CN107196398A - 一种智能储能电池充放电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种智能储能电池充放电装置，包括双Buck电路，用于在智能控制器控制下，在充电模式下轮流工作而使交流电变压整流后形成的直流电输入至储能电池而对该储能电池充电；双Buck‑Boost电路，与所述储能电池相连接，用于在智能控制器控制下，在放电模式下轮流工作，将储存能电池的电能输送到负载。本发明实现能电池充放电控制的同时，由于采用双Buck电路及双Buck‑Boost电路形成冗余，避免单一电路长期持续工作时内部热量累积而造成的系统不稳定性,当其中一个电路在意外失效后,另一电路可继续运行,大大提高了系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及储能电池技术领域，具体涉及一种智能储能电池充放电装置。
背景技术
随着传统能源的枯竭和对环境保护要求的不断提高，电能等可再生、无污染的新能源正加速发展。而电能广泛存储在储能电池之中，储能电池也广泛应用在各个方面，例如电动汽车、照明系统和手持移动设备等。
当前，储能电池充放电装置作为电池管理系统的一部分，很少单独设计，大多依赖于复杂的系统，包括控制系统、CAN总线、电压采集和上位机的复杂模块。电池管理系统适用于较复杂的供电或储能系统，不具有便捷简易等特点且价格比较昂贵。简易的储能电池充放电控制装置，未能实现即时监控、即时处理和即时报警等功能，且存在着一定的安全隐患。常用的储能电池充放电装置使用电压比较器作为核心模块，通过比较储能电池的电压来达到控制充放电电路的断开与闭合，只能对特定的电池进行充电，对特定的负载进行放电。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种智能储能电池充放电装置，其通过采用双Buck电路和双Buck-Boost电路，配合电流传感器及单片机430F149，从而实现对储能电池的充放电，并可对充电模式或放电模式下的电压电流进行实时显示。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种智能储能电池充放电装置，包括
双Buck电路，用于在智能控制器控制下，在充电模式下轮流工作而使交流电变压整流后形成的直流电输入至储能电池而对该储能电池充电；
双Buck-Boost电路，与所述储能电池相连接，用于在智能控制器控制下，在放电模式下轮流工作，将储存能电池的电能输送到负载。
所述双Buck电路以及双Buck-Boost电路分别通过充电驱动电路、放电驱动电路与所述智能控制器相连接，所述智能控制器通过输出PWM控制双Buck电路、双Buck-Boost电路输出电压值，为储能电池充电，或由储能电池放电而为负载提供工作电压。
所述智能控制器连接电压电流采集模块，包括：
第一电压电流采集单元，用于充电模式下时，采集双Buck电路的电流输入侧的电压电流值；
第二电压电流采集单元，用于充电模式下时，采集双Buck电路的电流输出侧的电压电流值，或在放电模式下时，采集储能电池电流输出的电压电流值；
第三电压电流采集单元，用于放电模式下时，采集双Buck-Boost电路的电流输出侧的电压电流值。
所述电压电流采集模块包括ACS712传感器。
所述智能控制器还连接显示模块，用于实时显示当前的充放电的电压、电流和时间信息。
述智能控制器连接按键模块，用于选择设定充电工作模式、放电工作模式以及充放电电压值。
所述充电驱动电路、放电驱动电路分别包括两个光耦，四个所述光耦与所述智能控制器的PWM输出端连接，并分别通过光耦的PWM端与双Buck电路、双Buck-Boost电路的四个MOS管连接。
本发明通过Buck电路能实现对不同类型的储能电池或是同一类型不同额定电压值的储能电池进行充电，通过Buck-Boost电路实现同一储能电池对不同负载进行放电。
本发明将Buck和Buck-Boost电路与智能控制器相结合，使之成为一完整的闭环系统，消除了简易储能电池充放电装置开环系统的缺点，具有较高的稳定性；与复杂的电源管理系统相比，本发明只关注对储能电池的充放电，因此元件使用数量大大减少，整体成本也大大减少。
此外，本发明中使用双Buck电路和双Buck-Boost电路，在结构上构成冗余，避免单一电路长期持续工作时内部热量累积而造成的系统不稳定性,当其中一个电路在意外失效后,另一电路可继续运行,大大提高了系统的可靠性。
本发明可以实现对多种不同类型或不同额定电压值的储能电池进行充电，也可以实现同一储能电池对额定电压值不同的负载进行放电。
附图说明
图1是智能储能电池充放电装置的原理示意图；
图2是驱动电路的电路示意图；
图3-5分别是装置供电电路的电路图；
图6是双Buck电路的电路图；
图7是Buck-Boost电路的电路图；
图8是电压转换整流的电路图；
图9是按键模块的电路图；
图10是智能储能电池充放电装置的控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1-10所示，一种智能储能电池充放电装置，包括：
双Buck电路，用于在智能控制器控制下，在充电模式下通过该双Buck电路轮流工作而使交流电变压整流后形成的直流电输入至储能电池而对该储能电池充电；
双Buck-Boost电路，与所述储能电池相连接，用于在所述智能控制器控制下，在放电模式下通过该双Buck-Boost电路轮流工作，将所述储存能电池的电能输送到负载。
本发明通过双Buck电路以及双Buck-Boost电路在智能控制器的控制下，轮流交替工作，实现对储能电池的充电或是通过储能电池放电而对负载供电，双Buck电路以及双Buck-Boost电路在结构上构成冗余，避免单一电路长期持续工作时内部热量累积而造成的系统不稳定性,当其中一个电路在意外失效后,另一个电路可继续运行。
其中，所述智能控制器为TI公司的430F149，此款控制器具有良好的AD转换和PWM输出功，且具有低功耗特色。
具体的，所述双Buck电路以及双Buck-Boost电路分别通过充电驱动电路(驱动电路一)、放电驱动电路(驱动电路二)与所述智能控制器相连接，由所述智能控制器通过输出PWM以控制双Buck电路、双Buck-Boost电路输出电压值，为储能电池充电，或由储能电池放电而为负载提供工作电压。
其中，为了实现有效控制输出电压值，所述智能控制器连接电压电流采集模块，包括：
第一电压电流采集单元，用于充电模式下时，采集双Buck电路的电流输入侧的电压电流值；
第二电压电流采集单元，用于充电模式下时，采集双Buck电路的电流输出侧的电压电流值，或在放电模式下时，采集储能电池电流输出的电压电流值；
第三电压电流采集单元，用于放电模式下时，采集双Buck-Boost电路的电流输出侧的电压电流值。
具体的，所述电压电流采集模块采用ACS712传感器，可以测量正负30安电流，对应模拟量输出66mV/A。分别将采集的电压电流值输送到智能控制器，由所述智能控制器根据设定的输出电压值输出对应的PWM对双Buck电路、双Buck-Boost电路的输出电压进行控制，为储能电池充电，或为由储能电池放电而为负载提供工作电压。
进一步的，所述智能控制器还连接显示模块，用于实时显示当前的充放电的电压、电流和时间等信息。所述显示模块可以采用LCD1602。
为了实现对通过智能控制器进行工作模式的设定，所述智能控制器连接按键模块，用于键入设定工作模式，即储能电池充电模式和储能电池放电模式以及充放电电压值。具体的，所述按键模块包括三个按键S3,S4,S5,分别连接一个电阻R6,R7,R8，并联连接；并联一端接地GND，另一端接3.3V电压端，分别实现储能电池充电模式和储能电池放电模式以及充放电电压值选择设定。
具体的，所述双Buck电路包括两个并联设置的Buck电路，参见图6所示，双Buck电路包括双MOS管(Q2，Q4)，采用IRF540，双电感(L12,L14)、MOS电容(C18，C20)和四个续流二极管(D3，D5，D6，D7)，分别连接形成两个Buck电路，其中的二极管用于防止电流反向流入，电感和电容组成了一低通滤波器。当MOS管为通态时，输入端经MOS管和电感构成电流通道，提供能量给电感，二极管反向偏置，电感电流增大，负载电流由电容器上储存的能量提供。
当MOS管断开时，电感中的自感电势使二极管导通，储存在电感中的能量经二极管传递给电容，由电容输出到负载。
双Buck电路在结构上构成冗余，避免单一电路长期持续工作时内部热量累积而造成的系统不稳定性,当其中一个电路在意外失效后,另一电路可继续运行。
该双Buck电路的输出端buckout1，buckout2连接两个ACS712模块，一个ACS712模块并联在电路以检测电压，另一个ACS712模块串联在电路上以检测电流，形成第二电压电流检测单元。两个ACS712模块OUT管脚分别与智能控制器的连接脚(P6.1，P6.2)连接，其中检测电压的ACS712模块的IN1脚连接一个电阻R4与电路连接，通过端子P3与储能电池相连接，两个ACS712模块分别与每个Buck电路的输出端buckout1，buckout2相连接，以实现双Buck电路时实时检测一路Buck电路工作时的输出的电压电流值，或是放电模式下时检测储能电池的输出电压电流值。
参见图7所示，本发明中，所述双Buck-Boost电路，包括两个MOS管(Q1，Q3)，采用IRF540，两个电感(L1，L3)、两个电容(C17，C19)和两个二极管(D2，D4)，其中二极管主要防止电流反向流入。当MOS管导通时，输入电压与输出电压相隔离，电容为负载提供能量。当MOS管断开时，电感中的感应电势使二极管导通，电感为电容和负载提供能量。
双Buck-Boost电路，在结构上构成冗余，避免单一电路长期持续工作时内部热量累积而造成的系统不稳定性,当其中一个电路在意外失效后,另一电路可继续运行。
双Buck-Boost电路形成两个Buck-Boost电路单元，分别对应的与双Buck电路的两个输出端buckout1，buckout2相连接，通过其输出端out1，out2连接的端子P2与负载连接，而给负载供电。
其中，所述双Buck-Boost电路的对应的输出端out1，out2分别连接两个ACS712模块，形成第三电压电流检测单元，分别检测电压以及电流，其连接方式为一个并联以检测电压，一个串联以检测电流，并通过其OUT管脚与智能控制器对应脚(P6.4，P6.5)连接，工作时，双Buck-Boost电路共用所述第三电压电流检测单元，分别实现检测一路Buck-Boost电路工作时的输出的电压电流值。
本发明中，所述双Buck电路的输入侧连接电压转换及整流电路模块，用于对交流电进行电压转换及整流形成直流电给所述双Buck电路，参见图8所示，具体可以是包括：
变压器T1、整流桥D8、电容C2，变压器T1实现电压转换，整流桥D8进行整流后输出，变压器的匝数比为1:3,220v的交流电经变压整流后，转化为80v左右的直流电，其直流电输出端连接第一电流电压采集单元，包括两个ACS712电流传感器模块，一个串联连接，一个并联连接，分别检测电流及电压，并通过其OUT管脚与智能控制器的相应脚相连接(P6.6，P6.3))，其电流输出端buckin1，buckin2与双Buck电路的输入端连接，通过端子P4与交流电连接。
本发明中，所述充电驱动电路包括两个光耦U1，U2,放电驱动电路包括两个光耦U3，U4，分别连接12V工作电压，并分别与智能控制器的相应脚连接(如对应的P41.-4.4脚)四个光耦U1，U2，U3，U4的PWM端分别四个MOS管Q1,Q2,Q3,Q4对应连接，在智能控制器的控制下分别对应输出PWM1，PWM2，PWM3，PWM4给四个MOS管Q1,Q2,Q3,Q4，控制MOS管Q1,Q2,Q3,Q4的开关状态。
本发明中，还包括装置供电电路，用于给智能控制器以及与智能控制器连接的按键模块、显示模块供工作用电，其可输出12v、3.3v、5v，包括VRA4812LD、LM1117、LM7805，其输入端通过切换开关S1，可切换连接斩电流输入端buckin1,buckout1,buckin2,buckout2，通过电容C11,电压转换芯片U5(VRA4812LD)及电容C12形成的电压转换电路，转换成12V电压输出为驱动电路提供工作用电，并可将12V电压通过LM7805芯片形成的转换电路(包括输入侧电容C1，C6，输出侧电容C7，C2)转换成装置的VCC电压，通过LM1117及电容C3，C8形成的转换电路可输出3.3V电压供智能控制器、显示模块以及按键模块使用。
本发明的具体工作流程如下。
根据按键模块选择当前工作模具为储能电池充电模式和储能电池放电模式。充电时，变压器输入端P4接入220v交流电，经降压整流后，转化为80v左右的直流电。开关S1接入80v左右的直流电，经U5降压后，转化为12v直流电、3.3v直流电，为驱动电路及智能控制器等提供电源。根据储能电池类型和所需充电电压，按键输入此时需要的充电工作电压，智能控制器输出PWM，经驱动电路后传递到MOS管中，以控制Buck电路的输出电压值，为储能电池充电。
在为储能电池充电过程中，2个Buck电路轮流工作，第一电压电流采集单元采集Buck电路输入端的电压与电流，第二电压电流采集单元采集Buck电路输出端的电压与电流，显示模块显示采集的实时电压和电流。
若第一电压电流采集单元或第二电压电流采集单元采集的数据异常，单片机MSP1停止PWM输出，停止充电，对电路起到保护作用。若储能电池已饱和，则停止充电，显示模块显示“完成”。
在储能电池放电模式下，开关S1接入80v左右的直流电，经U5降压后，转化为12v直流电、3.3v直流电，为驱动电路及智能控制器等提供电源。根据负载正常工作电压，按键输入此时需要充电工作电压，智能控制器输出PWM，经驱动电路后传递到MOS管中，以控制Buck-Boost电路的输出电压值，为负载提供工作电压。在储能电池放电过程中，2个Buck-Boost电路轮流工作，第二电压电流采集单元采集储能电池所输出的电压与电流，第三电压电流采集单元采集Buck-Boost电路输出端的电压与电流，显示模块显示采集的实时电压和电流。
若第二电压电流采集单元或第三电压电流采集单元采集的数据异常，立即停止放电，即智能控制器停止PWM输出，实现放电的自我保护功能，实现了出现意外情况自动停止工作。
此外，本发明还可实现储能电池的恒流放电，以供负载正常工作。
具体的，在对采集的电压电流数据处理时，采用滤除突变值，多项取均值的方法处理。如读取n组数据，每组m个数据，每组分别求均值，把每一组中绝对偏差值较大的a个数据舍去，保留偏差值较小的m-a个数据，n组共n*(m-a)个数据，将这n*(m-a)个数据再次求取平均值,最终值为智能控制器用于智能控制的数据值，n，m，a均为自然数。
在调节PWM占空比时，可设定比较阈值，将比较阈值分别上阈值与下阈值，以控制PWM的调节步进值，如当实际充电电压的反馈值与设定的充电电压值的差值大于上阈值时，PWM占空比的调节步进值为第一比例值，当实际充电电压的反馈值与设定的充电电压值的差值小于上阈值而大于下阈值，PWM占空比的调节步进值为第二比例值，当实际充电电压的反馈值与设定的充电电压值的差值小于下阈值，PWM占空比的调节步进值为第三比例值。
如设定上阈值与下阈值分别为2v和0.2v。当实际反馈值与设定值的差值大于2v时，PWM占空比的调节步进值为10％，当实际反馈值与设定值的差值小于2v而大于0.2v，PWM占空比的调节步进值为1％，当实际反馈值与设定值的差值小于0.2v，PWM占空比的调节步进值为0.1％。
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，在不脱离本发明原理的前提下，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)
1.一种智能储能电池充放电装置，其特征在于，包括：
双Buck电路，用于在智能控制器控制下，在充电模式下轮流工作而使交流电变压整流后形成的直流电输入至储能电池而对该储能电池充电；
双Buck-Boost电路，与所述储能电池相连接，用于在智能控制器控制下，在放电模式下轮流工作，将储存能电池的电能输送到负载。
2.根据权利要求1所述智能储能电池充放电装置，其特征在于，所述双Buck电路以及双Buck-Boost电路分别通过充电驱动电路、放电驱动电路与所述智能控制器相连接，所述智能控制器通过输出PWM控制双Buck电路、双Buck-Boost电路输出电压值，为储能电池充电，或由储能电池放电而为负载提供工作电压。
3.根据权利要求1所述智能储能电池充放电装置，其特征在于，所述智能控制器连接电压电流采集模块，包括：
第一电压电流采集单元，用于充电模式下时，采集双Buck电路的电流输入侧的电压电流值；
第二电压电流采集单元，用于充电模式下时，采集双Buck电路的电流输出侧的电压电流值，或在放电模式下时，采集储能电池电流输出的电压电流值；
第三电压电流采集单元，用于放电模式下时，采集双Buck-Boost电路的电流输出侧的电压电流值。
4.根据权利要求3所述智能储能电池充放电装置，其特征在于，所述电压电流采集模块包括ACS712传感器。
5.根据权利要求1所述智能储能电池充放电装置，其特征在于，所述智能控制器还连接显示模块，用于实时显示当前的充放电的电压、电流和时间信息。
6.根据权利要求1所述智能储能电池充放电装置，其特征在于，所述智能控制器连接按键模块，用于选择设定充电工作模式、放电工作模式以及充放电电压值。
7.根据权利要求1所述智能储能电池充放电装置，其特征在于，所述充电驱动电路、放电驱动电路分别包括两个光耦，四个所述光耦与所述智能控制器的PWM输出端连接，并分别通过光耦的PWM端与双Buck电路、双Buck-Boost电路的四个MOS管连接。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Dai Fengzhi Inventor after: Wei Baochang Inventor after: Chang Shengbiao Inventor after: Mao Runhua Inventor after: OuYang Yuxing Inventor after: Bian Ce Inventor after: Qin Yiqiao Inventor after: Liu Bo Inventor before: Dai Fengzhi Inventor before: Wei Baochang Inventor before: Chang Shengbiao Inventor before: Mao Runhua Inventor before: OuYang Yuxing Inventor before: Bian Ce Inventor before: Qin Yiqiao Inventor before: Liu Bo |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170922 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |