直流電源系統及其控制方法與流程

2023-05-21 01:25:01

本發明涉及通信電源技術領域，特別涉及一種直流電源系統及其控制方法。

背景技術：

目前通信設備主要採用dc48v、dc240v及dc336v電源系統供電，這些電源系統應用場合非常重要，為確保供電的連續性，這些通信直流電源系統在設計上會採用蓄電池作為備份應急電源。

如圖1～2所示，當交流電網10』正常時通過交流配電單元30』給通信系統70』供電，同時需要給電池系統50』充電；交流電網10』停電後，立即由備用的電池系統50』維持直流配電單元60』的供電，同時啟動交流發電機20』給整流單元40』供電，然後整流單元40』給直流配電單元60』供電，同時給電池系統50』充電；在正常情況下，配有交流發電機20』作為交流備用電源，交流發電機20』的配置功率是可以同時滿足電池系統50』和直流配電單元60』的需求的，但從圖1～2中的原理框圖可以看出，電池系統50』、直流配電單元60』和通信系統70』是連接在一起的，交流發電機20』發出的交流電，既要對通信系統70』中的通信設備供電，又要對電池系統50』中的電池組充電，尤其是當電池組深度放電時，在啟動電池組充電瞬間，由於監控系統不能在瞬間控制整流單元40』中的開關電源模塊的輸出電流值，加上通信機房中常常配置一個或多個冗餘的開關電源模塊，導致開關電源模塊的峰值電流非常大，瞬時峰值電流會超過交流發電機的額定功率，引起交流發電機熄火，這會造成這個通信系統斷電的危險，使整個通信系統的安全性和可靠性大大降低。

因此，需要設計一種防止交流發電機超負荷工作的直流電源系統及其控制方法。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種直流電源系統及其控制方法，以解決現有的直流電源系統中交流發電機超負荷從而熄火的問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種直流電源系統，所述直流電源系統為通信系統供電，所述直流電源系統包括第一交流電源、第二交流電源、交流配電單元、整流單元、充電單元、電池單元和直流配電單元，其中：

所述第一交流電源或所述第二交流電源為所述交流配電單元供電；

所述交流配電單元連接所述整流單元和所述充電單元，並為所述整流單元和所述充電單元供電；

所述整流單元連接所述直流配電單元，並為所述直流配電單元供電；

所述充電單元連接所述電池單元，並為所述電池單元充電；

所述電池單元連接所述所述直流配電單元，當所述第一交流電源和所述第二交流電源均與所述交流配電單元斷開時，所述電池單元為所述直流配電單元供電；

所述直流配電單元為所述通信系統供電；

所述充電單元包括充電迴路和放電迴路，當所述第一交流電源和所述第二交流電源均與所述交流配電單元斷開時，所述電池單元通過所述放電迴路為所述直流配電單元供電；當所述第一交流電源或所述第二交流電源為所述交流配電單元供電時，所述交流配電單元通過所述充電迴路為所述電池單元充電。

可選的，在所述的直流電源系統中，所述充電迴路包括一限流單元，所述限流單元對所述電池單元充電的電流進行限制，所述限流單元包括控制器和充電電晶體，所述控制器對充電電流幅值進行採樣，並根據採樣得到的結果得出所述充電電晶體的開關脈衝調製寬度，所述充電電晶體根據所述開關脈衝調製寬度控制所述充電電流的幅值。

可選的，在所述的直流電源系統中，所述充電迴路還包括一分流器，所述分流器對所述充電電流的幅值進行採樣，並提供至所述控制器，以使所述控制器對所述充電電流的幅值進行監測。

可選的，在所述的直流電源系統中，所述放電迴路包括一單向導電性的半導體器件。

可選的，在所述的直流電源系統中，所述單向導電性的半導體器件為二極體，所述二極體的陰極連接所述整流單元的正輸出端，所述二極體的陽極連接所述電池單元的正極。

可選的，在所述的直流電源系統中，所述放電迴路還包括一開關器件，所述開關器件連接在所述整流單元的正輸出端和所述電池單元的正極之間。

可選的，在所述的直流電源系統中，所述開關器件判斷所述第一交流電源或所述第二交流電源與所述交流配電單元的連接情況，若所述第一交流電源和所述第二交流電源均與所述交流配電單元斷開，則所述開關器件閉合。

可選的，在所述的直流電源系統中，所述開關器件為直流接觸器或繼電器。

可選的，在所述的直流電源系統中，所述第一交流電源為交流電網，所述第二交流電源為交流發電機。

本發明還提供一種直流電源系統的控制方法，所述直流電源系統的控制方法包括：

所述第一交流電源或所述第二交流電源為所述交流配電單元供電；

所述交流配電單元為所述整流單元和所述充電單元供電；

所述整流單元為所述直流配電單元供電；

所述充電單元為所述電池單元充電；

當所述第一交流電源和所述第二交流電源均與所述交流配電單元斷開時，所述電池單元為所述直流配電單元供電；

所述直流配電單元為所述通信系統供電；

所述充電單元包括充電迴路和放電迴路，當所述第一交流電源和所述第二交流電源均與所述交流配電單元斷開時，所述電池單元通過所述放電迴路為所述直流配電單元供電；當所述第一交流電源或所述第二交流電源為所述交流配電單元供電時，所述交流配電單元通過所述充電迴路為所述電池單元充電。

可選的，在所述的直流電源系統的控制方法中，所述限流單元對所述電池單元充電的電流進行限制包括：所述控制器對充電電流幅值進行採樣，並根據採樣得到的結果得出所述充電電晶體的開關脈衝調製寬度，所述充電電晶體根據所述開關脈衝調製寬度控制所述充電電流的幅值。

可選的，在所述的直流電源系統的控制方法中，所述限流單元對所述交流配電單元對所述電池單元充電的電流進行限制還包括：在所述控制器中設置一充電電流的預設電流值，當所述充電電流達到所述預設電流值時，所述控制器輸出的開關脈衝調製寬度保持不變。

可選的，在所述的直流電源系統的控制方法中，所述直流電源系統的控制方法還包括：所述分流器對所述充電電流的幅值進行採樣，並提供至所述控制器，以使所述控制器對所述充電電流的幅值進行監測。

可選的，在所述的直流電源系統的控制方法中，所述電池單元通過所述放電迴路為所述直流配電單元供電包括：

將一二極體連接在所述整流單元的正輸出端與所述電池單元的正極之間；

所述二極體使所述電池單元在所述整流單元的輸出電壓低於所述電池單元的輸出電壓時，自動為所述直流配電單元供電。

可選的，在所述的直流電源系統的控制方法中，所述電池單元通過所述放電迴路為所述直流配電單元供電還包括：

將一開關器件連接在所述整流單元的正輸出端和所述電池單元的正極之間；

所述開關器件判斷所述第一交流電源或所述第二交流電源與所述交流配電單元的連接情況，若所述第一交流電源和所述第二交流電源均與所述交流配電單元斷開，則所述開關器件閉合，以使所述電池單元為所述直流配電單元供電。

在本發明提供的直流電源系統及其控制方法中，通過當所述第一交流電源或所述第二交流電源為所述交流配電單元供電時，所述交流配電單元通過所述充電迴路為所述電池單元充電，防止第二交流電源通過交流配電單元為電池單元充電時，充電電流過大而引起第二交流電源過載，從而導致熄火；另外，充電單元和整流單元分開，充電單元專為電池單元充電，整流單元專門為直流配電單元供電，防止電池單元引起整流單元中多個開關電源模塊瞬間的峰值電流過大，引起第二交流電源過載。

第一交流電源停電瞬間，電池單元立即通過放電迴路中的二極體對直流配電單元和通信系統供電，經過毫秒級別的時間後，切換到與二極體並聯的開關器件放電，既防止停電瞬間通信系統中斷的重大事故，又解決了放電迴路的二極體長期運行發熱和壓降大的問題；此時，第二交流電源開始供電後，由於整流單元中的高頻開關電源模塊延時3～10秒後才會輸出並為直流配電單元供電，而開關器件的線圈在第二交流電源開始供電後，在毫秒級別的時間內常閉觸點已斷開，利用高頻開關電源模塊延時輸出的特性，防止第二交流電源開始供電後開關器件仍然閉合，導致充電單元和整流單元同時對電池單元大電流充電，從而引起第二交流電源過載熄火。

附圖說明

圖1～2是現有的直流電源系統示意圖；

圖3是本發明直流電源系統各部分連接示意圖；

圖4是本發明直流電源系統原理示意圖；

圖5是本發明直流電源系統電路示意圖；

圖6是本發明直流電源系統中充電單元與電池單元連接示意圖；

圖7是本發明直流電源系統中電池單元為直流配電單元供電時的等效電路圖；

圖8是本發明直流電源系統中電池單元不為直流配電單元供電時的等效電路圖；

圖中所示：

現有技術：10』-交流電網；20』-交流發電機；30』-交流配電單元；40』-整流單元；50』-電池系統；60』-直流配電單元；70』-通信系統；

本發明：10-第一交流電源；20-第二交流電源；30-交流配電單元；40-整流單元；50-充電單元；60-電池單元；70-直流配電單元；80-通信系統。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發明提出的直流電源系統及其控制方法作進一步詳細說明。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。

本發明的核心思想在於提供一種直流電源系統及其控制方法，以解決現有的直流電源系統中交流發電機超負荷從而熄火的問題。

為實現上述思想，本發明提供了一種直流電源系統及其控制方法，所述直流電源系統為通信系統供電，所述直流電源系統包括第一交流電源、第二交流電源、交流配電單元、整流單元、充電單元、電池單元和直流配電單元，其中：所述第一交流電源或所述第二交流電源為所述交流配電單元供電；所述交流配電單元連接所述整流單元和所述充電單元，並為所述整流單元和所述充電單元供電；所述整流單元連接所述直流配電單元，並為所述直流配電單元供電；所述充電單元連接所述電池單元，並為所述電池單元充電；所述電池單元連接所述所述直流配電單元，當所述第一交流電源和所述第二交流電源均與所述交流配電單元斷開時，所述電池單元為所述直流配電單元供電；所述直流配電單元為所述通信系統供電；所述充電單元包括充電迴路和放電迴路，當所述第一交流電源和所述第二交流電源均與所述交流配電單元斷開時，所述電池單元通過所述放電迴路為所述直流配電單元供電；當所述第一交流電源或所述第二交流電源為所述交流配電單元供電時，所述交流配電單元通過所述充電迴路為所述電池單元充電。

本發明提供一種直流電源系統，如圖3所示，所述直流電源系統為通信系統80供電，所述直流電源系統包括第一交流電源10、第二交流電源20、交流配電單元30、整流單元40、充電單元50、電池單元60和直流配電單元70，其中：所述第一交流電源10或所述第二交流電源20為所述交流配電單元30供電；其中，所述第一交流電源10為交流電網，所述第二交流電源20為交流發電機，在交流電網正常供電的情況下，由第一交流電源10為交流配電單元30供電，當交流電網出現故障異常或其他情況而停止供電時，為了保證通信系統80的可靠性，第二交流電源20作為備用電源為交流配電單元30供電。

由於第一交流電源10和第二交流電源20在轉換時，有一定的轉換時間，為了在轉換時間內實現通信系統80供電的零中斷，需要電池單元60暫時為通信系統80供電，而平時，第一交流電源10或第二交流電源20可以供電時，交流配電單元30需要給電池單元60充電以免電池單元60電力不足而無法供電。

所述交流配電單元30連接所述整流單元40和所述充電單元50，並為所述整流單元40和所述充電單元50供電；由於通信系統80需要直流電源供電，因此交流配電單元30輸出的交流電需要由整流單元40轉換為直流電，所述整流單元40連接所述直流配電單元70，並為所述直流配電單元70供電，所述直流配電單元70為所述通信系統80供電，直流配電單元70根據通信系統的需求將直流電分配給不同的通信系統。如圖5所示，所述充電單元50連接所述電池單元60，並為所述電池單元60充電；所述充電單元中也具有整流模塊s1，以將交流配電單元30提供的交流電轉換為直流電後，然後為電池單元60充電。

如圖4所示，所述電池單元60連接所述所述直流配電單元70，當所述第一交流電源10和所述第二交流電源20均與所述交流配電單元30斷開時，即第一交流電源10和所述第二交流電源20均未給交流配電單元30供電時，所述電池單元60為所述直流配電單元70供電，以實現通信系統的零中斷。

所述充電單元50包括充電迴路和放電迴路，當所述第一交流電源10和所述第二交流電源20均與所述交流配電單元30斷開時，所述電池單元60通過所述放電迴路為所述直流配電單元70供電；當所述第一交流電源10或所述第二交流電源20為所述交流配電單元30供電時，所述交流配電單元30通過所述充電迴路為所述電池單元60充電。

在本實施例提供的直流電源系統中，通過當所述第一交流電源10或所述第二交流電源20為所述交流配電單元30供電時，所述交流配電單元30通過所述充電迴路為所述電池單元60充電，防止第二交流電源20通過交流配電單元30為電池單元60充電時，充電電流過大而引起第二交流電源過載，從而導致熄火；另外，充電單元50和整流單元40分開，充電單元50專為電池單元60充電，整流單元40專門為直流配電單元70供電，防止電池單元60引起整流單元40中多個開關電源模塊瞬間的峰值電流過大，引起第二交流電源20過載。

另外，在所述的直流電源系統中，所述充電迴路包括一限流單元，所述限流單元對所述電池單元充電的電流進行限制。限流單元通過內部監控單元u1程序預設的值來限制充電電流。

如圖5～6所示，在所述的直流電源系統中，所述限流單元包括控制器u1、充電電晶體m1和分流器r1，所述控制器u1對所述充電單元50中分流器r1的電流幅值進行採樣，並根據採樣得到的結果得出所述充電電晶體m1的開關脈衝調製寬度，所述充電電晶體m1根據所述開關脈衝調製寬度控制所述充電電流的幅值。如圖6所示，圖6為充電單元50和電池單元60連接的等效示意圖，充電單元50中的整流模塊s1將交流配電單元30的l線和n線中的交流電轉換為直流電，即充電電流，通過整流模塊s1正極輸出，整流模塊s1正負極還分別連接控制器u1的正負電源引腳以為控制器u1提供電源，整流模塊s1正極直接連接電池單元60，充電電流從電池單元60流出後，通過分流器r1，分流器r1具有四個引腳，其中有兩個引腳連接控制器u1，這兩個引腳間的壓降提供給控制器u1，該壓降與流過另外兩個引腳的電流成正比，即與充電電流成正比。充電電流通過分流器r1後，經過充電電晶體m1的兩個引腳，充電電晶體m1可以為三極體或場效應管，其具有三個引腳，其中基極(對應於三極體)或柵極(對應於場效應管)連接控制器u1，另外兩個引腳連接在分流器r1和整流模塊s1的負極之間，充電電流通過充電電晶體m1的兩個引腳後，流回到整流模塊s1的負極。控制器u1根據充電電流的幅值輸出充電電晶體m1基極或柵極的開關脈衝調製寬度，所述開關脈衝調製寬度與通過充電電晶體m1另兩個引腳的電流，即充電電流成正比。

具體的，在所述的直流電源系統中，所述放電迴路包括一單向導電性的半導體器件。所述單向導電性的半導體器件為二極體d1，所述二極體d1的陰極連接所述整流單元40的正輸出端，所述二極體d1的陽極連接所述電池單元60的正極。

連接的等效電路如圖7所示，當直流配電單元70的正極電壓低於電池單元60的正極輸出電壓時，電池單元60中的電流可自動通過二極體d1流向直流配電單元70，為直流配電單元70供電。

進一步的，如圖5所示，在所述的直流電源系統中，所述放電迴路還包括一開關器件km1，所述開關器件km1連接在所述整流單元40的正輸出端和所述電池單元60的正極之間。所述開關器件km1判斷所述第一交流電源10或所述第二交流電源20與所述交流配電單元30的連接情況，若所述第一交流電源10和所述第二交流電源20均與所述交流配電單元30斷開，則所述開關器件km1閉合。所述開關器件為直流接觸器或繼電器。連接的等效電路如圖8所示，開關器件km1具有一線圈，線圈兩端連接在充電單元50的整流模塊s1的交流輸入端，當第一交流電源10或所述第二交流電源20不再為交流配電單元30供電時，交流配電單元30沒有交流電輸出，整流模塊s1的交流輸入端電壓值為零，線圈收到信號後，開關器件km1的常閉觸點維持閉合，開關器件km1導通。當交流配電單元30有交流電輸出時，線圈收到信號後，開關器件km1的常閉觸點斷開，開關器件km1斷開。

第一交流電源10停電瞬間，電池單元60立即通過放電迴路中的二極體d1對直流配電單元70和通信系統80供電，經過毫秒級別的時間後，切換到與二極體d1並聯的開關器件km1放電，既防止停電瞬間通信系統中斷的重大事故，又解決了放電迴路的二極體d1長期運行發熱和壓降大的問題；此時，第二交流電源20開始供電後，由於整流單元40中的高頻開關電源模塊延時3～10秒後才會輸出並為直流配電單元70供電，而開關器件km1的線圈在第二交流電源20開始供電後，在毫秒級別的時間內常閉觸點已斷開，利用高頻開關電源模塊延時輸出的特性，防止第二交流電源20開始供電後開關器件km1仍然閉合，導致充電單元50和整流單元40同時對電池單元60大電流充電，從而引起第二交流電源20過載熄火。

綜上，上述實施例對直流電源系統的不同構型進行了詳細說明，當然，本發明包括但不局限於上述實施中所列舉的構型，任何在上述實施例提供的構型基礎上進行變換的內容，均屬於本發明所保護的範圍。本領域技術人員可以根據上述實施例的內容舉一反三。

本實施例還提供一種直流電源系統的控制方法，所述直流電源系統的控制方法包括：所述第一交流電源10或所述第二交流電源20為所述交流配電單元30供電；所述交流配電單元30為所述整流單元40和所述充電單元50供電；所述整流單元40為所述直流配電單元70供電；所述充電單元50為所述電池單元60充電；當所述第一交流電源10和所述第二交流電源20均與所述交流配電單元30斷開時，所述電池單元60為所述直流配電單元70供電；所述直流配電單元70為所述通信系統80供電；所述充電單元50包括充電迴路和放電迴路，當所述第一交流電源10和所述第二交流電源20均與所述交流配電單元30斷開時，所述電池單元60通過所述放電迴路為所述直流配電單元70供電；當所述第一交流電源10或所述第二交流電源20為所述交流配電單元30供電時，所述交流配電單元30通過所述充電迴路為所述電池單元60充電。

具體的，在所述的直流電源系統的控制方法中，所述限流單元對所述電池單元60充電的電流進行限制包括：所述控制器u1對所述交流配電單元30中的電流幅值進行採樣，並根據採樣得到的結果得出所述充電電晶體m1的開關脈衝調製寬度，所述充電電晶體m1根據所述開關脈衝調製寬度控制所述充電電流的幅值。所述限流單元對所述交流配電單元對所述電池單元充電的電流進行限制還包括：在所述控制器u1中設置一充電電流的預設電流值，當所述充電電流達到所述預設電流值時，所述控制器u1輸出的開關脈衝調製寬度保持不變。

進一步的，在所述的直流電源系統的控制方法中，所述直流電源系統的控制方法還包括：所述分流器r1對所述充電電流的幅值進行採樣，並提供至所述控制器u1，以使所述控制器u1對所述充電電流的幅值進行監測。

另外，在所述的直流電源系統的控制方法中，所述電池單元60通過所述放電迴路為所述直流配電單元70供電包括：將一二極體d1連接在所述整流單元40的正輸出端與所述電池單元60的正極之間；所述二極體d1使所述電池單元60在所述整流單元40的輸出電壓低於所述電池單元60的輸出電壓時，自動為所述直流配電單元70供電。

具體的，在所述的直流電源系統的控制方法中，所述電池單元60通過所述放電迴路為所述直流配電單元供電還包括：將一開關器件km1連接在所述整流單元40的正輸出端和所述電池單元60的正極之間；所述開關器件km1判斷所述第一交流電源10或所述第二交流電源20與所述交流配電單元30的連接情況，若所述第一交流電源10和所述第二交流電源20均與所述交流配電單元30斷開，則所述開關器件km1閉合，以使所述電池單元60為所述直流配電單元70供電。

在本實施例提供的直流電源系統的控制方法中，通過當所述第一交流電源10或所述第二交流電源20為所述交流配電單元30供電時，所述交流配電單元30通過所述充電迴路為所述電池單元60充電，防止第二交流電源20通過交流配電單元30為電池單元60充電時，充電電流過大而引起第二交流電源過載，從而導致熄火；另外，充電單元50和整流單元40分開，充電單元50專為電池單元60充電，整流單元40專門為直流配電單元70供電，防止電池單元60引起整流單元40中多個開關電源模塊瞬間的峰值電流過大，引起第二交流電源20過載。

第一交流電源10停電瞬間，電池單元60立即通過放電迴路中的二極體d1對直流配電單元70和通信系統80供電，經過毫秒級別的時間後，切換到與二極體d1並聯的開關器件km1放電，既防止停電瞬間通信系統中斷的重大事故，又降低了放電的二極體d1的發熱損耗和直流配電單元70的壓降不超過500mv的要求。此時，第二交流電源20開始供電後，由於整流單元40中的高頻開關電源模塊延時3～10秒後才會輸出並為直流配電單元70供電，而開關器件km1的線圈在第二交流電源20開始供電後，在毫秒級別的時間內常閉觸點已斷開，利用高頻開關電源模塊延時輸出的特性，防止第二交流電源20開始供電後開關器件km1仍然閉合，導致充電單元50和整流單元40同時對電池單元60大電流充電，從而引起第二交流電源20過載熄火。

本發明技術方案可用於城際軌道交通通訊系統、專用軌道交通線通信系統、公安通訊系統、通信用高頻開關電源系統應用等。

本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對於實施例公開的系統而言，由於與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。

上述描述僅是對本發明較佳實施例的描述，並非對本發明範圍的任何限定，本發明領域的普通技術人員根據上述揭示內容做的任何變更、修飾，均屬於權利要求書的保護範圍。