CN106451752A - 一种适用于ups的电池均压电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于UPS的电池均压电路，连接用于检测第一蓄电池组和第二蓄电池组的电压是否相同并输出对应的控制信号的控制芯片、第一蓄电池组和第二蓄电池组；电池均压电路包括第一控制模块、第二控制模块和直流调节模块；所述第一控制模块根据控制信号控制第一蓄电池组的充电状态，第二控制模块根据控制信号控制第二蓄电池组的充电状态；直流调节模块调节两个蓄电池组的输出电压的直流偏置，使两个蓄电池组均压；使两个蓄电池组保持相同的输出电压，避免出现一个过充一个过放的情况，从而有效延长蓄电池的使用寿命。

Description

一种适用于UPS的电池均压电路

技术领域

本发明涉及电能转换技术领域，特别涉及一种适用于UPS的电池均压电路。

背景技术

UPS（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply），即不间断电源，是将蓄电池（多为铅酸免维护蓄电池）与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的电路设备。随着能源行业、互联网行业、轨道交通行业以及智能制造行业近几年的飞速发展，UPS电源的应用领域不断扩大，要求也不断提高。UPS要达到用户需求难以独善其身，必须对整个用电电路所涉及的环节进行控制。在带中线的逆变输出电路中，当使用蓄电池进行供电时，器件之间的参数差异导致逆变输出电压存在直流偏置或电压不对称的状态。长期运行将导致直流侧的上下两组蓄电池的电压不一致，即导致其中一组电池发生过放故障。而在对蓄电池充电时，由于上下两个蓄电池组电压不一致，将导致其中电压较高的一组蓄电池组发生过充故障，长期运行则影响蓄电池的使用寿命。

因此，有必要对现有技术进行改进。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种适用于UPS的电池均压电路，以解决现有UPS存在直流偏置导致两组蓄电池发生一组过充，另一组过放的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种适用于UPS的电池均压电路，连接用于检测第一蓄电池组和第二蓄电池组的电压是否相同并输出对应的控制信号的控制芯片、第一蓄电池组和第二蓄电池组，其包括第一控制模块、第二控制模块和直流调节模块；

所述第一控制模块根据控制信号控制第一蓄电池组的充电状态，第二控制模块根据控制信号控制第二蓄电池组的充电状态；直流调节模块调节两个蓄电池组的输出电压的直流偏置，使两个蓄电池组均压。

所述的适用于UPS的电池均压电路，其中，所述第一控制模块包括第一电容、第一二极管、第一晶闸管和第一开关管；

所述第一电容的正极连接第一二极管的正极和输出端，第一电容的负极连接直流调节模块和中间输出端；第一二极管的正极连接第一晶闸管的阴极、第一开关管的漏极和输入端；第一二极管的负极连接第一晶闸管的阳极和第一蓄电池组的正极；第一开关管的源极连接第一蓄电池组的负极、第二控制模块和直流调节模块；第一晶闸管的门极和第一开关管的栅极均连接控制芯片。

所述的适用于UPS的电池均压电路，其中，所述第二控制模块包括第二电容、第二二极管、第二晶闸管和第二开关管；

所述第二电容的正极连接直流调节模块和中间输出端，第二电容的负极接地，第二二极管的正极连接第二晶闸管的阴极第二开关管的漏极和第一开关管的源极；第二二极管的负极连接第二晶闸管的阳极和第二蓄电池组的正极；第二开关管的源极连接第一蓄电池组的负极和地；第二晶闸管的门极和第二开关管的栅极均连接控制芯片。

所述的适用于UPS的电池均压电路，其中，所述直流调节模块包括第一双向开关、第二双向开关、第三电容和第四电容；

所述第三电容的正极连接第二双向开关的一端、第二二极管的正极和第一开关管的源极；第三电容的负极连接第一双向开关的一端，第一双向开关的另一端连接第四电容的正极和中间输出端，第四电容的负极连接第二双向开关的另一端。

所述的适用于UPS的电池均压电路，其中，所述第一开关管和第二开关管为氮化镓功率器件。

所述的适用于UPS的电池均压电路，其中，所述电池均压电路还包括电感；

所述电感的一端连接输入端，电感的另一端连接第一二极管的正极和第一电容的正极。

相较于现有技术，本发明提供的适用于UPS的电池均压电路，连接用于检测第一蓄电池组和第二蓄电池组的电压是否相同并输出对应的控制信号的控制芯片、第一蓄电池组和第二蓄电池组；电池均压电路包括第一控制模块、第二控制模块和直流调节模块；所述第一控制模块根据控制信号控制第一蓄电池组的充电状态，第二控制模块根据控制信号控制第二蓄电池组的充电状态；直流调节模块调节两个蓄电池组的输出电压的直流偏置，使两个蓄电池组均压；使两个蓄电池组保持相同的输出电压，避免出现一个过充一个过放的情况，从而有效延长蓄电池的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例提供的适用于UPS的电池均压电路的结构框图。

图2为本发明实施例提供的适用于UPS的电池均压电路的电路图。

图3为与电池均压电路连接的控制芯片的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种适用于UPS的电池均压电路，涉及电池组均压技术，可动态调整两组蓄电池的充放电状态，从而有效延长蓄电池的使用寿命。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明提供的一种适用于UPS的电池均压电路，连接控制芯片，还连接第一蓄电池组U1和第二蓄电池组U2。所述电池均压电路包括第一控制模块110、第二控制模块120和直流调节模块130；所述第一控制模块110连接第一蓄电池组U1、第二控制模块120和直流调节模块130；第二控制模块120连接第二蓄电池组和直流调节模块130。控制芯片检测第一蓄电池组U1和第二蓄电池组U2的电压是否相同并输出对应的控制信号；所述第一控制模块110根据控制信号控制第一蓄电池组U1的充电状态，第二控制模块120根据控制信号控制第二蓄电池组U2的充电状态；直流调节模块130用于调节两个蓄电池组的输出电压的直流偏置，使两个蓄电池组均压；从而使两个蓄电池组保持相同的输出电压。

请一并参阅图2，所述第一控制模块110包括第一电容C1、第一二极管D1、第一晶闸管SCR1和第一开关管Q1；所述第一电容C1的正极连接第一二极管D1的正极和输出端DCout，第一电容C1的负极连接直流调节模块130和中间输出端N；第一二极管D1的正极连接第一晶闸管SCR1的阴极（K）、第一开关管Q1的漏极和输入端DCin；第一二极管D1的负极连接第一晶闸管SCR1的阳极（A）和第一蓄电池组U1的正极；第一开关管Q1的源极连接第一蓄电池组U1的负极、第二控制模块120和直流调节模块130；第一晶闸管SCR1的门极（G）和第一开关管Q1的栅极均连接控制芯片。

所述第二控制模块120包括第二电容C2、第二二极管D2、第二晶闸管SCR2和第二开关管Q2；所述第二电容C2的正极连接直流调节模块130和中间输出端N，第二电容C2的负极接地，第二二极管D2的正极连接第二晶闸管SCR2的阴极（K）第二开关管Q2的漏极和第一开关管Q1的源极；第二二极管D2的负极连接第二晶闸管SCR2的阳极（A）和第二蓄电池组U2的正极；第二开关管Q2的源极连接第一蓄电池组U1的负极和地；第二晶闸管SCR2的门极（G）和第二开关管Q2的栅极均连接控制芯片。

需要理解的是，控制芯片的电路结构和功能为现有技术，例如可采用型号为TMS320F28377D的DSP控制芯片；其ADCINA0（43）脚连接第一蓄电池组U1、ADCINA1（42）脚连接第二蓄电池组U2以检测对应蓄电池组的电压。控制芯片的GPIO0（160）脚连接第一晶闸管的门极，GPIO1（161）脚连接第一开关管的栅极，GPIO2（162）脚连接第二晶闸管的门极，GPIO3（163）脚连接第二开关管Q2的栅极；从而输出对应的控制信号以实现充放电状态的动态调整。图3中仅示出控制芯片中与本实施例有关的引脚，其他引脚与本实施例无关且为现有技术。本实施例仅使用其输出的控制信号。现有技术中第一蓄电池组U1和第二蓄电池组U2连接了相应的充放电电路。本实施例提供的电池均压电路是对现有充放电电路的改进，以达到充电过程中两个蓄电池组电压不相等时，调节直流偏置以增大对电压较小的蓄电池组的充电力度，使两者电压相等，这样动态调整两个蓄电池组的充放电状态，从而有效延长蓄电池的使用寿命；避免出现一个过充一个过放的情况。

所述直流调节模块130包括第一双向开关131、第二双向开关132、第三电容C3和第四电容C4；所述第三电容C3的正极连接第二双向开关132的一端、第二二极管D2的正极和第一开关管Q1的源极；第三电容C3的负极连接第一双向开关131的一端，第一双向开关131的另一端连接第四电容C4的正极和中间输出端N，第四电容C4的负极连接第二双向开关132的另一端。

其中，所述第一双向开关131和第二双向开关132的结构如图2所示，其为现有技术，此处不作详述。所述第一开关管Q1和第二开关管Q2为氮化镓功率器件（GaN FET）。通过对晶闸管、氮化镓功率器件的开关控制，使得上下两个蓄电池组能保持相同的输出电压。两个双向开关主要起到调节输出直流偏置和调节直流侧电池实现均压的作用。

请继续参阅图2，所述电池均压电路的工作原理为：

当使用直流母线对蓄电池组充电时（即输入端DCin有电流输入），若控制芯片检测第一蓄电池组U1和第二蓄电池组U2的电压相等，则控制芯片输出对应的电平信号（控制信号的一种，高电平还是低电平由开关管的类型决定）使第一开关管Q1和第二开关管Q2均保持关断（即断开）。充电电流一方面通过第一二极管D1对第一蓄电池组U1充电；另一方面依次通过第一电容C1、第四电容C4、第二开关管Q2、第二二极管D2对第二蓄电池组U2充电。

若控制芯片检测充电过程中第一蓄电池组U1和第二蓄电池组U2的电压不同相等，此时分为两种情况：

一是第一蓄电池组U1的电压高于第二蓄电池组U2的电压（即U1>U2），此时控制芯片使第一开关管Q1工作于PWM状态（即输出周期脉冲信号（另一种控制信号）给第一开关管Q1，使其周期的导通、断开），并且第二开关管Q2保持关断。则充电电流在第一开关管Q1导通时传输至第二二极管D2对第二蓄电池组U2充电，第一开关管Q1断开时同时对第一蓄电池组U1和第二蓄电池组U2充电，从而逐步升高第二蓄电池组U2的电压至两者相等。

二是第一蓄电池组U1的电压低于第二蓄电池组U2的电压（即U1<U2），此时控制芯片使第二开关管Q2工作于PWM状态（即输出周期脉冲信号给第二开关管Q2，使其周期的导通、断开），并且第一开关管Q1保持关断。则充电电流在第二开关管Q2导通时传输至第一二极管D1对第一蓄电池组U1充电，第二开关管Q2断开时同时对第一蓄电池组U1和第二蓄电池组U2充电，从而逐步升高第一蓄电池组U1的电压至两者相等。

当使用第一蓄电池组U1和第二蓄电池组U2进行逆变输出时，控制芯片使第一开关管Q1和第二开关管Q2均保持关断，第一晶闸管SCR1和第二晶闸管SCR2均保持导通。第一蓄电池组U1的电压通过第一晶闸管SCR1传输至输出端DCout（其连接现有的输出逆变模块），从而对外提供电能。第二蓄电池组U2的电压依次通过第二晶闸管SCR2、第三电容C3、第一双向开关131传输至中间输出端N（其连接现有的三相电源中线），从而对外提供电能。由于第一电容C1的电压正常情况下应等于第一蓄电池组U1的电压，第二电容C2的电压正常情况下应等于第二蓄电池组U2的电压。在输出时，通过这两个电容的电压可以使输出的电能更加稳定。

所述第一电容C1和第二电容C2既能被充电，又能对相应的蓄电池组充电。例如，第一电容C1的充电回路从其正极出发、到第一二极管D1、第一蓄电池组U1的正极、第一蓄电池组U1的负极、第二双向开关132、第四电容C4、返回到第一电容C1的负极，从而实现第一电容C1对第一蓄电池组U1充电。同理，第二电容C2的充电回路从其正极出发、到第一双向开关131、第三电容C3、第二二极管D2、第二蓄电池组U2的正极、第二蓄电池组U2的负极、地（第二电容C2的负极接地），从而实现第二电容C2对第二蓄电池组U2充电。

在具体实施时，所述电池均压电路还包括电感L；所述电感L的一端连接输入端DCin，电感L的另一端连接第一二极管D1的正极和第一电容C1的正极。所述电感L用于对输入的电压进行直流滤波。

综上所述，本发明提供的适用于UPS的电池均压电路能动态调整两组蓄电池的充放电状态，调节输出电压的直流偏置，使两个蓄电池组均压；使两个蓄电池组保持相同的输出电压，避免出现一个过充一个过放的情况，从而有效延长蓄电池的使用寿命。

与现有技术相比，电池均压电路采用晶闸管和氮化镓功率器件，能兼顾大输出电流以及高开关频率的应用场合；其电路结构非常简单，成本很低，可靠性强。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于UPS的电池均压电路，连接用于检测第一蓄电池组和第二蓄电池组的电压是否相同并输出对应的控制信号的控制芯片、第一蓄电池组和第二蓄电池组，其特征在于，包括第一控制模块、第二控制模块和直流调节模块；

所述第一控制模块根据控制信号控制第一蓄电池组的充电状态，第二控制模块根据控制信号控制第二蓄电池组的充电状态；直流调节模块调节两个蓄电池组的输出电压的直流偏置，使两个蓄电池组均压。

2.根据权利要求1所述的适用于UPS的电池均压电路，其特征在于，所述第一控制模块包括第一电容、第一二极管、第一晶闸管和第一开关管；

所述第一电容的正极连接第一二极管的正极和输出端，第一电容的负极连接直流调节模块和中间输出端；第一二极管的正极连接第一晶闸管的阴极、第一开关管的漏极和输入端；第一二极管的负极连接第一晶闸管的阳极和第一蓄电池组的正极；第一开关管的源极连接第一蓄电池组的负极、第二控制模块和直流调节模块；第一晶闸管的门极和第一开关管的栅极均连接控制芯片。

3.根据权利要求2所述的适用于UPS的电池均压电路，其特征在于，所述第二控制模块包括第二电容、第二二极管、第二晶闸管和第二开关管；

所述第二电容的正极连接直流调节模块和中间输出端，第二电容的负极接地，第二二极管的正极连接第二晶闸管的阴极第二开关管的漏极和第一开关管的源极；第二二极管的负极连接第二晶闸管的阳极和第二蓄电池组的正极；第二开关管的源极连接第一蓄电池组的负极和地；第二晶闸管的门极和第二开关管的栅极均连接控制芯片。

4.根据权利要求3所述的适用于UPS的电池均压电路，其特征在于，所述直流调节模块包括第一双向开关、第二双向开关、第三电容和第四电容；

所述第三电容的正极连接第二双向开关的一端、第二二极管的正极和第一开关管的源极；第三电容的负极连接第一双向开关的一端，第一双向开关的另一端连接第四电容的正极和中间输出端，第四电容的负极连接第二双向开关的另一端。

5.根据权利要求3所述的适用于UPS的电池均压电路，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管为氮化镓功率器件。

6.根据权利要求4所述的适用于UPS的电池均压电路，其特征在于，所述电池均压电路还包括电感；

所述电感的一端连接输入端，电感的另一端连接第一二极管的正极和第一电容的正极。