

7：母线调压单元 8：第一馈线输出单元

9：第二馈线输出单元 10：交流监控单元

11：电池巡检单元 12：总监控单元

13：人机界面 14：直流监控单元

15：绝缘检测单元 21：尖峰抑制EMI滤波电路

22：工频整流电路 23：PFC功率因数矫正电路

24：DC/AC高频逆变电路 25：高频整流电路25

26：LC滤波电路 27：EMI滤波电路

28：脉宽调制电路 29：计算机监控单元

31：第一电压隔离变压器 32：第二电压隔离变压器

33：交流监控CPU处理器 34：交流监控单元电源

35：继电器 36：交流接触器

37：隔离电路 38：RS485总线

41：信号变换电路 42：霍尔传感器

43：A/D转换器 44：直流监控CPU处理器

45：直流监控单元电源 46：温度传感器

47：继电器 48：隔离电路

49：报警单元 50：RS485总线

51：电压检测电路 52：电压比较电路

53：控制调节电路 54：调压硅堆

55：合闸母线 56：控制母线

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种使用混合电源的直流屏电源装置做出详细说明。

如图1所示，本发明的一种使用混合电源的直流屏电源装置，包括有人机界面13和与人机界面13输入端相连接的总监控单元12，还设置有分别与交流电源1相连接的电容充电单元2、电池充电单元3和交流监控单元10，所述的电容充电单元2的输出端分别连接母线调压单元7、第一馈线输出单元8及电容模块4，所述电容模块4的输出还连接母线调压单元7，所述母线调压单元7的输出端连接第二馈线输出单元9，所述电池充电单元3的输出端依次通过电池模块5和DC/DC转换单元6连接第二馈线输出单元9，所述的电容充电单元2、电池充电单元3、电容模块4、电池模块5、DC/DC转换单元6、母线调压单元7、第一馈线输出单元8和第二馈线输出单元9还分别连接直流监控单元14，所述第一馈线输出单元8和第二馈线输出单元9还分别连接绝缘检测单元15，所述的电池模块5还连接电池巡检单元11，所述的交流监控单元10、电池巡检单元11、直流监控单元14和绝缘检测单元15的输出分别连接与人机界面13相连的总监控单元12。

本发明的一种使用混合电源的直流屏电源装置，电容模块和电池模块混合使用作为直流屏的输出电源，交流正常运行时，电池充电单元3负责对电容模块进行充电，同时供合闸和控制母线负载；交流断电时，电容模块负责合闸母线负载，电池模块和DC/DC变换器负责控制母线负载。

本发明中，所述的电容模块4是由2个以上的超级电容串并联构成，每两个超级电容之间设置有用于防止单体超级电容过充的电压均衡电路。所述的电池模块5是由2个以上的电池串并联构成，作为控制母线的后备电源，交流断电时，电池负责控制母线负载。所述的DC/DC转换单元6是由两个DC/DC转换模块并机运行，两个模块之间设置有自动均流电路，避免了单个模块故障后全盘瘫痪的危险，增加系统的可靠性。

绝缘检测单元15负责采集第一馈线输出单元8和第二馈线输出单元9的正、负母线的对地电压和电阻，当出现绝缘异常时，对每一输出支路进行检测和判断，测量出接地电阻。同时将数据上传至总监控单元(PLC)12。

总监控单元(PLC)12对系统的交流单元、直流单元、绝缘等分单元的数据进行读取并监控，数据异常时进行报警；总监控单元(PLC)通过对电容模块和电池模块数据的采集来控制充电机的运行状态；总监控单元(PLC)通过对数据的采集，将数据上传至监控中心。

人机界面13对系统的开关状态、系统数据进行显示，同时系统故障时，显示系统的故障内容以及故障发生的时间和故障恢复时间，系统运行时，可以对充电机进行开关机操作，亦可对充电电压和电流以及报警参数进行设置，系统参数设置有密码保护。

所述的电容充电单元2和电池充电单元3结构完全相同。如图2所示，均包括有依次相连的尖峰抑制EMI滤波电路21、工频整流电路22、PFC功率因数矫正电路23、DC/AC高频逆变电路24、高频整流电路25、LC滤波电路26和EMI滤波电路27，其中，所述的尖峰抑制EMI滤波电路21的输入端连接所述的交流电源1，所述的EMI滤波电路27的输出构成电容充电单元2或电池充电单元3的输出端，尖峰抑制EMI滤波电路21和EMI滤波电路27的输出端还连接脉宽调制电路28，所述脉宽调制电路28双向连接计算机监控单元29，所述的EMI滤波电路27输出端还连接计算机监控单元29，所述计算机监控单元29的输出端通过CAN总线连接DC/AC高频逆变电路24的控制输入端。

交流监控单元10负责采集交流2路电源的电压，上传至总监控单元(PLC)12以便总监控单元12对系统的交流状态做出判断。如图3所示，所述的交流监控单元10包括有：交流监控CPU处理器33，与所述交流监控CPU处理器33输入端相连的第一电压隔离变压器31和第二电压隔离变压器32，与所述交流监控CPU处理器33输出端通过一个继电器35相连的交流接触器36，所述交流接触器36的输出分别连接所述交流监控CPU处理器33的输入端，以及连接报警装置，所述的交流监控CPU处理器33还通过一个隔离电路37连接RS485总线38，并通过RS485总线38连接所述的总监控单元12。

直流监控单元14负责采集电容器组和电池组的端电压和充、放电电流以及充电机电压、合闸母线、控制母线电压和电流，同时上传至总监控单元(PLC)12。如图4所示，所述的直流监控单元14包括有：直流监控CPU处理器44，分别通过A/D转换器43与所述直流监控CPU处理器44输入端相连的信号变换电路41、霍尔传感器42和温度传感器46，所述直流监控CPU处理器44的输出端通过一个继电器47连接报警显示单元49，所述的直流监控CPU处理器44还通过一个隔离电路48连接RS485总线50，并通过RS485总线50连接所述的总监控单元12，其中，所述的信号变换电路41的输入端为电压信号输入端，所述霍尔传感器42的输入端为电流信号的输入端，所述温度传感器46是分别设置在所述电容模块4和电池模块5上的温度传感器。

如图5所示，所述的母线调压单元7包括有依次相连的电压检测电路51、电压比较电路52、控制调节电路53和调压硅堆54，其中，所述的电压检测电路51的输入端通过合闸母线55连接电容充电单元2和电容模块4，通过控制母线56连接第二馈线输出单元9，所述调压硅堆54的输出通过控制母线连接第二馈线输出单元9。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实施方式的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种使用混合电源的直流屏电源装置，包括有人机界面（13）和与人机界面（13）输入端相连接的总监控单元（12），其特征在于，还设置有分别与交流电源（1）相连接的电容充电单元（2）、电池充电单元（3）和交流监控单元（10），所述的电容充电单元（2）的输出端分别连接母线调压单元（7）、第一馈线输出单元（8）及电容模块（4），所述电容模块（4）的输出还连接母线调压单元（7），所述母线调压单元（7）的输出端连接第二馈线输出单元（9），所述电池充电单元（3）的输出端依次通过电池模块（5）和DC/DC转换单元（6）连接第二馈线输出单元（9），所述的电容充电单元（2）、电池充电单元（3）、电容模块（4）、电池模块（5）、DC/DC转换单元（6）、母线调压单元（7）、第一馈线输出单元（8）和第二馈线输出单元（9）还分别连接直流监控单元（14），所述第一馈线输出单元（8）和第二馈线输出单元（9）还分别连接绝缘检测单元（15），所述的电池模块（5）还连接电池巡检单元（11），所述的交流监控单元（10）、电池巡检单元（11）、直流监控单元（14）和绝缘检测单元（15）的输出分别连接与人机界面（13）相连的总监控单元（12），所述的交流监控单元（10）包括有：交流监控CPU处理器（33），与所述交流监控CPU处理器（33）输入端相连的第一电压隔离变压器（31）和第二电压隔离变压器（32），与所述交流监控CPU处理器（33）输出端通过一个继电器（35）相连的交流接触器（36），所述交流接触器（36）的输出分别连接所述交流监控CPU处理器（33）的输入端，以及连接报警装置，所述的交流监控CPU处理器（33）还通过一个隔离电路（37）连接RS485总线（38），并通过RS485总线（38）连接所述的总监控单元（12）。

2.根据权利要求1所述的一种使用混合电源的直流屏电源装置，其特征在于，所述的电容充电单元（2）和电池充电单元（3）结构完全相同，均包括有依次相连的尖峰抑制EMI滤波电路（21）、工频整流电路（22）、PFC功率因数矫正电路（23）、DC/AC高频逆变电路（24）、高频整流电路（25）、LC滤波电路（26）和EMI滤波电路（27），其中，所述的尖峰抑制EMI滤波电路（21）的输入端连接所述的交流电源（1），所述的EMI滤波电路（27）的输出构成电容充电单元（2）或电池充电单元（3）的输出端，尖峰抑制EMI滤波电路（21）和EMI滤波电路（27）的输出端还连接脉宽调制电路（28），所述脉宽调制电路（28）双向连接计算机监控单元（29），所述的EMI滤波电路（27）输出端还连接计算机监控单元（29），所述计算机监控单元（29）的输出端通过CAN总线连接DC/AC高频逆变电路（24）的控制输入端。

3.根据权利要求1所述的一种使用混合电源的直流屏电源装置，其特征在于，所述的直流监控单元（14）包括有：直流监控CPU处理器（44），分别通过A/D转换器（43）与所述直流监控CPU处理器（44）输入端相连的信号变换电路（41）、霍尔传感器（42）和温度传感器（46），所述直流监控CPU处理器（44）的输出端通过一个继电器（47）连接报警显示单元（49），所述的直流监控CPU处理器（44）还通过一个隔离电路（48）连接RS485总线（50），并通过RS485总线（50）连接所述的总监控单元（12），其中，所述的信号变换电路（41）的输入端为电压信号输入端，所述霍尔传感器（42）的输入端为电流信号的输入端，所述温度传感器（46）是分别设置在所述电容模块（4）和电池模块（5）上的温度传感器。

4.根据权利要求1所述的一种使用混合电源的直流屏电源装置，其特征在于，所述的母线调压单元（7）包括有依次相连的电压检测电路（51）、电压比较电路（52）、控制调节电路（53）和调压硅堆（54），其中，所述的电压检测电路（51）的输入端通过合闸母线连接电容充电单元（2）和电容模块（4），通过控制母线连接第二馈线输出单元（9），所述调压硅堆（54）的输出通过控制母线连接第二馈线输出单元（9）。

5.根据权利要求1所述的一种使用混合电源的直流屏电源装置，其特征在于，所述的电容模块（4）是由2个以上的超级电容串并联构成，每两个超级电容之间设置有用于防止单体超级电容过充的电压均衡电路。

6.根据权利要求1所述的一种使用混合电源的直流屏电源装置，其特征在于，所述的电池模块（5）是由2个以上的电池串并联构成。

7.根据权利要求1所述的一种使用混合电源的直流屏电源装置，其特征在于，所述的DC/DC转换单元（6）是由两个DC/DC转换模块并机运行，两个模块之间设置有自动均流电路。