電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備，包括：Buck-Boost雙向變換器，用于對直流電壓進(jìn)行升壓、降壓處理，提供電池充放電的恒流恒壓；雙向隔離型開關(guān)電源，用于對直流電壓進(jìn)行升壓、降壓處理；雙向DC/AC變流器，用于對電壓進(jìn)行直流與交流之間的變換；控制電路，用于監(jiān)控所述Buck-Boost雙向變換器、雙向隔離型開關(guān)電源、雙向DC/AC變流器。采用本實(shí)用新型，既可實(shí)現(xiàn)對電池的恒流充電，又可將電池放電電能回饋至電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能量再生利用，采用雙向隔離型開關(guān)電源，提高電能利用率，達(dá)到節(jié)電的效果，并通過高頻隔離變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，充電時，采用高頻同步整流，提高效率，提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、減少諧波含量等危害能質(zhì)量的因素。
【專利說明】電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電力電子領(lǐng)域，尤其涉及一種電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于蓄電池供電或以蓄電池作為后備電源的電源系統(tǒng)應(yīng)用越來越普遍。如電動機(jī)車，電力系統(tǒng)的直流電源系統(tǒng)，通信、鐵道、地鐵、機(jī)場、消防等領(lǐng)域的直流不間斷電源系統(tǒng)和交流不間斷系統(tǒng)(UPS)都需要大量使用各種蓄電池。
[0003]電池化成，即對電池反復(fù)進(jìn)行充電、放電，是電池生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備是電池化成的主要設(shè)備。
[0004]由于技術(shù)及成本因素，目前電池化成設(shè)備的充放電方式為:充電過程采用傳統(tǒng)線性恒流源，充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡單，同時采用不可控整流會給電網(wǎng)帶來各種降低電能質(zhì)量的因素，造成網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低、諧波含量大，產(chǎn)生大量電網(wǎng)污染源，污染電網(wǎng)；放電過程采用電阻或功率半導(dǎo)體器件發(fā)熱耗電，以致產(chǎn)生大量熱量，造成能源資源的浪費(fèi)，并需要安裝大量高功率空調(diào)來降溫，消耗大量的電能，整機(jī)效率低，無電能回饋裝置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種結(jié)構(gòu)簡單的電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備，既可實(shí)現(xiàn)對電池的恒流充電，又可將電池放電電能回饋至電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能量再生利用。
[0006]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題還在于，提供一種電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備，采用雙向隔離型開關(guān)電源，提高電能利用率，達(dá)到節(jié)電的效果，并利用高頻隔離變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離。
[0007]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題還在于，提供一種電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備，采用高頻同步整流實(shí)現(xiàn)充電，提高效率，提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、減少諧波含量等危害能質(zhì)量的因素。
[0008]為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備，包括=Buck-Boost雙向變換器，用于對直流電壓進(jìn)行升壓、降壓處理，提供電池充放電的恒流恒壓；雙向隔離型開關(guān)電源，用于對直流電壓進(jìn)行升壓、降壓處理；雙向DC/AC變流器，用于對電壓進(jìn)行直流與交流之間的變換；控制電路，用于監(jiān)控所述Buck-Boost雙向變換器、雙向隔離型開關(guān)電源、雙向DC/AC變流器；電池與電網(wǎng)之間依次串接所述Buck-Boost雙向變換器、雙向隔離型開關(guān)電源、雙向DC/AC變流器，所述Buck-Boost雙向變換器、雙向隔離型開關(guān)電源、雙向DC/AC變流器與所述控制電路電連接；電網(wǎng)側(cè)交流電壓經(jīng)雙向DC/AC變流器變換成直流電壓，直流電壓經(jīng)雙向隔離型開關(guān)電源進(jìn)行第一次降壓處理，經(jīng)過第一次降壓處理后的直流電壓再經(jīng)Buck-Boost雙向變換器進(jìn)行第二次降壓處理，使直流電壓降低至電池的充電電壓，將所述經(jīng)第二次降壓處理后的直流電壓提供至電池，對電池進(jìn)行恒流充電處理；電池輸出的直流電壓經(jīng)Buck-Boost雙向變換器進(jìn)行第一次升壓處理，經(jīng)過第一次升壓處理后的直流電壓再經(jīng)雙向隔離型開關(guān)電源進(jìn)行第二次升壓處理，經(jīng)過第二次升壓處理后的直流電壓通過雙向DC/AC變流器變換成交流電壓，將所述交流電壓并入電網(wǎng)，使電池放電電能回饋至電網(wǎng)。
[0009]作為上述方案的改進(jìn)，所述Buck-Boost雙向變換器包括Buck-Boost變換器主回路及Buck-Boost控制電路,所述Buck-Boost變換器主回路包括Buck電路及Boost電路；所述Buck-Boost控制電路根據(jù)充放電電流信號及充放電電壓信號控制所述Buck-Boost變換器主回路，使充電時，所述Buck-Boost變換器主回路的Buck電路工作，放電時，所述Buck-Boost變換器主回路的Boost電路工作。
[0010]作為上述方案的改進(jìn)，所述Buck-Boost控制電路包括第一脈寬調(diào)制器及第一調(diào)節(jié)器，所述第一脈寬調(diào)制器的輸入端與所述第一調(diào)節(jié)器電連接，所述第一脈寬調(diào)制器的輸出端與所述Buck-Boost變換器主回路電連接；通過采樣將充放電電流信號經(jīng)所述第一調(diào)節(jié)器發(fā)送到所述第一脈寬調(diào)制器，通過采樣將充放電電壓信號發(fā)送到所述第一脈寬調(diào)制器，所述第一脈寬調(diào)制器根據(jù)所述充放電電流信號及充放電電壓信號輸出脈寬調(diào)制信號，控制所述Buck-Boost變換器主回路中Buck電路及Boost電路的工作狀態(tài)。
[0011]作為上述方案的改進(jìn)，所述雙向隔離型開關(guān)電源包括正激-推挽電路及雙向隔離型開關(guān)電源控制電路；所述雙向隔離型開關(guān)電源控制電路根據(jù)所述正激-推挽電路的電壓反饋值及電壓給定值，控制所述正激-推挽電路，使充電時，所述正激-推挽電路以正激方式工作，放電時，所述正激-推挽電路以推挽方式工作。
[0012]作為上述方案的改進(jìn)，所述正激-推挽電路包括正激變換器及推挽變換器，所述正激變換器的輸入端與推挽變換器的輸出端并聯(lián)，所述正激變換器的輸出端與推挽變換器的輸入端并聯(lián)，所述正激-推挽電路內(nèi)設(shè)有高頻隔離型變壓器，實(shí)現(xiàn)電氣隔離；所述雙向隔離型開關(guān)電源控制電路包括第二調(diào)節(jié)器、第一放大電路、第二放大電路、第二脈寬調(diào)制器及第三脈寬調(diào)制器，所述第二調(diào)節(jié)器的輸出端與第一放大電路的輸入端及第二放大電路的輸入端電連接，所述第一放大電路的輸出端與第二脈寬調(diào)制器的輸入端電連接，所述第二放大電路的輸出端與第三脈寬調(diào)制器的輸入端電連接；所述第二調(diào)節(jié)器根據(jù)所述正激-推挽電路的電壓反饋值和電壓給定值調(diào)節(jié)所述第二脈寬調(diào)制器及第三脈寬調(diào)制器的脈寬調(diào)制信號，所述第二脈寬調(diào)制器輸出脈寬調(diào)制信號控制正激變換器的工作狀態(tài)，所述第三脈寬調(diào)制器輸出脈寬調(diào)制信號控制推挽變換器的工作狀態(tài)。
[0013]作為上述方案的改進(jìn)，所述雙向隔離型開關(guān)電源控制電路還包括第三調(diào)節(jié)器，所述第三調(diào)節(jié)器的輸出端與第三脈寬調(diào)制器的輸入端電連接；所述第三調(diào)節(jié)器根據(jù)所述正激-推挽電路的電流反饋值和電流給定值調(diào)節(jié)所述第三脈寬調(diào)制器的脈寬調(diào)制信號，限制電流的輸出。
[0014]作為上述方案的改進(jìn)，所述雙向DC/AC變流器包括雙向DC/AC變流電路及雙向DC/AC控制電路；所述雙向DC/AC控制電路通過輸出脈寬調(diào)制信號控制所述雙向DC/AC變流電路。
[0015]作為上述方案的改進(jìn)，所述雙向DC/AC變流電路為單相橋式電路。
[0016]作為上述方案的改進(jìn)，電池充電時，所述雙向DC/AC變流器工作在高頻同步整流狀態(tài)；電池放電時，所述雙向DC/AC變流器工作在并網(wǎng)逆變狀態(tài)。
[0017]作為上述方案的改進(jìn)，所述雙向DC/AC變流器工作在并網(wǎng)逆變狀態(tài)時，所述雙向DC/AC變流器輸出的交流電壓實(shí)時跟蹤電網(wǎng)的交流電壓，使所述雙向DC/AC變流器輸出的交流電壓的大小、相位、頻率與電網(wǎng)的交流電壓的大小、相位、頻率一致。
[0018]實(shí)施本實(shí)用新型，具有如下有益效果:
[0019]在電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備中，電網(wǎng)的電能既可作為電池充電電源，實(shí)現(xiàn)對電池的恒流充電，又可作為電池的放電負(fù)載，通過雙向變流環(huán)節(jié)將電池放電電能回饋至電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能量再生利用，節(jié)能效果明顯，相比傳統(tǒng)型的電池化成設(shè)備，其節(jié)電效率可達(dá)50%以上。
[0020]同時,采用Buck-Boost雙向變換器,實(shí)現(xiàn)恒流充放電，電壓穩(wěn)定升降；采用雙向隔離型開關(guān)電源，提高電能利用率，同樣達(dá)到節(jié)電的效果，并利用雙向隔離型開關(guān)電源內(nèi)的高頻隔離變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離；充電時，雙向DC/AC變流器工作在高頻整流狀態(tài)，可采用高頻同步整流，提聞效率，提聞網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、減少諧波含量等危害能質(zhì)量的因素。
[0021]另外，Buck-Boost雙向變換器、雙向隔離型開關(guān)電源及雙向DC/AC變流器均設(shè)有獨(dú)立的控制電路；Buck-Boost雙向變換器采用數(shù)?；旌峡刂齐娐罚`活可靠；雙向隔離型開關(guān)電源采用純模擬控制電路，結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性高；雙向DC/AC變流器同樣采用數(shù)模混合控制電路，準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性高，響應(yīng)速度快，控制靈活。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本實(shí)用新型電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是本實(shí)用新型電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備中Buck-Boost變換器主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖3是本實(shí)用新型電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備中Buck-Boost控制電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4是本實(shí)用新型電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備中正激-推挽電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖5是本實(shí)用新型電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備中雙向隔離型開關(guān)電源控制電路的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0027]圖6是本實(shí)用新型電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備中雙向隔離型開關(guān)電源控制電路的另一結(jié)構(gòu)不意圖；
[0028]圖7是本實(shí)用新型電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備中雙向DC/AC變流器的電路原理圖；
[0029]圖8是本實(shí)用新型電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備中雙向DC/AC變流電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖9是本實(shí)用新型電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備中雙向DC/AC控制電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031]為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0032]如圖1所示，所述電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備包括Buck-Boost雙向變換器
1、雙向隔離型開關(guān)電源2、雙向DC/AC變流器3及控制電路4。
[0033]Buck-Boost雙向變換器I，用于對直流電壓進(jìn)行升壓、降壓處理，提供電池充放電的恒流恒壓。
[0034]雙向隔離型開關(guān)電源2，用于對直流電壓進(jìn)行升壓、降壓處理。
[0035]雙向DC/AC變流器3，用于對電壓進(jìn)行直流與交流之間的變換。
[0036]控制電路4，用于監(jiān)控所述Buck-Boost雙向變換器1、雙向隔離型開關(guān)電源2、雙向DC/AC變流器3。
[0037]電池5與電網(wǎng)6之間依次串接所述Buck-Boost雙向變換器1、雙向隔離型開關(guān)電源2、雙向DC/AC變流器3，所述Buck-Boost雙向變換器1、雙向隔離型開關(guān)電源2、雙向DC/AC變流器3與所述控制電路4電連接。
[0038]充電時，電網(wǎng)6側(cè)交流電壓經(jīng)雙向DC/AC變流器3變換成直流電壓，直流電壓經(jīng)雙向隔離型開關(guān)電源2進(jìn)行第一次降壓處理，經(jīng)過第一次降壓處理后的直流電壓再經(jīng)Buck-Boost雙向變換器I進(jìn)行第二次降壓處理，使直流電壓降低至電池5的充電電壓，將所述經(jīng)第二次降壓處理后的直流電壓提供至電池5，實(shí)現(xiàn)對電池5的恒流充電處理。
[0039]放電時，電池5輸出的直流電壓經(jīng)Buck-Boost雙向變換器I進(jìn)行第一次升壓處理，經(jīng)過第一次升壓處理后的直流電壓再經(jīng)雙向隔離型開關(guān)電源2進(jìn)行第二次升壓處理，經(jīng)過第二次升壓處理后的直流電壓通過雙向DC/AC變流器3變換成交流電壓，將所述交流電壓并入電網(wǎng)6，使電池5放電電能回饋至電網(wǎng)6。
[0040]相應(yīng)地，在電池5的充電、放電過程中，需通過控制電路4對所述Buck-Boost雙向變換器1、雙向隔離型開關(guān)電源2、雙向DC/AC變流器3的各個環(huán)節(jié)的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測和控制。
[0041]例如，一般來說，一個電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備可提供512個鋰電池同時進(jìn)行化成，按照電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備的運(yùn)行控制環(huán)節(jié)，可將電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備分成四個主要部分:512路Buck-Boost雙向變換器1，16個雙向隔離型開關(guān)電源2，一臺雙向DC/AC變流器3及系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的控制電路4。充電時，雙向DC/AC變流器3工作在高頻整流狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)6的交流電壓經(jīng)過雙向DC/AC變流器3變換成直流電壓，由于該直流電壓比較高，所以需要再經(jīng)過雙向隔離型開關(guān)電源2將直流電壓降低到另一比較低的直流電壓，最后再經(jīng)過Buck-Boost雙向變換器I將直流電壓降低到電池5的充電電壓供電池6進(jìn)行充電。放電時，電池6的直流電壓經(jīng)過Buck-Boost雙向變換器I升高到某一直流電壓，再經(jīng)過雙向隔離型開關(guān)電源2將該直流電壓升高至另一比較高的直流電壓，最后通過雙向DC/AC變流器3變換成交流電壓并到電網(wǎng)6中。因此，采用電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備，使電網(wǎng)6的電能既可作為電池5的充電電源，實(shí)現(xiàn)對電池5的恒流充電，又可作為電池5的放電負(fù)載，將電池5的放電電能回饋至電網(wǎng)6，實(shí)現(xiàn)能量再生利用，節(jié)能效果明顯。
[0042]如圖2及圖3所示，所述Buck-Boost雙向變換器I包括Buck-Boost變換器主回路(參見圖2 )及Buck-Boost控制電路(參見圖3 )，所述Buck-Boost變換器主回路包括Buck電路及Boost電路。
[0043]相應(yīng)地，控制電路4實(shí)時采集充放電電流信號及充放電電壓信號，保證Buck-Boost雙向變換器I實(shí)現(xiàn)恒流充放電，電壓穩(wěn)定升降。所述Buck-Boost控制電路根據(jù)充放電電流信號及充放電電壓信號控制所述Buck-Boost變換器主回路，使充電時，所述Buck-Boost變換器主回路的Buck電路工作，放電時，所述Buck-Boost變換器主回路的Boost電路工作。
[0044]需要說明的是，每一只鋰電池都需要單獨(dú)的充放電單元提供其充放電壓，Buck-Boost變換器主回路作為充放電單元，可實(shí)現(xiàn)直流到直流的非隔離雙向升降壓。
[0045]如圖2所示，Buck-Boost變換器主回路主要由兩個功率管和電感、電容等器件組成。當(dāng)電池處于充電狀態(tài)時，功率管Ql工作，功率管Q2關(guān)閉，回路以Buck方式工作；當(dāng)電池處于放電狀態(tài)時，功率管Ql關(guān)閉，功率管Q2工作，回路以Boost方式工作。
[0046]如圖3所示，所述Buck-Boost控制電路包括第一脈寬調(diào)制器及第一調(diào)節(jié)器，所述第一脈寬調(diào)制器的輸入端與所述第一調(diào)節(jié)器電連接，所述第一脈寬調(diào)制器的輸出端與所述Buck-Boost變換器主回路電連接。
[0047]通過控制電路4的采樣將充放電電流信號經(jīng)所述第一調(diào)節(jié)器發(fā)送到所述第一脈寬調(diào)制器，通過控制電路4采樣將充放電電壓信號發(fā)送到所述第一脈寬調(diào)制器，所述第一脈寬調(diào)制器根據(jù)所述充放電電流信號及充放電電壓信號輸出脈寬調(diào)制信號。相應(yīng)地，Buck-Boost變換器主回路接收第一脈寬調(diào)制器輸出脈寬調(diào)制信號，并根據(jù)脈寬調(diào)制信號控制功率管Ql及功率管Q2的開閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)所述Buck-Boost變換器主回路中Buck電路與Boost電路之間的變換，有效完成電壓的升壓、降壓處理。
[0048]優(yōu)選地，所述第一脈寬調(diào)制器為電壓型脈寬調(diào)制器。
[0049]優(yōu)選地，所述第一調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器根據(jù)充放電電流信號及充放電電流給定值調(diào)節(jié)第一脈寬調(diào)制器的脈寬調(diào)制信號，使充放電電流信號與充放電電流給定值相等，實(shí)現(xiàn)恒流充電、放電，穩(wěn)定性高。
[0050]如圖4及圖5所示，所述雙向隔離型開關(guān)電源2包括正激-推挽電路(參見圖4)及雙向隔離型開關(guān)電源控制電路(參見圖5)。所述雙向隔離型開關(guān)電源控制電路根據(jù)所述正激-推挽電路的電壓反饋值及電壓給定值，控制所述正激-推挽電路中正激變換器及推挽變換器的自動切換，使充電時，所述正激-推挽電路以正激方式工作，放電時，所述正激-推挽電路以推挽方式工作。
[0051]需要說明的是，降壓時，雙向隔離型開關(guān)電源控制電路輸出特定范圍的脈寬調(diào)制信號，使正激變換器處于工作狀態(tài)，而推挽變換器處于驅(qū)動封鎖狀態(tài)；升壓時，控制電路輸出另一特定范圍的脈寬調(diào)制信號，使推挽變換器處于工作狀態(tài)，而正激變換器處于驅(qū)動封鎖狀態(tài)。相應(yīng)地，兩個特定范圍內(nèi)的脈寬調(diào)制信號沒有重合交叉的部分，實(shí)現(xiàn)了正激變換器及推挽變換器之間的切換。
[0052]如圖4所示，所述正激-推挽電路包括正激變換器及推挽變換器，所述正激變換器的輸入端與推挽變換器的輸出端并聯(lián)，所述正激變換器的輸出端與推挽變換器的輸入端并聯(lián)。其中，所述正激變換器包括功率管Q3，所述推挽變換器包括功率管Q4及功率管Q5。
[0053]優(yōu)選地，所述正激-推挽電路內(nèi)設(shè)有高頻隔離型變壓器T1、T2，可有效地實(shí)現(xiàn)電氣隔離。
[0054]需要說明的是，雙向隔離型開關(guān)電源控制電路分別輸出特定范圍的脈寬調(diào)制信號至功率管Q3、功率管Q4及功率管Q5。當(dāng)功率管Q3被驅(qū)動時，功率管Q4及功率管Q5被封鎖，正激變換器處于工作狀態(tài)，而推挽變換器處于驅(qū)動封鎖狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)降壓；當(dāng)功率管Q3被封鎖時，功率管Q4及功率管Q5被驅(qū)動，推挽變換器處于工作狀態(tài)，而正激變換器處于驅(qū)動封鎖狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)升壓。
[0055]如圖5所示，所述雙向隔離型開關(guān)電源控制電路包括第二調(diào)節(jié)器、第一放大電路、第二放大電路、第二脈寬調(diào)制器及第三脈寬調(diào)制器，所述第二調(diào)節(jié)器的輸出端與第一放大電路的輸入端及第二放大電路的輸入端電連接，所述第一放大電路的輸出端與第二脈寬調(diào)制器的輸入端電連接，所述第二放大電路的輸出端與第三脈寬調(diào)制器的輸入端電連接。所述第二調(diào)節(jié)器根據(jù)所述正激-推挽電路的電壓反饋值和電壓給定值調(diào)節(jié)所述第二脈寬調(diào)制器及第三脈寬調(diào)制器的脈寬調(diào)制信號，所述第二脈寬調(diào)制器輸出脈寬調(diào)制信號控制正激變換器的工作狀態(tài)，所述第三脈寬調(diào)制器輸出脈寬調(diào)制信號控制推挽變換器的工作狀態(tài)。
[0056]需要說明的是，第二調(diào)節(jié)器根據(jù)正激-推挽電路電壓Ul的反饋值和給定值U\所構(gòu)成的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，第二調(diào)節(jié)器的輸出分為兩路，分別調(diào)節(jié)第二脈寬調(diào)制器及第三脈寬調(diào)制器，第二脈寬調(diào)制器輸出脈寬調(diào)制信號到功率管Q3，第三脈寬調(diào)制器輸出脈寬調(diào)制信號到功率管Q4及功率管Q5，實(shí)現(xiàn)了正激變換器及推挽變換器兩個方向電路工作過程的脈寬調(diào)制和正激變換器及推挽變換器之間的切換。
[0057]更佳地，所述第二調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，可有效實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)，使電壓隊(duì)的反饋值與給定值U\相等，穩(wěn)定性高。
[0058]更佳地，所述第二脈寬調(diào)制器為電流型脈寬調(diào)制器，具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)及高度的穩(wěn)定性。
[0059]更佳地，所述第三脈寬調(diào)制器為電壓型脈寬調(diào)制器。
[0060]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對雙向隔離型開關(guān)電源2作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0061]當(dāng)正激-推挽電路空載時，正激變換器工作，第二調(diào)節(jié)器輸出電平為3.5V。
[0062]當(dāng)在正激-推挽電路的Ul端加上負(fù)載時，Ul電壓值稍微下降，即第二調(diào)節(jié)器的反饋電壓降低，由于第二調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)是一種無靜差調(diào)節(jié)，為了使反饋電壓與給定電壓^^相等，第二調(diào)節(jié)器輸出將降低，使得第二脈寬調(diào)制器輸出占空比更大的PWM波形來驅(qū)動功率管Q3，使正激變換器往Ul端輸送更多的能量。
[0063]當(dāng)繼續(xù)加大負(fù)載時，第二調(diào)節(jié)器輸出也隨著下降，第二脈寬調(diào)制器輸出PWM信號占空比也隨之增大。
[0064]當(dāng)滿載時，第二調(diào)節(jié)器輸出電平為0.9V，第二脈寬調(diào)制器輸出PWM信號將達(dá)到最大脈寬。
[0065]相反地，當(dāng)減小正激-推挽電路的隊(duì)端的負(fù)載時，第二調(diào)節(jié)器電平上升，第二脈寬調(diào)制器輸出脈寬變窄。
[0066]當(dāng)Ul端有反饋電能回送時，Ul端電壓值稍微有一點(diǎn)上升，即第二調(diào)節(jié)器的反饋電壓升高，為了使反饋電壓與給定電壓U\相等，第二調(diào)節(jié)器輸出電平隨之升高，使得第二脈寬調(diào)制器輸出PWM信號封鎖，即完全封鎖功率管Q3，正激變換器停止工作。
[0067]當(dāng)?shù)诙{(diào)節(jié)器電平升高到4.5V時，第三脈寬調(diào)制器開始輸出脈寬調(diào)制信號，推挽變換器開始工作，正激-推挽電路開始回饋電能，即能量從Ul端往Uh端饋送，當(dāng)Ul端回送的能量越多時，第二調(diào)節(jié)器輸出電平隨著升高，第三脈寬調(diào)制器輸出脈寬調(diào)制信號占空比隨著增大，使得越多的反饋能量回送到Uh端，使得電壓隊(duì)的反饋值與給定值U\相等。
[0068]當(dāng)?shù)诙{(diào)節(jié)器輸出電平達(dá)到7.5V時，第三脈寬調(diào)制器輸出最大脈寬，正激-推挽電路達(dá)到反向額定功率。
[0069]如圖6所示，所述雙向隔離型開關(guān)電源控制電路還包括第三調(diào)節(jié)器，所述第三調(diào)節(jié)器的輸出端與第三脈寬調(diào)制器的輸入端電連接；所述第三調(diào)節(jié)器根據(jù)所述正激-推挽電路的電流反饋值和電流給定值調(diào)節(jié)所述第三脈寬調(diào)制器的脈寬調(diào)制信號，限制電流的輸出。
[0070]需要說明的是，為使正激-推挽電路運(yùn)行更加可靠，增加了放電流的限制，第三調(diào)節(jié)器根據(jù)電流I2的反饋值和給定值Γ2所構(gòu)成的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)電流達(dá)到限流值時，通過限制第三脈寬調(diào)制器的脈寬調(diào)制信號來限制電流的輸出。
[0071]更佳地，所述第三調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，可有效實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)，穩(wěn)定性高。
[0072]因此，雙向隔離型開關(guān)電源2通過利用雙向隔離型開關(guān)電源控制電路實(shí)現(xiàn)對正激-推挽電路的控制，可降低電壓紋波，提高電壓利用率，提高效率。其中，雙向隔離型開關(guān)電源控制電路由調(diào)節(jié)器配合放大電路及脈寬調(diào)制器組成，采用純模擬電路實(shí)現(xiàn)控制電路的自動脈寬調(diào)節(jié)及正激變換器與推挽變換器的自動轉(zhuǎn)換，準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性高，電路結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快。
[0073]如圖8及圖9所示，所述雙向DC/AC變流器3包括雙向DC/AC變流電路(參見圖8 )及雙向DC/AC控制電路(參見圖9);所述雙向DC/AC控制電路通過輸出脈寬調(diào)制信號控制所述雙向DC/AC變流電路。
[0074]需要說明的是，雙向DC/AC變流器3的主要作用是將來自雙向隔離型開關(guān)電源2的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓與電網(wǎng)6相連。
[0075]如圖8所示，所述雙向DC/AC變流電路為單相橋式逆變電路。優(yōu)選地，所述雙向DC/AC變流電路采用由IGBT功率器件構(gòu)成的單相橋式電路。
[0076]優(yōu)選地，所述雙向DC/AC變流電路與電網(wǎng)6之間通過工頻變壓器隔離。
[0077]需要說明的是，電池充電時，雙向DC/AC變流器3工作在高頻整流狀態(tài)，而采用高頻同步整流，可有效提聞效率，提聞網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、減少諧波含量等危害能質(zhì)量的因素。電池放電時，所述雙向DC/AC變流器工作在并網(wǎng)逆變狀態(tài)。
[0078]如圖7所示，所述雙向DC/AC變流器工作在并網(wǎng)逆變狀態(tài)時，所述雙向DC/AC變流器3輸出的交流電壓實(shí)時跟蹤電網(wǎng)6的交流電壓，使所述雙向DC/AC變流器3輸出的交流電壓的大小、相位、頻率與電網(wǎng)6的交流電壓的大小、相位、頻率一致。
[0079]如圖7所示，Ui為雙向DC/AC變流器3的輸出電壓，Us為電網(wǎng)電壓，R為線路電阻，L為串聯(lián)電抗器，Iz為回饋電網(wǎng)電流。為保證回饋電流Iz的相位與電網(wǎng)電壓Us相位一致，以Us為參考相量，則Iz與Us相位相同，內(nèi)阻R兩端的電壓Uk與電網(wǎng)電壓Us相位一致，而電感兩端電壓隊(duì)的相位則落后于190°。由此可以求得Ui的相位和幅值:
[0080]Ui=Iz (R+coL)+Us，式中ω為電網(wǎng)角頻率。
[0081]實(shí)際電路中，可以通過傳感器檢測到Us的相位、周期和幅值。由于實(shí)際系統(tǒng)中R很難得到，因此Iz的相位必須由電流負(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)。用電流互感器實(shí)時檢測Ιζ，以確保Iz與Us相位一致，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為I的回饋電能。
[0082]相應(yīng)地，電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備擬達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)包括:
[0083](I)輸入交流電源電壓:單相AC 220V/50HZ ;回送到電網(wǎng)的交流電壓:單相AC220V/50Hz ；
[0084](2)電池充電電壓調(diào)節(jié)范圍:DC 0-4.2V ;電池充放電電流調(diào)節(jié)范圍:DC 0_2A ；
[0085](3)電壓分辨率5mV，電流分辨率5mA，時間分辨率ls，整機(jī)最大功耗5000W ；
[0086](4)輸入、輸出交流電流為正弦，諧波畸變率小于5%，輸入輸出交流側(cè)功率因數(shù)為0.99 ο
[0087]相應(yīng)地，電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備與現(xiàn)有的鋰化成電源相比，其特點(diǎn)為:將放電電能回送到電網(wǎng)，進(jìn)一步提高電能使用效率；采用雙向隔離型開關(guān)電源，明顯減小整機(jī)消耗功率；充電時，雙向DC/AC變流器工作在高頻整流狀態(tài)，而采用高頻同步整流，可有效提聞效率，提聞網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、減少諧波含量等危害能質(zhì)量的因素。
[0088]下面就電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備在節(jié)能方面進(jìn)行分析。
[0089]一、充電時，雙向隔離型開關(guān)電源和線性穩(wěn)壓電源節(jié)能的比較
[0090]目前工廠電池進(jìn)行充電時普遍采用線性穩(wěn)壓電源，反應(yīng)速度快，輸出紋波較小，但其輸入電壓與輸出電壓有一定的壓差，而且有發(fā)熱量大效率較低的缺點(diǎn)。因此，采用線性穩(wěn)壓電源對電池進(jìn)行充電時，由于線性穩(wěn)壓電源自身約有3V的壓降，因此要給4.2V的電池充電，需提供7.2V的電壓。假設(shè)充電電流為3A，則有，
[0091]電池消耗功率:Pl=EX1=4.2VX3A=12.6W ；
[0092]電源端輸入功率:P2=UXI=7VX3A=2Iff ；
[0093]充電效率:nl=Pl+P2X100%=12.6W/21WX 100%=60% ；
[0094]相對地，采用雙向隔離型開關(guān)電源時，雙向隔離型開關(guān)電源的開關(guān)損耗約為1W，通態(tài)損耗約為2W，雙向隔離型開關(guān)電源的總損耗約為3W，電池消耗功率不變。此時，
[0095]輸入端需要提供的功率:P3=P1+3W=15.6W ;
[0096]充電效率:η2=Ρ1+Ρ3Χ100%=12.6W/15.6WX 100%=80.7% ；
[0097]由以上比較可知:充電時，采用雙向隔離型開關(guān)電源比用線性穩(wěn)壓電源效率提高約 20%ο
[0098]二、逆變并網(wǎng)節(jié)能效果分析
[0099]目前大部分鋰電池化成設(shè)備在其放電過程中是采用電阻將電池里面的電能消耗掉。而本實(shí)用新型的電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備是將電池放電電能送回到電網(wǎng)，電源功率約為12.6W，鋰電池放電效率約為80%，即放出功率約為10.4W，除去開關(guān)電源3W的損耗還有7.4W送回電網(wǎng)。
[0100]三、總節(jié)能效果分析
[0101]將以上充電和放電兩個過程合起來計(jì)算:
[0102]用線性穩(wěn)壓電源需要消耗的功率:P2=21.6W;
[0103]用雙向隔離型開關(guān)電源要消耗的功率:P4=15.6W-7.4ff=8.2ff ；
[0104]整個過程節(jié)能效率:n3=(P2-P4)/P2*100%=(21.6W-8.2ff)/21.6W*100%=62%。
[0105]因此，若以中型企業(yè)所需鋰電池化成設(shè)備約300套來計(jì)算，采用原有模式，以每天連續(xù)工作10小時計(jì)算，每套需要消耗功率為7000瓦，一年消耗電能約25000度，則300套消耗總電量為750萬度。若采用本實(shí)用新型的電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備，按節(jié)能效率為62%來計(jì)算，一年可節(jié)電約465萬度，則可節(jié)省電費(fèi)約400萬元?？梢?，其經(jīng)濟(jì)和社會效益是非常明顯的。
[0106]由上可知，在電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備中，電網(wǎng)的電能既可作為電池充電電源，實(shí)現(xiàn)對電池的恒流充電，又可作為電池的放電負(fù)載，通過雙向變流環(huán)節(jié)將電池放電電能回饋至電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能量再生利用，節(jié)能效果明顯，相比傳統(tǒng)型的電池化成設(shè)備，其節(jié)電效率可達(dá)50%以上。同時，采用Buck-Boost雙向變換器，實(shí)現(xiàn)恒流充放電，電壓穩(wěn)定升降；采用雙向隔離型開關(guān)電源，提高電能利用率，同樣達(dá)到節(jié)電的效果，并利用雙向隔離型開關(guān)電源內(nèi)的高頻隔離變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離；充電時，雙向DC/AC變流器3工作在高頻整流狀態(tài)，可采用高頻同步整流，提高效率，提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、減少諧波含量等危害能質(zhì)量的因素；放電時，所述雙向DC/AC變流器工作在并網(wǎng)逆變狀態(tài)。另外，Buck-Boost雙向變換器、雙向隔離型開關(guān)電源及雙向DC/AC變流器均設(shè)有獨(dú)立的控制電路；Buck-B00St雙向變換器采用數(shù)?；旌峡刂齐娐罚`活可靠；雙向隔離型開關(guān)電源采用純模擬控制電路，結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性高；雙向DC/AC變流器同樣采用數(shù)?；旌峡刂齐娐?，準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性高，響應(yīng)速度快，控制靈活。
[0107]以上所述是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備，其特征在于，所述電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備包括: Buck-Boost雙向變換器，用于對直流電壓進(jìn)行升壓、降壓處理，提供電池充放電的恒流恒壓； 雙向隔離型開關(guān)電源，用于對直流電壓進(jìn)行升壓、降壓處理； 雙向DC/AC變流器，用于對電壓進(jìn)行直流與交流之間的變換； 控制電路，用于監(jiān)控所述Buck-Boost雙向變換器、雙向隔離型開關(guān)電源、雙向DC/AC變流器。
2.如權(quán)利要求1所述的電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備，其特征在于， 電池與電網(wǎng)之間依次串接所述Buck-Boost雙向變換器、雙向隔離型開關(guān)電源、雙向DC/AC變流器，所述Buck-Boost雙向變換器、雙向隔離型開關(guān)電源、雙向DC/AC變流器與所述控制電路電連接； 電網(wǎng)側(cè)交流電壓經(jīng)雙向DC/AC變流器變換成直流電壓，直流電壓經(jīng)雙向隔離型開關(guān)電源進(jìn)行第一次降壓處理，經(jīng)過第一次降壓處理后的直流電壓再經(jīng)Buck-Boost雙向變換器進(jìn)行第二次降壓處理，使直流電壓降低至電池的充電電壓，將所述經(jīng)第二次降壓處理后的直流電壓提供至電池，對電池進(jìn)行恒流充電處理； 電池輸出的直流電壓經(jīng)Buck-Boost雙向變換器進(jìn)行第一次升壓處理，經(jīng)過第一次升壓處理后的直流電壓再經(jīng)雙向隔離型開關(guān)電源進(jìn)行第二次升壓處理，經(jīng)過第二次升壓處理后的直流電壓通過雙向DC/AC變流器變換成交流電壓，將所述交流電壓并入電網(wǎng)，使電池放電電能回饋至電網(wǎng)。
3.如權(quán)利要求2所述的電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備，其特征在于，所述Buck-Boost雙向變換器包括Buck-Boost變換器主回路及Buck-Boost控制電路，所述Buck-Boost變換器主回路包括Buck電路及Boost電路； 所述Buck-Boost控制電路根據(jù)充放電電流信號及充放電電壓信號控制所述Buck-Boost變換器主回路，使充電時，所述Buck-Boost變換器主回路的Buck電路工作，放電時，所述Buck-Boost變換器主回路的Boost電路工作。
4.如權(quán)利要求3所述的電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備，其特征在于，所述Buck-Boost控制電路包括第一脈寬調(diào)制器及第一調(diào)節(jié)器，所述第一脈寬調(diào)制器的輸入端與所述第一調(diào)節(jié)器電連接，所述第一脈寬調(diào)制器的輸出端與所述Buck-Boost變換器主回路電連接； 通過采樣將充放電電流信號經(jīng)所述第一調(diào)節(jié)器發(fā)送到所述第一脈寬調(diào)制器，通過采樣將充放電電壓信號發(fā)送到所述第一脈寬調(diào)制器，所述第一脈寬調(diào)制器根據(jù)所述充放電電流信號及充放電電壓信號輸出脈寬調(diào)制信號，控制所述Buck-Boost變換器主回路中Buck電路及Boost電路的工作狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求2所述的電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備，其特征在于，所述雙向隔離型開關(guān)電源包括正激-推挽電路及雙向隔離型開關(guān)電源控制電路； 所述雙向隔離型開關(guān)電源控制電路根據(jù)所述正激-推挽電路的電壓反饋值及電壓給定值，控制所述正激-推挽電路，使充電時，所述正激-推挽電路以正激方式工作，放電時，所述正激-推挽電路以推挽方式工作。
6.如權(quán)利要求5所述的電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備，其特征在于，所述正激-推挽電路包括正激變換器及推挽變換器，所述正激變換器的輸入端與推挽變換器的輸出端并聯(lián)，所述正激變換器的輸出端與推挽變換器的輸入端并聯(lián)，所述正激-推挽電路內(nèi)設(shè)有高頻隔離型變壓器，實(shí)現(xiàn)電氣隔離； 所述雙向隔離型開關(guān)電源控制電路包括第二調(diào)節(jié)器、第一放大電路、第二放大電路、第二脈寬調(diào)制器及第三脈寬調(diào)制器，所述第二調(diào)節(jié)器的輸出端與第一放大電路的輸入端及第二放大電路的輸入端電連接，所述第一放大電路的輸出端與第二脈寬調(diào)制器的輸入端電連接，所述第二放大電路的輸出端與第三脈寬調(diào)制器的輸入端電連接； 所述第二調(diào)節(jié)器根據(jù)所述正激-推挽電路的電壓反饋值和電壓給定值調(diào)節(jié)所述第二脈寬調(diào)制器及第三脈寬調(diào)制器的脈寬調(diào)制信號，所述第二脈寬調(diào)制器輸出脈寬調(diào)制信號控制正激變換器的工作狀態(tài)，所述第三脈寬調(diào)制器輸出脈寬調(diào)制信號控制推挽變換器的工作狀態(tài)。
7.如權(quán)利要求6所述的電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備，其特征在于，所述雙向隔離型開關(guān)電源控制電路還包括第三調(diào)節(jié)器，所述第三調(diào)節(jié)器的輸出端與第三脈寬調(diào)制器的輸入端電連接； 所述第三調(diào)節(jié)器根據(jù)所述正激-推挽電路的電流反饋值和電流給定值調(diào)節(jié)所述第三脈寬調(diào)制器的脈寬調(diào)制信號，限制電流的輸出。
8.如權(quán)利要求2所述的電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備，其特征在于，所述雙向DC/AC變流器包括雙向DC/AC變流電路及雙向DC/AC控制電路； 所述雙向DC/AC控制電路通過輸出脈寬調(diào)制信號控制所述雙向DC/AC變流電路。
9.如權(quán)利要求8所述的電能回饋型電池充放電與分容設(shè)備，其特征在于，所述雙向DC/AC變流電路為單相橋式電路。
【文檔編號】H02J7/00GK203942314SQ201420329880
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)明者】楊兆華, 劉楓哲 申請人:佛山市貝瑞爾電氣科技有限公司