CN218733274U

CN218733274U - 一种错峰用电的双向dcdc电池管理装置

Info

Publication number: CN218733274U
Application number: CN202222998441.8U
Authority: CN
Inventors: 梁庆勇; 苏名胜; 石进芳; 刘玉聪; 胡聪; 郝铁军
Original assignee: Guilin Stars Science And Technology Co ltd
Current assignee: Guilin Stars Science And Technology Co ltd
Priority date: 2022-11-10
Filing date: 2022-11-10
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2032-11-10

Abstract

本实用新型公开一种错峰用电的双向DCDC电池管理装置，包括功率单元、控制电源、电压检测电路、电流传感器、驱动电路、MCU控制单元和上位机。通过用电高峰时段由备用电池供电、非高峰时段向电池充电，通过设置各时段充电目标电压高低选择各时段充电的多少，实现了错峰用电，使通信电源运行更经济。充放电、升降压和混合模式切换是通过配置H桥晶体管驱动信号与PWM信号的关联实现的，切换简单。既解决了电池“充不饱”问题，也解决了充电电流闭环控制对备用电池更友好和延长电池寿命的问题。不论电池电压的高低，都能通信电源输出电压稳定于期望值。

Description

一种错峰用电的双向DCDC电池管理装置

技术领域

本实用新型涉及通信电源技术领域，具体涉及一种错峰用电的双向DCDC电池管理装置。

背景技术

错峰用电是通过技术、经济、行政等手段将用电高峰时段的部分用电转移到用电低谷时段，减少电网的峰谷负荷差、优化资源配置，对提高社会经济效益和实现“碳中和”目标具有重大意义。

通信电源是为通信设施供电的电压源，通常由ACDC模块、备用电池、电池管理装置组成。其中电池管理装置执行ACDC模块或电池的供电切换、电池充电和放电管理。电网有电时，ACDC模块将电网的交流电转换为45～53V的直流电压、向通信设施输出，并为备用电池提供充电电源；此时电池管理装置从ACDC模块取电向备用电池充电。电网失电时，备用电池通过电池管理装置的区隔二极管后向通信设施供电。然而，现有的通信电源的电池管理装置却存在着不能错峰用电、电池充电不饱和放电不足、充电电流控制粗放、以及电池供电时不便稳压等方面的不足，具体变现为：

其一，通信电源已经配备了较大容量的备用电池，具备错峰用电的条件，仅用于停电应急而不能实现错峰用电是非常可惜的。

其二，电池充电通常是从45～53V的ACDC模块取电的，备用电池的电压约为48V，两者间的压差小、甚至无压差，故充电电流小、充电速度慢、甚至不能充电，易发生电池“充不饱”；此外，对充电电流粗放控制而不是精准的闭环控制，不利于电池的使用寿命。

其三，通信设施要求电源电压约为45～53V左右，而备用电池的电压约为48V；当由48V备用电池供电时，还需损失区隔二极管的固有压降，备用电池电压稍低就不能再向通讯设施放电，故不能充分释放电池的存储能量。

其四，通信电源由备用电池供电时，输出电压由电池电压和区隔二极管的固有压降决定，不能对输出电压进行闭环稳压控制。

综上，一种能实现错峰用电、不受母线压差影响能且电流闭环地向电池充电、不受压差影响且电压闭环地向通讯设施放电、简便实现充电放电和升压或降压模式切换的技术方案，是本技术领域亟需的。

实用新型内容

本实用新型所要解决的是存在着不能错峰用电、电池充电不饱和放电不足、充电电流闭环控制、还有电池供电时不便稳压的问题，提供一种错峰用电的双向DCDC电池管理装置。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种错峰用电的双向DCDC电池管理装置，包括功率单元、控制电源、电压检测电路、电流传感器、驱动电路、MCU控制单元和上位机；功率单元由晶体管H1～H4、电容C1～C2、以及电感L组成；电容C1的正极和晶体管H1的漏极与ACDC电源模块的正极相连；电容C1的负极和晶体管H2的源极与ACDC电源模块的负极相连；电容C2的正极和晶体管H3的漏极与备用电池的正极相连；电容C2的负极和晶体管H4的源极与备用电池的负极相连；晶体管H2的源极和晶体管H4的源极相连；晶体管H1的源极和晶体管H2的漏极与电感L的一端连接，晶体管H3的源极和晶体管H4的漏极与电感L的另一端连接；ACDC电源模块的正极经由二极管D1连接控制电源的一个电源输入端；备用电池的正极经由二极管D2连接控制电源的另一个电源输入端；控制电源的3组电源输出端分别连接电压检测电路、驱动电路和MCU控制单元的电源端；电压检测电路的一个信号输入端连接ACDC电源模块的正极；电压检测电路的另一个信号输入端连接备用电池的正极；电压检测电路的2个信号输出端分别连接MCU控制单元的2个电压反馈输入端；电流传感器的信号采集端位于功率单元的晶体管H1和H3的源极之间；电流传感器的信号输出端连接MCU控制单元的电流反馈输入端；MCU控制单元的控制输入端与上位机相连，MCU控制单元的控制输出端连接驱动电路的控制输入端，驱动电路的4个控制控制端分别连接4个晶体管H1～H4的栅极。

上述方案中，晶体管H1～H4为绝缘栅双极型晶体管或场效应晶体管。

上述方案中，电流传感器为霍尔电流传感器。

上述方案中，上位机与MCU控制单元通过总线控制接口和I/O控制接口连接。

与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：

1、通过用电高峰时段由备用电池供电、非高峰时段向电池充电，通过设置各时段充电目标电压高低选择各时段充电的多少，实现了错峰用电，使通信电源运行更经济。

2、不论DC母线电压的高低，能以降压或升压或混合模式充电，都能按预存的电池充电U-I曲线的为设定电流以电流闭环向电池充电，既解决了电池“充不饱”问题，也解决了充电电流闭环控制对备用电池更友好和延长电池寿命的问题。

3、电池电压不低于允许的最低值时、不论电池电压高低，都能以降压或升压或混合模式向DC母线放电，充分释放了电池的存储能量；因为对DC母线反馈电压作闭环控制，不论电池电压的高低，都能通信电源输出电压稳定于期望值。

4、充放电、升降压和混合模式切换是通过配置H桥晶体管驱动信号与PWM信号的关联实现的，切换简单。

附图说明

图1为一种错峰用电的双向DCDC电池管理装置的电气框图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本实用新型进一步详细说明。

参见图1，一种错峰用电的双向DCDC电池管理装置，包括功率单元、控制电源、电压检测电路、电流传感器、驱动电路、MCU控制单元和上位机。

功率单元由晶体管(IGBT)H1～H4、电容C1～C2、以及电感L组成。晶体管H1～H4构成H桥。晶体管H1～H2和电容C1构成DC母线侧。晶体管H3～H4和电容C2构成电池母线侧。电容C1的正极和晶体管H1的漏极与ACDC电源模块的正极相连；电容C1的负极和晶体管H2的源极与ACDC电源模块的负极相连。电容C2的正极和晶体管H3的漏极与备用电池的正极相连；电容C2的负极和晶体管H4的源极与备用电池的负极相连。晶体管H2的源极和晶体管H4的源极相连。晶体管H1的源极和晶体管H2的漏极与电感L的一端连接，晶体管H3的源极和晶体管H4的漏极与电感L的另一端连接。

ACDC电源模块为本装置供电，ACDC电源模块内有等效区隔二极管。备用电池是按所需电压和容量配备的可充电电池。控制电源的一个电源输入端连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接ACDC电源模块的正极；控制电源的另一个电源输入端连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接备用电池的正极；控制电源的三组电源输出端分别连接电压检测电路、驱动电路和MCU控制单元的电源端。

电压检测电路的一个信号输入端连接ACDC电源模块的正极(用于采集DC母线反馈电压U1)，电压检测电路的另一个信号输入端连接备用电池的正极(用于采集电池母线反馈电压U2)；电压检测电路的两个信号输出端分别连接MCU控制单元的电压反馈输入端。电流传感器的信号采集端位于功率单元的晶体管H1和H3的源极之间，并与电感L串联或隔离耦合；电流传感器的信号输出端连接MCU控制单元的电流反馈输入端。在本实用新型优选实施例中，电流传感器为霍尔电流传感器。

MCU控制单元的控制输入端与上位机相连，MCU控制单元的控制输出端连接驱动电路的控制输入端，驱动电路的四个控制控制端分别连接四个晶体管H1～H4的栅极。在本实用新型优选实施例中，MCU控制单元与上位机通过总线控制接口和I/O控制接口连接。总线控制接口作为与上位机连接的接口，用于本装置交换控制指令和传送参数，为CAN总线控制接口和/或485总线控制接口；I/O控制接口作为更快速的逻辑控制信号接口，用于与本装置交换控制逻辑信号。

MCU控制单元内含微处理器MCU及其测控接口线路和存储线路、不掉电实时时钟线路。微处理器MCU及其测控接口线路和存储线路用于实现信号AD转换和测量DC母线反馈电压U₁、电池母线反馈电压U₂、电流反馈信号I_F以及控制PWM发生，其内还含有预存电网时段充电策略表、电池参数等；不掉电实时时钟线路用于获得当前的实时时刻和判定所处的电网用电时段。首先，MCU控制单元根据上位机传来的电网有无电信号、本装置实时时钟和预存的电网时段定义，通过设置H桥IGBT驱动信号与PWM信号的关联关系，在电网无电或有电且处于用电高峰时段时选择电池放电模式，在电网有电时选择电池充电模式。其次，MCU控制单元根据DC母线实际电压U₁与电池母线实际电压U₂之差，通过设置H桥IGBT驱动信号与PWM信号的关联关系，选择升压或降压模式。之后，MCU控制单元以已预存的或上位机动态传来的DC母线电压期望值U_1S为电压设定值、以本装置允许最大电流为电流限制值，按有电流限制的电压闭环方式控制电池放电；或者，通过实时时钟和预存电网时段充电策略表，根据当前电池母线实际电压U₂和上位机传来并预存电池充电U-I曲线求取充电电流设定值I_S、以充电策略表中的各时段充电目标电压值U_2S为限制值、以I_S为设定电流值，按有电压限制的电流闭环方式控制电池充电。

电网时段定义和电池目标电压U_2s存储在表1所示的电网时段充电策略表中。

表1电网时段充电策略表

注：√充电；×不充电

在本实施例中，峰用电时段为10:00≤T＜13:00和18:00≤T＜21:00，平用电时段为07:00≤T＜10:00和13:00≤T＜18:00，谷用电时段为21:00≤T＜7:00。峰、平和谷用电时段的目标电压U_2S分别为U_2S(1)＝46.0V，U_2S(2)＝50.0V，U_2S(3)＝52.0V。电池目标电压U_2s的高低可以决定要充电的多少，通过调整电网时段充电策略表中电网谷、平、峰时段的充电目标电压U_2s，可以实现谷、平、峰时段多充电、少充电或不充电，获得更好的经济性。

MCU控制单元首先根据电网有无电信号、当前时刻和电网时段定义来选择电池充电或放电模式，即：当电网无电时、或者电网虽有电但当前时刻属于用电高峰时段时，选择电池放电模式；否则，选择电池充电模式。然后基于DC母线反馈电压U₁和电池母线反馈电压U₂，并基于表2配置晶体管H1～H4的驱动信号与MCU控制单元输出的PWM控制信号的关联关系。

表2电网供电和电池放电的控制方法

注：○跟随PWM控制信号；

与同臂上管的通断反相；●常导通(在1个周期T内均导通)；■固定开通率导通(周期T内按预设开通率导通，开通率ε＝导通时间t/周期T，如以70～90％开通率导通，即导通时间t占周期T的70～90％)；×关断。

在电池放电模式下，根据DC母线实际电压U₁与电池母线实际电压U₂之差，通过设置H桥IGBT驱动信号与PWM信号的关联关系动态选择了升压、降压或混合模式，只要电池电压不低于允许的最低值U_2min，都能向DC母线放电，充分利用了电池的存储能量；同时，因为对DC母线反馈电压作闭环控制，使电压稳定于期望值U_1s；选择了在用电高峰时段由电池放电的错峰用电，运行更经济；切换到升压、降压或混合模式是通过设置H桥IGBT驱动信号与PWM信号的关联实现的，切换简单。

在电池充电模式下，根据DC母线实际电压U₁与电池母线实际电压U₂之差，通过设置H桥IGBT驱动信号与PWM信号的关联关系动态选择了升压、降压或混合模式，不论DC母线反馈电压的高低，都能按期望的电池充电U-I曲线电流向电池充电，既解决了电池“充不饱”问题，又对备用电更友好；通过设置电网时段充电策略表的充电目标电压U_2s的高低选择了电网谷、平、峰时段多充电、少充电或不充电，实现了错峰用电、运行更经济；切换升压、降压或混合充电模式是通过设置H桥IGBT驱动信号与PWM信号的关联实现的，切换简单。

本实用新型能实现错峰用电、不受母线压差影响且电流闭环地向电池充电、不受压差影响且电压闭环地向通讯设施放电、简便实现充电放电和升压、降压或混合模式切换，使通信电源更节能、电池充电更合理、输出电压更稳定、切换更简单。

需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。

Claims

1.一种错峰用电的双向DCDC电池管理装置，其特征是，包括功率单元、控制电源、电压检测电路、电流传感器、驱动电路、MCU控制单元和上位机；

功率单元由晶体管H1～H4、电容C1～C2、以及电感L组成；电容C1的正极和晶体管H1的漏极与ACDC电源模块的正极相连；电容C1的负极和晶体管H2的源极与ACDC电源模块的负极相连；电容C2的正极和晶体管H3的漏极与备用电池的正极相连；电容C2的负极和晶体管H4的源极与备用电池的负极相连；晶体管H2的源极和晶体管H4的源极相连；晶体管H1的源极和晶体管H2的漏极与电感L的一端连接，晶体管H3的源极和晶体管H4的漏极与电感L的另一端连接；

ACDC电源模块的正极经由二极管D1连接控制电源的一个电源输入端；备用电池的正极经由二极管D2连接控制电源的另一个电源输入端；控制电源的3组电源输出端分别连接电压检测电路、驱动电路和MCU控制单元的电源端；

电压检测电路的一个信号输入端连接ACDC电源模块的正极；电压检测电路的另一个信号输入端连接备用电池的正极；电压检测电路的2个信号输出端分别连接MCU控制单元的2个电压反馈输入端；

电流传感器的信号采集端位于功率单元的晶体管H1和H3的源极之间；电流传感器的信号输出端连接MCU控制单元的电流反馈输入端；

MCU控制单元的控制输入端与上位机相连，MCU控制单元的控制输出端连接驱动电路的控制输入端，驱动电路的4个控制控制端分别连接4个晶体管H1～H4的栅极。

2.根据权利要求1所述的一种错峰用电的双向DCDC电池管理装置，其特征是，晶体管H1～H4为绝缘栅双极型晶体管或场效应晶体管。

3.根据权利要求1所述的一种错峰用电的双向DCDC电池管理装置，其特征是，电流传感器为霍尔电流传感器。

4.根据权利要求1所述的一种错峰用电的双向DCDC电池管理装置，其特征是，上位机与MCU控制单元通过总线控制接口和I/O控制接口连接。