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一種智能儲能電池充放電裝置的製作方法

2023-07-24 12:55:41 1


本發明涉及儲能電池技術領域,具體涉及一種智能儲能電池充放電裝置。



背景技術:

隨著傳統能源的枯竭和對環境保護要求的不斷提高,電能等可再生、無汙染的新能源正加速發展。而電能廣泛存儲在儲能電池之中,儲能電池也廣泛應用在各個方面,例如電動汽車、照明系統和手持行動裝置等。

當前,儲能電池充放電裝置作為電池管理系統的一部分,很少單獨設計,大多依賴於複雜的系統,包括控制系統、can總線、電壓採集和上位機的複雜模塊。電池管理系統適用於較複雜的供電或儲能系統,不具有便捷簡易等特點且價格比較昂貴。簡易的儲能電池充放電控制裝置,未能實現即時監控、即時處理和即時報警等功能,且存在著一定的安全隱患。常用的儲能電池充放電裝置使用電壓比較器作為核心模塊,通過比較儲能電池的電壓來達到控制充放電電路的斷開與閉合,只能對特定的電池進行充電,對特定的負載進行放電。



技術實現要素:

本發明的目的是針對現有技術中存在的技術缺陷,而提供一種智能儲能電池充放電裝置,其通過採用雙buck電路和雙buck-boost電路,配合電流傳感器及單片機430f149,從而實現對儲能電池的充放電,並可對充電模式或放電模式下的電壓電流進行實時顯示。

為實現本發明的目的所採用的技術方案是:

一種智能儲能電池充放電裝置,包括

雙buck電路,用於在智能控制器控制下,在充電模式下輪流工作而使交流電變壓整流後形成的直流電輸入至儲能電池而對該儲能電池充電;

雙buck-boost電路,與所述儲能電池相連接,用於在智能控制器控制下,在放電模式下輪流工作,將儲存能電池的電能輸送到負載。

所述雙buck電路以及雙buck-boost電路分別通過充電驅動電路、放電驅動電路與所述智能控制器相連接,所述智能控制器通過輸出pwm控制雙buck電路、雙buck-boost電路輸出電壓值,為儲能電池充電,或由儲能電池放電而為負載提供工作電壓。

所述智能控制器連接電壓電流採集模塊,包括:

第一電壓電流採集單元,用於充電模式下時,採集雙buck電路的電流輸入側的電壓電流值;

第二電壓電流採集單元,用於充電模式下時,採集雙buck電路的電流輸出側的電壓電流值,或在放電模式下時,採集儲能電池電流輸出的電壓電流值;

第三電壓電流採集單元,用於放電模式下時,採集雙buck-boost電路的電流輸出側的電壓電流值。

所述電壓電流採集模塊包括acs712傳感器。

所述智能控制器還連接顯示模塊,用於實時顯示當前的充放電的電壓、電流和時間信息。

述智能控制器連接按鍵模塊,用於選擇設定充電工作模式、放電工作模式以及充放電電壓值。

所述充電驅動電路、放電驅動電路分別包括兩個光耦,四個所述光耦與所述智能控制器的pwm輸出端連接,並分別通過光耦的pwm端與雙buck電路、雙buck-boost電路的四個mos管連接。

本發明通過buck電路能實現對不同類型的儲能電池或是同一類型不同額定電壓值的儲能電池進行充電,通過buck-boost電路實現同一儲能電池對不同負載進行放電。

本發明將buck和buck-boost電路與智能控制器相結合,使之成為一完整的閉環系統,消除了簡易儲能電池充放電裝置開環系統的缺點,具有較高的穩定性;與複雜的電源管理系統相比,本發明只關注對儲能電池的充放電,因此元件使用數量大大減少,整體成本也大大減少。

此外,本發明中使用雙buck電路和雙buck-boost電路,在結構上構成冗餘,避免單一電路長期持續工作時內部熱量累積而造成的系統不穩定性,當其中一個電路在意外失效後,另一電路可繼續運行,大大提高了系統的可靠性。

本發明可以實現對多種不同類型或不同額定電壓值的儲能電池進行充電,也可以實現同一儲能電池對額定電壓值不同的負載進行放電。

附圖說明

圖1是智能儲能電池充放電裝置的原理示意圖;

圖2是驅動電路的電路示意圖;

圖3-5分別是裝置供電電路的電路圖;

圖6是雙buck電路的電路圖;

圖7是buck-boost電路的電路圖;

圖8是電壓轉換整流的電路圖;

圖9是按鍵模塊的電路圖;

圖10是智能儲能電池充放電裝置的控制流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明,並不用於限定本發明。

參見圖1-10所示,一種智能儲能電池充放電裝置,包括:

雙buck電路,用於在智能控制器控制下,在充電模式下通過該雙buck電路輪流工作而使交流電變壓整流後形成的直流電輸入至儲能電池而對該儲能電池充電;

雙buck-boost電路,與所述儲能電池相連接,用於在所述智能控制器控制下,在放電模式下通過該雙buck-boost電路輪流工作,將所述儲存能電池的電能輸送到負載。

本發明通過雙buck電路以及雙buck-boost電路在智能控制器的控制下,輪流交替工作,實現對儲能電池的充電或是通過儲能電池放電而對負載供電,雙buck電路以及雙buck-boost電路在結構上構成冗餘,避免單一電路長期持續工作時內部熱量累積而造成的系統不穩定性,當其中一個電路在意外失效後,另一個電路可繼續運行。

其中,所述智能控制器為ti公司的430f149,此款控制器具有良好的ad轉換和pwm輸出功,且具有低功耗特色。

具體的,所述雙buck電路以及雙buck-boost電路分別通過充電驅動電路(驅動電路一)、放電驅動電路(驅動電路二)與所述智能控制器相連接,由所述智能控制器通過輸出pwm以控制雙buck電路、雙buck-boost電路輸出電壓值,為儲能電池充電,或由儲能電池放電而為負載提供工作電壓。

其中,為了實現有效控制輸出電壓值,所述智能控制器連接電壓電流採集模塊,包括:

第一電壓電流採集單元,用於充電模式下時,採集雙buck電路的電流輸入側的電壓電流值;

第二電壓電流採集單元,用於充電模式下時,採集雙buck電路的電流輸出側的電壓電流值,或在放電模式下時,採集儲能電池電流輸出的電壓電流值;

第三電壓電流採集單元,用於放電模式下時,採集雙buck-boost電路的電流輸出側的電壓電流值。

具體的,所述電壓電流採集模塊採用acs712傳感器,可以測量正負30安電流,對應模擬量輸出66mv/a。分別將採集的電壓電流值輸送到智能控制器,由所述智能控制器根據設定的輸出電壓值輸出對應的pwm對雙buck電路、雙buck-boost電路的輸出電壓進行控制,為儲能電池充電,或為由儲能電池放電而為負載提供工作電壓。

進一步的,所述智能控制器還連接顯示模塊,用於實時顯示當前的充放電的電壓、電流和時間等信息。所述顯示模塊可以採用lcd1602。

為了實現對通過智能控制器進行工作模式的設定,所述智能控制器連接按鍵模塊,用於鍵入設定工作模式,即儲能電池充電模式和儲能電池放電模式以及充放電電壓值。具體的,所述按鍵模塊包括三個按鍵s3,s4,s5,分別連接一個電阻r6,r7,r8,並聯連接;並聯一端接地gnd,另一端接3.3v電壓端,分別實現儲能電池充電模式和儲能電池放電模式以及充放電電壓值選擇設定。

具體的,所述雙buck電路包括兩個並聯設置的buck電路,參見圖6所示,雙buck電路包括雙mos管(q2,q4),採用irf540,雙電感(l12,l14)、mos電容(c18,c20)和四個續流二極體(d3,d5,d6,d7),分別連接形成兩個buck電路,其中的二極體用於防止電流反向流入,電感和電容組成了一低通濾波器。當mos管為通態時,輸入端經mos管和電感構成電流通道,提供能量給電感,二極體反向偏置,電感電流增大,負載電流由電容器上儲存的能量提供。

當mos管斷開時,電感中的自感電勢使二極體導通,儲存在電感中的能量經二極體傳遞給電容,由電容輸出到負載。

雙buck電路在結構上構成冗餘,避免單一電路長期持續工作時內部熱量累積而造成的系統不穩定性,當其中一個電路在意外失效後,另一電路可繼續運行。

該雙buck電路的輸出端buckout1,buckout2連接兩個acs712模塊,一個acs712模塊並聯在電路以檢測電壓,另一個acs712模塊串聯在電路上以檢測電流,形成第二電壓電流檢測單元。兩個acs712模塊out管腳分別與智能控制器的連接腳(p6.1,p6.2)連接,其中檢測電壓的acs712模塊的in1腳連接一個電阻r4與電路連接,通過端子p3與儲能電池相連接,兩個acs712模塊分別與每個buck電路的輸出端buckout1,buckout2相連接,以實現雙buck電路時實時檢測一路buck電路工作時的輸出的電壓電流值,或是放電模式下時檢測儲能電池的輸出電壓電流值。

參見圖7所示,本發明中,所述雙buck-boost電路,包括兩個mos管(q1,q3),採用irf540,兩個電感(l1,l3)、兩個電容(c17,c19)和兩個二極體(d2,d4),其中二極體主要防止電流反向流入。當mos管導通時,輸入電壓與輸出電壓相隔離,電容為負載提供能量。當mos管斷開時,電感中的感應電勢使二極體導通,電感為電容和負載提供能量。

雙buck-boost電路,在結構上構成冗餘,避免單一電路長期持續工作時內部熱量累積而造成的系統不穩定性,當其中一個電路在意外失效後,另一電路可繼續運行。

雙buck-boost電路形成兩個buck-boost電路單元,分別對應的與雙buck電路的兩個輸出端buckout1,buckout2相連接,通過其輸出端out1,out2連接的端子p2與負載連接,而給負載供電。

其中,所述雙buck-boost電路的對應的輸出端out1,out2分別連接兩個acs712模塊,形成第三電壓電流檢測單元,分別檢測電壓以及電流,其連接方式為一個並聯以檢測電壓,一個串聯以檢測電流,並通過其out管腳與智能控制器對應腳(p6.4,p6.5)連接,工作時,雙buck-boost電路共用所述第三電壓電流檢測單元,分別實現檢測一路buck-boost電路工作時的輸出的電壓電流值。

本發明中,所述雙buck電路的輸入側連接電壓轉換及整流電路模塊,用於對交流電進行電壓轉換及整流形成直流電給所述雙buck電路,參見圖8所示,具體可以是包括:

變壓器t1、整流橋d8、電容c2,變壓器t1實現電壓轉換,整流橋d8進行整流後輸出,變壓器的匝數比為1:3,220v的交流電經變壓整流後,轉化為80v左右的直流電,其直流電輸出端連接第一電流電壓採集單元,包括兩個acs712電流傳感器模塊,一個串聯連接,一個並聯連接,分別檢測電流及電壓,並通過其out管腳與智能控制器的相應腳相連接(p6.6,p6.3)),其電流輸出端buckin1,buckin2與雙buck電路的輸入端連接,通過端子p4與交流電連接。

本發明中,所述充電驅動電路包括兩個光耦u1,u2,放電驅動電路包括兩個光耦u3,u4,分別連接12v工作電壓,並分別與智能控制器的相應腳連接(如對應的p41.-4.4腳)四個光耦u1,u2,u3,u4的pwm端分別四個mos管q1,q2,q3,q4對應連接,在智能控制器的控制下分別對應輸出pwm1,pwm2,pwm3,pwm4給四個mos管q1,q2,q3,q4,控制mos管q1,q2,q3,q4的開關狀態。

本發明中,還包括裝置供電電路,用於給智能控制器以及與智能控制器連接的按鍵模塊、顯示模塊供工作用電,其可輸出12v、3.3v、5v,包括vra4812ld、lm1117、lm7805,其輸入端通過切換開關s1,可切換連接斬電流輸入端buckin1,buckout1,buckin2,buckout2,通過電容c11,電壓轉換晶片u5(vra4812ld)及電容c12形成的電壓轉換電路,轉換成12v電壓輸出為驅動電路提供工作用電,並可將12v電壓通過lm7805晶片形成的轉換電路(包括輸入側電容c1,c6,輸出側電容c7,c2)轉換成裝置的vcc電壓,通過lm1117及電容c3,c8形成的轉換電路可輸出3.3v電壓供智能控制器、顯示模塊以及按鍵模塊使用。

本發明的具體工作流程如下。

根據按鍵模塊選擇當前工作模具為儲能電池充電模式和儲能電池放電模式。充電時,變壓器輸入端p4接入220v交流電,經降壓整流後,轉化為80v左右的直流電。開關s1接入80v左右的直流電,經u5降壓後,轉化為12v直流電、3.3v直流電,為驅動電路及智能控制器等提供電源。根據儲能電池類型和所需充電電壓,按鍵輸入此時需要的充電工作電壓,智能控制器輸出pwm,經驅動電路後傳遞到mos管中,以控制buck電路的輸出電壓值,為儲能電池充電。

在為儲能電池充電過程中,2個buck電路輪流工作,第一電壓電流採集單元採集buck電路輸入端的電壓與電流,第二電壓電流採集單元採集buck電路輸出端的電壓與電流,顯示模塊顯示採集的實時電壓和電流。

若第一電壓電流採集單元或第二電壓電流採集單元採集的數據異常,單片機msp1停止pwm輸出,停止充電,對電路起到保護作用。若儲能電池已飽和,則停止充電,顯示模塊顯示「完成」。

在儲能電池放電模式下,開關s1接入80v左右的直流電,經u5降壓後,轉化為12v直流電、3.3v直流電,為驅動電路及智能控制器等提供電源。根據負載正常工作電壓,按鍵輸入此時需要充電工作電壓,智能控制器輸出pwm,經驅動電路後傳遞到mos管中,以控制buck-boost電路的輸出電壓值,為負載提供工作電壓。在儲能電池放電過程中,2個buck-boost電路輪流工作,第二電壓電流採集單元採集儲能電池所輸出的電壓與電流,第三電壓電流採集單元採集buck-boost電路輸出端的電壓與電流,顯示模塊顯示採集的實時電壓和電流。

若第二電壓電流採集單元或第三電壓電流採集單元採集的數據異常,立即停止放電,即智能控制器停止pwm輸出,實現放電的自我保護功能,實現了出現意外情況自動停止工作。

此外,本發明還可實現儲能電池的恆流放電,以供負載正常工作。

具體的,在對採集的電壓電流數據處理時,採用濾除突變值,多項取均值的方法處理。如讀取n組數據,每組m個數據,每組分別求均值,把每一組中絕對偏差值較大的a個數據捨去,保留偏差值較小的m-a個數據,n組共n*(m-a)個數據,將這n*(m-a)個數據再次求取平均值,最終值為智能控制器用於智能控制的數據值,n,m,a均為自然數。

在調節pwm佔空比時,可設定比較閾值,將比較閾值分別上閾值與下閾值,以控制pwm的調節步進值,如當實際充電電壓的反饋值與設定的充電電壓值的差值大於上閾值時,pwm佔空比的調節步進值為第一比例值,當實際充電電壓的反饋值與設定的充電電壓值的差值小於上閾值而大於下閾值,pwm佔空比的調節步進值為第二比例值,當實際充電電壓的反饋值與設定的充電電壓值的差值小於下閾值,pwm佔空比的調節步進值為第三比例值。

如設定上閾值與下閾值分別為2v和0.2v。當實際反饋值與設定值的差值大於2v時,pwm佔空比的調節步進值為10%,當實際反饋值與設定值的差值小於2v而大於0.2v,pwm佔空比的調節步進值為1%,當實際反饋值與設定值的差值小於0.2v,pwm佔空比的調節步進值為0.1%。

以上所述僅是本發明的優選實施方式,應當指出的是,對於本技術領域的普通技術人員來說,在不脫離本發明原理的前提下,還可以做出若干改進和潤飾,這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。

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