微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)的制作方法

專利名稱：微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)貯能系統(tǒng)中，DC/DC、AC/DC、DC/AC三種功率變換器都采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)， 無論是電能存貯側(cè)充電功率的獲得，還是電能釋放側(cè)的并網(wǎng)功率的獲得，都采用PWM脈寬調(diào)制，電路拓樸有橋式、半橋式、推挽式、正激式、反激式等等，還有Boost、Buck、Cuk等電路形式，其工作方法是，首先把輸入直流電壓全部變換成高頻方波，然后用大電容濾波，變成另一種直流或交流電壓，這種方法有以下毛病1)采用脈寬調(diào)制的方法，高頻率、大功率方波的產(chǎn)生過程，也就是強烈EMI干擾產(chǎn)生的過程，大功率直流變換器相當于一個高頻功率發(fā)射臺，可以想見，所產(chǎn)生的干擾何其嚴重。2)功率變換過程中，輸入功率的全部必須進行實際的功率變換，所有變換的功率必須通過磁芯變壓器或電感傳遞才能到達輸出端，損耗大，效率低。圖1是傳統(tǒng)能源存貯系統(tǒng)框圖，兩側(cè)功率總損耗接近30%，對于清潔能源來說，比如光伏發(fā)電，其效率本來就很低，好不容易花大成本把太陽能變換成電能，卻讓電能存貯系統(tǒng)兩側(cè)的功率變換器白白浪費了這么多，實在可惜。采用PWM脈寬調(diào)制、以磁芯變壓器或電感傳遞功率、對電網(wǎng)產(chǎn)生強烈污染為其主特征的一切功率變換器，統(tǒng)稱為傳統(tǒng)功率變換器，與傳統(tǒng)功率變換器相對應的是，微功耗功率變換器，或稱綠色功率變換器，微功耗功率變換器采用的是微功耗電力電子變換技術(shù)，微功耗電力電子變換技術(shù)是一個非常嚴格的定義，最主要的是功率變換時的損耗，微的含義當然是很小、非常小和接近零。采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)進行功率變換的傳統(tǒng)功率變換器， 最起碼存在兩種功率損耗一是器件飽和、截進的靜態(tài)損耗，二是高頻過程的動態(tài)損耗，這兩種功率損耗與輸入總功率存在一個固定的比例。例如磁芯變壓器或電感傳遞功率的損耗是2 %，整流橋的直流損耗是1.2%，在傳統(tǒng)功率變換中，這兩種損耗是鐵定少不了的，就算不考慮其他損耗，按照輸入總功率的比例計算，其功率損耗都不算小，和微功耗的要求比較，當然稱不上很小、非常小或接近零，所以，通常意義上的傳統(tǒng)功率變換器，就算采用軟開關(guān)技術(shù)，那也都不能算是微功耗電力電子變換技術(shù)。實際上，軟開關(guān)技術(shù)降低了器件高頻過程中的動態(tài)損耗不假，但另一方面，軟開關(guān)電路中的主開關(guān)有輔助開關(guān)，輔助開關(guān)都得飽和、截止，所以器件飽和、截止的靜態(tài)損耗增加了一倍。

實用新型內(nèi)容微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)由微功耗充電部份、蓄電池、微功耗逆變部份依次串聯(lián)而成。微功耗充電部份由直流穩(wěn)壓器、功率因數(shù)校正器、無損充電器依次串聯(lián)而成。微功耗逆變部份由單相或三相直流逆變器組成。功率因數(shù)校正器由場效應管Ql、Q2，電感Li，電容Cl組成，場效應管Ql的漏極接電容Cl的正極，其源極接場效應管Q2的漏極，場效應管Q2的源極接地，電感Ll 一端接場效應管Ql的源極，一端接電容Cl的負極，電容Cl的負極構(gòu)成端點Vi，輸入電壓接在Vi和地之間，輸出電壓Vo由電容Cl的正極輸出；場效應管Ql 可以用一個二極管Dl代替，二極管Dl的陰極接電容Cl的正極，其陽極接場效應管Q2的漏極。直流逆變器由一個電壓切割電路和一個N階電容網(wǎng)絡組成，N階電容網(wǎng)絡的輸出端接電壓切割電路的輸入端。電壓切割電路由場效應管Q9、Q12組成，它們的源極接在一起，通過電阻Rl接地，電容C8和電阻Rl并聯(lián)，場效應管Q9的漏極接電容網(wǎng)絡的正極，場效應管 Q12的漏極接電容網(wǎng)絡的負極，場效應管Q9、Q12的驅(qū)動信號V12是幅值310V的正弦波信號。N階電容網(wǎng)絡由正、負雙臂組成電容網(wǎng)絡的正臂由電容C1、C3、C5、C7和場效應管 Q3、Q6、Q8、Q11組成，電容Cl的正極接場效應管Q3的源極，場效應管Q3的漏極接二極管Dl 的陰極，電容C3的正極接場效應管Q6的源極，場效應管Q6的漏極接二極管Dl的陽極和電容Cl的負極，電容C5的正極接場效應管Q8的源極，場效應管Q8的漏極接二極管D3的陽極和電容C3的負極，電容C7的正極接場效應管Qll的源極，場效應管Qll的漏極接二極管 D5的陽極和電容C5的負極，電容C7的負極接地，二極管D1、D3、D5的陰極同時接電容網(wǎng)絡的正極，即場效應管Q9的漏極；電容網(wǎng)絡的負臂由電容C2、C4、C6、C9和場效應管Ql、Q5、 Q7、Q10組成，電容C2的負極接場效應管Ql的源極，場效應管Ql的漏極接二極管D2的陽極，電容C4的負極接場效應管Q6的源極，場效應管Q5的漏極接二極管D2的陰極和電容C2 的正極，電容C6的負極接場效應管Q7的源極，場效應管Q7的漏極接二極管D4的陰極和電容C4的正極，電容C9的負極接場效應管QlO的源極，場效應管QlO的漏極接二極管D3的陰極和電容C6的正極，電容C9的正極接地，二極管D2、D4、D6的陽極同時接電容網(wǎng)絡的負極，即場效應管Q12的漏極；輸入正直流電壓V4的負極接地其正極接場效應管Q4的漏極， 場效應管Q4的源極接場效應管Q9的漏極，輸入負直流電壓V6的正極接地，其負極接場效應管Q2的漏極，場效應管Q2的源極接場效應管Q12的漏極；柵極驅(qū)動信號V1、V2是市電同步方波信號，正臂驅(qū)動信號V13、V10、V8、V5和負臂驅(qū)動信號V11、V9、V7、V3也是市電同步方波信號，但脈寬以每2ms遞減，延時以每Ims遞增，場效應管Q9、Q12的驅(qū)動信號V12是幅值310V的正弦波信號。圖1是微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)的原理框圖，由三部份組成充電側(cè)的微功耗充電、蓄電池、并網(wǎng)側(cè)的微功耗逆變，微功耗充電包括產(chǎn)生恒流恒壓的直流穩(wěn)壓器、功率因數(shù)校正器、無損充電等，微功耗逆變包括單相或三相逆變器。微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)包括DC/DC、AC/DC、DC/AC三種功率變換器，每種變換都采用微功耗電力電子變換技術(shù)，實現(xiàn)了清潔能源的高品質(zhì)、高效率的存貯和并網(wǎng)，該微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)最大特點是，只要把輸入功率中極小部份進行功率變換，就可以得到全部輸出功率，即輸入功率中極大部份既不必進行實際的功率變換，也不必通過磁芯變壓器或電感傳遞，直接到達輸出端，成為輸出功率，器件都工作在工頻，不產(chǎn)生EMI干擾，因此功耗極小而壽命極長，輸出正弦波不失真，安全可靠，節(jié)能環(huán)保，成本、體積、重量、功耗都是傳統(tǒng)貯能系統(tǒng)的十分之一。微功耗電力電子變換技術(shù)，把與輸入總功率有固定比例的損耗降至最低，只要把輸入功率中極小部份進行功率變換，就可以得到全部輸出功率，即輸入功率中極大部份既不必進行實際的功率變換，也不必通過磁芯變壓器或電感傳遞，直接到達輸出端，成為輸出功率，器件都工作在工頻，不產(chǎn)生EMI干擾，因此功耗極小而壽命極長。這里的所有功率損耗，只與極小部份的輸入功率有關(guān)，而與輸入總功率無關(guān)，例如功率器件的飽和、截止的靜態(tài)損耗、高頻開關(guān)過程的動態(tài)損耗、磁芯變壓器或電感的傳遞損耗等等，都只與極小部份輸入功率有關(guān)，絕大部份輸入功率直接到達輸出端，成為輸出功率。在充電側(cè)，可接受來自電網(wǎng)谷電、風力發(fā)電的交流電壓，也可以接受來自太陽能發(fā)電，潮汐發(fā)電、地熱發(fā)電的直流電壓，對于交流電壓，首先要進行功率因數(shù)校正，對于直流電壓，要獲得恒流、恒壓充電功率；在并網(wǎng)側(cè)，要進行單相或三相逆變，由直流變換到交流，然后并入電網(wǎng)，蓄電池可以是鋰離子動力蓄電池、千網(wǎng)水平蓄電池、普通鉛酸蓄電池、其他類型蓄電池。微功耗充電，可以接受交流電壓，也可以接受直流電壓，如果輸入交流電壓，進入率因數(shù)校正器，如果輸入直流電壓，進入直流穩(wěn)壓器，產(chǎn)生恒流恒壓充電功率，無論輸入的是交流電壓還是直流電壓，都采用無損充電方式；在并網(wǎng)側(cè)，對于單相交流輸出，有一個單相直流逆變器，對于三相交流輸出，有一個三相直流逆變器。微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)由微功耗充電部份、蓄電池、微功耗逆變部份依次串聯(lián)而成。微功耗充電部份由直流穩(wěn)壓器、功率因數(shù)校正器、無損充電器依次串聯(lián)而成。微功耗逆變部份由單相或三相直流逆變器組成。功率因數(shù)校正器由場效應管Ql、Q2，電感Li，電容Cl組成，場效應管Ql的漏極接電容Cl的正極，其源極接場效應管Q2的漏極，場效應管Q2的源極接地，電感Ll 一端接場效應管Ql的源極，一端接電容Cl的負極，電容Cl的負極構(gòu)成端點Vi，輸入電壓接在Vi和地之間，輸出電壓Vo由電容Cl的正極輸出；場效應管Ql可以用一個二極管Dl代替，二極管Dl的陰極接電容Cl的正極，其陽極接場效應管Q2的漏極。直流逆變器由一個電壓切割電路和一個N階電容網(wǎng)絡組成，N階電容網(wǎng)絡的輸出端接電壓切割電路的輸入端。電壓切割電路由場效應管Q9、Q12組成，它們的源極接在一起，通過電阻Rl接地，電容C8和電阻Rl并聯(lián)，場效應管Q9的漏極接電容網(wǎng)絡的正極，場效應管Q12的漏極接電容網(wǎng)絡的負極，場效應管Q9、Q12的驅(qū)動信號V12是幅值310V的正弦波信號。N階電容網(wǎng)絡由正、負雙臂組成電容網(wǎng)絡的正臂由電容(1丄3丄5丄7和場效應管03、06、08、011組成，電容(1的正極接場效應管Q3的源極，場效應管Q3的漏極接二極管Dl的陰極，電容C3的正極接場效應管Q6的源極，場效應管Q6的漏極接二極管Dl的陽極和電容Cl的負極，電容C5的正極接場效應管Q8的源極，場效應管Q8的漏極接二極管D3的陽極和電容C3的負極，電容C7 的正極接場效應管Qll的源極，場效應管Qll的漏極接二極管D5的陽極和電容C5的負極， 電容C7的負極接地，二極管D1、D3、D5的陰極同時接電容網(wǎng)絡的正極，即場效應管Q9的漏極；電容網(wǎng)絡的負臂由電容C2、C4、C6、C9和場效應管Q1、Q5、Q7、Q10組成，電容C2的負極接場效應管Ql的源極，場效應管Ql的漏極接二極管D2的陽極，電容C4的負極接場效應管Q6的源極，場效應管Q5的漏極接二極管D2的陰極和電容C2的正極，電容C6的負極接場效應管Q7的源極，場效應管Q7的漏極接二極管D4的陰極和電容C4的正極，電容C9 的負極接場效應管QlO的源極，場效應管QlO的漏極接二極管D3的陰極和電容C6的正極， 電容C9的正極接地，二極管D2、D4、D6的陽極同時接電容網(wǎng)絡的負極，即場效應管Q12的漏極；輸入正直流電壓V4的負極接地其正極接場效應管Q4的漏極，場效應管Q4的源極接場效應管Q9的漏極，輸入負直流電壓V6的正極接地，其負極接場效應管Q2的漏極，場效應管Q2的源極接場效應管Q12的漏極；柵極驅(qū)動信號V1、V2是市電同步方波信號，正臂驅(qū)動信號V13、V10、V8、V5和負臂驅(qū)動信號V11、V9、V7、V3也是市電同步方波信號，但脈寬以每2ms遞減，延時以每Ims遞增， 場效應管Q9、Q12的驅(qū)動信號V12是幅值310V的正弦波信號。微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)把與輸入總功率有固定比例的損耗降至最低，只要把輸入功率中極小部份進行功率變換，就可以得到全部輸出功率，即輸入功率中極大部份既不必進行實際的功率變換，也不必通過磁芯變壓器或電感傳遞，直接到達輸出端，成為輸出功率，器件都工作在工頻，不產(chǎn)生EMI干擾，因此功耗極小而壽命極長。這里的所有功率損耗， 只與極小部份的輸入功率有關(guān)，而與輸入總功率無關(guān)，例如功率器件的飽和、截止的靜態(tài)損耗、高頻開關(guān)過程的動態(tài)損耗、磁芯變壓器或電感的傳遞損耗等等，都只與極小部份輸入功率有關(guān)，絕大部份輸入功率直接到達輸出端，成為輸出功率。

圖1是微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)框圖；圖2是直流穩(wěn)壓器原理電路；圖3是直流穩(wěn)壓器原理電路各點電壓仿真波形；圖4是引入UC1925的直流穩(wěn)壓器實用電路；圖5是引入UC1925的直流穩(wěn)壓器實用電路各點電壓仿真波形；圖6是單相微功耗功率因數(shù)校正器；圖7是單相微功耗功率因數(shù)校正器各點電壓仿真波形；圖8是單相微功耗功率因數(shù)校正器；圖9是單相微功耗功率因數(shù)校正器各點電壓仿真波形；圖10是單相輸入正負對稱直流輸出功率因數(shù)校正電路；圖11是單相輸入正負對稱直流輸出功率因數(shù)校正電路各點電壓仿真波形；圖12是星形接法的三相功率因數(shù)校正電路；圖13是星形接法的三相功率因數(shù)校正電路各點電壓仿真波形；圖14整體串聯(lián)恒流、單體并聯(lián)恒壓充電原理電路各點電壓仿真波形；圖15整體串聯(lián)恒流、單體并聯(lián)恒壓充電原理電路；圖16無損充電機放電原理電路圖；圖17電動轎車96V鋰離子動力電池組充電電壓的仿真波形；圖18是直流逆變器工作原理示意圖；圖19是塔形波G階)產(chǎn)生電路；圖20是塔形波G階)產(chǎn)生電路各點電壓仿真波形；圖21是逆變器(16階)寶塔波電壓驅(qū)動信號實際電路；圖22是單相逆變器(16階)寶塔波電壓驅(qū)動信號仿真波形；圖23是塔形波(8階)輸出電壓仿真波形；
7[0045]圖M是塔形波(8階)切割過程仿真波形；圖25是塔形波(16階)輸出電壓仿真波形；圖沈是電壓切割電路；圖27是電壓切割電路各點電壓仿真波形；圖觀是微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)實際電路。
具體實施方式
圖2是直流掐壓器的原理電路，設(shè)輸入電壓Vi = 10. 5V，要求輸出電壓Vo = 12V, 該電路產(chǎn)生一個補償電壓Vc = 1.5V，疊加在輸入電壓之上，使得輸出電壓等于12V。V2是功率MOS管Q2的柵極IOOKHz的方波驅(qū)動信號，Vl是輸入直流電壓。電路啟動后，Q2飽和導通，電池電壓Vl通過Q2的漏源極向電感Ll充電，電感電流線性增加，電感中存貯的能量不斷增多，與此同時，電容C2上的電壓向負載R2放電。半個周期后，Q2截止，存貯在電感 Ll中的電能通過Ql的體內(nèi)二極管向電容Cl充電。Cl上的電壓疊加在電池電壓Vl之上， 在向負載電阻R2供電的同時，也向電容C2充電。圖3是各點電壓的仿真波形，從上到下依次是輸出電壓Vo、輸入電壓Vi、補償電壓Vc。從圖可以看到，輸出電壓Vo(12V)，是輸入電壓Vi (10. 5V)和補償電壓Vc(l. 5V)之和。功率MOS管Ql沒有驅(qū)動信號，只利用功率MOS管Ql體內(nèi)二極管的正向特性，其飽和壓降小，通過電流大。與傳統(tǒng)直流功率變換不同的是，在這兒并不是不問青紅皂白地行把輸入電壓全部變換成方波電壓，而是根據(jù)情況，只把輸入電壓中的極小部份變換成方波電壓。例如輸入電壓是10. 5V，輸出電壓是12V，應該在10. 5V的輸入電壓之上補償1. 5V，因此，僅僅只須把這應該補償?shù)?. 5V變換成方波電壓即可。圖2右邊是各點電壓的仿真波形，從上到下依次是輸出電壓Vo，輸入電壓Vi，補償電壓Vc。圖4是接有UC 1825的電壓補償電路，在控制芯片UC1825的右邊電路與圖4完全一樣，只是Ql的柵極驅(qū)動信號V2換成了 UC1825輸出信號0UT_A，當負載或輸入電壓變化時，由UC1825調(diào)節(jié)脈寬，保持輸出電壓Vo不變。調(diào)節(jié)UC1825輸出信號0UT_A的脈寬來控制輸出電壓Vo不變，只不過是調(diào)節(jié)由TXl 付邊整流而來的那個極小部份的直流電壓，而絕大部份直流電壓，即負載電阻R6上的絕大部份電壓是由輸入電壓直接而來，未經(jīng)任何功率變換。圖5是接UC1825芯片的電壓補償電路各點電壓仿真波形，與圖3的仿真波形相似。功率因數(shù)校正器就是直流穩(wěn)壓電路，當輸入電壓是交流時，就是功率因數(shù)校正電路，當輸入電壓是直流時，就是直流穩(wěn)壓電路，圖6是單相功率因數(shù)校正器的原理電路，把圖2直流穩(wěn)壓電路中的電池V2代之以整流后的饅頭波電壓Vd即可，要使輸出電壓Vo成為直流電壓，必須在饅頭波電壓Vd之上疊加形如(I-Sinx)的補償電壓，其結(jié)果正是我們?yōu)橹诖模绷餮a償電路對饅頭波電壓進行補償?shù)倪^程，正是功率因數(shù)校正的過程。在此過程中，輸入饅頭波電壓Vd之所以成為直線輸出電壓Vo，那是因為在其上疊加了補償電壓Vc，補償電壓Vc是經(jīng)過功率變換而來，但輸入饅頭波電壓Vd不必經(jīng)過任何功率變換，直接到達輸出端，成為輸出功率。這正是微功耗功率因數(shù)校正器的最大特點只要把輸入功率中極小部份(補償電壓的獲得)進行功率變換，就可以得到全部輸出功率，即輸入功率中極大部份(整個饅頭波電壓)既不必進行實際的功率變換，也不必通過磁芯變壓器或電感傳遞，直接到達輸出端，成為輸出功率。其變換效率可視為100%。圖6電路中，V2是市電，通過由D3-D6組成的整流橋后，成為饅頭波電壓Vd，與電容C4并聯(lián)，饅頭波電壓補償?shù)倪^程與圖4直流電壓補償?shù)倪^程完全相同，圖7是饅頭波電壓補償電路各點電壓、電流的仿真波形，從上到下依次是輸入電壓Vi、補償電壓Vc、輸入電流Ii，單從幾何圖形理解，補償電壓Vc是一個倒置的饅頭波，把這個倒置的饅頭波疊加在一個正向饅頭波之上，其結(jié)果當然成為一條直線，因為倒置的饅頭波和正向饅頭波在幾何圖形上是互補的，這其實是公式Vo = Vi+Vc = Sinx+(I-Sinx) = 1的真諦。圖8是單相微功耗功率因數(shù)校正器的實用電路，MOS功率管驅(qū)動信號由控制芯片 UC1825提供，并不需要UC38M等功率因數(shù)校正的專用芯片。進行微功耗功率因數(shù)校正，用不著把輸入功率全部變換成方波電壓，只需要把輸入饅頭波電壓補償成直流電壓即可。經(jīng)過電壓補償后的饅頭波電壓，成為一條直線，意味著與市電所有幅值相對應的所有時刻，輸入電流都有機會對濾波電容充電，即都有電流從網(wǎng)側(cè)流出，輸入電流自然與輸入電壓同步，從圖6右邊最下面的波形可以看出，輸入電流波形完全是正弦波。圖4的饅頭波電壓的補償電路，實際上就是微功率耗功率因數(shù)校正器的原理電路?？梢钥吹?，功率因數(shù)校正電路中，負載電阻Rl并聯(lián)了大電容C2濾波，并不是純電阻負載。圖9是單相微功耗功率因數(shù)校正器實用電路各點電壓、電流的仿真波形，從上到下依次是輸出電壓Vo、輸入電壓Vi、饅頭波電壓Vd、補償電壓Vc、輸入電流Ii，當把饅頭波電壓Vd補償成直流電壓以后，輸入電流的波形自然成為正弦波波形。功率因數(shù)的定義是[1] =PF = P/S，對于一個封閉系統(tǒng)來說，PF的極大值等于1，因為有功功率P是視在功率S的一部份，當且僅當無功功率等于零的時候，才有S = P，從而PF =1。上述電壓補償電路正是這樣一個封閉系統(tǒng)，其中的補償電壓Vc來自饅頭波電壓Vd。 但是，對于一個開放系統(tǒng)，情形就不一樣如果產(chǎn)生補償電壓Vc的功率P-來自系統(tǒng)外，經(jīng)電壓補償后，輸入電流波形與輸入電壓波形完全同步，系統(tǒng)從網(wǎng)側(cè)僅吸收有功功率，網(wǎng)側(cè)波形也不發(fā)生畸變，無功功率為零，則有P = S，但此時功率因數(shù)PF = (P+P。ut) /S，顯然，此時有 PF >1，即功率因數(shù)大于100%，此式說明，采用微功耗功率因數(shù)校正，PFC可以大于100%。圖10電路中，市電進行倍壓整流，具有正負對稱電壓輸出，正負對稱電壓接有對稱的功率因數(shù)校正電路，以地為對稱軸，對稱的上下兩部份電路都與圖5相同，只不過下部份電路中的二極管反向、功率MOS管換成P型器件。上下對稱的正負功率因數(shù)校正電路各處理IOms的輸入電壓，互不干擾。圖11是正負對稱電壓時輸入交流電壓、交流電流的仿真波形，輸入電流Ii的波形為正弦波，與輸入電壓完全同步。具有正負對稱電壓輸出的功率因數(shù)校正電路，可應用于需要正負對稱電路輸入的逆變電路。圖12是采用星形接法的三相微功耗功率因數(shù)校正器的實用電路，把圖4直流電壓補償電路中的電池V2用星形接法的三相整流后的饅頭波電壓Vd取代，功率MOS管Ql的驅(qū)動信號由芯片UC1825提供，工作原理和單相微功耗功率因數(shù)校正器電路完全相同，此處不
再重復。[0066]圖13是各點電壓、電流的仿真波形，從上到下依次是整流電壓Vd，輸入電流la、 lb, Ic，從仿真波形可以看到，圖8右邊下部份的輸入電流仿真波形和圖2中間下部份的輸入電流的仿真波形完全相同，說明經(jīng)過三相功率因數(shù)校正后，輸入電流波形和純電阻負載時輸入電流波形完全相同，亦即說明采用電壓補償電路進行功率因數(shù)校正達到了功率因數(shù)為1，而總諧波畸變THD為零的效果。必須說明的是，三相微功耗功率因數(shù)校正器的負載電阻Rl并聯(lián)有大電容C3，并不是純電阻負載，但其輸入電流的仿真波形，和星形接法三相不控整流的純電阻負載時的輸入電流仿真波形完全一樣。鋰離子動力電池無損充電機采用整體串聯(lián)恒流、單體并聯(lián)恒壓的充電方法，對電池實現(xiàn)無損充電，無損的含意有兩層，一是充電效率近100 %，充電功率基本無損耗，二是充、放電完全依據(jù)電池的特性曲線(請參考圖1)，電池本身在充、放電過程中完全無損害。 該無損充電機免除電池管理系統(tǒng)，僅由簡單的電路實現(xiàn)電池系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、放電系統(tǒng)和維護管理系統(tǒng)的所有功能，無過充、過熱、過放、過流、短路現(xiàn)象，充電終了時所有單體電池的端電壓完全相等，無須進行均衡充電，同時無易受干擾的復雜控制芯片和軟件，安全可靠， 簡單實用，其成本、體積、重量、功耗都是傳統(tǒng)充電機的十分之一。整體串聯(lián)恒流充電的含義是對于電池整體，進行串聯(lián)充電，充電電源采用恒流恒壓直流電源；單體并聯(lián)恒壓控制的含義是每個單體電池都直接并聯(lián)一個并聯(lián)穩(wěn)壓電路， 所有并聯(lián)穩(wěn)壓電路直接串聯(lián)，可以理解為，對整體電池進行串聯(lián)恒流充電的同時，也對所有串聯(lián)的并聯(lián)電路進行串聯(lián)恒流充電，串聯(lián)充電電流是流經(jīng)電池，還是流經(jīng)并聯(lián)穩(wěn)壓電路， 取決于電池充電時的實時端電壓。并聯(lián)穩(wěn)壓電路的輸出電壓調(diào)整為電池充電終止電壓值 3. 75V，當某個與之并聯(lián)的單體電池端電壓充到此電壓值時，并聯(lián)電路啟動，串聯(lián)恒流充電電流流經(jīng)并聯(lián)穩(wěn)壓電路，而不再流經(jīng)電池，該單體電池充電停止，其他單體電池繼續(xù)進行串聯(lián)恒流充電，仿佛串聯(lián)恒流充電對直接串聯(lián)的整體電池和直接串聯(lián)的并聯(lián)穩(wěn)壓電路這兩個支路同時進行充電一樣，只不過充電的對象由并聯(lián)穩(wěn)壓電路控制，因而得名單體并聯(lián)恒壓控制。上述整體串聯(lián)恒流充電、單體并聯(lián)恒壓控制的充電方法，具備串聯(lián)、并聯(lián)充電的所有優(yōu)點，完全免除了串聯(lián)、并聯(lián)充電的所有缺點。當充電終了時，所有單體電池的端電壓都等于與之并聯(lián)的并聯(lián)穩(wěn)壓電路的輸出電壓設(shè)定值3. 75V。鋰離子單體電池之間，本來在容量、 內(nèi)阻、衰減、自放電等性能上存差異，經(jīng)過無損充電后，個體之間的這種差異完全消失，當然再也不會發(fā)生過充、過熱現(xiàn)象。圖14是無損充電機充電的原理電路，其中El = 2. 5V，E2 = 2. OV是單體鋰離子電池，Vl是直流恒流恒壓電源，由Ql、Q2、Dl、R2和Q3、Q4、D2、R3組成2個并聯(lián)穩(wěn)壓電路Va 和Vb，分別和電池E1、E2并聯(lián)。Vl通過電阻Rl直接對鋰離子電池E1、E2串聯(lián)充電，當有一個電池，例如El的端電壓充到額定值，即到達并聯(lián)穩(wěn)壓電路Va設(shè)定的穩(wěn)壓值時，齊納二極管Dl開通，并聯(lián)穩(wěn)壓電路Va啟動，串聯(lián)充電電流流經(jīng)三極管Q2，不再對El充電，El的端電壓也不再上升；與此同時串聯(lián)充電電流繼續(xù)對E2充電，直到E2充到額定值時，充電電源Vl 才斷開，串聯(lián)恒流充電終止。圖15分別是鋰離子電池El、E2充電電壓的仿真波形，El從2，5V開始充電，當其端電壓充到3. 75V后，充電曲線成直線，端電壓不再上升，率先進入充滿和并聯(lián)穩(wěn)壓狀態(tài)， Vl繼續(xù)對E2充電；E2從2. OV開始充電，其端電壓充到額定值時，充電曲線也成一直線，和 El的充電曲線重合，因為E2起始充電電壓較低，恒流充電時間較長，較后進入充滿和并聯(lián)穩(wěn)壓狀態(tài)。圖16是無損充電機放電(包括充電)的原理電路，Q5控制充電電源Vl的接入和斷開，Q6控制電池組的放電全過程。開關(guān)S3和S4連同控制邊的D3、R6和D5、R8組成兩個開關(guān)電路SWl和SW2，分別和單體電池E1、E2并聯(lián)，在放電過程中，E1、E2的端電壓總是大于 D3、D5的擊穿電壓，開關(guān)S3、S4閉合；同樣道理，開關(guān)S2的控制邊(包括D4、R7)和整個電池組并聯(lián)，在放電過程中，整個電池組的端電壓總是大于D4的擊穿電壓，開關(guān)S2閉合。開關(guān)Sl的控制邊通過電阻R5和開關(guān)S2、S3、S4和整個電池組并聯(lián)，于是開關(guān)Sl也閉合，驅(qū)動電壓V2加在Q6的柵源極，Q6導通，電池組向負載R4放電。在放電過程中，當電池組中有一個單體電池，例如El的端電壓低于額定放電電壓，即低于齊納二極管D3的擊穿電壓時，S3控制邊失電，S3斷開，于是Sl控制邊也失電， Sl斷開，驅(qū)動電壓V2加不到Q6的柵極，Q6關(guān)斷，電池組放電終止。當電池組過放、過流或外部短路時，電池組端電壓小于Dl的擊穿電壓，S2控制邊失電，S2斷開，于是Sl控制邊也失電，Sl斷開，驅(qū)動電壓V2加不到Q6的柵極，Q6關(guān)斷，電池組停止放電，當過流或外部短路故障解除后，蓄電池組端電壓恢復正常，高于D4的擊穿電壓，S2控制邊得電，S2閉合，同時單體電池若無過放電，則S3、S4閉合，于是Sl也閉合，V2加到Q6的柵源極，Q6開通，電池組繼續(xù)對負載放電。單體電池E1，連同與之并聯(lián)的并聯(lián)穩(wěn)壓電路Va和開關(guān)電路SW1，構(gòu)成一個基本單元，此基本單元可以任意級聯(lián)，對任意數(shù)目的鋰離子動力單體電池組成的電池組進行充放 H1^ ο圖17是電動轎車96V鋰離子動力電池組充電電壓的仿真波形，單體電池沈個，端電壓3. 7V，26個單體電池端電壓從2V到3. 3V不等，依次相差0. 05V，充電終了時，每個單體電池端電壓完全相等，都等于與每個單體電池并聯(lián)的穩(wěn)壓電源輸出電壓的設(shè)定值3. 75V，單體電池充電終止端電壓，等于與其并聯(lián)的并聯(lián)穩(wěn)壓電路輸出電壓的設(shè)定值，此設(shè)定值可以人為調(diào)整，所以單體電池充電終止端電壓可以人為控制。電動轎車采用三相電機驅(qū)動，則鋰離子動力電池組端電壓為288V，需3. 7V單體電池78個串聯(lián)，充電電路略顯復雜，但由于整個充電電路完全由相同的簡單電路級聯(lián)而成， 且無大電流、高電壓開關(guān)的通斷操作，實現(xiàn)起來非常容易。1)、普通鉛酸蓄電池免維護鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)，由于自身結(jié)構(gòu)上的特點，在使用壽命期間基本不需要補充蒸餾水，具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小等特點，采用鉛鈣合金柵架后，充電時產(chǎn)生的水分解量少，水份蒸發(fā)最低，加上外殼采用密封結(jié)構(gòu)，釋放出來的硫酸氣體也很少，所以它與傳統(tǒng)蓄電池相比，具有不需添加任何液體，對接線樁頭、電線腐蝕少，抗過充電能力強，起動電流大，電量儲存時間長等優(yōu)點。因此，免維護鉛酸蓄電池相對于一般蓄電池有非常大的優(yōu)勢，但在使用過程中會發(fā)生減液現(xiàn)象，這是因為柵架上的銻會污染負極板上的海綿狀純鉛，完全充電后蓄電池內(nèi)的反電動勢，造成水的過度分解，大量氧氣和氫氣分別從正負極板上逸出，使電解液減少。 由于其結(jié)構(gòu)上的原因，正常使用中，只能以3C以下倍率充、放電，其比能量、比功率、循環(huán)壽命等難以適應電動汽車、智能電網(wǎng)、清潔能源系統(tǒng)儲能等領(lǐng)域的時代要求。2)、鋰離子動力蓄電池[0080]鋰離子蓄電池對充放電的要求，與鉛酸等可逆電化學反應類蓄電池完全不同。由于鋰離子蓄電池成組應用技術(shù)、系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵零部件及產(chǎn)品研究，嚴重滯后于鋰離子蓄電池的發(fā)展，電池成組后發(fā)生過充電、過放電、超溫和過流問題，致使成組鋰離子蓄電池使用壽命大幅縮短，安全性大幅下降，甚至發(fā)生燃燒、爆炸等惡性事故，已經(jīng)成為制約鋰離子蓄電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要問題，也是當前節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。我國電動汽車技術(shù)發(fā)展到今天，在車用動力電池、電機、電傳動等領(lǐng)域，已經(jīng)取得了一批不錯的成果。車用動力電池技術(shù)雖然還不是很成熟，但發(fā)展的速度與發(fā)達國家相比并不算慢。對電池單體進行測量時，顯示出的各項指標基本達到設(shè)計要求。但是，真正集成為一個動力總成，或者集成到整車上的時候，卻發(fā)現(xiàn)與單體測量時的情況有很大出入。車用動力電池總成并非將一個個單體電池串聯(lián)或并聯(lián)在一起就行了那么簡單。將數(shù)十個甚至上百個電池集成在一起，并將它們集成到車上，在世界范圍內(nèi)都是一項高新技術(shù)，絕不是看起來那么容易的事情，有能力解決這一難題的單位或個人也不是太多。鋰離子蓄電池系統(tǒng)主要包括電池系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、放電系統(tǒng)和維護管理系統(tǒng)，是一個函括多個技術(shù)領(lǐng)域和行業(yè)的高技術(shù)集成系統(tǒng)[6]。綜上所述，就目前電力電子技術(shù)而論，鋰離子動力電池的應用仍處于研發(fā)階段，還沒有形成一個商業(yè)運營的系統(tǒng)，在可預見的將來，也不可能形成市場。3)、千網(wǎng)水平蓄電池鑒于世界能源危機即將來臨，鑒于千網(wǎng)水平蓄電池相對于傳統(tǒng)蓄電池的強大優(yōu)勢，鑒于鋰離子動力電池應用技術(shù)的研究現(xiàn)狀，現(xiàn)在正是千網(wǎng)水平蓄電池異軍突起的大好時機。全世界生產(chǎn)千網(wǎng)水平蓄電池只有兩個地方，一個在美國，一個在包頭，但市場需求卻是無限的，電動汽車動力、智能電網(wǎng)貯能、清潔能源系統(tǒng)貯能等等，這些都關(guān)系到一個國家的戰(zhàn)略、命運、未來，千網(wǎng)水平蓄電池能在包頭落地生根，則中國幸甚，人民幸甚。表1千網(wǎng)水平電池與傳統(tǒng)電池比較
權(quán)利要求1.一種微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)，其特征是微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)由微功耗充電部份、蓄電池、微功耗逆變部份依次串聯(lián)而成。
2.如權(quán)利要求1所述的一種微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)，其特征是微功耗充電部份由直流穩(wěn)壓器、功率因數(shù)校正器、無損充電器依次串聯(lián)而成。
3.如權(quán)利要求1所述的一種微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)，其特征是微功耗逆變部份由單相或三相直流逆變器組成。
4.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的一種微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)，其特征是功率因數(shù)校正器由場效應管Ql、Q2，電感Li，電容Cl組成，場效應管Ql的漏極接電容Cl的正極，其源極接場效應管Q2的漏極，場效應管Q2的源極接地，電感Ll 一端接場效應管Ql的源極，一端接電容Cl的負極，電容Cl的負極構(gòu)成端點Vi，輸入電壓接在Vi和地之間，輸出電壓Vo由電容Cl的正極輸出；場效應管Ql可以用一個二極管Dl代替，二極管Dl的陰極接電容Cl的正極，其陽極接場效應管Q2的漏極。
5.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求3所述的一種微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)，其特征是直流逆變器由一個電壓切割電路和一個N階電容網(wǎng)絡組成，N階電容網(wǎng)絡的輸出端接電壓切割電路的輸入端。
6.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求5所述的一種微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)，其特征是電壓切割電路由場效應管Q9、Q12組成，它們的源極接在一起，通過電阻Rl接地，電容C8和電阻 Rl并聯(lián)，場效應管Q9的漏極接電容網(wǎng)絡的正極，場效應管Q12的漏極接電容網(wǎng)絡的負極，場效應管Q9、Q12的驅(qū)動信號V12是幅值310V的正弦波信號。
7.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求5所述的一種微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)，其特征是N階電容網(wǎng)絡由正、負雙臂組成a)電容網(wǎng)絡的正臂由電容(1丄3、05、07和場效應管03、06、08、011組成，電容Cl的正極接場效應管Q3的源極，場效應管Q3的漏極接二極管Dl的陰極，電容C3的正極接場效應管Q6的源極，場效應管Q6的漏極接二極管Dl的陽極和電容Cl的負極，電容C5的正極接場效應管Q8的源極，場效應管Q8的漏極接二極管D3的陽極和電容C3的負極，電容C7 的正極接場效應管Qll的源極，場效應管Qll的漏極接二極管D5的陽極和電容C5的負極， 電容C7的負極接地，二極管D1、D3、D5的陰極同時接電容網(wǎng)絡的正極，即場效應管Q9的漏極；b)電容網(wǎng)絡的負臂由電容C2、C4、C6、C9和場效應管Ql、Q5、Q7、QlO組成，電容C2的負極接場效應管Ql的源極，場效應管Ql的漏極接二極管D2的陽極，電容C4的負極接場效應管Q6的源極，場效應管Q5的漏極接二極管D2的陰極和電容C2的正極，電容C6的負極接場效應管Q7的源極，場效應管Q7的漏極接二極管D4的陰極和電容C4的正極，電容C9 的負極接場效應管QlO的源極，場效應管QlO的漏極接二極管D3的陰極和電容C6的正極， 電容C9的正極接地，二極管D2、D4、D6的陽極同時接電容網(wǎng)絡的負極，即場效應管Q12的漏極；c)輸入正直流電壓V4的負極接地其正極接場效應管Q4的漏極，場效應管Q4的源極接場效應管Q9的漏極，輸入負直流電壓V6的正極接地，其負極接場效應管Q2的漏極，場效應管Q2的源極接場效應管Q12的漏極；d)柵極驅(qū)動信號V1、V2是市電同步方波信號，正臂驅(qū)動信號V13、V10、V8、V5和負臂驅(qū)動信號VII、V9、V7、V3也是市電同步方波信號，但脈寬以每2ms遞減，延時以每Ims遞增， 場效應管Q9、Q12的驅(qū)動信號V12是幅值310V的正弦波信號。
專利摘要微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)包括DC/DC、AC/DC、DC/AC三種功率變換器，每種變換都采用微功耗電力電子變換技術(shù)，實現(xiàn)了清潔能源的高品質(zhì)、高效率的存貯和并網(wǎng)，該微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)最大特點是，只要把輸入功率中極小部份進行功率變換，就可以得到全部輸出功率，即輸入功率中極大部份既不必進行實際的功率變換，也不必通過磁芯變壓器或電感傳遞，直接到達輸出端，成為輸出功率，器件都工作在工頻，不產(chǎn)生EMI干擾，因此功耗極小而壽命極長，輸出正弦波不失真，安全可靠，節(jié)能環(huán)保，成本、體積、重量、功耗都是傳統(tǒng)貯能系統(tǒng)的十分之一。
文檔編號H02M3/155GK202183607SQ20112022546
公開日2012年4月4日 申請日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者郁百超 申請人:郁百超