CN110190659A - 一种高压脉冲电容充电装置 - Google Patents

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Abstract

一种高压脉冲电容充电装置，包括电池及充电单元、整流电源和连接开关，电池及充电单元包括依次串联的储能电感和n个电池及充电模块，串联结构的两端连接整流电源的输出电压；电池及充电模块包括并联的电池模块和双向DC/DC模块，n个电池及充电模块中的双向DC/DC模块与储能电感构成级联双向DC/DC；电池及充电单元两端电压通过连接开关加在脉冲电容上，当连接开关断开时由级联双向DC/DC控制整流电源向电池模块充电，当连接开关闭合时由级联双向DC/DC控制电池模块向脉冲电容充电。本发明将电池充电装置和脉冲电容充电装置由同一套电路完成，同时采用级联结构提高等效开关频率，具有高效率、低体积的效果。

Description

一种高压脉冲电容充电装置
技术领域
本发明属于电力电子装置领域，电磁弹射等场所需要高压脉冲功率，脉冲功率通常由高压脉冲电容器放电得到，本发明涉及一种高压脉冲电容充电装置，能够以高电压、大功率给高压脉充电容多次充电。
背景技术
电磁炮等电磁推进装置因为成本低、射程远、稳定性好等优势倍受关注。电磁推进装置工作时，需要在很短时内发出几十到几百兆焦的能量，从而产生巨大的驱动力，将发射体高速推出。为了减小外部供电电源的容量，通常采用供电电源+储能系统+脉充电容的三级电源结构。
一级电源通常是由外部电网或以发电车发出的交流电或直流电，在推进装置工作之前以较小功率给二级电源供电，将能量存储起来；二级电源通常是由电池、超导或飞轮等组成的具有储能功能的电源系统，在推进装置工作之前将储存的能量在很短时间内以高压、大功率给三级储能脉冲电容充电，为推进器驱动作好准备。三级电源由脉冲电容提供，在极短时间里给发射装置放出兆焦能量，从而产生巨大的推力。
为了保证推进装置具备短时多次发射的能力，二级电源储能系统完成给三级储能脉冲电容一次充电时间通常只有几秒钟，充电功率达数MW；同时二级储能系统储存的能量要满足推进系统多次发射的要求，二次储能系统储存总能量是脉冲电容储存能量的数倍。
给推进系统供电的脉冲电容额定电压通常是几千伏，因此，储能系统及其充放电装置属于高电压、大功率设备。因为电压高，储能系统储能电池要用多个电池模块串联而成，储能电池系统与脉冲电容间采用高压、大功率充电装置连接。
图1所示的是现有脉冲电容充电装置结构图。给脉冲电容充电时，串联开并K11-Kn1合上，1#电池模块-n#电池模块串联成数千伏的高压直流电压，通过电容充电装置由电池给脉冲电容充电。
在给脉冲电容充电前，必须先给电池充电，让电池储满能量。为了降低电池充电装置的电压等级，通常采用给每个电池模块单独充电的方式给电池充电，充电装置结构如图2所示。图2中，1#电池模块-n#电池模块分别通过开关K11、K12—K1n、K2n与电池充电装置相连，依次完成充电过程。电池充电完成后，通过开关切换使1#电池模块-n#电池模块切换到如图1所示串联结构，为脉冲电容充电作好准备。这种方案存在如下问题：
其一、储能电池在充电时的电路与其给脉冲电容充电时的电路是两个不同电路，两个电路要用多个开关切换才能完成工况转换，切换时间较长(据了解需要30分钟左右)；
其二、电池充电装置和脉冲电容充电装置是两套独立系统，增加了系统体积、重量和成本，不利于系统小型化。
发明内容
针对上述传统的脉冲电容充电装置存在的开关切换复杂、电池充电和放电是两套独立系统的不足之处，本发明提出一种高压脉冲电容充电装置，利用电池储能作二次储能电源系统给脉冲电容的充电，电池充电和脉冲电容充电由同一套电路完成，电池充电和脉冲电容充电这两种工作状态切换只需要通过控制模式改变即可实现，无需复杂的开关转换。本发明提出的充电装置节约了系统整备时间，提高了效率；减小了系统的重量和体积，提高了系统的机动性。
本发明的技术方案为：
一种高压脉冲电容充电装置，包括电池及充电单元、整流电源和连接开关，
所述电池及充电单元包括依次串联的储能电感和n个电池及充电模块，串联结构的两端连接所述整流电源的输出电压，其中n为正整数；所述电池及充电模块包括并联的电池模块和双向DC/DC模块，n个所述电池及充电模块中的双向DC/DC模块与储能电感构成级联双向DC/DC；
所述电池及充电单元两端电压由所述连接开关控制加在所述脉冲电容的两端，当所述连接开关断开时由所述级联双向DC/DC控制所述整流电源向n个所述电池及充电模块中的电池模块充电，当所述连接开关闭合时由所述级联双向DC/DC控制n个所述电池及充电模块中的电池模块向所述脉冲电容充电。
具体的，第i个所述电池及充电模块中双向DC/DC模块包括直流侧支撑电容、第一功率开关器件、第二功率开关器件、与第一功率开关器件反并联的第一二极管和与第二功率开关器件反并联的第二二极管，第一功率开关器件的一端连接直流侧支撑电容的一端和第i个所述电池及充电模块中电池模块的一端，其另一端连接第二功率开关器件的一端；第二功率开关器件的另一端连接直流侧支撑电容的另一端和第i个所述电池及充电模块中电池模块的另一端；第二功率开关器件的两端分别作为第i个所述电池及充电模块的输入端和输入端连接第i-1个所述电池及充电模块的输出端和第i+1个所述电池及充电模块的输入端，i∈[2，n-1]；第1个所述电池及充电模块的输入端通过储能电感后连接所述整流电源的一端，第n个所述电池及充电模块的输出端连接所述整流电源的另一端。
具体的，所述整流电源包括断路器、主接触器、变压器和四个三相整流器，断路器的一端连接外部交流电源，另一端通过主接触器后连接变压器的初级绕组；变压器的次级包括相角依次相差15°的四个三相绕组，四个三相绕组分别由四个三相整流器整流后的电压串联输出作为所述整流电源的输出电压。
具体的，所述整流电源还包括辅助接触器和串联浪涌抑制电阻，辅助接触器和串联浪涌抑制电阻串联并接在主接触器两端。
本发明的有益效果为：本发明提出的脉冲电容充电装置，将电池充电装置和电池放电为脉冲电容充电的装置由同一套电路完成，主电路只需切换连接开关这一个开关，无须复杂的电路切换，大大节约了工况转换整备所需要的时间，提高了设备效率；采用级联结构提高了等效开关频率，从而大大减小了储能电感体积和重量，减小了装置的整体重量和体积，提高了系统的机动性；整流电源采用了多重整流串联结构，实现了整流电源的高电压、高电能质量、高可靠性和高效率。
附图说明
图1为现有的脉冲电容充电装置的结构示意图。其中，K11—Kn1是1#电池模块-n#电池模块串联的连接开关，给脉冲电容充电时闭合；Ubs为电池模块串联后的输出电压，Uc是脉冲电容电压；电容充电装置通过串联电池给脉冲电容充电至其额定值。
图2为现有电池充电装置的结构示意图。其中，K11/K12—Kn1/Kn2是1#电池模块-n#电池模块充电转换开关，依次闭合K11/K12-Kn1/Kn2，使电池充电装置依次与每个电池模块相连，完成对电池模块的充电。
图3为本发明提出的一种高压脉冲电容充电装置的结构示意图。其中电池及充电单元和整流电源的内部结构分别如图4和图6所示；K1是充电装置与脉冲电容的连接开关，只有充电装置给脉冲电容充电时闭合，其它时间K1断开。
图4为电池及充电单元的内部结构示意图。其中，L1是储能电感，1#电池及充电模块—n#电池及充电模块结构见图5。
图5为电池及充电模块的一种电路实现形式。其中，Cd是滤波电容；T1、T2是功率开关器件，图中给出的常用器件IGBT；D1(D2)是与T1(T2)反并联二极管；T1、T2及D1、D2构成双向DC/DC模块，用于对电池模块充电和放电。
图6为整流电源的一种电路实现形式。其中，QF1是输入断路器；KM1为输入主接触器、KM2为辅助接触器；Rc为串联浪涌抑制电阻；TR为整流变压器，其输出四个三相绕组电压依次相角差15°；B1—B4为四个三相整流桥，其结构见图7；Udr为整流电源输出直流电压。
图7为三相整流桥结构的结构示意图。其中D1-D6为整流二极管；整流桥将三相交流变换为6脉波直流电，B1-B4串联构成24脉波直流输出。
图8为实施例中输出DC5500V整流电源的结构示意图。其中，输入电压为三相AC380V交流电；QF1是输入断路器；KM1为输入主接触器、KM2为辅助接触器；Rc为串联浪涌抑制电阻；TR为整流变压器，TR输出次级4组个三相绕组，依次相差15度；B1-B4为4个三相整流桥，三相整流桥结构见图7；B1-B4串联输出直流电压DC5500V。
图9为实施例中给出的由10个电池及充电模块构成的充电装置结构的示意图。其中，1#电池及充电模块-10#电池及充电模块共10个电池及充电模块，电池模块电压为600V-1000V；脉冲电容的额电电压DC5500V，其通过连接开关K1与充电装置连接；整流电源的结构见图8。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
如图3所示是本发明提出的高压脉冲电容充电装置，包括电池及充电单元、整流电源及连接开关K1。为了便于理解，图3中也画出了脉冲电容，用虚线框表示。其中连接开关K1用于连接本发明提出的充电装置和脉冲电容，只在给脉冲电容充电时合上，其它时间处于断状态。下面介绍电池及充电单元和整流电源的结构和原理。
电池及充电单元的结构图4所示，包括串联的1#电池及充电模块—n#电池及充电模块共n个电池及充电模块和与1#电池及充电模块串联的储能电感L1。其中每个电池及充电模块都包括电池模块和与其并联的双向DC/DC模块，如图5所示给出了电池及充电模块的一种具体实现结构，本实施例中功率开关器件采用IGBT管，双向DC/DC模块由直流侧支撑电容Cd、第一功率开关管T1、第二功率开关管T2及与第一功率开关管T1反并联的第一二极管D1和与第二功率开关管T2反并联的第二二极管D2构成，图中Ub为电池电压。
n个电池及充电模块中的双向DC/DC模块及储能电感L1构成了一个级联双向DC/DC，其可以实现对电池进行充电和放电。电池及充电模块内的双向DC/DC模块控制载波移相180°/n，从而让级联的双向DC/DC模块的开关错开角度，使得储能电感L1输出电流脉动小，级联双向DC/DC的等级开关频率为单个双向DC/DC模块开关频率的n倍，这样可以大大减小储能电感L1的电感量、体积、重量和噪声；调节各双向DC/DC模块脉冲的占空比，可以调节模块内电池的充电和放电功率大小，实现各模块能量均控制。
整流电源用于给电池充电提供电源，如图6所示给出了整流电源的一种一种实现形式。外部交流电源(可以来自公共电网，也可以来自发电车)通过断路器QF1、主接触器KM1供给变压器TR，变压器TR次级有四个相角相差依次为15°的三相绕组，每个三相绕组分别通过四个三相整流器整B1、B2、B3和B4整流后串联输出数千伏直流电压Udr，作为电池充电供电电源，如图7所示是三相整流一种实现电路。一些实施例中还可以在整流电源中设置辅助接触器KM2和串联浪涌抑制电阻Rc用于抑制变压器合闸因磁通饱和导致的浪涌电流，在主接触器KM1闭合之前，先闭合辅助接触器KM2，串联浪涌抑制电阻Rc可抑制变压器TR合闸浪涌电流，减小对交流电源的冲击。B1-B4构成24脉波整流使得直流侧输出电压Udr脉动很小，同时交流电源侧有高的功率因数和极低的电流畸变率。此外，整流电源功率转换主要部件只有变压器和整流二极管，没有有源器件和控制参与，因此，有具有高效率和高可靠性。值得说明的是整流电源用于将交流电变换为高压直流电，再通过级联双向DC/DC为电池供电，其它结构的整流电源同样适用于本发明，整流电源中变压器的次级绕组和整流桥的数目可以变化，如12脉波、18脉波等。
本实施例的工作原理和工作过程为：
1)电池充电
在给脉冲电容充电之前，需要以小功率给电池充电，将能量存储起来。给电池充电时，连接开关K1断开，整流电源的断路器QF1闭合，先闭合辅助接触器KM2，再闭合主接触器KM1，整流电源输出直流电压Udr给电池及充电单元供电。电池及充电单元内双向DC/DC模块与储能电感L1构成的级联双向DC/DC工作在boost(升压)模式，将交流电网通过整流电源输出的能量输送到各电池模块。充电过程直到电池充满后停止，充电功率大小可以根据交流电源的容量来限定。
2)脉冲电容充电
给脉冲电容充电要求在几秒种内完成，功率在MW级。给脉冲电容充电，即电池放电给脉冲电容，此时连接开关K1闭合，整流电源交流侧主接触器KM1、断路器QF1断开，无直流电压输出(Udr＝0V)，电池及充电单元内双向DC/DC模块与储能电感L1构成的级联双向DC/DC工作在busk(降压)模式，将能量从电池输送到脉冲电容，脉冲电容电压Uc由0V上升到额定电压后停止充电。脉冲电容充电完成后，通过开关控制让脉冲电容给电磁推进装置放电完成一次推进发射。一次推进完成后，脉冲电容电压降为0，可以重复前面的充电过程再次给电容充电。连续进行多次充电和推进，直到将电池储存能量放完，重新给电池充电。
需要说明的是：给电池充电时，级联双向DC/DC工作在boost模式，所有电池模块的电压之和nUb应大于整流电源输出电压Udr；给脉冲电容充电，即电池放电时，级联双向DC/DC工作在buck模式，电模块的电压之和nUb应大于脉冲电容的额定电压。在装置设计时要考虑的电压匹配。
将本发明的充电装置应用在实际工程中时，给电池充电的供电源可以是交流电压，也可以是直流电压，无论是交流电压还是直流电压，给电池充电和给脉冲电容充电(电池放电)装置的两种工况都是同一个主电路的两种工作模式切换实现，无需进行复杂开关转换。如果外部电网是直流供电，通过直—直变换器或直流—交流—直流变换器将直流供电转化为所需要电压等级的高压直流电。
下面以外部采用最常用的三相交流AC380V供电，脉冲电容额定电压为DC5500V的脉冲电容充电装置为例来说明具体实施方案。
整流电源为电池充电提供电源，图8是输入三相交流AC380V，输出直流电压DC5500V的整流电源结构图。整流电源工作时，断路器QF1闭合、先合辅助接触器KM2，串入浪涌抑制电阻Rc,延时数秒后，再闭合主接触器KM1，切除浪涌抑制电阻Rc。交流电压供给变压器TR，变压器次级四个三相绕组分别经整流桥B1-B4整流后串联，输出为DC5500V直流电压作为电池充电的供电电源。整流变压器TR四次级三相绕依次相差为15°，整流器输出直流电压是24脉波，不仅输出电压脉动小，其交流输入侧有很高功率因数和极低电流畸变率；同时整流电源的主要功率部件只有变压器和整流二极管，整流电源因此有高可靠性和高的效率。
图9是有由10个电池及充电模块构成的充电装置的结构图。图9中每个电池模块电压为DC600V-1000V，10个模块电压之和为DC6000V-10000V；10个双向DC/DC模块串联并与储能电感L1构成10级级联双向DC/DC。电池充电时，连接开关K1断开，图8中断路器QF1和主接触器KM1闭合，输出电压DC5500V，级联双向DC/DC工作在boost模式，将DC5500V直流电源输出能量输送到储电池中，给电充电直到各电池模块达到DC1000V。为了减小外部电源的容量，给电池充电功率较小，较长时间完成。电池放电，给脉冲电容充电时，连接开关K1闭合，整流电源主接触器KM1和辅助接触器KM2断开，整流电源输出电压为0V，级联双向DC/DC工作在buck模式，以MW级功率给脉冲电容充电，将电池能量输送到脉冲电容，充电过程几秒使脉冲电容电压由0V上升到额定DC5500V电压。充电完成后，断开连接开关K1。随后可通过开关控制让脉冲电容给推进系统放电，脉冲电容在极短时间释放存储的能量，电容电压降为0V。电池储存能量可以供多次推进驱动，因此，上述脉冲电容的充电和放电过程可以连续多次进行，短时间内完成多次推进发射。
上述装置中，如果取开关器工作开关频率为2kHz，10级级联条等级开关频率为20kHz，因此储能感L1的电感量很小，同时因为电流脉动频率为20kHz，不会产生人耳可听到的噪音。
在实际应用中，为了提高可靠性，可以采用多个电池及充电单元并联实现大电容充电装置。
综上所述，本发明提出的充电装置将储能电池的充电装置及脉冲电容的放电装置由同一套电路及控制系统实现，两种工况无须复杂的开关转换，只需控制连接开关K1一个开关，节约了工况转换整备所需要的时间，提高了设备效率；采用级联结构，提高了等效开关频率，从而大大减小了储能电感体积和重量，因此减小装置的整体重量和体积，提高了系统的机动性；整流电源采用了多重整流串联结构，实现了整流电源的高电压、高电能质量、高可靠性和高效率。将本发明应用电磁炮等电磁推进场所，可减小整备时间，减小装置的体积和重量，提高系统的机动性。
上述内容对本发明进行了详细的介绍，本发明应用具体实施个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施个例仅用于帮助理解本发明的基本原理及其核心思想，在本发明基本原理及其核心思想之上对具体实施方式做的改动，都应当属于本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种高压脉冲电容充电装置，其特征在于，包括电池及充电单元、整流电源和连接开关，
所述电池及充电单元包括依次串联的储能电感和n个电池及充电模块，串联结构的两端连接所述整流电源的输出电压，其中n为正整数；所述电池及充电模块包括并联的电池模块和双向DC/DC模块，n个所述电池及充电模块中的双向DC/DC模块与储能电感构成级联双向DC/DC；
所述电池及充电单元两端电压由所述连接开关控制加在所述脉冲电容的两端，当所述连接开关断开时由所述级联双向DC/DC控制所述整流电源向n个所述电池及充电模块中的电池模块充电，当所述连接开关闭合时由所述级联双向DC/DC控制n个所述电池及充电模块中的电池模块向所述脉冲电容充电。
2.根据权利要求1所述的高压脉冲电容充电装置，其特征在于，第i个所述电池及充电模块中双向DC/DC模块包括直流侧支撑电容、第一功率开关器件、第二功率开关器件、与第一功率开关器件反并联的第一二极管和与第二功率开关器件反并联的第二二极管，第一功率开关器件的一端连接直流侧支撑电容的一端和第i个所述电池及充电模块中电池模块的一端，其另一端连接第二功率开关器件的一端；第二功率开关器件的另一端连接直流侧支撑电容的另一端和第i个所述电池及充电模块中电池模块的另一端；第二功率开关器件的两端分别作为第i个所述电池及充电模块的输入端和输入端连接第i-1个所述电池及充电模块的输出端和第i+1个所述电池及充电模块的输入端，i∈[2，n-1]；第1个所述电池及充电模块的输入端通过储能电感后连接所述整流电源的一端，第n个所述电池及充电模块的输出端连接所述整流电源的另一端。
3.根据权利要求1或2所述的高压脉冲电容充电装置，其特征在于，所述整流电源包括断路器、主接触器、变压器和四个三相整流器，断路器的一端连接外部交流电源，另一端通过主接触器后连接变压器的初级绕组；变压器的次级包括相角依次相差15o的四个三相绕组，四个三相绕组分别由四个三相整流器整流后的电压串联输出作为所述整流电源的输出电压。
4.根据权利要求3所述的高压脉冲电容充电装置，其特征在于，所述整流电源还包括辅助接触器和串联浪涌抑制电阻，辅助接触器和串联浪涌抑制电阻串联并接在主接触器两端。
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