CN117937685A - 一种用于储能逆变器的电池输入预充电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于储能逆变器的电池输入预充电路及控制方法，包括：高压直流电池、脉冲继电器控制保护电路、功率电感、预充电路、电池输入电容、母线电容、第一绝缘栅双极晶体管和第二绝缘栅双极晶体管，所述高压直流电池正极与脉冲继电器控制保护电路和预充电路电气连接，所述预充电路与功率电感、脉冲继电器控制保护电路和电池输入电容电气连接，所述功率电感与第一绝缘栅双极晶体管和第二绝缘栅双极晶体管电气连接,所述第一绝缘栅双极晶体管与母线电容电气连接，所述高压直流电池负极与电池输入电容、母线电容和第二绝缘栅双极晶体管电气连接，所述高压直流电池接地，所述母线电容接地。借此，本发明具有保证在零电流下进行脉冲继电器的断开动作且确保脉冲继电器不会发生粘连故障的优点。

Description

一种用于储能逆变器的电池输入预充电路及控制方法

技术领域

本发明属于储能逆变器技术领域，特别涉及一种用于储能逆变器的电池输入预充电路及控制方法。

背景技术

目前当前的主流储能逆变器行业中，尤其是高压储能逆变器系统，通常为了降低接入的高压电池对逆变器内部线路和器件带来的冲击以及防止外部电池反接造成的逆流，一般会在电池与逆变器输入接口处设计预充电路，并在完成预充电后闭合一组继电器来旁路预充电路，确保外部电池系统与储能逆变器正常连接，储能直流电池输入电路技术发展迅速，在众多行业都有运用。

但是交流继电器存在触点在逆变器异常工况下带电流断开，发生粘连故障的风险，继电器在闭合工况下，继电器线圈会持续消耗电能，对于系统整体效率有影响，继电器控制电路缺少功能安全保护，如果主控MCU失效，存在无法正常断开电路的风险。

发明内容

本发明提出一种用于储能逆变器的电池输入预充电路及控制方法，能够励磁之后即使线圈停止供电，继电器的触点仍能保持闭合状态，不会因为供电电源的问题造成继电器带电分断。

本发明的技术方案是这样实现的：一种用于储能逆变器的电池输入预充电路，包括：高压直流电池、脉冲继电器控制保护电路、功率电感、预充电路、电池输入电容、母线电容、第一绝缘栅双极晶体管和第二绝缘栅双极晶体管，高压直流电池正极与脉冲继电器控制保护电路和预充电路电气连接，预充电路与功率电感、脉冲继电器控制保护电路和电池输入电容电气连接，功率电感与第一绝缘栅双极晶体管和第二绝缘栅双极晶体管电气连接，第一绝缘栅双极晶体管与母线电容电气连接，高压直流电池负极与电池输入电容、母线电容和第二绝缘栅双极晶体管电气连接，高压直流电池接地，母线电容接地。使得电路通过系统控制电池充放电电流，保证在零电流下进行脉冲继电器的断开动作，确保脉冲继电器不会发生粘连故障，保证继电器正常断开电路，脉冲继电器控制保护电路的作用是在电路中检测电流或电压异常时，通过继电器的动作来切断电路，从而保护电气设备和人员安全。继电器可以在检测到过载、短路、接地故障等情况时迅速动作，防止设备损坏或事故发生。这种保护电路可以帮助确保电气系统的稳定运行和安全性。

作为一种优选的实施方式，脉冲继电器控制保护电路包括：第一驱动电阻、第一下拉电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第二驱动电阻、第二下拉电阻、第一二极管、第二二极管、第一电容、脉冲继电器、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、脉冲继电器和供电电源。可以保护脉冲继电器

作为一种优选的实施方式，第一驱动电阻与第一下拉电阻和第一开关管电气连接，第一下拉电阻与第一开关管和第二开关管电气连接，第一开关管与第一二极管正极和脉冲继电器电气连接，供电电源与第一电容、脉冲继电器、第一二极管负极和第二二极管正极电气连接，第一电容接地，第二二极管正极与脉冲继电器和第三开关管电气连接，第三开关管与第五电阻和第六电阻电气连接，第六电阻与第四开关管和第三开关管电气连接，第四开关管与第二驱动电阻和第二下拉电阻电气连接，第二下拉电阻与第四开关管电气连接，第四开关管源极接地，第三电阻与第四电阻和第二开关管电气连接，第四电阻与第二开关管电气连接，第二开关管源极接地，储能逆变器高压电池输入侧预充电继电器电路的作用是在连接高压电池时，通过预充电继电器来控制电池电压的上升速度，以减少连接时的电流冲击和延长电池和其他电气设备的使用寿命，避免电流冲击对设备和电池的损坏。这种电路可以帮助确保高压电池系统的安全连接和稳定运行，同时保护设备和人员免受潜在的电气危险,储能逆变器高压电池输入侧预充电继电器电路的设计和使用对于储能系统的安全和可靠性至关重要。

作为一种优选的实施方式，预充电路包括第九电阻和第三二极管电气连接，第九电阻与第三二极管正极电气连接。

作为一种优选的实施方式，储能逆变器的电池输入预充电路包括脉冲继电器控制保护电路和储能逆变器高压电池输入侧预充电继电器电路，脉冲继电器闭合时，逆变器辅助ARM芯片发出高电平驱动信号，同时第二开关管导通，然后逆变器主控DSP芯片发出脉冲信号，同时第一开关管导通，脉冲继电器线圈5-1产生磁力，使得触点3和4闭合；脉冲继电器断开时，逆变器辅助ARM芯片发出高电平驱动信号，同时第四开关管导通，然后逆变器主控DSP芯片发出脉冲信号，同时第三开关管导通，脉冲继电器线圈5-2产生磁力，使得触点3和4断开。确保电路在单一失效故障状态下仍能正常断开电池输入电路，确保系统安全。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：避免了由于电路单一失效而造成继电器丧失正常闭合和关断的性能，提升了系统的功能安全裕量，从而让储能逆变器的高压直流预充电路更具有可靠性和性价比；采用了独特的脉冲继电器产品方案，可以有效减少继电器线圈正常工作状态时的电能消耗，从而降低继电器自身的运行温升，起到提升系统效率和运行可靠性的双重效能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为脉冲继电器控制保护电路；

图2为储能逆变器高压电池输入侧预充电继电器电路；

图3为脉冲继电器RE1闭合控制说明时序图；

图4为脉冲继电器RE1断开控制说明时序图；

图5为赛特勒脉冲继电器AZ2501P2-1A-12DR示意图；

图6为行业现行交流继电器控制电路；

图7为行业现行储能逆变器高压电池输入侧预充电继电器电路。

图1-2中，R1-第一驱动电阻；R2-第一下拉电阻；R3-第三电阻；R4-第四电阻；R5-第五电阻；R6-第六电阻；R7-第二驱动电阻；R8-第二下拉电阻；D1-第一二极管；D2-第二二极管；RE1-脉冲继电器；S1-第一开关管；S2-第二开关管；S3-第三开关管；S4-第四开关管；C1-第一电容；VCC-供电电源；G1-脉冲继电器控制保护电路；L1-功率电感；VSS1-高压直流电池；C6-电池输入电容；C7-母线电容；BUCK-IGBT-第一绝缘栅双极晶体管；BOOST-IGBT-第二绝缘栅双极晶体管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1^5所示，一种用于储能逆变器的电池输入预充电路，包括：高压直流电池、脉冲继电器控制保护电路G1、功率电感L1、预充电路、电池输入电容C6、母线电容C7、第一绝缘栅双极晶体管BUCK-IGBT和第二绝缘栅双极晶体管BOOST-IGBT，高压直流电池正极与脉冲继电器控制保护电路G1和预充电路电气连接，预充电路与功率电感L1、脉冲继电器控制保护电路G1和电池输入电容C6电气连接，功率电感L1与第一绝缘栅双极晶体管BUCK-IGBT和第二绝缘栅双极晶体管BOOST-IGBT电气连接，第一绝缘栅双极晶体管BUCK-IGBT与母线电容C7电气连接，高压直流电池负极与电池输入电容C6、母线电容C7和第二绝缘栅双极晶体管BOOST-IGBT电气连接，高压直流电池接地，母线电容C7接地。使得电路通过系统控制电池充放电电流，保证在零电流下进行脉冲继电器的断开动作，确保脉冲继电器不会发生粘连故障，保证继电器正常断开电路，脉冲继电器控制保护电路G1的作用是在电路中检测电流或电压异常时，通过继电器的动作来切断电路，从而保护电气设备和人员安全。继电器可以在检测到过载、短路、接地故障等情况时迅速动作，防止设备损坏或事故发生。这种保护电路可以帮助确保电气系统的稳定运行和安全性。脉冲继电器控制保护电路G1包括：第一驱动电阻R1、第一下拉电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第二驱动电阻R7、第二下拉电阻R8、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、脉冲继电器RE1、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、脉冲继电器RE1和供电电源VCC。可以保护脉冲继电器RE1。第一驱动电阻R1与第一下拉电阻R2和第一开关管S1电气连接，第一下拉电阻R2与第一开关管S1和第二开关管S2电气连接，第一开关管S1与第一二极管D1正极和脉冲继电器RE1电气连接，供电电源VCC与第一电容C1、脉冲继电器RE1、第一二极管D1负极和第二二极管D2负极电气连接，第一电容C1接地，第二二极管D2正极与脉冲继电器RE1和第三开关管S3电气连接，第三开关管S3与第五电阻R5和第六电阻R6电气连接，第六电阻R6与第四开关管S4和第三开关管S3电气连接，第四开关管S4与第二驱动电阻R7和第二下拉电阻R8电气连接，第二下拉电阻R8与第四开关管S4电气连接，第四开关管S4源极接地，第三电阻R3与第四电阻R4和第二开关管S2电气连接，第四电阻R4与第二开关管S2电气连接，第二开关管S2源极接地，储能逆变器高压电池输入侧预充电继电器电路的作用是在连接高压电池时，通过预充电继电器来控制电池电压的上升速度，以减少连接时的电流冲击和延长电池和其他电气设备的使用寿命，避免电流冲击对设备和电池的损坏。这种电路可以帮助确保高压电池系统的安全连接和稳定运行，同时保护设备和人员免受潜在的电气危险,储能逆变器高压电池输入侧预充电继电器电路的设计和使用对于储能系统的安全和可靠性至关重要。预充电路包括第九电阻和第三二极管电气连接，第九电阻与第三二极管正极电气连接。储能逆变器的电池输入预充电路包括脉冲继电器控制保护电路G1和储能逆变器高压电池输入侧预充电继电器电路，脉冲继电器RE1闭合时，逆变器辅助ARM芯片发出高电平驱动信号，同时第二开关管S2导通，然后逆变器主控DSP芯片发出脉冲信号，同时第一开关管S1导通，脉冲继电器RE1线圈5-1产生磁力，使得触点3和4闭合；脉冲继电器RE1断开时，逆变器辅助ARM芯片发出高电平驱动信号，同时第四开关管S4导通，然后逆变器主控DSP芯片发出脉冲信号，同时第三开关管S3导通，脉冲继电器RE1线圈5-2产生磁力，使得触点3和4断开。确保电路在单一失效故障状态下仍能正常断开电池输入电路，确保系统安全。

储能逆变器高压电池输入侧预充电脉冲继电器电路包括高压直流电池VSS1、脉冲继电器控制保护电路G1、功率电感L1、预充电路、电池输入电容C6、母线电容C7、第一绝缘栅双极晶体管BUCK-IGBT和第二绝缘栅双极晶体管BOOST-IGBT电气连接，高压直流电池VSS1正极与脉冲继电器控制保护电路G1和预充电路电气连接，预充电路与功率电感L1、脉冲继电器控制保护电路G1、电池输入电容C6、功率电感L1与第一绝缘栅双极晶体管BUCK-IGBT和第二绝缘栅双极晶体管BOOST-IGBT、第一绝缘栅双极晶体管BUCK-IGBT与母线电容C7电气连接，高压直流电池VSS1负极与电池输入电容C6、母线电容C7和第二绝缘栅双极晶体管BOOST-IGBT电气连接，高压直流电池VSS1接地，母线电容C7接地，保证脉冲继电器RE1正常断开电路，脉冲继电器控制保护电路G1控制保护电路的作用是在电路中检测电流或电压异常时，通过脉冲继电器控制保护电路G1的动作来切断电路，从而保护电气设备和人员安全。脉冲继电器控制保护电路G1可以在检测到过载、短路、接地故障等情况时迅速动作，防止设备损坏或事故发生。这种保护电路可以帮助确保电气系统的稳定运行和安全性。预充电路包括第九电阻和第三二极管电气连接，第九电阻与第三二极管正极电气连接。储能逆变器的电池输入预充电路包括脉冲继电器控制保护电路和储能逆变器高压电池输入侧预充电继电器电路，脉冲继电器闭合时，逆变器辅助ARM芯片发出高电平驱动信号，同时第二开关管导通，然后逆变器主控DSP芯片发出脉冲信号，同时第一开关管导通，脉冲继电器线圈5-1产生磁力，使得触点3和4闭合；脉冲继电器断开时，逆变器辅助ARM芯片发出高电平驱动信号，同时第四开关管导通，然后逆变器主控DSP芯片发出脉冲信号，同时第三开关管导通，脉冲继电器线圈5-2产生磁力，使得触点3和4断开。确保电路在单一失效故障状态下仍能正常断开电池输入电路，确保系统安全。

脉冲继电器RE1选用赛特勒品牌脉冲继电器RE1：AZ2501P2-1A-12D，脉冲继电器RE1线圈5-1通电50ms方波脉冲励磁后，脉冲继电器RE1的触点3和4闭合；脉冲继电器RE1线圈5-2通电50ms方波脉冲励磁后，脉冲继电器RE1的触点3和4分断，脉冲继电器RE1线圈两端并联的第一二极管D1和第二二极管D2是为脉冲继电器RE1线圈断开后提供续流路径，确保脉冲继电器RE1线圈不产生异常的关断尖峰电压，其中第一二极管D1是为第一开关管S1和第二开关管S2关断后提供脉冲继电器RE1线圈5-1的续流路径，第二二极管D2是为第三开关管S3和第四开关管S4关断后提供脉冲继电器RE1线圈5-2的续流路径。

脉冲继电器RE1闭合工作原理说明：首先等待脉冲继电器RE1供电VCC正常建立(稳定到12V工作电压)，然后延时t1时间后，由逆变器辅助ARM芯片(功能安全芯片)发出Relay_ON_ARM的高电平驱动信号，信号在脉冲继电器RE1断开期间内一直保持高电平状态，此时开关管第二开关管S2闭合导通(R3和R4电阻是为了让第二开关管S2正常工作匹配电阻，第一驱动电阻R1为驱动电阻，R2为下拉电阻)。之后再延时t2(延时t2的目的是确保第二开关管S2先正常闭合，为之后第一开关管S1闭合做准备)，然后再由逆变器主控DSP芯片发出Relay_ON_DSP的一段固定脉冲时间T驱动信号(脉冲时间按照选用的脉冲继电器RE1厂商规格书要求的时间来设定),此时开关管第一开关管S1闭合导通，脉冲继电器RE1线圈5-1在此脉冲T的励磁作用下，产生电磁力使触点3和4闭合。由此完成了脉冲继电器RE1闭合的工作。这段工作时间内，由辅助ARM芯片发出的Relay_OFF_ARM信号和主控DSP芯片发出的Relay_OFF_DSP信号一直保持低电平状态。这个电路中采用了开关管第一开关管S1和第二开关管S2串联的结构以及双核芯片控制的方案，目的就是为了提升功能安全余量，确保电路在单一失效故障状态下仍能正常断开电池输入电路，确保系统安全。

脉冲继电器RE1断开的工作原理说明：等待脉冲继电器RE1供电VCC正常建立(稳定到12V工作电压)，然后延时t1时间后，由逆变器辅助ARM芯片(功能安全芯片)发出Relay_OFF_ARM的高电平驱动信号，信号在脉冲继电器RE1闭合期间内一直保持高电平状态，此时开关管第四开关管S4闭合导通(第二驱动电阻R7和第二下拉电阻R8电阻是为了让第四开关管S4正常工作匹配电阻，第二驱动电阻R7为驱动电阻，第二下拉电阻R8为下拉电阻)。之后再延时t2(延时t2的目的是确保第四开关管S4先正常闭合，为之后第三开关管S3闭合做准备)，然后再由逆变器主控DSP芯片发出Relay_OFF_DSP的一段固定脉冲时间T驱动信号(脉冲时间按照选用的脉冲继电器RE1厂商规格书要求的时间来设定),此时开关管第三开关管S3闭合导通，脉冲继电器RE1线圈5-2在此脉冲T的励磁作用下，产生与之前闭合时候反向的电磁力使触点3和4断开。由此完成了脉冲继电器RE1断开的工作。这段工作时间内，由辅助ARM芯片发出的Relay_ON_ARM信号和主控DSP芯片发出的Relay_ON_DSP信号一直保持低电平状态。这个电路中采用了开关管第三开关管S3和第四开关管S4串联的结构以及双核芯片控制的方案，目的就是为了提升功能安全余量，确保电路在单一失效故障状态下仍能正常断开电池输入电路，确保系统安全。

控制信号功能解释：Relay_ON_ARM:逆变器辅助ARM芯片驱动信号，目的是保证脉冲继电器RE1闭合的先决条件；Relay_ON_DSP:逆变器主控DSP芯片驱动信号，目的是发出一段时间T脉冲，保证脉冲继电器RE1的5-1脉冲继电器RE1线圈励磁，进而使脉冲继电器RE1闭合工作；Relay_OFF_ARM:逆变器辅助ARM芯片驱动信号，目的是保证脉冲继电器RE1断开的先决条件；Relay_OFF_DSP:逆变器主控DSP芯片驱动信号，目的是发出一段时间T脉冲，保证脉冲继电器RE1的5-2脉冲继电器RE1线圈励磁，进而使脉冲继电器RE1断开。

通过利用脉冲继电器RE1的特点，避免了缺陷，即利用脉冲继电器RE1励磁脉冲继电器RE1线圈工作的原理，在励磁之后即使脉冲继电器RE1线圈停止供电，脉冲继电器RE1的触点仍能保持闭合状态，不会因为供电电源VCC的问题造成脉冲继电器RE1带电分断。同时由于脉冲继电器RE1线圈仅励磁了1个脉冲T时间，所以在脉冲继电器RE1闭合器件，脉冲继电器RE1线圈因为绕线电阻的欧姆效应产生的功率消耗仅仅维持了1个脉冲T时间，其他时间脉冲继电器RE1线圈没有功率损耗。此外，本发明专利设计了采用主、辅双核的MCU控制电路，同时通过开关管串联结构的方案，避免了由于电路单一失效而造成脉冲继电器RE1丧失正常闭合和关断的性能，提升了系统的功能安全裕量。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于储能逆变器的电池输入预充电路，其特征在于，包括：高压直流电池、脉冲继电器控制保护电路、功率电感、预充电路、电池输入电容、母线电容、第一绝缘栅双极晶体管和第二绝缘栅双极晶体管，所述高压直流电池正极与脉冲继电器控制保护电路和预充电路电气连接，所述预充电路与功率电感、脉冲继电器控制保护电路和电池输入电容电气连接，所述功率电感与第一绝缘栅双极晶体管和第二绝缘栅双极晶体管电气连接，所述第一绝缘栅双极晶体管与母线电容电气连接，所述高压直流电池负极与电池输入电容、母线电容和第二绝缘栅双极晶体管电气连接，所述高压直流电池接地，所述母线电容接地。

2.根据权利要求1所述的一种用于储能逆变器的电池输入预充电路，其特征在于，所述脉冲继电器控制保护电路包括：第一驱动电阻、第一下拉电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第二驱动电阻、第二下拉电阻、第一二极管、第二二极管、第一电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、脉冲继电器和供电电源。

3.根据权利要求2所述的一种用于储能逆变器的电池输入预充电路，其特征在于，所述第一驱动电阻与第一下拉电阻和第一开关管电气连接，所述第一下拉电阻与第一开关管和第二开关管电气连接，所述第一开关管与第一二极管正极和脉冲继电器电气连接，所述供电电源与第一电容、脉冲继电器、第一二极管负极和第二二极管正极电气连接，所述第一电容接地，所述第二二极管正极与脉冲继电器和第三开关管电气连接，所述第三开关管与第五电阻和第六电阻电气连接，所述第六电阻与第四开关管和第三开关管电气连接，所述第四开关管与第二驱动电阻和第二下拉电阻电气连接，所述第二下拉电阻与第四开关管电气连接，所述第四开关管源极接地，所述第三电阻与第四电阻和第二开关管电气连接，所述第四电阻与第二开关管电气连接，所述第二开关管源极接地。

4.根据权利要求1所述的一种用于储能逆变器的电池输入预充电路及控制方法，其特征在于，所述预充电路包括第九电阻和第三二极管电气连接，所述第九电阻与第三二极管正极电气连接。

5.一种用于储能逆变器的电池输入预充控制方法，基于权利要求1-4任一项所述的储能逆变器的电池输入预充电路，所述储能逆变器的电池输入预充电路包括脉冲继电器控制保护电路和储能逆变器高压电池输入侧预充电继电器电路，其特征在于，

所述脉冲继电器闭合时，逆变器辅助ARM芯片发出高电平驱动信号，同时第二开关管导通，然后逆变器主控DSP芯片发出脉冲信号，同时第一开关管导通，所述脉冲继电器线圈5-1产生磁力，使得触点3和4闭合；

所述脉冲继电器断开时，逆变器辅助ARM芯片发出高电平驱动信号，同时第四开关管导通，然后逆变器主控DSP芯片发出脉冲信号，同时第三开关管导通，所述脉冲继电器线圈5-2产生磁力，使得触点3和4断开。