一种三相随机交流输入的可调可控高效充电电路

摘要

本发明涉及一种三相随机交流输入的可调可控高效充电电路，包括升降压直流电压转换单元，锂电池，还包括：三相随机交流电电源；切换单元；自适应三相整流单元，所述自适应三相整流单元包括主动三相整流桥、被动三相整流桥与滤波电容，由切换单元控制主动三相整流桥与被动三相整流桥之间的切换；阻抗调节单元，所述阻抗调节单元为boost升压电路；微控制器，所述微控制器控制切换单元、主动三相整流桥的开关器件和阻抗调节单元的开关器件；三相随机交流电电源输出依次连接切换单元，自适应三相整流电源，阻抗调节单元，升降压直流电压转换单元后，输出给锂电池供电。与现有技术相比，本发明具有减少电路能量损耗、提高电路效率的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及能源管理、高效充电以及能量回收技术领域，尤其是涉及一种适于三相随机交流输入的可调可控高效率充电电路。

背景技术

目前在工业上经常出现三相随机(具备间歇性，幅值、频率、相位时变)交流电而无法被充分利用的情况。尤其在可再生能源领域如风力发电和动能回收发电，由于外界的激励不规律，具有大幅跨度的，因此导致输出的能量流也具有大跨度，随机特点。

对于这类三相随机交流电的处理及充电电路的设计上目前面临许多问题，具有大跨度输出电压幅值，对充电电路耐压性提出更高要求，同时对于小电压输入时也要具有很高的效率，这对电路设计提出很大的挑战；前端电源具有内阻，只有当阻抗匹配的时候，才能获得最为理想的功率输出，因此要求充电电路具备阻抗调节能力。

目前尚没有专门针对三相随机交流电设计的高效可靠充电电路，若充电电路不经过合理设计，不考虑效率优化与阻抗匹配，会导致实际获得功率远低于理想值。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述技术缺陷而提供一种三相随机交流输入的可调可控高效充电电路。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种三相随机交流输入的可调可控高效充电电路，包括：

升降压直流电压转换单元，所述升降压直流电压转换单元作用为将脉动直流电转换为恒定直流电；

锂电池；

还包括：

三相随机交流电电源；

切换单元；

自适应三相整流单元，所述自适应三相整流单元包括主动三相整流桥、被动三相整流桥与滤波电容，由切换单元控制主动三相整流桥与被动三相整流桥之间的切换；

阻抗调节单元，所述阻抗调节单元为boost升压电路，由电感，开关器件，二极管以及滤波电容构成；

微控制器，所述微控制器控制切换单元、主动三相整流桥的开关器件和阻抗调节单元的开关器件；

三相随机交流电电源输出依次连接切换单元，自适应三相整流电源，阻抗调节单元，升降压直流电压转换单元后，输出给锂电池供电。

所述的三相随机交流电为：具备间歇性，且幅值、频率、相位都时变的三相交流电压/电流。

所切换单元为闭锁型继电器。

所述切换单元的驱动电路控制信号由微控制器依据采集的实际直流电压与实际直流电流进行输入功率判断，并依据判断结果得到，当判断结果为低功率输入时切换单元连通被动三相整流桥，当判断结果为大功率输入时切换单元连通主动三相整流桥。

所述的主动三相整流桥的开关器件为6个绝缘栅双极型晶体管或6个半导体场效应晶体管；所述的被动三相整流桥的开关器件为6个导通压降小于0.3V的半导体二极管。

所述的主动三相整流桥的开关器件若为半导体场效应晶体管，为耐压值大于等于200V且耐流值大于等于10A的3个P沟道半导体场效应晶体管和3个N沟道半导体场效应晶体管。

所述主动三相整流桥开关器件下一时刻的控制信号由微控制器根据实时检测到的三相随机交流输入电压判断当前最大相电压和最小相电压，并根据判断结果得到。

所述阻抗调节单元开关器件的控制信号由微控制器根据参考直流电压和实际直流电压之差，经过PI控制器输出占空比信号，再通过脉宽调制得到。

所述参考直流电压采用最大功率点追踪算法确定。

所述切换单元与微控制器由与电路连接的电池供电，当外界长期无电力输入且电池没电时，系统将先通过被动整流桥进行工作，待电池有电后，恢复正常运行状态。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)自适应三相整流单元通过主动三相整流桥和被动三相整流桥的切换，优势互补，被动三相整流桥在小功率输入时开启，选用开启电压小，压降小的半导体二极管，以使得电路小功率输入下仍具备较高转换效率，同时被动三相整流桥在外界长期无电力供应、与电路连接的电池没电、切换单元与微控制器都无法工作时，仍能保证电路正常工作；主动三相整流桥在大功率输入时开启，选用耐压值与耐流值较高的半导体场效应晶体管，以使得电路可靠性更好，同时半导体场效应晶体管小阻抗特性，可以使得电能在传输过程中降低损耗，提高电路效率。

(2)阻抗调节单元具备阻抗调节功能，通过合理的参考直流电压设定，可以实现后级电路的阻抗调节以及改善与电源内阻阻抗匹配关系，使得电池端获得实际功率提升。

(3)阻抗调节单元使得电路直流电压受控，且与参考直流电压保持一致，在合理设置参考电压的情况下(不超过电路耐压值)，阻抗调节单元从软件层面可以实现整个电路的耐压保护。

(4)升降压直流电压转换器使得前端输入的脉动直流电压无论高低，可以被转变为恒定的直流电压供予锂电池充电。

(5)电路控制所需采集信号均为电压和电流值，采集容易，成本低，不易受干扰且易实现。

(6)所设计电路具备可集成性，可作为一个独立的单元连接至三相随机交流电输出源，便于维护。

附图说明

图1为本发明的结构流程图。

图2为本发明实施例的结构与工作示意图。

图3为典型应用场景下的三相随机交流电输入的一相波形示例。

附图标记说明：

Ea,Eb,Ec为三相随机交流电输出源空载电压，R0为每相内阻，L0为每相内感，D1～D7为半导体二极管,P1～P3为P沟道半导体场效应晶体管，N1～N4为N沟道半导体场效应晶体管，C1、C2为滤波电容，L1为阻抗调节单元中的电感。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种三相随机交流输入的可调可控高效充电电路，包括：

(1)三相随机交流电电源

所述的三相随机交流电是指具备间歇性，且幅值、频率、相位都时变的三相交流电压/电流。

(2)切换单元

在本实施例中，切换单元采用闭锁型继电器。闭锁型继电器在继电器通电动作以后，自动锁定其状态，即使此时断开控制电流也不会改变其状态，也就是说，当通电吸合后，断开控制电流仍然继续保持吸合状态，除非按下解锁按钮或通以反向电流，这取决于所选择闭锁型继电器的型号。

切换单元的驱动电路由微控制器控制。微控制器依据采集的实际直流电压与实际直流电流进行输入功率判断，依据判断结果控制切换单元驱动电路，进而进行主动三相整流桥或被动三相整流桥的选择。当判断结果为低功率输入时切换单元连通被动三相整流桥，当判断结果为大功率输入时切换单元连通主动三相整流桥。

(3)自适应三相整流单元

自适应三相整流单元包括主动三相整流桥、被动三相整流桥与滤波电容C1。被动三相整流桥开关器件由6个半导体二极管组成(D1～D6)，二极管的导通压降小于0.3V。主动整流桥开关器件由3个P沟道半导体场效应晶体管(P1～P3)和3个N沟道半导体场效应晶体管(N1～N3)组成，场效应晶体管的耐压值大于等于200V且耐流值大于等于10A。由切换单元控制主动三相整流桥与被动三相整流桥之间的切换。

主动三相整流桥开关器件(P1～P3，N1～N3)下一时刻的控制信号由微控制器根据实时检测到的三相随机交流输入电压判断当前最大相电压和最小相电压，并根据判断结果得到。

(4)阻抗调节单元

阻抗调节单元为boost升压电路，由电感L1，N沟道半导体场效应晶体管N4，二极管D7以及滤波电容C2构成。

N沟道半导体场效应晶体管N4的控制信号由微控制器根据参考直流电压Vref和实际直流电压Vdc之差，经过PI控制器输出占空比信号，再通过脉宽调制得到。

参考直流电压Vref采用最大功率点追踪算法确定，如开路电压比例法、扰动观察法等。

(5)升降压直流电压转换单元

升降压直流电压转换单元作用为将阻抗调节单元输出的脉动直流电转换为恒定直流电。

(6)微控制器

微控制器控制切换单元、主动三相整流桥的开关器件和阻抗调节单元的开关器件。

三相随机交流电电源输出依次连接切换单元，自适应三相整流电源，阻抗调节单元，升降压直流电压转换单元后，输出给锂电池供电。

充电电路工作过程包括以下步骤：

由三相随机交流电输出源输出如图2所示的三相随机交流电，首先流经自适应三相整流桥，若当前电路输入功率较小，微控制器输出闭锁型继电器驱动信号使得三相随机交流电输出源与被动整流桥连接，反之，若当前电路输入功率较大，微控制器输出闭锁型继电器驱动信号使得三相随机交流电源与主动整流桥连接，自适应整流桥输出电压经过滤波电容C1滤波输入到阻抗调节单元中；阻抗调节电压的工作根据当前参考直流电压Vref设定，与实测直流电压Vdc比较后，经过PI控制器以及脉宽调制，输出占空比信号PWM7以控制N沟道半导体场效应晶体管N4的开关，从而实现直流电压Vdc接近预期设定值Vref，调节参考值Vref可实现电路负载阻抗调节，以匹配三相随机交流电输出源的内阻，实现实际输出功率的提升；直流电压Vdc经过阻抗调节单元处理后输入升降压直流电源转换器，并转换为恒定直流电源为电池充电。

电路中所有需要电力驱动的设备都由与电路相连的电池供电，当外界长期没有电力输入，锂电池没有电量，则自适应三相整流桥自动转为被动三相整流桥工作，为电池充电，当电池具备电量后可为电路需要电力驱动的设备(闭环型继电器以及微控制器)供电，实现整个电路的正常工作。