一种宽电压范围的双向电源控制系统及方法与流程

1.本发明涉及电力控制技术领域，特别指一种宽电压范围的双向电源控制系统及方法。


背景技术：

2.随着社会高速发展，人们生活水平不断提高，人们对能源的需求量越来越大，在新能源开发与利用的结构性变革中，坚持节能降耗将成为能源发展的重点，使得能量双向流动型变换设备得以大量应用与推广。随着电池材料的不断开发创新，电池能量密度及充放电循环性能得到了大大的提高，新能源汽车核心部件之一的动力电池随着新能源行业的崛起在迅速发展起来，进一步推动了能量双向流动型变换设备发展与壮大。
3.大量的电池包从化成至成品出厂，涉及多个环节都需要进行严格的性能评估，对电池包充放电操作是最基本的测试、评估环节，能量双向流动型变换设备为节约能源、降低成本、改善生产环境条件提供了切实的技术支撑。
4.然而，传统的能量双向流动型变换设备采用2个dc
‑
dc变换器反并联构成，或者采用h型全桥型构成，存在如下缺点：
5.1、电池生产厂家生成的电池包可能需要应对从手机单串电池、平板电脑几串电池、电动工具十几串电池、电动汽车几十串电池等应用场景，电池包标称电压从3.6v到400v，甚至更高；传统的能量双向流动型变换设备的变换输出电压范围窄，甚至只能输出固定的电压，应用场景单一，在应对电池包检测的场景，很难实现电池包全范围电压的检测、维护的需要，往往需要多种检测设备或者集成型大型检测设备来对不同电压的电池包进行检测，使用很不方便，不利于调试、生产。
6.2、直接采用继电器或者采用mos管输出功率，在继电器通断过程中产生的机械抖动会对电路造成冲击，带载关闭继电器也可能造成继电器损坏，严重影响使用寿命；采用mos管输出功率时，无法实现电气完全隔离，会对其它相关电路造成不必要的干扰现象。
7.因此，如何提供一种宽电压范围的双向电源控制系统及方法，实现提升电源控制系统的电压变化范围以及运行稳定性，成为一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题，在于提供一种宽电压范围的双向电源控制系统及方法，实现提升电源控制系统的电压变化范围以及运行稳定性。
9.第一方面，本发明提供了一种宽电压范围的双向电源控制系统，包括：
10.交流配电模块；
11.ac
‑
dc变换器，与所述交流配电模块连接；
12.能量双向变换模块，与所述ac
‑
dc变换器连接；
13.上位机，与所述能量双向变换模块连接；
14.所述能量双向变换模块包括：
15.第一dc
‑
dc变换器，一端与所述ac
‑
dc变换器连接；
16.第二dc
‑
dc变换器，一端与所述ac
‑
dc变换器连接；
17.电流传感器，一端与所述第一dc
‑
dc变换器的另一端连接；
18.功率输出单元，分别与所述电流传感器以及第二dc
‑
dc变换器的另一端连接；
19.电压传感器，并联在所述功率输出单元以及负载的两端；
20.温度传感器；
21.信号处理单元，分别与所述电流传感器、电压传感器以及温度传感器连接；
22.dsp芯片，分别与所述第一dc
‑
dc变换器、第二dc
‑
dc变换器、功率输出单元、信号处理单元以及上位机连接。
23.进一步地，所述第一dc
‑
dc变换器包括一电容ci1、一电容co1、一电阻r1、一电阻r2、一电感l1、一mos管v1以及一mos管v2；
24.所述电容ci1的正极与ac
‑
dc变换器的正极以及mos管v1的引脚2连接，负极与ac
‑
dc变换器的负极、电阻r2、mos管v2的引脚3、电容co1的负极以及功率输出单元连接；所述mos管v1的引脚1与电阻r1以及dsp芯片连接，引脚3与电阻r1、电感l1以及mos管v2的引脚2连接；所述mos管v2的引脚1与电阻r2以及dsp芯片连接；所述电感l1与电容co1的正极以及电流传感器连接。
25.进一步地，所述第二dc
‑
dc变换器包括一电容ci2、一电容co2、一电阻r3、一电阻r4、一电感l2、一mos管v3以及一mos管v4；
26.所述电容ci2的正极与ac
‑
dc变换器的正极以及mos管v3的引脚2连接，负极与ac
‑
dc变换器的负极、电阻r4、mos管v4的引脚3、电容co2的负极以及功率输出单元连接；所述mos管v3的引脚1与电阻r3以及dsp芯片连接，引脚3与电阻r3、电感l2以及mos管v4的引脚2连接；所述mos管v4的引脚1与电阻r4以及dsp芯片连接；所述电感l2与电容co2的正极以及功率输出单元连接。
27.进一步地，所述信号处理单元包括一高精度ad芯片u2、一电容c1、一电阻r5、一电阻r6、一电阻r7、一电阻r8以及一运放u3；
28.所述高精度ad芯片u2的一端与dsp芯片连接，另一端与电阻r5以及电容c1连接；所述运放u3的引脚2与电阻r7以及电阻r6连接，引脚3与电阻r8连接，引脚6与电阻r5以及电阻r6连接；所述电容c1以及电阻r8均接地；所述电阻r7与电流传感器、电压传感器以及温度传感器连接。
29.进一步地，所述功率输出单元包括一电容co3、一mos管v5、一mos管v6、一双刀双掷开关k1以及一双刀双掷开关k3；
30.所述电容co3的正极与电流传感器、电压传感器以及mos管v5的引脚2连接，负极与双刀双掷开关k3的引脚2、双刀双掷开关k1的引脚2以及电压传感器连接；所述双刀双掷开关k3的引脚1与第一dc
‑
dc变换器连接，引脚3、4与第二dc
‑
dc变换器连接；所述mos管v6的引脚2与mos管v5的引脚3连接，引脚3与双刀双掷开关k1的引脚1连接；所述双刀双掷开关k1的引脚3、4与电压传感器连接；
31.所述mos管v5的引脚1、mos管v6的引脚1、双刀双掷开关k1的引脚1以及双刀双掷开关k3的引脚5均与dsp芯片连接。
32.进一步地，所述双刀双掷开关k1以及双刀双掷开关k3均为电控开关。
33.进一步地，所述电压传感器为四线制电压传感器。
34.第二方面，本发明提供了一种宽电压范围的双向电源控制方法，包括如下步骤：
35.步骤s10、上位机获取用户设定的负载需求的电压vset并发送给dsp芯片；
36.步骤s20、上位机通过dsp芯片先导通双刀双掷开关k1，再导通mos管v5以及mos管v6；
37.步骤s30、交流配电模块将电网的交流电输入ac
‑
dc变换器，将交流电转换为直流电后，输入能量双向变换模块；
38.步骤s40、dsp芯片基于第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器的最大输出电压vin、最大占空比dmax、最小占空比dmin以及电压vset控制功率输出单元的工作状态，进行宽电压范围输出；
39.步骤s50、信号处理单元通过电流传感器、电压传感器以及温度传感器获取检测数据，并对所述检测数据进行放大、滤波和采样后，输入dsp芯片；
40.步骤s60、上位机通过dsp芯片获取所述检测参数，基于所述检测参数动态调整能量双向变换模块的工作状态；
41.步骤s70、检测完成后，上位机通过dsp芯片先断开mos管v5以及mos管v6，再断开双刀双掷开关k1。
42.进一步地，所述步骤s40具体为：
43.dsp芯片获取第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器的最大输出电压vin、最大占空比dmax、最小占空比dmin以及电压vset；
44.当vset＞(dmax
‑
dmin)*vin时，dsp芯片通过双刀双掷开关k3，控制第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器进行电压相加输出，让第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器分别输出0.5vset的电压；
45.当vset＜(dmax
‑
dmin)*vin时，dsp芯片通过双刀双掷开关k3，控制第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器进行电压相减输出，让第一dc
‑
dc变换器或者第二dc
‑
dc变换器的占空比取值为dmin，另一个的占空比取值为vset/vin dmin，当第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器的占空比接近时，进行零电压充放电；
46.当vset＜0时，dsp芯片通过双刀双掷开关k3，控制第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器进行电压相减输出，让第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器的占空比取值不同，使得输出负电压的取值范围为(dmin
‑
dmax)*vin至0。
47.进一步地，所述步骤s50中，所述检测数据包括电流数据、电压数据以及温度数据。
48.本发明的优点在于：
49.1、通过设置结构相同的第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器作为能量双向变换模块进行功率输出的上下桥臂，并设置双刀双掷开关k3用于控制第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器的工作模式(电压相加输出/电压相减输出)，结合dc
‑
dc变换器的最大输出电压vin、最大占空比dmax、最小占空比dmin以及电压vset，实现电源控制系统输出的电压范围为(dmin
‑
dmax)*vin至2*(dmax
‑
dmin)*vin，涵盖了正电压输出和负电压输出，极大的提升了电源控制系统的电压变化范围。
50.2、通过设置mos管v5、mos管v6以及双刀双掷开关k1串联，加载功率时，先导通双刀双掷开关k1，再导通mos管v5以及mos管v6，减小了导通双刀双掷开关k1过程中电路连通对
负载(待检测电池包)的冲击；关掉功率时，先断开mos管v5以及mos管v6，等双刀双掷开关k1的电流几乎为0时，再断开双刀双掷开关k1，避免双刀双掷开关k1带载关闭造成器件损坏，进而极大的提升了电源控制系统的运行稳定性。
51.3、通过设置电压传感器为四线制电压传感器，分别采集功率输出单元以及负载的电压，进而极大的提高了电压控制精度。
52.4、通过vset＜(dmax
‑
dmin)*vin时，dsp芯片通过双刀双掷开关k3，控制第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器进行电压相减输出，让其中一个dc
‑
dc变换器的占空比取值为dmin，另一个的占空比取值为vset/vin dmin，当两个dc
‑
dc变换器的占空比接近时，进行零电压充放电，让电池包充电更加的饱和，放电更加的彻底，以提升电池包检测的精度。
附图说明
53.下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
54.图1是本发明一种宽电压范围的双向电源控制系统的电路原理框图。
55.图2是本发明能量双向变换模块的电路原理框图。
56.图3是本发明能量双向变换模块的电路图。
57.图4是本发明信号处理单元的电路图。
58.图5是本发明一种宽电压范围的双向电源控制方法的流程图。
59.标记说明：
60.100
‑
一种宽电压范围的双向电源控制系统，1
‑
交流配电模块，2
‑
ac
‑
dc变换器，3
‑
能量双向变换模块，4
‑
上位机，31
‑
第一dc
‑
dc变换器，32
‑
第二dc
‑
dc变换器，33
‑
电流传感器，34
‑
功率输出单元，35
‑
电压传感器，36
‑
温度传感器，37
‑
信号处理单元，38
‑
dsp芯片。
具体实施方式
61.本技术实施例中的技术方案，总体思路如下：通过设置结构相同的两个dc
‑
dc变换器31/32作为能量双向变换模块3进行功率输出的上下桥臂，并设置双刀双掷开关k3用于控制两个dc
‑
dc变换器31/32的工作模式(电压相加输出/电压相减输出)，让电源控制系统100输出的电压范围为(dmin
‑
dmax)*vin至2(dmax
‑
dmin)*vin；通过设置mos管v5、mos管v6以及双刀双掷开关k1串联，通过控制mos管v5、mos管v6以及双刀双掷开关k1的通断顺序以减小冲击，最终实现提升电源控制系统100的电压变化范围以及运行稳定性。
62.请参照图1至图5所示，本发明一种宽电压范围的双向电源控制系统100的较佳实施例，包括：
63.交流配电模块1，用于对电网220v/380v三相交流电进行电能的配电控制，在所述电源控制系统100出现过载、短路、漏电时进行断电保护；
64.ac
‑
dc变换器2，与所述交流配电模块1连接，用于对所述交流配电模块1输入的交流电进行整流，供给稳定的直流电压，放电时通过逆变所述能量双向变换模块3传递过来的能量传递给交流配电模块1进而输送至电网；
65.能量双向变换模块3，与所述ac
‑
dc变换器2连接，用于根据所述上位机4的指令控制输出功率、电压、电流的大小，并采集电流数据、电压数据以及温度数据给所述上位机4，作为控制依据，即用于功率加载以及功率监控，当出现异常状况立即关断功率输出，启动保
护机制；
66.上位机4，与所述能量双向变换模块3连接，用于控制所述电源控制系统100的工作；
67.所述能量双向变换模块3包括：
68.第一dc
‑
dc变换器31，一端与所述ac
‑
dc变换器2连接；
69.第二dc
‑
dc变换器32，一端与所述ac
‑
dc变换器2连接；所述第一dc
‑
dc变换器31以及第二dc
‑
dc变换器32的结构相同，用于控制电压、电流、功率等参数，实现功率输入输出双向流动；
70.电流传感器33，一端与所述第一dc
‑
dc变换器31的另一端连接；所述电流传感器33为霍尔电流传感器，用于对所述第一dc
‑
dc变换器31的电流信号按比例衰减，转换为电压信号；
71.功率输出单元34，分别与所述第一dc
‑
dc变换器31、电流传感器33以及第二dc
‑
dc变换器32的另一端连接；
72.电压传感器35，并联在所述功率输出单元34以及负载(未图示)的两端；
73.温度传感器36；
74.信号处理单元37，分别与所述电流传感器33、电压传感器35以及温度传感器36连接；
75.dsp芯片38，分别与所述第一dc
‑
dc变换器31、第二dc
‑
dc变换器32、功率输出单元34、信号处理单元37以及上位机4连接。
76.所述dsp芯片38具备如下功能：1、通讯功能：基于spi、rs232、can、i2c、rsa85、以太网等通讯接口，用于和外设芯片以及上位机4的通讯；2、功率加载功能：pwm输出，用于控制所述第一dc
‑
dc变换器31和第二dc
‑
dc变换器32的pwm占空比输出，通过pid控制算法实现功率变换、功率双向流动，控制所述双刀双掷开关k3的合理通断，从而实现电压、电流、功率变换，电流、功率双向流动；3、采样功能：a/d采样、i/o位号采样，进行电压、电流和温度、工作异常突发信号反馈等参数的采样，向所述上位机4上报检测数据；4、控制输出：用于控制所述第一dc
‑
dc变换器31和第二dc
‑
dc变换器32的工作；5、保护功能：实时监控所述信号处理单元37的保护信号，一旦保护信号被触发立刻关闭pwm输出并断开各开关，保证所述电源控制系统100的安全性；6、显示及按键、存贮：操作人员能通过显示屏、指示灯及按键等人机界面，配置所述能量双向变换模块3的工作参数，存贮一定时间的功率、电压、电流曲线数据，方便查询。
77.所述第一dc
‑
dc变换器31包括一电容ci1、一电容co1、一电阻r1、一电阻r2、一电感l1、一mos管v1以及一mos管v2；
78.所述电容ci1的正极与ac
‑
dc变换器2的正极以及mos管v1的引脚2连接，负极与ac
‑
dc变换器2的负极、电阻r2、mos管v2的引脚3、电容co1的负极以及功率输出单元34连接；所述mos管v1的引脚1与电阻r1以及dsp芯片38连接，引脚3与电阻r1、电感l1以及mos管v2的引脚2连接；所述mos管v2的引脚1与电阻r2以及dsp芯片38连接；所述电感l1与电容co1的正极以及电流传感器33连接。
79.所述第二dc
‑
dc变换器32包括一电容ci2、一电容co2、一电阻r3、一电阻r4、一电感l2、一mos管v3以及一mos管v4；
80.所述电容ci2的正极与ac
‑
dc变换器2的正极以及mos管v3的引脚2连接，负极与ac
‑
dc变换器2的负极、电阻r4、mos管v4的引脚3、电容co2的负极以及功率输出单元34连接；所述mos管v3的引脚1与电阻r3以及dsp芯片38连接，引脚3与电阻r3、电感l2以及mos管v4的引脚2连接；所述mos管v4的引脚1与电阻r4以及dsp芯片38连接；所述电感l2与电容co2的正极以及功率输出单元34连接。
81.所述信号处理单元37包括一高精度ad芯片u2、一电容c1、一电阻r5、一电阻r6、一电阻r7、一电阻r8以及一运放u3；
82.所述高精度ad芯片u2的一端与dsp芯片38连接，另一端与电阻r5以及电容c1连接；所述运放u3的引脚2与电阻r7以及电阻r6连接，引脚3与电阻r8连接，引脚6与电阻r5以及电阻r6连接；所述电容c1以及电阻r8均接地；所述电阻r7与电流传感器33、电压传感器35以及温度传感器36连接。
83.所述功率输出单元34包括一电容co3、一mos管v5、一mos管v6、一双刀双掷开关k1以及一双刀双掷开关k3；所述mos管v5和mos管v6反向串联，并通过所述双刀双掷开关k3进行输出电压的相加或者相减；
84.所述电容co3的正极与电流传感器33、电压传感器35以及mos管v5的引脚2连接，负极与双刀双掷开关k3的引脚2、双刀双掷开关k1的引脚2以及电压传感器35连接；所述双刀双掷开关k3的引脚1与第一dc
‑
dc变换器31连接，引脚3、4与第二dc
‑
dc变换器32连接；所述mos管v6的引脚2与mos管v5的引脚3连接，引脚3与双刀双掷开关k1的引脚1连接；所述双刀双掷开关k1的引脚3、4与电压传感器35连接；
85.所述mos管v5的引脚1、mos管v6的引脚1、双刀双掷开关k1的引脚1以及双刀双掷开关k3的引脚5均与dsp芯片38连接。
86.所述双刀双掷开关k1以及双刀双掷开关k3均为电控开关。
87.所述电压传感器35为四线制电压传感器，用于保证电压采样测量精度。
88.本发明一种宽电压范围的双向电源控制方法的较佳实施例，包括如下步骤：
89.步骤s10、上位机获取用户设定的负载需求的电压vset并发送给dsp芯片；
90.步骤s20、上位机通过dsp芯片先导通双刀双掷开关k1，再导通mos管v5以及mos管v6；
91.步骤s30、交流配电模块将电网的交流电输入ac
‑
dc变换器，将交流电转换为直流电后，输入能量双向变换模块；
92.步骤s40、dsp芯片基于第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器的最大输出电压vin、最大占空比dmax、最小占空比dmin以及电压vset控制功率输出单元的工作状态，进行宽电压范围输出；
93.步骤s50、信号处理单元通过电流传感器、电压传感器以及温度传感器获取检测数据，并对所述检测数据进行放大、滤波和采样后，输入dsp芯片；
94.步骤s60、上位机通过dsp芯片获取并保存所述检测参数，基于所述检测参数动态调整能量双向变换模块的工作状态；
95.步骤s70、检测完成后，上位机通过dsp芯片先断开mos管v5以及mos管v6，再断开双刀双掷开关k1。
96.所述步骤s40具体为：
97.dsp芯片获取第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器的最大输出电压vin、最大占空比dmax、最小占空比dmin以及电压vset；
98.当vset＞(dmax
‑
dmin)*vin时，即超出了单个dc
‑
dc变换器的最大允许输出电压，dsp芯片通过双刀双掷开关k3，控制第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器进行电压相加输出，让第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器分别输出0.5vset的电压；当第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器同时工作时，理论最大允许输出电压为2*(dmax
‑
dmin)*vin；
99.当vset＜(dmax
‑
dmin)*vin时，dsp芯片通过双刀双掷开关k3，控制第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器进行电压相减输出，让第一dc
‑
dc变换器或者第二dc
‑
dc变换器的占空比取值为dmin，另一个的占空比取值为vset/vin dmin，当第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器的占空比接近时，进行零电压充放电；
100.当vset＜0时，dsp芯片通过双刀双掷开关k3，控制第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器进行电压相减输出，让第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器的占空比取值不同，使得输出负电压的取值范围为(dmin
‑
dmax)*vin至0。能量双向变换模块的电压输出范围为(dmin
‑
dmax)*vin至2*(dmax
‑
dmin)*vin。
101.所述步骤s50中，所述检测数据包括电流数据、电压数据以及温度数据。
102.所述步骤s60中，所述动态调整能量双向变换模块的工作状态进一步说明如下：
103.当能量正向流入时，能量双向变换模块的第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器为正向压降，以buck方式工作，设输入电压为ui，输出电压为uo，dsp芯片发送的pwm信号的占空比为d，则uo＝ui*d；当能量流出时，dc
‑
dc变换器逆向升压，以boost方式工作，ui＝uo*(1
‑
d)。
104.当上位机向能量双向变换模块下发指令，dsp芯片采集并计算出负载端口电压ul以及能量双向变换模块的前端电压ui，根据公式d＝ul/ui计算初始占空比值d，并驱动2个dc
‑
dc变换器工作，变换所需能量输出。
105.dsp芯片根据参数设定值和采集值，以电流作为内环、电压作为外环，通过pid算法以负反馈的方式按照一定频率实时计算2个dc
‑
dc变换器的占空比，并控制pwm信号输出，从而实现电压、电流及功率的恒定输出。
106.当能量双向变换模块输出端的电压相比配置的标称电压还高时，能量双向变换模块将自动进入逆向升压工作状态，以boost方式工作稳定输出端工作电压，逆向输出的功率再通过ac
‑
dc变换器逆变回馈到电网中；也可以由上位机下发指令，让能量双向变换模块、dc
‑
dc变换器工作于逆变升压工作状态中。
107.综上所述，本发明的优点在于：
108.1、通过设置结构相同的第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器作为能量双向变换模块进行功率输出的上下桥臂，并设置双刀双掷开关k3用于控制第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器的工作模式(电压相加输出/电压相减输出)，结合dc
‑
dc变换器的最大输出电压vin、最大占空比dmax、最小占空比dmin以及电压vset，实现电源控制系统输出的电压范围为(dmin
‑
dmax)*vin至2*(dmax
‑
dmin)*vin，涵盖了正电压输出和负电压输出，极大的提升了电源控制系统的电压变化范围。
109.2、通过设置mos管v5、mos管v6以及双刀双掷开关k1串联，加载功率时，先导通双刀双掷开关k1，再导通mos管v5以及mos管v6，减小了导通双刀双掷开关k1过程中电路连通对
负载(待检测电池包)的冲击；关掉功率时，先断开mos管v5以及mos管v6，等双刀双掷开关k1的电流几乎为0时，再断开双刀双掷开关k1，避免双刀双掷开关k1带载关闭造成器件损坏，进而极大的提升了电源控制系统的运行稳定性。
110.3、通过设置电压传感器为四线制电压传感器，分别采集功率输出单元以及负载的电压，进而极大的提高了电压控制精度。
111.4、通过vset＜(dmax
‑
dmin)*vin时，dsp芯片通过双刀双掷开关k3，控制第一dc
‑
dc变换器和第二dc
‑
dc变换器进行电压相减输出，让其中一个dc
‑
dc变换器的占空比取值为dmin，另一个的占空比取值为vset/vin dmin，当两个dc
‑
dc变换器的占空比接近时，进行零电压充放电，让电池包充电更加的饱和，放电更加的彻底，以提升电池包检测的精度。
112.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。