CN113315200B - 掉线防触电交流并机装置及系统 - Google Patents

掉线防触电交流并机装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种掉线防触电交流并机装置及系统，该装置包括控制模块、采样模块、双向充放电模块、充电端口和放电端口；放电端口与负载连接，充电端口与外部电源连接；采样模块用于采集充电端口电流或/和电压信息；控制模块控制充电端口电流和双向充放电模块输出电流叠加后从放电端口输出至外部负载；第一通断开关设置在双向充放电模块与充电端口之间；采样模块实时获取充电端口的电流或/和电压大小；并在电流小于设置阈值时控制第一通断开关断开；与现有技术相比：当两台并机电源线被异常操作导致掉线时，该装置能够及时识别出并切断第一通断开关，消除所有裸露的公头插座导体或并机连接线上公头导体上出现危险高压的可能性。

Description

掉线防触电交流并机装置及系统
技术领域
本发明涉及电池管理系统领域，具体为一种掉线防触电交流并机装置及系统。
背景技术
便携式储能装置是一种在外出露营过程中常用的装置，用于为电磁炉、电烤箱等设备供电，深受国外露营爱好者的喜爱；但是当便携式储能装置的输出功率小于用电设备的额定功率时，就需要将多个便携式储能装置并接起来；输出大功率为用电设备供能。
并接技术是一种将两个或者多个便携式储能装置的输出功率叠加后输出至用电设备，为用电设备供电的技术；通常各个便携式储能装置之间通过电源线连接；标准的电源线一端为公头，另一端为母头；分别与两个便携式储能装置的充电端口和放电端口连接；但是在并接为用电设备供电的过程中，电源线被外界意外操作后导致插接处掉线，若无保护措施，则会出现与负载连接的便携式储能装置的充电端口的电插座高压带电导体裸露或者并机连接线的公头端高压带电导体裸露，这种情况下，裸露的高压带电导体容易被人体无意触碰到，特别可能被天性贪玩而不具备风险识别能力的儿童触碰到，这种设计不能满足安全规范要求，而且极易产生电击安全事故。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种掉线防触电交流并机装置及系统，该系统包括并机的主机和从机，主机机具有实时获取充电端口电流或/电压信息的采样模块，当采样模块检测到充电端口输入电流低于某一设定触发阈值时，切断电池与充电端口的连接，使得充电插座及其对外输出连接的所有连接导体上均无危险电压。
为实现上述目的，本发明提供一种掉线防触电交流并机装置，包括控制模块、采样模块、双向充放电模块、与双向充放电模块连接的充电端口和放电端口；放电端口用于与负载连接，充电端口用于与外部电源连接；
采样模块用于采集充电端口电流或/和电压信息；
控制模块用于控制双向充放电模块输出与采样模块采集电压相同的电压至放电端口；充电端口电流和双向充放电模块输出电流叠加后从放电端口输出至外部负载；
还包括第一通断开关；第一通断开关设置在双向充放电模块与充电端口之间；采样模块实时获取充电端口的电流或/和电压大小；并在电流小于设置阈值时控制模块控制第一通断开关断开；双向充放电模块与充电端口之间截止。
具体的方案，还包括启动模块和识别模块；启动模块工作后，双向充放电模块输出与采样模块采集电压相同的电压至放电端口；识别模块用于识别启动模块是否工作，且在识别启动模块工作后，采样模块实时获取充电端口的电流或/和电压大小；并在电流小于设置阈值时控制模块控制第一通断开关断开；双向充放电模块与充电端口之间截止。
具体的方案，还包括电池，电池与双向充放电模块连接，双向充放电模块用于将电池输出的直流电转换为交流电后输出至放电端口；采样模块用于采集充电端口和双向充放电模块输出的电流或/和电压的相位、频率和幅值信息。
具体的方案，充电端口包括充电零线和充电火线，放电端口包括放电零线和放电火线；且充电零线与放电零线连接，充电火线与放电火线连接；充电零线与放电零线的连接点与双向充放电模块的输出端零线连接，充电火线与放电火线连接点与双向充放电模块的输出端火线连接。
具体的方案，第一通断开关设置在充电零线与放电零线或/和充电火线与放电火线之间；放电火线或/和放电零线与负载之间设有第二通断开关；采样模块采集充电端口电流或/和电压信息时，控制模块控制第一通断开关断开。
具体的方案，采样模块获取充电端口电流或/和电压信息时，将获取的电流或/和电压信息与预设的标准电流或/和电压信息对比，判断接入充电端口的电源或/和电压来源。
具体的方案，控制模块控制双向充放电模块输出与充电端口相同的电压至放电端口时，控制模块控制第一通断开关闭合，第二通断开关断开，形成空载并机状态。
具体的方案，形成空载并机状态后，第二通断开闭合；放电端口输出电流至负载。
具体的方案，还包括电量采样模块，电流采样模块获取电池电量信息，并将电量信息传输至控制模块；控制模块控制双向充放电模块输出相应功率。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种掉线防触电交流并机系统，包括所述的掉线防触电交流并机装置和至少一台便携式储能装置，便携式储能装置用于与输出电流或/和电压至防触电交流并机装置充电端。
本发明的有益效果是：本发明提供的掉线防触电交流并机装置，包括控制模块、采样模块、双向充放电模块、与双向充放电模块连接的充电端口和放电端口；放电端口用于与负载连接，充电端口用于与外部电源连接；
采样模块用于采集充电端口电流或/和电压信息；
控制模块用于控制双向充放电模块输出与采样模块采集电压相同的电压至放电端口；充电端口电流和双向充放电模块输出电流叠加后从放电端口输出至外部负载；
还包括第一通断开关；第一通断开关设置在双向充放电模块与充电端口之间；采样模块实时获取充电端口的电流或/和电压大小；并在电流小于设置阈值时控制第一通断开关断开；双向充放电模块与充电端口之间截止；
与现有技术相比：
1、当两台并机连接线被异常操作导致掉线时，本实用的装置能够及时识别，并切断第一通断开关，消除所有裸露的公头插座导体或并机连接线上公头导体上出现危险高压的可能性，达到安全防护并实现了满足安规要求的目的；
2、本实用装置构成的并机系统，支持双向充放电功能，同时可以自动识别充电插座端的供电是并机机器供电还是电网接入供电，而且会根据识别结果智能的选择是否开启并机功能或充电功能；
3、本实用装置构成的并机系统，通过采样模块和控制模块对主机充电端口和和从机放电端口形成的闭环进行检测和控制，对主机和从机进行自检和校验，消除了由于各自器件性能误差导致的交流输出性能差异，从而实现对功率分配的精准控制，并能有效的减小并机间的无功环流，提升并机可靠性。
附图说明
图1为现有技术电路图；
图2为本发明的系统电路图。
图3为本发明的装置内部模块构造关系图；
图4为本发明的装置优化方案内部模块构造关系图；
主要元件符号说明如下：
#1、主机；#2、从机；1、电池；2、双向充放电模块；3、控制模块；4、采样模块；5、负载；6、启动模块；7、识别模块。
具体实施方式
为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
并机方案，主要应用在野营过程中，例如单个便携式储能装置最大功率只有120W，而用电设备的额定功率为220W，例如微波炉；此时单个便携式储能装置的功率无法驱动微波炉工作，故需要将两个或者多个便携式储能装置并接在一起，使的多个便携式储能装置的功率叠加后为用电设备供能；参阅图1，由于用电设备需要交流电源，因此便携式储能装置输出的电流必须为交流电，交流电在并机时，必须保证电流的相位、频率和幅值均相同，才能使得多个便携式储能装置的输出功率数值叠加，并稳定输出；如背景技术所述，现有技术中是将在两台同型号的单向逆变电源连接后，利用单个PWM驱动控制模块3同时控制两台电源的输出，来实现两台电源输出功率的叠加；但是该方案存在一些缺陷：第一是由于两台机器元件性能上天然会存在误差，会导致两台机器的逆变输出上也会存在差异，这样会导致两台机器间存在较大的环流，而影响其并机输出时的功率不平衡及工作可靠性；第二是该方案不支持具有充放电双向变换功能的机器的交流并机放电。
基于此本发明提供了一种掉线防触电交流并机系统，请参阅图2和图3，其包括至少两台便携式储能装置，每台便携式储能装置均包括控制模块3、采样模块4、双向充放电模块2、与双向充放电模块2连接的充电端口和放电端口；至少一台便携式储能装置的放电端口用于与外部负载5连接；且放电端口与负载5连接的便携式储能装置为主机#1，另一便携式储能装置为从机#2，从机#2的放电端口与主机#1的充电端口连接，从机#2的充电端口用于与外部电网或者外部电源连接；
主机#1的采样模块4用于采集主机#1充电端口电流或/和电压信息；
主机#1的控制模块3根据采样模块4采集的主机#1充电端口电流或/和电压信息，控制主机#1电池1输出与从机#2相同的电流和电压至主机#1放电端口；从机#2放电端口输出电流和主机#1放电端口电流叠加后从主机#1放电端口输出至外部负载5。
与现有技术相比，本发明支持双向充放电功能，可以自动识别充电插座端的供电是并机机器供电还是电网接入供电，而且会根据识别结果智能的选择是否开启并机功能或充电功能；同时通过采样模块4和控制模块3对主机#1充电端口和和从机#2放电端口形成的闭环进行检测和控制，对主机#1和从机#2进行自检和校验，消除了由于各自器件性能误差导致的交流输出性能差异，从而实现对功率分配的精准控制，并能有效的减小并机间的无功环流，提升并机可靠性。
但是在实际野营过程中，两台设备之间的并机电源线可能因为儿童贪玩，被儿童拔出，此时主机充电端口的公头或者与主机充电端口连接的电源线公头裸露在外，且此时的公头是带高压电的，一旦儿童触碰到，将导致严重的安全事故；从机的放电端口虽然也带电，但是放电端口母头或者电源线的母头是凹陷进去的，儿童接触不到，能够符合安规的要求；因此为了消除该并机系统的掉线安全隐患，本发明还包括第一通断开关；第一通断开关设置在双向充放电模块与充电端口之间；采样模块实时获取充电端口的电流或/和电压大小；并在电流小于设置阈值时控制第一通断开关断开；双向充放电模块与充电端口之间截止；当两台设备的并机连接线被异常操作导致掉线时，主机能够及时识别出并切断第一通断开关，消除所有裸露的公头插座导体或并机连接线上公头导体上出现危险高压的可能性，达到安全防护并实现了满足安规要求的目的；消除了该并接系统的安全隐患。
在本实施例中，主机#1和从机#2均包括双向充放电模块2，双向充放电模块2用于将电池1输出的直流电转换为交流电后输出至放电端口，供外部用电设备使用；主机#1的采样模块4用于采集主机#1充电端口的电流或/和电压的相位、频率和幅值信息；例如采集电压的相位在t0-t1时间内时正的，t1-t2时间内电流相位为负，频率为50HZ，幅值为170V。
参阅图4，从机#2或/和主机#1设有启动模块6，启动模块6为可以在接收外部按压启动按键后开始工作；将主机#1的充电端口和从机#2的放电端口通过标配的充电电源线连接好之后，可以选择按压启动按键进入并机模式，此时主机#1的采样模块4先采集从机#2的输出电流或/和电压信息，再通过控制模块3控制主机#1的电池1输出与从机#2相同的电流和电压至主机#1放电端口；从机#2放电端口输出电流和主机#1放电端口电流叠加后从主机#1放电端口输出至外部负载5。
在本实施例中，从机#2的放电端口与主机#1的充电端口连接时，若还未通过启动按键进入并机模式；则从机#2可以通过该双向充放电模块为主机#1充电；在进入并机模式后主机#1的双向充放电模块输出与主机#1充电端口相同的电压。
此外，主机的充电端口还可以直接与电网连接；通过电网对电池充电；优选的方案，还包括识别模块7，采样模块实时获取充电端口的电流或/和电压大小后，识别模块7先识别启动模块6是否工作进入并机模式，若进入；则在电流小于设置阈值时控制第一通断开关断开，若未进入，则即使电流小于设置阈值时，控制模块也不控制第一通断开关断开；因为在主机#1与电网连接充电过程中，电池电量即将充满时，也有可能出现采样端口电流小于阈值的情况，若也控制第一通断开关断开，则会影响到电池的正常充电。
在本实施例中，先采集再由控制模块3控制输出电流，消除了由于各自器件性能误差导致的交流输出性能差异，从而实现对功率分配的精准控制，并能有效的减小并机间的无功环流，提升并机可靠性。
在本实施例中，主机#1和从机#2之间使用标配的充电电源线进行并机连接，无需额外定制专用的交流连接及通信连接线束。
在本实施例中，启动模块6开始工作后，从机#2放电端口先在固定时间内输出不同于交流电网的电信号。
在本实施例中，启动按键可以替换为移动端APP发送指令至控住模块3控制启动并机。
优选的方案，主机#1的采样模块4获取主机#1充电端口电流或/和电压信息时，将获取的电流或/和电压信息与预设的标准电流或/和电压信息对比，若对比结果一致，则判定主机#1充电端口与外部电网连接；若对比结果不一致则判定主机#1充电端口与从机#2放电端口连接；因为主机#1的充电端除了与从机#2连接外，还可能会是与外部电网连接；因此需要对充电口的输入电流和电压进行判断；例如从机#2在启动时放电端至少输出1秒的安规限定的低压安全稳定交流，从而识别充电口为非交流电网接入；当主机#1为外部电网接入时，则进入充电模式。
在本实施例中，从机#2与主机#1内部模块完全相同，当从机#2充电端口与外部电网接入时，从机#2放电端口与主机#1连接时，从机#2进入充电模式。
在本实施例中，采样模块4的采集到的数据信息可通过有线传导方式传递给控制模块3，也可采用无线通信的方式传递给控制模块3。
在本实施例中，主机#1和从机#2的充电端口均包括充电零线和充电火线，放电端口均包括放电零线和放电火线；且充电零线与放电零线连接，充电火线与放电火线连接；充电零线与放电零线的连接点与双向充放电模块2的负极输出端连接，充电火线与放电火线连接点与双向充放电模块2的正极输出端连接。
参阅图1，主机#1的充电零线与放电零线之间设有开关SW1-1,充电火线与放电火线之间设有开关SW1-2,放电火线与负载5之间设有开关SW1-3；从机#2的的充电零线与放电零线之间设有开关SW2-1,充电火线与放电火线之间设有开关SW2-2,放电火线与负载5之间设有开关SW2-3；主机#1的采样模块4直接与主机#1的充电端口连接。
在本实施例中，当采样模块4识别出交流充电端口接入为从机#2而非电网的供电后，主机#1的开关SW1-3断开；从机#2的控制模块3控制从机#2的开关SW2-3闭合。
在本实施例中，主机#1的采样模块4采集主机#1充电端口电流或/和电压信息时，从机#2的控制模块3控制从机#2的开关SW2-3闭合，主机#1的控制模块3控制主机#1的开关SW1-1和SW1-2闭合。
在本实施例中，主机#1的控制模块3控制主机#1电池1输出与从机#2相同的电流和电压至主机#1放电端口时，控制模块3先控制从机#2的开关SW2-3闭合，主机#1的开关SW1-1、SW1-2闭合，主机#1的开关SW1-3断开，形成空载并机状态；在空载并机完成后，再控制主机#1的开关SW1-3闭合，形成带载并机。
在本实施例中，本发明中的电子控制开关可以使用继电器、接触器、MOSFET、IGBT、三极管、可控硅、光电开关或相应的电子元件组成的电路，若使用机械开关与诸如上述电子开关的组合亦属于本专利的保护范围。
优选的方案，还包括电量采样模块4，电流采样模块4获取主机#1和从机#2的电池1电量信息，当主机#1和从机#2的电池1电量不超过电量采样模块4的预定阈值时，主机#1和从机#2以相同功率输出，当主机#1和从机#2的电池1电量超过电量采样模块4的预定阈值时，按照电池1的电量比，控制主机#1和从机#2放电端口的相应比的输出功率值。
例如：当主机#1和从机#2的电池1SOC差异不超过5％，用电设备的额定功率为220W，则控制主机#1和从机#2输出功率均为110W；为用电设备供电。
又例如：当主机#1和从机#2的电池1SOC差异超过5％时，可以继续控制主机#1和从机#2均输出110W功率为用电设备供电，但是由于电池1的电量差异，电量较小的设备先放电完，此时主机#1和从机#2无法继续为用电设备供电。
又例如：当主机#1和从机#2的电池1SOC差异超过5％，其主机#1和从机#2的电池1电量比为3:1，则可以控住主机#1输出功率为165W，从机#2的输出功率为55W；主机#1和从机#2可以同时放电完毕；相比与上一主机#1和从机#2均功率放电，该方案的总放电时间更长。
相比与现有技术，本发明的方案，可以支持两台及两台以上的不同功率等级、不同电池1SOC的携式储能装置并机放电，每台单机的放电输出功率可以为平均功率，也可以根据每台机器的额定功率容量、电池1SOC及其在并机系统中的加权比率系数计算出归一化功率来输出相应的功率。
优选的方案，还包括多台便携式储能装置，多台便携式储能装置串接后，其中一台便携式储能装置的放电端口与从机#2的充电端口连接；其中多台便携式储能装置串接是：前一便携式储能装置的放电端口与后一便携式储能装置的充电端口连接；多台便携式储能装置的功率依次叠加后为负载5供能；例如5台输出功率为50W的便携式储能装置依次串接后为额定功率为220W的用电设备供能。
本发明的优势在于：
1、支持双向充放电功能，同时可以自动识别充电插座端的供电是并机机器供电还是电网接入供电，而且会根据识别结果智能的选择是否开启并机功能或充电功能。
2、通过采样模块和控制模块对主机充电端口和和从机放电端口形成的闭环进行检测和控制，对主机和从机进行自检和校验，消除了由于各自器件性能误差导致的交流输出性能差异，从而实现对功率分配的精准控制，并能有效的减小并机间的无功环流，提升并机可靠性。
4、本发明的方案支持两台及两台以上的不同功率等级、不同电池SOC的携式储能装置并机放电。
5、主机和从机之间使用标配的充电电源线进行并机连接即可，无需额外定制专用的交流连接及通信连接线束。
6、同时通过设置识别，消除了该并接系统的安全隐患；当两台并机连接线被异常操作导致掉线时，主机能够及时识别出并切断第一通断开关，消除所有裸露的公头插座导体或并机连接线上公头导体上出现危险高压的可能性，达到安全防护并实现了满足安规要求的目的。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种掉线防触电交流并机装置，其特征在于，包括控制模块、采样模块、双向充放电模块、与双向充放电模块连接的充电端口和放电端口；放电端口用于与负载连接，充电端口用于与外部电源连接；
采样模块用于采集充电端口电流或/和电压信息；
控制模块用于控制双向充放电模块输出与采样模块采集电压相同的电压至放电端口；充电端口电流和双向充放电模块输出电流叠加后从放电端口输出至外部负载；
还包括第一通断开关；第一通断开关设置在双向充放电模块与充电端口之间；采样模块实时获取充电端口的电流或/和电压大小；并在电流小于设置阈值时控制模块控制第一通断开关断开；双向充放电模块与充电端口之间截止；
还包括启动模块和识别模块；启动模块工作后，双向充放电模块输出与采样模块采集电压相同的电压至放电端口；识别模块用于识别启动模块是否工作，且在识别启动模块工作后，采样模块实时获取充电端口的电流或/和电压大小；并在电流小于设置阈值时控制模块控制第一通断开关断开；双向充放电模块与充电端口之间截止。
2.根据权利要求1所述的掉线防触电交流并机装置，其特征在于，还包括电池，电池与双向充放电模块连接，双向充放电模块用于将电池输出的直流电转换为交流电后输出至放电端口；采样模块用于采集充电端口和双向充放电模块输出的电流或/和电压的相位、频率和幅值信息。
3.根据权利要求1所述的掉线防触电交流并机装置，其特征在于，充电端口包括充电零线和充电火线，放电端口包括放电零线和放电火线；且充电零线与放电零线连接，充电火线与放电火线连接；充电零线与放电零线的连接点与双向充放电模块的输出端零线连接，充电火线与放电火线连接点与双向充放电模块的输出端火线连接。
4.根据权利要求3所述的掉线防触电交流并机装置，其特征在于，第一通断开关设置在充电零线与放电零线或/和充电火线与放电火线之间；放电火线或/和放电零线与负载之间设有第二通断开关；采样模块采集充电端口电流或/和电压信息时，控制模块控制第一通断开关断开。
5.根据权利要求4所述的掉线防触电交流并机装置，其特征在于，采样模块获取充电端口电流或/和电压信息时，将获取的电流或/和电压信息与预设的标准电流或/和电压信息对比，判断接入充电端口的电源或/和电压来源。
6.根据权利要求4所述的掉线防触电交流并机装置，其特征在于，控制模块控制双向充放电模块输出与充电端口相同的电压至放电端口时，控制模块控制第一通断开关闭合，第二通断开关断开，形成空载并机状态。
7.根据权利要求6所述的掉线防触电交流并机装置，其特征在于，形成空载并机状态后，第二通断开关闭合；放电端口输出电流至负载。
8.根据权利要求1所述的掉线防触电交流并机装置，其特征在于，还包括电量采样模块，电流采样模块获取电池电量信息，并将电量信息传输至控制模块；控制模块控制双向充放电模块输出相应功率。
9.一种掉线防触电交流并机系统，其特征在于，包括权利要求1-8任意一项所述的掉线防触电交流并机装置和至少一台便携式储能装置，便携式储能装置用于输出电流或/和电压至防触电交流并机装置充电端。
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