CN103997053B - 能量双向流动eps*** - Google Patents

Abstract

本发明为能量双向流动EPS***，解决已有EPS***的蓄电池需要独立的充电器，***功率变换的级数多，逆变器的效率和可靠性差的问题。蓄电池与无直流环节的内高频环连接后作为电压电网的后备电源给负载供电, 内高频环由高频逆变器、高频变压器、周波变换器、滤波器组成，蓄电池、电网和负载分别通过第一、二、三采样调理电路与DSP处理器连接； DSP处理器分别连接第一、二驱动电路、通信接口电路，通信接口电路与人机交互连接；第一、二驱动电路分别与高频逆变器、周波变换器连接，所述DSP处理器通过调理采样电路获得***状态，通过驱动电路与内高频环连接以控制能量的流动方向。

Description

能量双向流动EPS***

技术领域：

    本发明涉及一种采用内高频环的双向流动电路的EPS***。

技术背景：

    电力***由于其本身的不确定性，随时具有断电的可能。对于一些特殊的设备（医疗器械、通信设备、应急指示灯）或某些特殊场合（如火车站、广场、大型楼宇及电梯公寓等），一旦断电，有可能带来巨大损失或酿成严重事故，EPS作为备用电源，很好的解决了这个问题。

    EPS技术是随着电力电子技术和计算机控制***发展起来的，以蓄电池作为储能设备，电网正常情况下，电网给负载供电并给蓄电池充电，当EPS***检测到电网电压不正常时，切换到EPS***逆变供电状态，蓄电池电能经EPS***转换为工频交流电，对负载应急供电。

传统的EPS***常见的有三种：1、充放电采用充电器和逆变器两个能量转换电路，此类***硬件结构复杂且能量不能双向流动；2、采用工频变压器的能量双向流动电路，此类***由于工频变压器的体积、重量大也导致***的体积、重量大及成本高、笨重且音频噪声大；3、采用内高频环的双向流动电路，但其切换电路复杂，采用多个继电器与整流桥共同完成，使***结构复杂度和体积增大。

发明内容：

本发明的目的是提供一种结构简单，体积小，不需独立充电器，***切换电路简单，电网电流电压通过内高频环反向工作，对蓄电池进行脉冲式充电，控制简单而且能提高蓄电池的使用寿命和效率的能量双向流动EPS***。

本发明是这样实现的：

能量双向流动EPS***，蓄电池与无直流环节的内高频环连接后作为电压电网的后备电源给负载供电, 内高频环由高频逆变器、高频变压器、周波变换器、滤波器组成，蓄电池、电网和负载分别通过第一、二、三采样调理电路与DSP处理器连接； DSP处理器分别连接第一、二驱动电路、通信接口电路，通信接口电路与人机交互连接；第一、二驱动电路分别与高频逆变器、周波变换器连接，所述DSP处理器通过调理采样电路获得***状态：电网是否正常，负载是否正常，及蓄电池状态，通过驱动电路与内高频环连接以控制能量的流动方向。

高频变压器由第一、二功率管构成推挽全波式电路与高频变压器原边绕组连接，蓄电池的正、负极分别连接于第一、二功率管集电极和高频变压器原边绕组的中点，周波变换器由第三、第四、第五、第六功率管构成半桥全波式电路，第一—第六功率管各反并第一—第六二极管以实现能量的双向流动，每个功率管的基极通过驱动电路与DSP处理器连接，半桥全波式电路连接于高频变压器副边绕组和滤波器的第一输入端，高频变压器副边绕组中点连接于滤波器的第二输入端，滤波器的输出通过第一开关S1与负载和电网连接，负载和电网分别有第二开关S2、第三开关S3。第一、二、三开关S1、S2、S3为继电器，与DSP处理器连接，第一开关S1的常开触点接滤波器，需要第一开关S1闭合时，DSP处理器发出一个信号使继电器线圈吸附到常开触点则接通蓄电池。第二开关S2的常闭触点与电网连接，电网不正常时，DSP处理器发出信号将继电器线圈吸附到常开触点即切掉电网。第三开关S3的常闭触点与负载连接，当负载故障时，DSP处理器发出信号将继电器线圈吸附到常开触点即断开负载。

所述DSP处理器采用TI公司的TMS320F2809芯片。

所述驱动电路的输出通过光耦TLP250隔离放大后驱动三极管对管，驱动功率电路。

所述第一采样调理电路的信号检测电路在蓄电池侧属于直流侧用大电阻分压，小电阻分流的方式检测蓄电池电压、电流信号，第二、三采样调理电路在电网侧和负载侧属于交流侧分别采用互感器进行检测电网电压和负载电流，然后将检测到的信号电压、电流信号传给第一、二、三采样调理电路进行处理放大和加法器提升后再传给DSP的AD采样口。

所述采样调理电路是将所测信号进行差分放大后送入加法器提升后传给AD采样口。

能量从蓄电池流向负载时，即内高频环正向工作：DSP处理器判断出电网异常需蓄电池供电后，DSP处理器控制第二开关S2断开，第一开关S1和第三开关S3闭合，蓄电池作为电源给负载供电，开通第一功率管V1，则变压器原边电压U1得到负值；开通第二功率管V2，则变压器原边电压U1得到正值，所以只需通过驱动电路高频的切换第一、二功率管V1、V2则可将直流电压转换成高频交流电压，在高频变压器副边，对第三-第六功率管V3～V6进行的控制就可将交流电变成工频的SPWM信号，具体实现如下：副边电压U2为正时，第三功率管V3导通，得到正电压，U2为负时，第五功率管V5导通，得到正电压，所以通过驱动电路控制第三、五功率管V3、V5交替导通便可获得SPWM的正半周；同理U2为正时，第六功率管V6导通，得到负电压，U2为负时，第四功率管V4导通，得到负电压，交替导通第四、六功率管V4、V6便可获得SPWM的负半周，根据需要DSP处理器控制第三-第六功率管V3～V6的导通便可获得所需SPWM波，经滤波器滤波后得到正弦交流供给负载，

能量从电网流向蓄电池时，即内高频环反向工作：DSP处理器判断出***电网正常且蓄电池需要充电后DSP处理器控制第一、二、三开关S1、S2、S3均闭合，先把电网正弦波变成高频交流波，具体实现方法为：当正弦波在正半周时，若第五功率管V5开通，则电网—变压器T—第五功率管V5—第六二极管VD6构成回路，得到正的U2；若第三功率管V3开通，则电网-变压器T—第三功率管V3—第四二极管VD4构成回路，得到负的U2，当正弦波在负半周时，若开通第四功率管V4，则电网-第四功率管V4—第三二极管VD3—变压器T构成回路，得到正的U2；若开通第六功率管V6，电网—第六功率管V6—第五二极管VD5—变压器T构成回路，得到负的U2，因此正弦波正时，第三、五功率管V3、V5交替导通，正弦波负时，第四、六功率管V4、V6交替导通便把电网正弦波变成了高频的交流电，经过高频变压器后再通过第一、二二极管VD1、VD2整流成直流脉冲给蓄电池充电，即U1正时通过第二二极管VD2给蓄电池充电，U1为负时通过第一二极管VD1给蓄电池充电，脉冲充电法给蓄电池充电时要求脉冲充一会儿电然后歇一会儿以防止蓄电池的极化，这可通过驱动电路控制第三—第六功率管V3～V6的导通时间和占空比来实现控制。

蓄电池的充歇时间比为4∶1，则设置V3～V6的占空比为0.8。

当电网电压大于240V或小于220V或是电网频率偏差大于1Hz，则认为电网不正常；蓄电池电压低于放电终止电压则认为其不能放电；单只额定电压为12V的蓄电池，电池组电压为n×(12.8～13.1V)则认为其不用充电；当蓄电池组电压达到其充电终止电压则认为其充满，充电终止电压高于额定电压为n×(13.8～14.5V)，n为串联的蓄电池只数；工作状态有5种：

当电网正常且蓄电池需要充电时进入工作状态1：此时要求第一、二、三开关S1、S2、S3均闭合导通，电网给负载提供能量，同时通过内高频环反向工作给蓄电池充电。此状态下DSP处理器需要控制第三、四、五、六功率管V3、V4、V5、V6，电网电压为正时，第三、五功率管V3、V5交通导通，电网电压为负时，第四、六功率管V4、V6交替导通，再经过第一、二二极管VD1、VD2整流成直流脉冲给蓄电池充电。

当电网正常，但蓄电池电量充足不需要充电时进入工作状态2：此时通过DSP处理器断开第一开关S1，闭合第二开关S2和第三开关S3即可，电网只用给负载提供能量。

当电网不正常，蓄电池给负载供电时进入工作状态3：此时断开第二开关S2，切断电网，闭合第一、三开关S1、S3，EPS***正向工作，DSP处理器控制第一、二功率管V1、V2交替导通，把直流逆变成高频交流，再交替导通第三、五功率管V3、V5得SPWM波的正半周，交替导通第四、五功率管V4、V6得SPWM波的负半周。

当电网不正常且蓄电池电量过低时则进入工作状态4：此时通过DSP处理器控制第一、二开关S1、S2断开，继续检测电网状态，当电网恢复正常后，则切换至工作状态1。

当负载故障时则进入工作状态5：此时通过DSP处理器控制第三开关S3断开，继续检测负载状态，直到负载恢复正常后转入其他工作状态。

能量可双向流动EPS***采用了无直流环节的内高频环，采用高频变压器，缩小了变压设备的体积和重量。而且由于无直流环节，所以功率可以双向传输，同时还减少了功率变换的级数，这对进一步提高逆变器的效率和可靠性起到了关键作用。而且本***中由于能量可以反向，可直接用直流脉冲给蓄电池充电，与传统EPS相比，不仅减少了给后备电源充电的充电器，使得硬件结构简单外，而且采用脉冲式充电方法给蓄电池充电，在提高了蓄电池的充电效率的同时也能增强蓄电池的使用寿命。对于软件控制而言，传统的EPS切换电路复杂，继电器开关过多，而且需要对充电器进行控制，而蓄电池的充电过程本身就很复杂，也使得控制软件变得复杂。本发明中切换电路只有三个继电器开关使得控制简单，而且由于采用的是脉冲式充电法对蓄电池进行充电，只需控制逆变器中的功率管把基频交流电变成高频的交流脉冲即可，然后交流脉冲经过整流即可变成直流脉冲。所以控制中只需注意直流脉冲的充歇时间比来控制几个功率管的交替导通，这与传统蓄电池充电器的控制相比简单的多。

附图说明：

图1是本发明的***结构框图示意图。

图2是本发明的功率主电路的结构示意图。

图3是第一采样调理电路拓扑图。

图4是第二采样调理电路拓扑图。

图5是第三采样调理电路拓扑图。

图6是第一驱动电路拓扑图。

图7是第二驱动电路拓扑图。

图8是本***的程序控制框图。

具体实施方式：

本发明***的具体实施方案：

本发明***的功率主电路如图1所示，其中高频逆变器是由V1、V2组成的推挽全波式电路，且V1、V2分别并联了二极管VD1、VD2。功率主电路中功率管V1～V6的型号为IKW40T120。功率主回路的工作原理具体如下：

能量从蓄电池流向负载时，即内高频环正向工作：S2断开，S1和S3闭合。蓄电池作为电源给负载供电，开通V1，则变压器原边电压U1得到负值；开通V2，则变压器原边电压U1得到正值，所以只需通过驱动电路高频的切换V1、V2则可将直流电压转换成高频交流电压。在高频变压器副边，对V3～V6进行适当的控制就可将交流电变成工频的SPWM信号。具体实现如下：U2为正时，V3导通，得到正电压，U2为负时，V5导通，得到正电压，所以通过驱动电路控制V3、V5交替导通便可获得SPWM的正半周；同理U2为正时，V6导通，得到负电压，U2为负时，V4导通，得到负电压，交替导通V4、V6便可获得SPWM的负半周。所以只要根据需要控制V3～V6的导通便可获得所需SPWM波，经滤波器滤波后得到正弦交流供给负载。

能量从电网流向蓄电池时，即内高频环反向工作：S1、S2、S3均闭合，先把电网正弦波变成高频交流波。具体实现方法为：当正弦波在正半周时，若V5开通，则电网-变压器T—V5—VD6构成回路，得到正的U2；若V3开通，则电网—变压器T—V3—VD4构成回路，得到负的U2。当正弦波在负半周时，若开通V4，则电网—V4—VD3—变压器T构成回路，得到正的U2；若开通V6，电网—V6—VD5—变压器T构成回路，得到负的U2。因此正弦波正时，V3、V5交替导通，正弦波负时，V4、V6交替导通便把电网正弦波变成了高频的交流电。经过高频变压器后再通过VD1、VD2整流成直流脉冲给蓄电池充电。即U1正时通过VD2给蓄电池充电，U1为负时通过VD1给蓄电池充电。脉冲充电法给蓄电池充电时要求脉冲充一会儿电然后歇一会儿以防止蓄电池的极化，这可通过驱动电路控制V3～V6四个功率管的导通时间和占空比来实现控制。

控制电路则包括DSP处理器，信号检测电路，采样调理电路，驱动电路，通信接口电路和人机交互。具体方案如下：

所述DSP处理器采用的TI公司的TMS320F2809，是控制电路的核心器件，负责将采集到的信号进行运算处理，然后根据控制算法产生相应的控制信号。该芯片片上资源丰富，具有内置AD转换模块和PWM输出模块，该芯片尤其适用于复杂工作环境下的电力电子设备的控制。传感器采集来的电网电压、相位，蓄电池电压、电流以及负载电流经过运算放大器组成的信号采样电路后，与DSP的AD转换口连接进行AD采样。DSP输出的PWM信号经过驱动电路与内高频环连接，实现对内高频环中6个功率管的控制。

所述信号检测电路在蓄电池侧属于直流侧用大电阻分压，小电阻分流的方式检测蓄电池信号，在电网侧和负载侧属于交流侧分别采用互感器进行检测。然后将检测到的信号传给采样调理电路进行处理后再传给DSP的AD采样口。

所述采样调理电路分为第一采样调理电路（如图3所示）、第二采样调理电路（如图4所示）和第三采样调理电路（如图5所示）。其中电池电流与负载电流流过电阻转换为电压信号BATCUR+、BATCUR-和LOADCUR+、LOADCUR-，经由运放TL074C设计的放大器放大一定倍数，然后叠加一个+1.5V，再通过TL074C构成的电压跟随器和BAT54S器件限幅（0～3.0V）之后送入DSP的AD采样口。电网过零检测：电网电压信号VLINEL、VLINEN，经由运放TL074C设计的放大器放大一定倍数，再通过由LM393构成的迟滞比较器，在电网电压过零后产生一个脉冲信号，并输入DSP检测。同理：电池电压和电网电压信号BATV+、BATV-和VLINEL、VLINEN，经由运放TL074C设计的放大器放大一定倍数，然后叠加一个+1.5V，再通过TL074C构成的电压跟随器和BAT54S器件限幅（0～3.0V）之后送入DSP的AD采样口。

所述第一驱动电路如图6所示，驱动电源信号H.F.PWM+、H.F.PWM-，经脉冲变压器后，再通过滤波和稳压管D3、D4产生开通（+16V）和关断（-12V）所需的电压；所述第二驱动电路如图7所示，DSP产生的PWM信号通过光耦TLP250控制Q1、Q2组成的对管，发出功率开关管的开通与关断控制信号。本***中一共有V1～V6六个功率管需要控制，所以一共有六条驱动电路。***运行时不管是正向运行还是反向运行都要求V3与V5，V4与V6交替导通，所以V3与V5，V4与V6的驱动信号也该是交替出现，控制中V3与V5，V4与V6的驱动信号采用互补信号来控制实现。

所述的通信接口电路利用RS485实现通信，将DSP处理器

芯片TMS320F2809与人机交互界面联接起来实现显示、按键灯功能。且接口电路有通过光耦隔离电路滤除干扰，通过三极管增大驱动能力。

    上述技术方案实现能量双向流动的具体程序控制框图如图8所示，其中当电网电压大于240V或小于220V或是电网频率偏差大于1Hz，则认为电网不正常；蓄电池电压低于放电终止则认为其不能放电，额定电压为12V的蓄电池其放电终止电压一般为n×10.5V(n为串联的铅酸蓄电池只数)；额定电压为12V的蓄电池，其电压为n×(12.8～13.1V)则认为其不用充电；当蓄电池电压达到其充电终止电压则认为其充满，充电终止电压高于额定电压(单只12V)一般为n×(13.8～14.5V)(n为串联的铅酸蓄电池只数)。据此本发明***的主要工作状态有5种：

当电网正常且蓄电池需要充电时进入工作状态1：此时要求S1、S2、S3均闭合导通，电网给负载提供能量，同时通过内高频环反向工作给蓄电池充电。此状态下需要控制V3、V4、V5、V6四个功率管，电网电压为正时，V3、V5交通导通，电网电压为负时，V4、V6交替导通，再经过VD1、VD2整流成直流脉冲给蓄电池充电。

当电网正常，但蓄电池电量充足不需要充电时进入工作状态2：此时通过软件断开S1，闭合S2和S3即可，电网只用给负载提供能量。

当电网不正常，蓄电池给负载供电时进入工作状态3：此时断开S2，切断电网，闭合S1、S3，EPS***正向工作。控制V1、V2交替导通，把直流逆变成高频交流，再交替导通V3、V5得SPWM波的正半周，交替导通V4、V6得SPWM波的负半周。

当电网不正常且蓄电池电量过低时则进入工作状态4：此时通过DSP处理器控制开关S1、S2断开。继续检测电网状态，当电网恢复正常后，则切换至工作状态1。

当负载故障时则进入工作状态5：此时通过DSP处理器控制开关S3断开，继续检测负载状态，直到负载恢复正常后转入其他工作状态。

第一、二、三开关S1、S2、S3为继电器，型号为JW1FSN24V，与DSP处理器连接。第一开关S1的常开触点接滤波器，需要第一开关S1闭合时，DSP处理器发出一个信号使继电器线圈吸附到常开触点则接通蓄电池。第二开关S2的常闭触点与电网连接，电网不正常时，DSP处理器发出信号将继电器线圈吸附到常开触点即切掉电网。第三开关S3的常闭触点与负载连接，当负载故障时，DSP处理器发出信号将继电器线圈吸附到常开触点即断开负载。

Claims (1)

1.能量双向流动EPS***，其特征在于蓄电池与无直流环节的内高频环连接后作为电压电网的后备电源给负载供电, 内高频环由高频逆变器、高频变压器、周波变换器、滤波器组成，蓄电池、电网和负载分别通过第一、二、三采样调理电路与DSP处理器连接, DSP处理器分别连接第一、二驱动电路、通信接口电路，通信接口电路与人机交互连接,第一、二驱动电路分别与高频逆变器、周波变换器连接，所述DSP处理器通过第一至第三采样调理电路获得***状态：电网是否正常，负载是否正常，及蓄电池状态,通过第一和第二驱动电路与内高频环连接以控制能量的流动方向，高频逆变器由第一、二功率管V1、V2构成推挽全波式电路与高频变压器原边绕组连接，蓄电池的负、正极分别连接于第一、二功率管V1、V2集电极和高频变压器原边绕组的中点，周波变换器由第三、第四、第五、第六功率管V3-V6构成半桥全波式电路，第一至第六功率管V1-V6各反并第一至第六二极管VD1-VD6以实现能量的双向流动，每个功率管的基极通过第一或第二驱动电路与DSP处理器连接，半桥全波式电路连接于高频变压器副边绕组和滤波器的第一输入端，高频变压器副边绕组中点连接于滤波器的第二输入端，滤波器的输出通过第一开关S1与负载和电网连接，负载和电网分别设有第三开关S3、第二开关S2, 第一、二、三开关S1、S2、S3为继电器，分别与DSP处理器连接，第一开关S1的常开触点接滤波器，需要第一开关S1闭合时，DSP处理器发出一个信号使继电器线圈吸附到常开触点则接通蓄电池，第二开关S2的常闭触点与电网连接，电网不正常时，DSP处理器发出信号将继电器线圈吸附到常开触点即切掉电网，第三开关S3的常闭触点与负载连接，当负载故障时，DSP处理器发出信号将继电器线圈吸附到常开触点即断开负载，所述DSP处理器采用TI公司的TMS320F2809芯片，所述第一、二驱动电路的输出通过光耦TLP250隔离放大后驱动各功率管，所述第一采样调理电路的信号检测电路在蓄电池侧用大电阻分压，小电阻分流的方式检测蓄电池电压、电流信号，第二、三采样调理电路在电网侧和负载侧分别采用互感器进行检测电网电压和负载电流，然后将检测到的电压、电流信号传给第一、二、三采样调理电路进行处理放大和加法器提升后再传给DSP处理器的AD采样口，所述第一至第三采样调理电路是将所测信号进行差分放大后送入加法器提升后传给AD采样口，能量从蓄电池流向负载时，即内高频环正向工作：DSP处理器判断出电网不正常需蓄电池供电后，控制第二开关S2断开，第一开关S1和第三开关S3闭合，蓄电池作为电源给负载供电，通过第一驱动电路高频切换第一、二功率管V1、V2则可将直流电压转换成高频交流电压，在高频变压器副边，对第三至第六功率管V3~V6进行SPWM控制将高频交流电变成工频交流电，具体实现如下：通过第二驱动电路控制第三、五功率管V3、V5交替导通便可获得SPWM波的正半周；交替导通第四、六功率管V4、V6便可获得SPWM波的负半周，根据需要控制第三至第六功率管V3~V6的导通便可获得所需SPWM波，经滤波器滤波后得到正弦交流供给负载，

能量从电网流向蓄电池时，即内高频环反向工作：DSP处理器判断出电网正常且蓄电池需要充电后控制第一、二、三开关S1、S2、S3均闭合，电网正弦波在正半周时，第三、五功率管V3、V5交替导通，电网正弦波在负半周时，第四、六功率管V4、V6交替导通便把电网正弦波变成了高频的交流电，经过高频变压器后再通过第一、二二极管VD1、VD2整流成直流脉冲给蓄电池充电，脉冲充电法给蓄电池充电时要求脉冲充一会儿电然后歇一会儿以防止蓄电池的极化，这可通过第二驱动电路控制第三至第六功率管V3~V6的导通时间和占空比来实现控制，蓄电池的充歇时间比为4:1，则设置第三至第六功率管V3~V6的占空比为0.8，当电网电压大于240V或小于220V或是电网频率偏差大于1Hz，则认为电网不正常；蓄电池电压低于放电终止电压则认为其不能放电；对于n只串联的蓄电池，其中单只蓄电池额定电压为12V，电池组电压为n(12.8~13.1)V则认为其不用充电；当蓄电池组电压达到其充电终止电压则认为其充满，充电终止电压高于额定电压，为n(13.8~14.5)V，工作状态有5种：

当电网正常且蓄电池需要充电时进入工作状态1：此时要求第一、二、三开关S1、S2、S3均闭合导通，电网给负载提供能量，同时通过内高频环反向工作给蓄电池充电，

当电网正常，但蓄电池电量充足不需要充电时进入工作状态2：此时通过DSP处理器断开第一开关S1，闭合第二开关S2和第三开关S3即可，电网只用给负载提供能量,

当电网不正常，蓄电池给负载供电时进入工作状态3：此时断开第二开关S2，切断电网，闭合第一、三开关S1、S3，EPS***正向工作，

当电网不正常且蓄电池电量过低时则进入工作状态4：此时通过DSP处理器控制第一、二开关S1、S2断开,继续检测电网状态，当电网恢复正常后，则切换至工作状态1,

当负载故障时则进入工作状态5：此时通过DSP处理器控制第三开关S3断开，继续检测负载状态，直到负载恢复正常后转入其他工作状态。