CN110708817B - 一种带电池管理的多能源供电双向led驱动电路及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及是一种带电池管理的多能源供电双向LED驱动电路及其工作方法，包括输入光伏板UPV、铅酸蓄电池UBAT、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第五功率二极管D5、输出电容C3、第一滤波电容C4、第二滤波电容C5、第一MOS功率开关管S1、第二MOS功率开关管S2、第三MOS功率开关管S3、第四MOS功率开关管S4、第五MOS功率开关管S5、第六MOS功率开关管S6、充电限流电阻RCHG、滤波电感L、AC侧电源u AC、LED灯组、带中心抽头多绕组高频（N1、N2、N3、N41、N42）的变压器T。本发明在反激电路的基础上改进设计了多端口的双向组合变换电路，具有多种能源输入，实现双向电能变换，具有电池管理、高功率密度、适应多种工作环境等特点。
Description
技术领域
本发明涉及新能源发电应用和LED照明电源驱动设计领域，特别是一种带电池管理的多能源供电双向LED驱动电路及其工作方法。
背景技术
石油、煤炭等石化能源作为不可再生能源正在日益枯竭，同时所造成的环境污染日益严重。新型能源具有廉价、可靠、清洁无污染、能源丰富的特点，因此，新能源发电展现了良好的市场前景。目前，应用较多的新能源发电形式有光伏发电、燃料电池供电、风力发电、水利发电、地热发电等等，但均存在电力供应不稳定、不连续、随气候条件变化等缺点，有效的解决方式之一就是采用多种能源联合供电的互联网式供电系统。
而在众多可再生能源中，太阳能发电具有无枯竭危险、安全可靠；无噪声、无污染排放、绝对干净，是新能源的主要形式之一；不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；能源质量高；建设周期短等优点而被广泛应用。此外，LED灯因发光效率高、寿命长、易控制、免维护等优点，逐渐取代了传统的照明灯具，应用于各种照明场合。同时，储能电池在智能LED照明中起着重要的调控作用，在LED因为阳光不足无法供电工作时，储能电池可以给LED提供稳定的工作电压，并将多余的能量反馈给照明或交流电源，提高能量利用率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种带电池管理的多能源供电双向LED驱动电路及其工作方法，能够实现新能源发电或储能电能逆变返回电网，实现双向电能变换。
本发明采用以下方案实现：一种带电池管理的多能源供电双向LED驱动电路，包括输入光伏板UPV、铅酸蓄电池UBAT、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第五功率二极管D5、输出电容C3、第一滤波电容C4、第二滤波电容C5、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2 、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5 、第六功率开关管S6 、充电限流电阻RCHG、滤波电感L、AC侧电源u AC、LED灯组、带中心抽头多绕组N1、N2、N3、N4的高频变压器T，所述N4绕组包括N41绕组和N42绕组；所述光伏板UPV的正极连接N1绕组的同名端；所述光伏板UPV的负极连接第一功率开关管S1的源极；所述第一功率开关管S1的漏极连接第一功率二极管D1的阴极；所述第一功率二极管D1的阳极连接N1绕组的非同名端；所述铅酸蓄电池UBAT的正极连接第六功率开关管S6的源极，所述铅酸蓄电池UBAT的负极连接充电电阻RCHG的一端、第二功率二极管D2阴极；所述第六功率开关管S6的漏极连接N2绕组的同名端；所述N2绕组的非同名端连接第二功率开关管S2的漏极；所述第二功率开关管S2的源极连接充电电阻RCHG的另一端、功率二极管D2阳极；所述N3绕组的非同名端连接第三功率开关管S3的漏极；所述N3绕组的同名端连接输出电容C3的负端、LED灯组的负极；所述第三功率开关管S3的源极连接第三功率二极管D3的阳极；所述第三功率二极管D3的阴极连接输出电容C3的正端、LED灯组的正极；所述N41绕组的同名端连接第四功率开关管S4的源极；所述N4绕组的中心抽头连接第一滤波电容C4的一端、第一滤波电容C5的一端、AC侧电源u AC的一端；所述N42绕组的非同名端连接第五功率开关管S5的漏极；所述第四功率开关管S4的漏极连接第四功率二极管D4的阴极；所述第四功率二极管D4的阳极连接第五功率二极管D5的阴极、滤波电感L的一端、第一滤波电容C4的另一端；所述滤波电感L的另一端连接第二滤波电感C5的另一端、AC侧电源u AC的另一端；所述第五功率二极管D5的阳极连接第五功率开关管S5的源极。
进一步地，所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2 、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5 和第六功率开关管S6 均采用功率MOSFET开关管。
进一步地，所述第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4和第五功率二极管D5均采用快恢复二极管。
进一步地，所述输出电容C3采用的是电解电容，第一滤波电容C4和第二滤波电容C5均采用的是高频电容。
进一步地，本发明还提供一种带电池管理的多能源供电双向LED驱动电路的工作方法，包括以下步骤：
步骤S1：封锁第二功率开关管S2、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5，第三功率开关管S3保持常开；当功率开关管S1导通时，N2绕组流过N1绕组储能电流给电池充电，回路中串接限流电阻RCHG用以限制充电电流对铅酸蓄电池VBAT充电，通过控制功率开关管S6来实现对蓄电池的充电管理，LED灯组的工作电压由输出电容C3维持；当功率开关管S1断开时，N3绕组流过N1绕组储能电流为LED供电；
步骤S2：封锁功率开关管S1、S2，功率开关管S3保持常开，以工频半周互补驱动功率开关管S4和S5；当交流电网输出正半周期，功率开关管S4导通，S5关断时，N2绕组流过N41绕组储能电流给电池充电，回路中串接限流电阻RCHG用以限制充电电流对铅酸蓄电池VBAT充电，通过控制功率开关管S6来实现对蓄电池的充电管理，LED灯组的工作电流由输出电容C3维持；当交流电网输出正半周期，当功率开关管S4断开，S5导通时，N3绕组流过N41绕组储能电流为LED供电；当交流电网输出负半周期，功率开关管S5导通，S4关断时，N2绕组流过N42绕组储能电流给电池充电，回路中串接限流电阻RCHG用以限制充电电流对铅酸蓄电池VBAT充电，通过控制功率开关管S6来实现对蓄电池的充电管理，LED灯组的工作电压由输出电容C3维持；当交流电网输出正半周期，当功率开关管S5断开，S4导通时，N3绕组流过N42绕组储能电流为LED供电；
步骤S3：封锁功率开关管S1、S4、S5、S6，功率开关管S3保持常开；当功率开关管S2导通时，铅酸蓄电池VBAT放电，功率二极管D2将限流电阻RCHG短路；当功率开关管S2断开时，N3绕组流过N2绕组储能电流为LED供电，通过控制功率开关管S2来实现对蓄电池的放电管理；
步骤S4：封锁功率开关管S1、S3、S6，用SPWM波驱动功率开关管S2，用工频半周互补驱动功率开关管S4和S5；当功率开关管S4导通，功率开关管S5关断时，输出为正半周；当功率开关管S4关断，功率开关管S5导通时，输出为负半周。
进一步地，所述通过控制功率开关管S6来实现对蓄电池的充电管理的具体内容为：充电时采用三阶段充电方法，第一阶段恒流充电通过电流单闭环控制来实现，即采集蓄电池的充电电压电流作为反馈量，与基准值比较后利用PI调节器得到驱动信号控制功率开关管S6；在第二阶段恒压充电模式和第三阶段浮充充电模式时，充电器通过控制输出电压来调节输出电流，采用电压外环电流内环级联控制结构，分别采集蓄电池的充电电压电流和充电电流作为反馈量，与基准值比较后利用PI调节器得到驱动信号控制功率开关管S6，并利用选择开关实现阶段自动切换控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明电路不仅具有多能源多端口供电、电池充放电，实现新能源发电或储能电能逆变返回电网，实现双向电能变换。
（2）本发明蓄电池充放电回路设计两个开关，利用PWM控制技术分别控制蓄电池的充放电过程，充电时可以实现电池管理，三阶段充电；放电时采用恒压限流放电方式。
附图说明
图1为本发明实施例的电路原理图。
图2为本发明实施例的PV光伏电池给蓄电池充电并给LED灯组供电工作的等效工作模态示意图。
图3为本发明实施例的交流电网给蓄电池充电并给LED灯组供电工作的等效工作模态示意图（分为正电压和负电压两种极性）。
图4为本发明实施例的蓄电池提供稳压给LED灯组供电工作的等效工作模态示意图。
图5为本发明实施例的蓄电池剩余多于的能量逆变回馈给交流电网的等效工作模态示意图。
图6为本发明实施例的充电控制结构框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供一种带电池管理的多能源供电双向LED驱动电路，包括输入光伏板UPV、铅酸蓄电池UBAT、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第五功率二极管D5、输出电容C3、第一滤波电容C4、第二滤波电容C5、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2 、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5 、第六功率开关管S6 、充电限流电阻RCHG、滤波电感L、AC侧电源u AC、LED灯组、带中心抽头多绕组N1、N2、N3、N4的高频变压器T，所述N4绕组包括N41绕组和N42绕组；所述光伏板UPV的正极连接N1绕组的同名端；所述光伏板UPV的负极连接第一功率开关管S1的源极；所述第一功率开关管S1的漏极连接第一功率二极管D1的阴极；所述第一功率二极管D1的阳极连接N1绕组的非同名端；所述铅酸蓄电池UBAT的正极连接第六功率开关管S6的源极，所述铅酸蓄电池UBAT的负极连接充电电阻RCHG的一端、第二功率二极管D2阴极；所述第六功率开关管S6的漏极连接N2绕组的同名端；所述N2绕组的非同名端连接第二功率开关管S2的漏极；所述第二功率开关管S2的源极连接充电电阻RCHG的另一端、功率二极管D2阳极；所述N3绕组的非同名端连接第三功率开关管S3的漏极；所述N3绕组的同名端连接输出电容C3的负端、LED灯组的负极；所述第三功率开关管S3的源极连接第三功率二极管D3的阳极；所述第三功率二极管D3的阴极连接输出电容C3的正端、LED灯组的正极；所述N41绕组的同名端连接第四功率开关管S4的源极；所述N4绕组（N41、N42绕组总和）的中心抽头连接第一滤波电容C4的一端、第一滤波电容C5的一端、AC侧电源u AC的一端；所述N42绕组的非同名端连接第五功率开关管S5的漏极；所述第四功率开关管S4的漏极连接第四功率二极管D4的阴极；所述第四功率二极管D4的阳极连接第五功率二极管D5的阴极、滤波电感L的一端、第一滤波电容C4的另一端；所述滤波电感L的另一端连接第二滤波电感C5的另一端、AC侧电源u AC的另一端；所述第五功率二极管D5的阳极连接第五功率开关管S5的源极。
在本实施例中，所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2 、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5 和第六功率开关管S6 均采用功率MOSFET开关管。
在本实施例中，所述第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4和第五功率二极管D5均采用快恢复二极管。
在本实施例中，所述输出电容C3采用的是电解电容，第一滤波电容C4和第二滤波电容C5均采用的是高频电容。
在本实施例中，所述变压器T是由一个带中心抽头多绕组高频变压器。
在本实施例中，所述铅酸蓄电池UBAT充电时由功率开关管S6控制实现三阶段充电管理，放电时由功率开关管S2控制。三阶段充电方法，即第一阶段恒流充电通过电流单闭环控制来实现，在第二阶段恒压充电模式和第三阶段浮充充电模式时，设计了电压外环电流内环级联控制结构，通过采集蓄电池的充电电压和电流作为反馈量，与基准值比较后利用PI调节器得实现功率开关管S6的PWM控制，并利用选择开关实现阶段自动切换控制。放电方法即恒压限流放电方式，同样采用电压外环电流内环级联控制结构。
在本实施例中，所述电路针对不同的工作场合共有四种工作模式，实现双向电能变换。
本实例针对不同的工作环境，通过不同的功率开关管组合切换，共有四种工作模态，光照正常时，PV光伏电池给蓄电池充电并给LED灯组供电工作；同时，交流电网也可以给蓄电池充电并给LED灯组供电工作；在光照不足时，由蓄电池提供稳压给LED灯组供电工作；蓄电池剩余多余的能量逆变回馈给交流电网。每个模态又有两种过程，如图2至图5所示。
参照图2，封锁功率开关管S2、S4、S5，功率开关管S3保持常开。当功率开关管S1导通时，N2绕组流过N1绕组储能电流给电池充电，回路中串接限流电阻RCHG以限制充电电流对铅酸蓄电池VBAT充电，通过控制功率开关管S6来实现对蓄电池的充电管理，LED灯组的工作电压由输出电容C3维持，如图2(a)所示；当功率开关管S1断开时，N3绕组流过N1绕组储能电流为LED供电,如图2(b)所示。
参照图3，封锁功率开关管S1、S2，功率开关管S3、S4保持常开，以工频半周互补驱动功率开关管S4和S5。当交流电网输出正半周期，功率开关管S4导通，S5关断时，N2绕组流过N41绕组储能电流给电池充电，回路中串接限流电阻RCHG以限制充电电流对铅酸蓄电池VBAT充电，通过控制功率开关管S6来实现对蓄电池的充电管理，LED灯组的工作电流由输出电容C3维持，如图3(a)所示；当交流电网输出正半周期，当功率开关管S4断开，S5导通时，N3绕组流过N41绕组储能电流为LED供电,如图3(b)所示；当交流电网输出负半周期，功率开关管S5导通，S4关断时，N2绕组流过N42绕组储能电流给电池充电，回路中串接限流电阻RCHG以限制充电电流对铅酸蓄电池VBAT充电，通过控制功率开关管S6来实现对蓄电池的充电管理，LED灯组的工作电压由输出电容C3维持，如图3(c)所示；当交流电网输出正半周期，当功率开关管S5断开，S4导通时，N3绕组流过N42绕组储能电流为LED供电,如图3(d)所示。
参照图4，封锁功率开关管S1、S4、S5、S6，功率开关管S3保持常开。当功率开关管S2导通时，铅酸蓄电池VBAT放电，功率二极管D2将限流电阻RCHG短路，如图4(a)所示；当功率开关管S2断开时，N3绕组流过N2绕组储能电流为LED供电，通过控制功率开关管S2来实现对蓄电池的放电管理，如图4(b)所示。
参照图5，封锁功率开关管S1、S3、S6，用SPWM波驱动功率开关管S2，用工频半周互补驱动功率开关管S4和S5。当功率开关管S4导通，功率开关管S5关断时，输出为正半周，如图5(a)所示；当功率开关管S4关断，功率开关管S5导通时，输出为负半周，如图5(b)所示。
参照图6，基于PI控制器对蓄电池充电工作过程进行PWM控制框图。充电时采用三阶段充电方法，第一阶段恒流充电通过电流单闭环控制来实现，即采集蓄电池的充电电压电流作为反馈量，与基准值（本实施例为2.5A）比较后利用PI调节器得到驱动信号控制功率开关管S6；在第二阶段恒压充电模式和第三阶段浮充充电模式时，充电器通过控制输出电压来调节输出电流，采用电压外环电流内环级联控制结构，分别采集蓄电池的充电电压电流和充电电流作为反馈量，与基准值（本实施例第二、三阶段分别为24V和0.25A）比较后利用PI调节器得到驱动信号控制功率开关管S6，并利用选择开关实现阶段自动切换控制，如图6所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (5)
1.一种带电池管理的多能源供电双向LED驱动电路，其特征在于：包括输入光伏板UPV、铅酸蓄电池UBAT、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第五功率二极管D5、输出电容C3、第一滤波电容C4、第二滤波电容C5、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2 、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5 、第六功率开关管S6 、充电限流电阻RCHG、滤波电感L、AC侧电源u AC、LED灯组、带中心抽头多绕组N1、N2、N3、N4的高频变压器T，所述N4绕组包括N41绕组和N42绕组；所述光伏板UPV的正极连接N1绕组的同名端；所述光伏板UPV的负极连接第一功率开关管S1的源极；所述第一功率开关管S1的漏极连接第一功率二极管D1的阴极；所述第一功率二极管D1的阳极连接N1绕组的非同名端；所述铅酸蓄电池UBAT的正极连接第六功率开关管S6的源极，所述铅酸蓄电池UBAT的负极连接充电电阻RCHG的一端、第二功率二极管D2阴极；所述第六功率开关管S6的漏极连接N2绕组的同名端；所述N2绕组的非同名端连接第二功率开关管S2的漏极；所述第二功率开关管S2的源极连接充电电阻RCHG的另一端、功率二极管D2阳极；所述N3绕组的非同名端连接第三功率开关管S3的漏极；所述N3绕组的同名端连接输出电容C3的负端、LED灯组的负极；所述第三功率开关管S3的源极连接第三功率二极管D3的阳极；所述第三功率二极管D3的阴极连接输出电容C3的正端、LED灯组的正极；所述N41绕组的同名端连接第四功率开关管S4的源极；所述N4绕组的中心抽头连接第一滤波电容C4的一端、第一滤波电容C5的一端、AC侧电源u AC的一端；所述N42绕组的非同名端连接第五功率开关管S5的漏极；所述第四功率开关管S4的漏极连接第四功率二极管D4的阴极；所述第四功率二极管D4的阳极连接第五功率二极管D5的阴极、滤波电感L的一端、第一滤波电容C4的另一端；所述滤波电感L的另一端连接第二滤波电感C5的另一端、AC侧电源u AC的另一端；所述第五功率二极管D5的阳极连接第五功率开关管S5的源极；
带电池管理的多能源供电双向LED驱动电路的工作方法，包括以下步骤：
步骤S1：封锁第二功率开关管S2、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5，第三功率开关管S3保持常开；当功率开关管S1导通时，N2绕组流过N1绕组储能电流给电池充电，回路中串接限流电阻RCHG用以限制充电电流对铅酸蓄电池VBAT充电，通过控制功率开关管S6来实现对蓄电池的充电管理，LED灯组的工作电压由输出电容C3维持；当功率开关管S1断开时，N3绕组流过N1绕组储能电流为LED供电；
步骤S2：封锁功率开关管S1、S2，功率开关管S3保持常开，以工频半周互补驱动功率开关管S4和S5；当交流电网输出正半周期，功率开关管S4导通，S5关断时，N2绕组流过N41绕组储能电流给电池充电，回路中串接限流电阻RCHG用以限制充电电流对铅酸蓄电池VBAT充电，通过控制功率开关管S6来实现对蓄电池的充电管理，LED灯组的工作电流由输出电容C3维持；当交流电网输出正半周期，当功率开关管S4断开，S5导通时，N3绕组流过N41绕组储能电流为LED供电；当交流电网输出负半周期，功率开关管S5导通，S4关断时，N2绕组流过N42绕组储能电流给电池充电，回路中串接限流电阻RCHG用以限制充电电流对铅酸蓄电池VBAT充电，通过控制功率开关管S6来实现对蓄电池的充电管理，LED灯组的工作电压由输出电容C3维持；当交流电网输出正半周期，当功率开关管S5断开，S4导通时，N3绕组流过N42绕组储能电流为LED供电；
步骤S3：封锁功率开关管S1、S4、S5、S6，功率开关管S3保持常开；当功率开关管S2导通时，铅酸蓄电池VBAT放电，功率二极管D2将限流电阻RCHG短路；当功率开关管S2断开时，N3绕组流过N2绕组储能电流为LED供电，通过控制功率开关管S2来实现对蓄电池的放电管理；
步骤S4：封锁功率开关管S1、S3、S6，用SPWM波驱动功率开关管S2，用工频半周互补驱动功率开关管S4和S5；当功率开关管S4导通，功率开关管S5关断时，输出为正半周；当功率开关管S4关断，功率开关管S5导通时，输出为负半周。
2.根据权利要求1所述的一种带电池管理的多能源供电双向LED驱动电路，其特征在于：所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2 、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5 和第六功率开关管S6 均采用功率MOSFET开关管。
3.根据权利要求1所述的一种带电池管理的多能源供电双向LED驱动电路，其特征在于：所述第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4和第五功率二极管D5均采用快恢复二极管。
4.根据权利要求1所述的一种带电池管理的多能源供电双向LED驱动电路，其特征在于：所述输出电容C3采用的是电解电容，第一滤波电容C4和第二滤波电容C5均采用的是高频电容。
5.根据权利要求1所述的一种带电池管理的多能源供电双向LED驱动电路，其特征在于：其工作方法中，所述通过控制功率开关管S6来实现对蓄电池的充电管理的具体内容为：充电时采用三阶段充电方法，第一阶段恒流充电通过电流单闭环控制来实现，即采集蓄电池的充电电压电流作为反馈量，与基准值比较后利用PI调节器得到驱动信号控制功率开关管S6；在第二阶段恒压充电模式和第三阶段浮充充电模式时，充电器通过控制输出电压来调节输出电流，通过电压外环电流内环级联控制结构，分别采集蓄电池的充电电压电流和充电电流作为反馈量，与基准值比较后利用PI调节器得到驱动信号控制功率开关管S6，并利用选择开关实现阶段自动切换控制。
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