CN110739765A - 直流供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够在停电时更加可靠地持续向外部负载供给电力的直流供电系统。直流供电系统具备蓄电池、以及在蓄电池与供电通道之间各设置有一个的双向电力变换装置。双向电力变换装置具有电力变换电路，其以充电模式和备用模式动作，该充电模式是将从供电通道输入的来自整流装置的直流电压VR降压后向蓄电池供给的模式，该备用模式是将蓄电池的电压升压后向供电通道输出的模式；以及控制电路，其对电力变换电路的动作进行控制。控制电路在使电力变换电路以备用模式动作时，将从电力变换电路输出的电压的目标值VT设定为从预先决定的电压V0减去该电力变换电路的输出电流I0与假想电阻RV之积而得到的值“V0‑I0·RV”。

Description

直流供电系统
技术领域
本发明涉及使用多个蓄电池将直流电压向外部负载输出的直流供电系统。
背景技术
一直以来，作为向在停电时也应该动作的直流的外部负载供给电力的直流供电系统，研究了各种包含蓄电池的系统。作为其一例，在专利文献1中公开了如下的直流供电系统100：如图6所示，该直流供电系统100具备：整流装置101，其将从交流电力系统G输入的交流电压变换成直流电压并向通往外部负载L的供电通道102输出；蓄电池103；以及双向电力变换装置104；其设置在供电通道102与蓄电池103之间。该直流供电系统100在整流装置101因停电而无法将直流电压正常输出时，由双向电力变换装置104将蓄电池103的电压升压而向供电通道102输出，由此，持续向外部负载L供给电力。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-120414号公报
发明要解决的课题
然而，上述现有的直流供电系统100存在如下问题：在蓄电池103及双向电力变换装置104中的至少一方产生某种异常时，在停电时无法向外部负载L供给电力。
需要说明的是，在专利文献1中还公开了具备多个双向电力变换装置(蓄电池)的结构。然而，在该结构中，多个外部负载与多个双向电力变换装置(蓄电池)1对1地连接，因此，当任一个双向电力变换装置(蓄电池)产生异常时，向与其对应的外部负载的电力供给仍旧中断。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其课题在于，提供一种能够在停电时更加可靠地持续向外部负载供给电力的直流供电系统。
解决方案
为了解决上述课题而进行了深入研究，其结果是，本发明人发现，若将多个双向电力变换装置(及蓄电池)相对于外部负载并联地连接，则向外部负载的电力供给中断的可能性大幅降低，据此完成本发明。
即，本发明的直流供电系统的特征在于，具备：直流电压输出装置，其将直流电压VR经由供电通道向外部负载输出；多个蓄电池；以及双向电力变换装置，其在各个蓄电池与供电通道之间各设置有一个，双向电力变换装置具有：电力变换电路，其以充电模式和备用模式进行动作，该充电模式是将从供电通道输入的直流电压VR降压后向蓄电池供给的模式，该备用模式是将蓄电池的电压升压后向供电通道输出的模式；以及控制电路，其对电力变换电路的动作进行控制，控制电路在使电力变换电路以备用模式进行动作时，将从电力变换电路输出的电压的目标值VT设定为从预先决定的电压V0减去该电力变换电路的输出电流I0与假想电阻RV之积而得到的值“V0-I0·RV”。
上述直流供电系统具备由蓄电池和双向电力变换装置构成的独立的多个备用单元。因此，根据上述直流供电系统，即便在任一方的备用单元发生了异常，也能够利用其它备用单元持续向外部负载供给电力。
这里，当仅并联地具备多个备用单元时，在构成各备用单元的双向电力变换装置的输出电压产生了误差的情况下，仅仅是输出电压最高的备用单元向外部负载供给电力，其它备用单元有时可能完全不对电力的供给作出贡献。然而，上述直流供电系统将以备用模式动作的电力变换电路的目标值VT设定为从预先决定的电压V0减去该电力变换电路的输出电流I0与假想电阻RV之积而得到的值“V0-I0·RV”。因此，根据上述直流供电系统，能够消除上述的不平衡。
例如当供电通道的电压超过预先决定的阈值VTH(其中，VR＞VTH＞V0)时，上述直流供电系统的控制电路使电力变换电路以充电模式进行动作或停止，当供电通道的电压低于阈值VTH时，上述直流供电系统的控制电路使电力变换电路以备用模式进行动作。
上述直流供电系统的双向电力变换装置也可以具有设置在电力变换电路与供电通道之间的通电切断单元。在该情况下，优选的是，在电力变换电路的输出电流I0超过预先决定的阈值ITH时，控制电路使通电切断单元工作。
上述直流供电系统的双向电力变换装置也可以具有对电力变换电路进行诊断的自诊断电路。在该情况下，优选的是，在由自诊断电路检测到电力变换电路的异常时，控制电路使该电力变换电路停止。
另外，上述直流供电系统的控制电路也可以具有通电切断单元及自诊断电路这两方。在该情况下，优选的是，在由自诊断电路检测到电力变换电路的异常时，控制电路使该电力变换电路停止，并且使通电切断单元工作。
发明效果
根据本发明，可提供在停电时能够更加可靠地持续向外部负载供给电力的直流供电系统。
附图说明
图1是本发明的直流供电系统的框图。
图2是示出图1所示的直流供电系统的、交流电力系统为正常时的供电路径的图。
图3是示出图1所示的直流供电系统的、交流电力系统为异常且两个双向电力变换装置为正常时的供电路径的图。
图4是示出图1所示的直流供电系统的、交流电力系统为异常且外部负载为异常时的供电路径的图。
图5是示出图1所示的直流供电系统的、交流电力系统为异常且两个双向电力变换装置中的一个为异常时的供电路径的图。
图6是现有的直流供电系统的框图。
附图标记说明：
1 直流供电系统；
2 整流装置；
3 供电通道；
4 第一蓄电池；
5 第二蓄电池；
6 第一双向电力变换装置；
7 第二双向电力变换装置；
10 电力变换电路；
11 控制电路；
12 通电切断单元；
13 自诊断电路；
G 交流电力系统；
L 外部负载。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的直流供电系统的实施例进行说明。
图1示出本发明的实施例的直流供电系统1。如该图所示，直流供电系统1具备：整流装置2，其将从交流电力系统G输入的交流电压变换成直流电压VR并向通往外部负载L的供电通道3输出；第一蓄电池4；第二蓄电池5；第一双向电力变换装置6，其设置在第一蓄电池4与供电通道3之间；以及第二双向电力变换装置7，其设置在第二蓄电池5与供电通道3之间。第一双向电力变换装置6及第二双向电力变换装置7具有相同的结构。第一蓄电池4及第二蓄电池5也具有相同的结构。需要说明的是，图1中将外部负载L作为多个外部负载的集合体而示出，但外部负载L也可以为单一的外部负载。另外，在本实施例中，整流装置2相当于本发明的“直流电压输出装置”。
整流装置2由将多个二极管、线圈及电容器组合而成的电路构成。但是，在本发明中，整流装置2的结构没有特别限定。整流装置2向供电通道3输出的直流电压VR对应于从交流电力系统G输入的交流电压的振幅。例如，当因停电而从交流电力系统G输入的交流电压的振幅成为零时，直流电压VR成为零。
第一蓄电池4及第二蓄电池5由锂电池构成。但是，在本发明中，第一蓄电池4及第二蓄电池5的种类没有特别限定。
第一双向电力变换装置6具有：一方的输入输出端子与第一蓄电池4连接的电力变换电路10；设置在电力变换电路10的另一方的输入输出端子与供电通道3之间的通电切断单元12；以及对电力变换电路10及通电切断单元12的动作进行控制的控制电路11。
电力变换电路10由基于来自控制电路11的指令而双向地动作的DC/DC变换电路构成。电力变换电路10能够以充电模式和备用模式进行动作，该充电模式是将经由供电通道3及通电切断单元12输入的来自整流装置2的直流电压VR降压后向第一蓄电池4供给的模式，该备用模式是将第一蓄电池4的电压升压后向供电通道3输出的模式。需要说明的是，电力变换电路10在没有来自控制电路11的指令的情况下，使动作停止。在该情况下，不进行电力的变换。
通电切断单元12由基于来自控制电路11的指令而采取打开状态或关闭状态的开关构成。通电切断单元12在有来自控制电路11的指令的情况下成为打开状态，将电力变换电路10从供电通道3断开，切断电力变换电路10与供电通道3之间的通电。需要说明的是，通电切断单元12也可以具有在检测到超过预先决定的过电流值的电流时成为打开状态的功能。
第一双向电力变换装置6还具有自诊断电路13。自诊断电路13诊断在电力变换电路10中是否产生了过电流、过电压等各种异常，并且将诊断出的结果通知给控制电路11。自诊断电路13也可以内置于电力变换电路10。
控制电路11由微处理器(MPU、Micro-processing unit)等构成。控制电路11基于供电通道3的电压、第一蓄电池4的电压、从电力变换电路10输出的电流、由自诊断电路13进行的诊断结果，来控制电力变换电路10及通电切断单元12。
如上所述，第一双向电力变换装置6及第二双向电力变换装置7具有相同的结构。但是，第二双向电力变换装置7的控制电路11不是基于第一蓄电池4的电压而是基于第二蓄电池5的电压，来控制电力变换电路10及通电切断单元12。
接着，进一步详细说明由第一双向电力变换装置6及第二双向电力变换装置7的控制电路11进行的控制。
(第一控制)
若供电通道3的电压(直流电压VR)超过预先决定的阈值VTH且第一蓄电池4的电压超过预先决定的阈值VTHB，则第一双向电力变换装置6的控制电路11使第一双向电力变换装置6的电力变换电路10的动作停止。同样，若直流电压VR超过预先决定的阈值VTH且第二蓄电池5的电压超过阈值VTHB，则第二双向电力变换装置7的控制电路11使第二双向电力变换装置7的电力变换电路10的动作停止。在这些情况下，向外部负载L供给来源于交流电力系统G的直流电压VR(参照图2中的实线所示的箭头)。
这里，阈值VTH被设定为比交流电力系统G为正常时的直流电压VR的下限值VRMIN略小的值(VTH＜VRMIN)。因此，供电通道3的电压超过预先决定的阈值VTH是指交流电力系统G是正常的(即，未发生停电)。另外，阈值VTHB被设定为比满充电时的第一蓄电池4(第二蓄电池5)的电压VBFULL略小的值(VTHB＜VBFULL)。因此，第一蓄电池4(第二蓄电池5)的电压超过预先决定的阈值VTHB是指不需要第一蓄电池4(第二蓄电池5)的充电。
(第二控制)
若供电通道3的电压超过阈值VTH且第一蓄电池4的电压低于阈值VTHB，则第一双向电力变换装置6的控制电路11使第一双向电力变换装置6的电力变换电路10以充电模式进行动作。同样，若供电通道3的电压超过阈值VTH且第二蓄电池5的电压低于阈值VTHB，则第二双向电力变换装置7的控制电路11使第二双向电力变换装置7的电力变换电路10以充电模式进行动作。在这些情况下，也向外部负载L供给来源于交流电力系统G的直流电压VR。另外，在这些情况下，直流电压VR也用于第一蓄电池4及/或第二蓄电池5的充电(参照图2中的虚线所示的箭头)。
(第三控制)
若供电通道3的电压低于阈值VTH，则第一双向电力变换装置6的控制电路11使第一双向电力变换装置6的电力变换电路10以备用模式进行动作。同样，若供电通道3的电压低于阈值VTH，则第二双向电力变换装置7的控制电路11使第二双向电力变换装置7的电力变换电路10以备用模式进行动作。由此，第一蓄电池4及第二蓄电池5的电压升压并向供电通道3输出。然后，向外部负载L供给来源于第一蓄电池4及第二蓄电池5的直流电压(参照图3)。
这里，第一双向电力变换装置6的控制电路11对该电力变换电路10进行控制，使从第一双向电力变换装置6的电力变换电路10输出的电压成为目标值VT1。目标值VT1是从预先决定的电压V0(其中，V0＜VTH)减去第一双向电力变换装置6的电力变换电路10的输出电流I01与假想电阻RV之积而得到的值“V0-I01·RV”。同样，第二双向电力变换装置7的控制电路11对该电力变换电路10进行控制，使从第二双向电力变换装置7的电力变换电路10输出的电压成为目标值VT2(＝V0-第二双向电力变换装置7的电力变换电路10的输出电流I02与假想电阻RV之积I02·RV)。
根据这样的控制，能够使第一蓄电池4及第二蓄电池5平衡良好地放电。另外，根据这样的控制，即便在外部负载L的内部或供电通道3中发生短路等异常而使输出电流I01、I02急增，由于目标值VT1、VT2立即下降，因此，也能够防止因大电流持续流动而引起的各部分的损伤。
需要说明的是，假想电阻RV优选设定为几十[mΩ]～几[Ω]的范围的比较小的值，以使得在外部负载L的内部或供电通道3中发生了短路等异常时，目标值VT1、VT2相对于电压V0不会变得极端小。
第一双向电力变换装置6的控制电路11当在进行第三控制的过程中急增的输出电流I01超过预先决定的阈值ITH时，优选使电力变换电路10的动作停止，并且将通电切断单元12设为打开状态(参照图4)。同样，第二双向电力变换装置7的控制电路11当在进行第三控制的过程中急增的输出电流I02超过阈值ITH时，优选使电力变换电路10的动作停止，并且将通电切断单元12设为打开状态(参照图4)。由此，能够更加可靠地防止因大电流引起的各部分的损伤。需要说明的是，第一双向电力变换装置6的及第二双向电力变换装置7的控制电路11也可以仅使电力变换电路10的动作停止，还可以仅将通电切断单元12设为打开状态。
当在进行第三控制的过程中交流电力系统G从停电中恢复而使直流电压VR超过阈值VTH时，第三控制结束，开始第一控制或第二控制。如上所述，由于电压V0及阈值VTH具有V0＜VTH的关系，因此，为了结束第三控制，交流电力系统G需要从停电中恢复。
(第四控制)
在进行第三控制的过程中第一双向电力变换装置6的自诊断电路13检测到异常时，第一双向电力变换装置6的控制电路11使电力变换电路10的动作停止，并且将通电切断单元12设为打开状态。由此，向外部负载L仅供给来源于第二蓄电池5的直流电压(参照图5)。另外，在第二双向电力变换装置7侧检测到异常的情况下，向外部负载L仅供给来源于第二蓄电池5的直流电压。
如以上那样，本发明的直流供电系统1具备独立的两个备用单元。因此，根据本发明的直流供电系统1，即便任一方的备用单元(例如第一蓄电池4及第一双向电力变换装置6)产生了异常，也能够利用另一方的备用单元(例如第二蓄电池5及第二双向电力变换装置7)持续向外部负载L供给电力。
另外，在本发明的直流供电系统1中，以备用模式动作的电力变换电路10的输出电压的目标值VT1、VT2是考虑到输出电流I01、I02和假想电阻RV而算出的。因此，根据本发明的直流供电系统1，与不考虑这些值的情况相比，能够使两个备用单元平衡良好地动作。
需要说明的是，本发明的直流供电系统不局限于上述实施例所示的结构。
例如，本发明的直流供电系统也可以具备三个以上的蓄电池和与该三个以上的蓄电池对应的三个以上的双向电力变换装置。
另外，本发明的直流供电系统的双向电力变换装置也可以不具有通电切断单元及自诊断电路。
另外，第一双向电力变换装置6及第二双向电力变换装置7只要具有本发明所需的功能即可，也可以具有互不相同的结构。同样，第一蓄电池4及第二蓄电池5也可以具有不同的结构。
另外，充电模式下的第一双向电力变换装置6(及第二双向电力变换装置7)的动作也可以是同供电通道3的电压与第一蓄电池4(及第二蓄电池5)的电压之间的高低关系相应的任意的电压变换。即，也可以是，若在充电模式下第一蓄电池4(及第二蓄电池5)的电压比供电通道3的电压高，则第一双向电力变换装置6(及第二双向电力变换装置7)将直流电压VR升压后向第一蓄电池4(及第二蓄电池5)供给。
同样，备用模式下的第一双向电力变换装置6(及第二双向电力变换装置7)的动作也可以是同供电通道3的电压与第一蓄电池4(及第二蓄电池5)的电压之间的高低关系相应的任意的电压变换。即，也可以是，若在备用模式下第一蓄电池4(及第二蓄电池5)比供电通道3的电压高，则第一双向电力变换装置6(及第二双向电力变换装置7)将第一蓄电池4(及第二蓄电池5)的电压降压后向供电通道3输出。
另外，假想电阻RV也可以是根据状况而变化的可变值。虽然如上述实施例那样即便将假想电阻RV设为固定值也得到了使多个蓄电池(第一蓄电池4及第二蓄电池5)的放电平衡的效果，但由于各种传感器(例如，输出电流I01、I02的检测)中的误差等而有时可能会发生若干的不平衡。对此，例如若随着各蓄电池4、5的剩余量(电压)下降而使假想电阻RV微增，则能够缓和该不平衡。
或者，假想电阻RV也可以在稳态时设定为比较小的值，而在发生短路等的异常时设定为比较大的值。由此，能够在将稳态时的电压降下I01·RV(I02·RV)设为最小限度的同时使异常时的过电流保护较强地发挥功能。需要说明的是，在该情况下，能够通过下式来设定假想电阻RV，但这仅仅是一例。
RV＝R0 (I01＜Ith)
RV＝R0+(I01-Ith)A (I01≥Ith)
RV＝R0 (I02＜Ith)
RV＝R0+(I02-Ith)A (I02≥Ith)
这里，A是用于决定异常时的过电流保护的强度的系数，Ith是用于区分稳态时和异常时的阈值。
另外，本发明的直流电压输出装置也可以具有输出直流电压VR的任意的结构。例如，直流电压输出装置也可以是输出直流电压VR的直流电源装置、单电池或充电电池。

Claims (5)

1.一种直流供电系统，其特征在于，
所述直流供电系统具备：
直流电压输出装置，其将直流电压VR经由供电通道向外部负载输出；
多个蓄电池；以及
双向电力变换装置，其在各个所述蓄电池与所述供电通道之间各设置有一个，
所述双向电力变换装置具有：
电力变换电路，其以充电模式和备用模式进行动作，该充电模式是对从所述供电通道输入的所述直流电压VR进行电压变换并向所述蓄电池供给的模式，该备用模式是对所述蓄电池的电压进行电压变换并向所述供电通道输出的模式；以及
控制电路，其对所述电力变换电路的动作进行控制，
所述控制电路在使所述电力变换电路以所述备用模式进行动作时，将从所述电力变换电路输出的电压的目标值VT设定为从预先决定的电压V0减去该电力变换电路的输出电流I0与假想电阻RV之积而得到的值“V0-I0·RV”。
2.根据权利要求1所述的直流供电系统，其特征在于，
当所述供电通道的电压超过预先决定的阈值VTH时，所述控制电路使所述电力变换电路以所述充电模式进行动作或停止，当所述供电通道的电压低于所述阈值VTH时，所述控制电路使所述电力变换电路以所述备用模式进行动作，
所述直流电压VR、所述电压V0及所述阈值VTH具有VR＞VTH＞V0的关系。
3.根据权利要求1或2所述的直流供电系统，其特征在于，
所述双向电力变换装置还具有设置在所述电力变换电路与所述供电通道之间的通电切断单元，
在所述电力变换电路的所述输出电流I0超过预先决定的阈值ITH时，所述控制电路使所述通电切断单元工作。
4.根据权利要求3所述的直流供电系统，其特征在于，
所述双向电力变换装置还具有对所述电力变换电路进行诊断的自诊断电路，
在由所述自诊断电路检测到所述电力变换电路的异常时，所述控制电路使该电力变换电路停止。
5.根据权利要求4所述的直流供电系统，其特征在于，
在由所述自诊断电路检测到所述电力变换电路的异常时，所述控制电路使该电力变换电路停止，并且使所述通电切断单元工作。
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