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I)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(qiáng)烈EMI干擾產(chǎn)生的過程，大功率直流變換器相當(dāng)于一個(gè)高頻功率發(fā)射臺(tái)，可以想見，所產(chǎn)生的干擾何其嚴(yán)重。2)功率變換過程中，輸入功率的全部必須進(jìn)行實(shí)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(dá)輸出端，損耗大，效率低。圖I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(duì)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(fèi)了這么多，實(shí)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(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生強(qiáng)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(duì)應(yīng)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(gè)非常嚴(yán)格的定義，最主要的是功率變換時(shí)的損耗，微的含義當(dāng)然是很小、非常小和接近零。采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)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、截止進(jìn)的靜態(tài)損耗，二是高頻過程的動(dòng)態(tài)損耗，這兩種功率損耗與輸入總功率存在一個(gè)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I. 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(jì)算，其功率損耗都不算小，和微功耗的要求比較，當(dāng)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(shí)際上，軟開關(guān)技術(shù)降低了器件高頻過程中的動(dòng)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。

發(fā)明內(nèi)容
圖I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カ電子變換技術(shù)，實(shí)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(diǎn)是，只要把輸入功率中極小部份進(jìn)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(jìn)行實(shí)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(dá)輸出端，成為輸出功率，器件都工作在エ頻，不產(chǎn)生EMI干擾，因此功耗極小而壽命極長(zhǎng)，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。 微功耗電カ電子變換技術(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(jìn)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(jìn)行實(shí)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(dá)輸出端，成為輸出功率，器件都工作在エ頻，不產(chǎn)生EMI干擾，因此功耗極小而壽命極長(zhǎng)。這里的所有功率損耗，只與極小部份的輸入功率有夫，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(dòng)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(dá)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(fēng)カ發(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?zé)岚l(fā)電的直流電壓，對(duì)于交流電壓，首先要進(jìn)行功率因數(shù)校正，對(duì)于直流電壓，要獲得恒流、恒壓充電功率；在并網(wǎng)側(cè)，要進(jìn)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(dòng)カ蓄電池、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(jìn)入率因數(shù)校正器，如果輸入直流電壓，進(jìn)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(duì)于単相交流輸出，有ー個(gè)單相直流逆變器，對(duì)于三相交流輸出，有ー個(gè)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。微功耗逆變部份由単相或三相直流逆變器組成。功率因數(shù)校正器由場(chǎng)效應(yīng)管Ql、Q2，電感LI，電容Cl組成，場(chǎng)效應(yīng)管Ql的漏極接電容Cl的正極，其源極接場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極，場(chǎng)效應(yīng)管Q2的源極接地，電感LI 一端接場(chǎng)效應(yīng)管Ql的源極，一端接電容Cl的負(fù)極，電容Cl的負(fù)極構(gòu)成端點(diǎn)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(chǎng)效應(yīng)管Ql可以用ー個(gè)ニ極管Dl代替，ニ極管Dl的陰極接電容Cl的正極，其陽極接場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極。直流逆變器由一個(gè)電壓切割電路和ー個(gè)N階電容網(wǎng)絡(luò)組成，N階電容網(wǎng)絡(luò)的輸出端接電壓切割電路的輸入端。電壓切割電路由場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管Q9的漏極接電容網(wǎng)絡(luò)的正極，場(chǎng)效應(yīng)管Q12的漏極接電容網(wǎng)絡(luò)的負(fù)極，場(chǎng)效應(yīng)管Q9、Q12的驅(qū)動(dòng)信號(hào)V12是幅值310V的正弦波信號(hào)。N階電容網(wǎng)絡(luò)由正、負(fù)雙臂組成電容網(wǎng)絡(luò)的正臂由電容C1、C3、C5、C7和場(chǎng)效應(yīng)管Q3、Q6、Q8、Q11組成，電容Cl的正極接場(chǎng)效應(yīng)管Q3的源極，場(chǎng)效應(yīng)管Q3的漏極接ニ極管Dl的陰極，電容C3的正極接場(chǎng)效應(yīng)管Q6的源極，場(chǎng)效應(yīng)管Q6的漏極接ニ極管Dl的陽極和電容Cl的負(fù)極，電容C5的正極接場(chǎng)效應(yīng)管Q8的源極，場(chǎng)效應(yīng)管Q8的漏極接ニ極管D3的陽極和電容C3的負(fù)極，電容C7的正極接場(chǎng)效應(yīng)管Qll的源極，場(chǎng)效應(yīng)管Qll的漏極接二極管D5的陽極和電容C5的負(fù)極，電容C7的負(fù)極接地，二極管D1、D3、D5的陰極同時(shí)接電容網(wǎng)絡(luò)的正極，即場(chǎng)效應(yīng)管Q9的漏極；
電容網(wǎng)絡(luò)的負(fù)臂由電容C2、C4、C6、C9和場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q5、Q7、Q10組成，電容C2的負(fù)極接場(chǎng)效應(yīng)管Ql的源極，場(chǎng)效應(yīng)管Ql的漏極接二極管D2的陽極，電容C4的負(fù)極接場(chǎng)效應(yīng)管Q6的源極，場(chǎng)效應(yīng)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(fù)極接場(chǎng)效應(yīng)管Q7的源極，場(chǎng)效應(yīng)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(fù)極接場(chǎng)效應(yīng)管QlO的源極，場(chǎng)效應(yīng)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(shí)接電容網(wǎng)絡(luò)的負(fù)極，即場(chǎng)效應(yīng)管Q12的漏極；輸入正直流電壓V4的負(fù)極接地其正極接場(chǎng)效應(yīng)管Q4的漏極，場(chǎng)效應(yīng)管Q4的源極接場(chǎng)效應(yīng)管Q9的漏極，輸入負(fù)直流電壓V6的正極接地，其負(fù)極接場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極，場(chǎng)效應(yīng)管Q2的源極接場(chǎng)效應(yīng)管Q12的漏極；柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)V1、V2是市電同步方波信號(hào)，正臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)V13、V10、V8、V5和負(fù)臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)V11、V9、V7、V3也是市電同步方波信號(hào)，但脈寬以每2ms遞減，延時(shí)以每Ims遞增，場(chǎng)效應(yīng)管Q9、Q12的驅(qū)動(dòng)信號(hào)V12是幅值310V的正弦波信號(hào)。


圖I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(diǎn)電壓仿真波形；圖4是引入U(xiǎn)C1925的直流穩(wěn)壓器實(shí)用電路；圖5是引入U(xiǎn)C1925的直流穩(wěn)壓器實(shí)用電路各點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)電壓仿真波形；圖10是單相輸入正負(fù)對(duì)稱直流輸出功率因數(shù)校正電路；圖11是單相輸入正負(fù)對(duì)稱直流輸出功率因數(shù)校正電路各點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)放電原理電路圖；圖17電動(dòng)轎車96V鋰離子動(dòng)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(4階)產(chǎn)生電路；圖20是塔形波(4階)產(chǎn)生電路各點(diǎn)電壓仿真波形；圖21是逆變器(16階)寶塔波電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)際電路；
圖22是單相逆變器(16階)寶塔波電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)仿真波形；圖23是塔形波(8階)輸出電壓仿真波形；圖24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26 是電壓切割電路；圖26是電壓切割電路各點(diǎn)電壓仿真波形；圖28是微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)實(shí)際電路；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(gè)補(bǔ)償電壓Vc = I. 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(dòng)信號(hào)，Vl是輸入直流電壓。電路啟動(dòng)后，Q2飽和導(dǎo)通，電池電壓Vl通過Q2的漏源極向電感LI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(shí)，電容C2上的電壓向負(fù)載R2放電。半個(gè)周期后，Q2截止，存貯在電感LI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(fù)載電阻R2供電的同時(shí)，也向電容C2充電。圖3是各點(diǎn)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(bǔ)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(bǔ)償電壓Vc (I. 5V)之和。功率MOS管Ql沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(yīng)該在10. 5V的輸入電壓之上補(bǔ)償I. 5V，因此，僅僅只須把這應(yīng)該補(bǔ)償?shù)腎. 5V變換成方波電壓即可。圖2右邊是各點(diǎn)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(bǔ)償電壓Ne。圖4是接有UC 1825的電壓補(bǔ)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(dòng)信號(hào)V2換成了 UC1825輸出信號(hào)0UT_A，當(dāng)負(fù)載或輸入電壓變化時(shí)，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(hào)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(gè)極小部份的直流電壓，而絕大部份直流電壓，即負(fù)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(bǔ)償電路各點(diǎn)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(dāng)輸入電壓是交流時(shí)，就是功率因數(shù)校正電路，當(dāng)輸入電壓是直流時(shí)，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(bǔ)償電壓，其結(jié)果正是我們?yōu)橹诖模绷餮a(bǔ)償電路對(duì)饅頭波電壓進(jìn)行補(bǔ)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?yàn)樵谄渖席B加了補(bǔ)償電壓Vc，補(bǔ)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(dá)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(diǎn)只要把輸入功率中極小部份(補(bǔ)償電壓的獲得)進(jìn)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(gè)饅頭波電壓)既不必進(jìn)行實(shí)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(dá)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(bǔ)償?shù)倪^程與圖4直流電壓補(bǔ)償?shù)倪^程完全相同，圖7是饅頭波電壓補(bǔ)償電路各點(diǎn)電壓、電流的仿真波形，從上到下依次是輸入電壓Vi、補(bǔ)償電壓Vc、輸入電流Ii，單從幾何圖形理解，補(bǔ)償電壓Vc是一個(gè)倒置的饅頭波，把這個(gè)倒置的饅頭波疊加在一個(gè)正向饅頭波之上，其結(jié)果當(dāng)然成為一條直線，因?yàn)榈怪玫酿z頭波和正向饅頭波在幾何圖形上是互補(bǔ)的，這其實(shí)是公式Vo = Vi+Vc = Sinx+(1-Sinx) = I的真謫。圖8是單相微功耗功率因數(shù)校正器的實(shí)用電路，MOS功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)由控制芯片UC1825提供，并不需要UC3854等功率因數(shù)校正的專用芯片。進(jìn)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(bǔ)償成直流電壓即可。經(jīng)過電壓補(bǔ)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(duì)應(yīng)的所有時(shí)刻，輸入電流都有機(jī)會(huì)對(duì)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(bǔ)償電路，實(shí)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(fù)載電阻Rl并聯(lián)了大電容C2濾波，并不是純電阻負(fù)載。圖9是單相微功耗功率因數(shù)校正器實(shí)用電路各點(diǎn)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(bǔ)償電壓Vc、輸入電流Ii，當(dāng)把饅頭波電壓Vd補(bǔ)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m PF = P/S,對(duì)于一個(gè)封閉系統(tǒng)來說，PF的極大值等于1，因?yàn)橛泄β蔖是視在功率S的一部份，當(dāng)且僅當(dāng)無功功率等于零的時(shí)候，才有S = P，從而PF=I。上述電壓補(bǔ)償電路正是這樣一個(gè)封閉系統(tǒng)，其中的補(bǔ)償電壓Vc來自饅頭波電壓Vd。但是，對(duì)于一個(gè)開放系統(tǒng)，情形就不一樣如果產(chǎn)生補(bǔ)償電壓Vc的功率Pwt來自系統(tǒng)外，經(jīng)電壓補(bǔ)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(shí)功率因數(shù)PF = (P+Pout) /S，顯然，此時(shí)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(jìn)行倍壓整流，具有正負(fù)對(duì)稱電壓輸出，正負(fù)對(duì)稱電壓接有對(duì)稱的功率因數(shù)校正電路，以地為對(duì)稱軸，對(duì)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(duì)稱的正負(fù)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(fù)對(duì)稱電壓時(shí)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(fù)對(duì)稱電壓輸出的功率因數(shù)校正電路，可應(yīng)用于需要正負(fù)對(duì)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(shí)用電路，把圖4直流電壓補(bǔ)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(dòng)信號(hào)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(fù)。
圖13是各點(diǎn)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(fù)載時(shí)輸入電流波形完全相同，亦即說明采用電壓補(bǔ)償電路進(jìn)行功率因數(shù)校正達(dá)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(fù)載電阻Rl并聯(lián)有大電容C3，并不是純電阻負(fù)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(fù)載時(shí)的輸入電流仿真波形完全一樣。
鋰離子動(dòng)力電池?zé)o損充電機(jī)采用整體串聯(lián)恒流、單體并聯(lián)恒壓的充電方法，對(duì)電池實(shí)現(xiàn)無損充電，無損的含意有兩層，一是充電效率接近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(qǐng)參考圖I)，電池本身在充、放電過程中完全無損害。該無損充電機(jī)免除電池管理系統(tǒng)，僅由簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、放電系統(tǒng)和維護(hù)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(shí)所有單體電池的端電壓完全相等，無須進(jìn)行均衡充電，同時(shí)無易受干擾的復(fù)雜控制芯片和軟件，安全可靠，簡(jiǎn)單實(shí)用，其成本、體積、重量、功耗都是傳統(tǒng)充電機(jī)的十分之一。整體串聯(lián)恒流充電的含義是對(duì)于電池整體，進(jìn)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(gè)單體電池都直接并聯(lián)一個(gè)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(duì)整體電池進(jìn)行串聯(lián)恒流充電的同時(shí)，也對(duì)所有串聯(lián)的并聯(lián)電路進(jìn)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(shí)的實(shí)時(shí)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(dāng)某個(gè)與之并聯(lián)的單體電池端電壓充到此電壓值時(shí)，并聯(lián)電路啟動(dòng)，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(jìn)行串聯(lián)恒流充電，仿佛串聯(lián)恒流充電對(duì)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(gè)支路同時(shí)進(jìn)行充電一樣，只不過充電的對(duì)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(diǎn)，完全免除了串聯(lián)、并聯(lián)充電的所有缺點(diǎn)。當(dāng)充電終了時(shí)，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(gè)體之間的這種差異完全消失，當(dāng)然再也不會(huì)發(fā)生過充、過熱現(xiàn)象。圖14是無損充電機(jī)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(gè)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(duì)鋰離子電池E1、E2串聯(lián)充電，當(dāng)有一個(gè)電池，例如El的端電壓充到額定值，即到達(dá)并聯(lián)穩(wěn)壓電路Va設(shè)定的穩(wěn)壓值時(shí)，齊納二極管Dl開通，并聯(lián)穩(wěn)壓電路Va啟動(dòng)，串聯(lián)充電電流流經(jīng)三極管Q2，不再對(duì)El充電，El的端電壓也不再上升；與此同時(shí)串聯(lián)充電電流繼續(xù)對(duì)E2充電，直到E2充到額定值時(shí)，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(dāng)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(jìn)入充滿和并聯(lián)穩(wěn)壓狀態(tài)，Vl繼續(xù)對(duì)E2充電；E2從2. OV開始充電，其端電壓充到額定值時(shí)，充電曲線也成一直線，和El的充電曲線重合，因?yàn)镋2起始充電電壓較低，恒流充電時(shí)間較長(zhǎng)，較后進(jìn)入充滿和并聯(lián)穩(wěn)壓狀態(tài)。圖16是無損充電機(jī)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(gè)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(gè)電池組并聯(lián),在放電過程中，整個(gè)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)SI的控制邊通過電阻R5和開關(guān)S2、S3、S4和整個(gè)電池組并聯(lián)，于是開關(guān)SI也閉合，驅(qū)動(dòng)電壓V2加在Q6的柵源極，Q6導(dǎo)通，電池組向負(fù)載R4放電。在放電過程中，當(dāng)電池組中有一個(gè)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(shí)，S3控制邊失電，S3斷開，于是SI控制邊也失電， SI斷開，驅(qū)動(dòng)電壓V2加不到Q6的柵極，Q6關(guān)斷，電池組放電終止。當(dāng)電池組過放、過流或外部短路時(shí)，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SI控制邊也失電，SI斷開，驅(qū)動(dòng)電壓V2加不到Q6的柵極，Q6關(guān)斷，電池組停止放電，當(dāng)過流或外部短路故障解除后，蓄電池組端電壓恢復(fù)正常，高于D4的擊穿電壓，S2控制邊得電，S2閉合，同時(shí)單體電池若無過放電，則S3、S4閉合，于是SI也閉合，V2加到Q6的柵源極，Q6開通，電池組繼續(xù)對(duì)負(fù)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(gè)基本單元，此基本單元可以任意級(jí)聯(lián)，對(duì)任意數(shù)目的鋰離子動(dòng)力單體電池組成的電池組進(jìn)行充放電。圖17是電動(dòng)轎車96V鋰離子動(dòng)力電池組充電電壓的仿真波形，單體電池26個(gè)，端電壓3. 7V，26個(gè)單體電池端電壓從2V到3. 3V不等，依次相差O. 05V，充電終了時(shí)，每個(gè)單體電池端電壓完全相等，都等于與每個(gè)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(dòng)轎車采用三相電機(jī)驅(qū)動(dòng),則鋰離子動(dòng)力電池組端電壓為288V，需3. 7V單體電池78個(gè)串聯(lián)，充電電路略顯復(fù)雜，但由于整個(gè)充電電路完全由相同的簡(jiǎn)單電路級(jí)聯(lián)而成，且無大電流、高電壓開關(guān)的通斷操作，實(shí)現(xiàn)起來非常容易。I)、普通鉛酸蓄電池免維護(hù)鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)，由于自身結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，在使用壽命期間基本不需要補(bǔ)充蒸餾水，具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小等特點(diǎn)，采用鉛鈣合金柵架后，充電時(shí)產(chǎn)生的水分解量少，水份蒸發(fā)量低，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(duì)接線樁頭、電線腐蝕少，抗過充電能力強(qiáng)，起動(dòng)電流大，電量?jī)?chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，免維護(hù)鉛酸蓄電池相對(duì)于一般蓄電池有非常大的優(yōu)勢(shì)，但在使用過程中會(huì)發(fā)生減液現(xiàn)象，這是因?yàn)闁偶苌系匿R會(huì)污染負(fù)極板上的海綿狀純鉛，完全充電后蓄電池內(nèi)的反電動(dòng)勢(shì)，造成水的過度分解，大量氧氣和氫氣分別從正負(fù)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(yīng)電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)、清潔能源系統(tǒng)儲(chǔ)能等領(lǐng)域的時(shí)代要求。2)、鋰離子動(dòng)力蓄電池
鋰離子蓄電池對(duì)充放電的要求，與鉛酸等可逆電化學(xué)反應(yīng)類蓄電池完全不同。由于鋰離子蓄電池成組應(yīng)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(yán)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(dāng)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(guó)電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展到今天，在車用動(dòng)力電池、電機(jī)、電傳動(dòng)等領(lǐng)域，已經(jīng)取得了一批不錯(cuò)的成果。車用動(dòng)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(dá)國(guó)家相比并不算慢。對(duì)電池單體進(jìn)行測(cè)量時(shí)，顯示出的各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但是，真正集成為一個(gè)動(dòng)力總成，或者集成到整車上的時(shí)候，卻發(fā)現(xiàn)與單體測(cè)量時(shí)的情況有很大出入。車用動(dòng)力電池總成并非將一個(gè)個(gè)單體電池串聯(lián)或并聯(lián)在一起就行了那么簡(jiǎn)單。將數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)電池集成在一起，并將它們集成到車上，在世界范圍內(nèi)部是一項(xiàng)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(gè)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(hù)管理系統(tǒng)，是一個(gè)函括多個(gè)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(dòng)力電池的應(yīng)用仍處于研發(fā)階段，還沒有形成一個(gè)商業(yè)運(yùn)營(yíng)的系統(tǒng)，在可預(yù)見的將來，也不可能形成市場(chǎng)。3)、千網(wǎng)水平蓄電池鑒于世界能源危機(jī)即將來臨，鑒于千網(wǎng)水平蓄電池相對(duì)于傳統(tǒng)蓄電池的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，鑒于鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)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(shí)機(jī)。全世界生產(chǎn)千網(wǎng)水平蓄電池只有兩個(gè)地方，一個(gè)在美國(guó)，一個(gè)在包頭，但市場(chǎng)需求卻是無限的，電動(dòng)汽車動(dòng)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(gè)國(guó)家的戰(zhàn)略、命運(yùn)、未來，千網(wǎng)水平蓄電池能在包頭落地生根，則中國(guó)幸甚，人民幸甚。表I千網(wǎng)水平電池與傳統(tǒng)電池比較
項(xiàng)目 I千網(wǎng)水平電池I傳統(tǒng)鉛蓄電池
材質(zhì)技I 板柵采是用固態(tài)擠壓而成的玻纖增強(qiáng)復(fù)合鉛線編織的鉛網(wǎng):—板柵是鉛錠加熱熔融灌注而成，耗材多?！?br> 結(jié)構(gòu)技I 將電池極板垂直放置改水平放置，極板組裝采用框架結(jié)構(gòu)^電池極板垂直放置方式，有電解液層化現(xiàn)象。—
內(nèi)部空F 電池化成完整后，注入固化劑使內(nèi)部無空隙，具較高抗震力:—用固定條來固定極群，因震動(dòng)造成造成活性物質(zhì)脫落?！姵亟档蜆O板的重量，比同容量普通鉛酸電池重量約輕30-50%。 板柵是實(shí)心鉛，各極間的串并聯(lián)鉛塊無法省略，耗材多。生產(chǎn)環(huán)f 復(fù)合玻纖鉛線擠壓成型和編織過程無鉛蒸氣，無污染。鉛材采用加熱溶解，會(huì)產(chǎn)生鉛蒸氣，有環(huán)境污染?！?br> 產(chǎn)品性能重量比能量彡IOwh kg,循環(huán)次數(shù)彡40 充電時(shí)間短(0. 75hr) 0 重量比能量33wh kg,循環(huán)次數(shù)300,充電時(shí)間長(zhǎng)6-8h。千網(wǎng)水平蓄電池的優(yōu)勢(shì)I)因?yàn)闃O板采用水平放置，可以避免電池的電解液濃度差的極化現(xiàn)象，而電解液濃度差的極化現(xiàn)象是傳統(tǒng)鉛蓄電池容量下降及壽命縮短的主要原因之一。2)極板陰陽直接連通，因此內(nèi)阻小，極板活物質(zhì)利用比較均勻，且節(jié)省極群并聯(lián)鉛材，大電流放電，電壓降比較小。3)采用鉛網(wǎng)替代傳統(tǒng)的柵板(grid)，減輕電池重量節(jié)省耗材，讓電池的重量比能量大為提高(> 40wh/kg)，同時(shí)電池的充電接受率也提高，因此有利于快速充電。4)因?yàn)殂U網(wǎng)抗拉強(qiáng)度大，能耐充放電循環(huán)中極板活物質(zhì)的形狀變化，因此循環(huán)壽命次數(shù)也相對(duì)提聞。5) Horizon使用專有的材料與制造設(shè)備,可快速的連續(xù)性生產(chǎn)Horizon高功率環(huán)保鉛酸電池，從包鉛、織網(wǎng)至組裝成品約僅需4小時(shí)，最后化成充電時(shí)間約3天。而傳統(tǒng)電池的制造時(shí)間必需耗費(fèi)7天 ，最后化成最長(zhǎng)需15天時(shí)間。6)本產(chǎn)品過去經(jīng)過多個(gè)獨(dú)立單位測(cè)試，其整個(gè)電池的生產(chǎn)技術(shù)及表現(xiàn)應(yīng)無問題。唯公司導(dǎo)入自動(dòng)化量產(chǎn)設(shè)備，設(shè)廠后仍然需要時(shí)間調(diào)整以提高效率。7)產(chǎn)品環(huán)保采用玻璃纖維復(fù)合材料板柵極大地降低了電池極板的重量，比普通鉛酸蓄電池輕約30%。8)生產(chǎn)環(huán)保水平電池采用的復(fù)合玻璃鉛絲擠壓成型和編織工藝，過程中沒有鉛蒸汽產(chǎn)生；采用完全的內(nèi)化成，避免了外化成酸霧的產(chǎn)生；整條生產(chǎn)線在封閉環(huán)境內(nèi)，生產(chǎn)線空氣經(jīng)過嚴(yán)格高效的凈化處理，極板干燥所產(chǎn)生以及沖洗設(shè)備產(chǎn)生的廢水都經(jīng)中和、沉淀、過濾凈化后循環(huán)使用，對(duì)環(huán)境沒有污染。9)千網(wǎng)水平電池的制程本身完全可回收，以目前工廠的報(bào)廢品大概都可以回收，而目前的現(xiàn)況報(bào)廢的廢電池，回收廠都以高美國(guó)替代性運(yùn)輸燃料市場(chǎng)。10) I顆高功率環(huán)保鉛酸電池可抵4顆Group 31傳統(tǒng)電池(如下圖)，可減少卡車重量負(fù)荷200磅以上，重量減輕可減少燃油耗損、提高啟動(dòng)能力的可靠性并增加負(fù)載能力。11)電池具備質(zhì)量輕、高電流容量、深度放電及快速充電特性。直流逆變器采用簡(jiǎn)單的電容網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了直流電壓的逆變，其最大特點(diǎn)是，電路簡(jiǎn)單，所有器件工作在工頻，不產(chǎn)生EMI干擾，因此功耗極小而壽命極長(zhǎng)，安全可靠，節(jié)能環(huán)保，成本低，制作安裝容易。7. I直流逆變器工作原理圖18是微功耗直流逆變器工作原理示意圖，工作過程如下I)正弦波前IOms面積沿Y軸N等分，此處以4等分為例；2)每等分以下底為一邊作4個(gè)長(zhǎng)方形，堆累成塔形如圖示；3)利用電容網(wǎng)絡(luò)由輸入直流電壓產(chǎn)生塔形波，這是實(shí)施直流逆變的第一步；4)用正弦波從內(nèi)部切割此塔形，正弦波的幅值選擇原則是，使得正弦波在內(nèi)部剛好和塔形波的直角邊相切；5)塔形波被切去多余部份后的實(shí)體，剛剛好是輸出的正弦波電壓Va ；6)塔形波切下來的多余部份打散、揉合，變換成正弦波電壓Vb，與前述Va同時(shí)輸出，產(chǎn)生輸出電壓Vo的前IOms波形；7)正弦波后IOms處理方法同上，產(chǎn)生輸出電壓Vo的后IOms波形。7. 2四階塔形波產(chǎn)生電路塔形波產(chǎn)生電路，實(shí)際上是一個(gè)電容升壓網(wǎng)絡(luò)，圖19是4階塔形波產(chǎn)生電路，為了簡(jiǎn)化說明，以電源V3、V5、V7、V9、V11、V13、V15、V17代表網(wǎng)絡(luò)電容上的電壓，圖2中，MOS管Q4、Q6、Q8、QlO等組成4階電容網(wǎng)絡(luò)的正臂，MOS管Q2、Q5、Q7、Q9等組成4階電容網(wǎng)絡(luò)的負(fù)臂，其中Q6、Q5、V7、V9、D3、D4組成了電容網(wǎng)絡(luò)的一階，從下到上階數(shù)遞增。前10ms，電容網(wǎng)絡(luò)的正臂啟動(dòng)，各階MOS管柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通時(shí)間隨階數(shù)增加按每次2ms遞減，各階MOS管柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)時(shí)間按每次Ims遞增，第一階MOS管QlO的驅(qū)動(dòng)信號(hào)V16的導(dǎo)通時(shí)間為10ms，延時(shí)時(shí)間為0ms，依此類推。Q1、Q3柵極所加驅(qū)動(dòng)信號(hào)是周期20ms的等幅方波電壓，前IOms期間，Ql飽和導(dǎo)通。在V16高電平期間(脈寬10ms，延時(shí)0ms), QlO飽和導(dǎo)通，V15上的電壓通過QlO的漏源極、D2、Ql的漏源極，在負(fù)載電阻Rl上產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間10ms、幅值為V15的方形電壓SI ;在乂12高電平期間(脈寬8ms，延時(shí)lms)，Q8飽和導(dǎo)通，Vll上的電壓通過Q8的漏源極、D6、Ql的漏源極，在負(fù)載電阻Rl上產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間8ms、幅值為Vll的方形電壓S2，S2左右地稱地堆在SI之上；在V8高電平期間(脈寬6ms，延時(shí)2ms)，Q6飽和導(dǎo)通，V7上的電壓通過Q6的漏源極、D3、Ql的漏源極，在負(fù)載電阻Rl上產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間6ms、幅值為V7的方形電壓S3，S3左右對(duì)稱地堆在S2之上；在V4高電平期間(脈寬4ms，延時(shí)3ms)，Q4飽和導(dǎo)通，V3上的電壓通過Q4的漏源極、DU Ql的漏源極，在負(fù)載電阻Rl上產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間4ms、幅值為V3的方形電壓S4，S左右對(duì)稱地堆在S3之上；在前IOms到來的最后時(shí)刻，在負(fù)載電阻Rl上形成SI在下、S4在上、持續(xù)時(shí)間遞減的寶塔波電壓后IOms期間，電容網(wǎng)絡(luò)的負(fù)臂啟動(dòng)，同樣道理，在負(fù)載電阻Rl上形成SI在上、S4在下、持續(xù)時(shí)間遞減的負(fù)方向?qū)毸妷骸?0ms到來的最后時(shí)刻，在電阻Rl上形成了一個(gè)完整的寶塔波電壓，圖20是所產(chǎn)生的寶塔波電壓的仿真波形。圖21是16階微功耗分逆變器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的實(shí)際電路，電路由4片16個(gè)LM339比較器組成，參考電壓V2是直流電壓，阻值相同的16個(gè)電阻串聯(lián)后與V2并聯(lián)，16個(gè)比較器的反相端順序、依次接在串聯(lián)電阻上，第I個(gè)比較器接I個(gè)電阻，第2個(gè)比較器接2個(gè)電阻，余類推如圖8。另有交流參考電壓Vl，全波整流后直接接到每一個(gè)比較器的同相輸入端，同時(shí)設(shè)交、直流參考電壓VI、V2的幅值都是16V。前10ms，當(dāng)交流參考電壓Vl的幅值小于IV時(shí)，沒有一個(gè)比較器的同相端電壓大于反相端電壓，所有比較器都輸出低電平，當(dāng)Vl的幅值大于等于IV時(shí)，第I個(gè)比較器的同相端電壓大于其反相端電壓，輸出高電平，當(dāng)Vl的幅值大于等于2V時(shí)，第2個(gè)比較器的同相端電壓大于其反相端電壓，輸出高電平，其余類推。當(dāng)最后一個(gè)，即第16個(gè)比較器輸出高電平以后，交流參考電壓Vl將到達(dá)極值，隨著時(shí)間的推移，Vl將下降。當(dāng)交流參考電壓Vl的幅值下降到小于16V時(shí)，第16個(gè)比較器的同相端電壓小于其反相端電壓，其輸出端電壓產(chǎn)生負(fù)跳變，電壓由高變低，產(chǎn)生了第I個(gè)、也是持續(xù)時(shí)間最短的脈沖信號(hào)，當(dāng)交流參考電壓Vl的幅值下降到小于15V時(shí)，第15個(gè)比較器的同相端電壓小于其反相端電壓，其輸出端電壓產(chǎn)生負(fù)跳變，電壓由高變低，產(chǎn)生了第2個(gè)脈沖信號(hào)，其余類推。當(dāng)交流參考電壓Vl的幅值下降到小于IV時(shí)，第I個(gè)比較器的同相端電壓小于其反相端電壓，其輸出端電壓產(chǎn)生負(fù)跳變，電壓由高變低，產(chǎn)生了第16個(gè)、也是最后I個(gè)、同時(shí)是持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的脈沖信號(hào)，當(dāng)?shù)诙€(gè)IOms到來的時(shí)候，重復(fù)上述工作過程。所產(chǎn)生的16個(gè)持續(xù)時(shí)間由短到長(zhǎng)的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，也就是形成寶塔電壓的各個(gè)微分電壓，請(qǐng)參考圖22的仿真波形。顯然，交流參考電壓Vl的頻率決定了所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，即決定了微分逆變器輸出交流電壓的頻率，而參考電壓VI、V2的幅值決定了所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的高度，即決定了微分逆變器輸出交流電壓的幅值，Vl的頻率和V1、V2幅值是可以任意調(diào)節(jié)的，所以，微分逆變器輸出交流電壓的頻率和幅值也是可以任意調(diào)節(jié)的。圖23是微功耗直流逆變器(8階)輸出電壓仿真波形，左邊是輸出正弦波電壓Vo，右邊是寶塔波的切割過程，從圖可以看到，當(dāng)寶塔波的階數(shù)N增加時(shí)，例如N = 8，所產(chǎn)生的寶塔波非常接近正弦波，可以省去電壓切割這一環(huán)節(jié)。從圖24仿真波形可以看出，從寶塔波切割下來的邊角料，隨著階數(shù)N的增加，總面積越來越小，這是因?yàn)閷毸梢钥闯煽v軸上的N個(gè)微分疊加而成，當(dāng)N趨于無窮時(shí)，寶塔波趨于正弦波，這時(shí)候，用正弦波切割寶塔波，切下來的邊角料總面積等于零。
一般多電平FBI逆變器[1]，例如三電平逆變、五電平逆變，七電平逆變等，增加輸出電壓電平數(shù)N的目的，是為了減少輸出電壓波形中的諧波含量，但所需功率器件和電路復(fù)雜性逞指數(shù)增加，必須要有N個(gè)隔離的、獨(dú)立的電壓源，而且每個(gè)FBI中功率器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)也是隔離的、獨(dú)立的。三相二電平逆變，功率器件6個(gè)，三相三電平逆變，功率器件12個(gè)，三相五電平逆變，功率器件24個(gè)。如果要實(shí)現(xiàn)16電平逆變，所需功率器件P = 2N = 216=65536，需要隔離的、獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)信號(hào)65536個(gè)，這種紙上談兵的逆變電路，在實(shí)際上是完全不可能實(shí)現(xiàn)的。所有有關(guān)逆變器的教科書都提及多電平逆變，但沒有哪一本教科書能畫出五電平以上逆變器的實(shí)際電路，因?yàn)樘珡?fù)雜，畫也畫不出來，怎么能實(shí)際做出來。
SPWM全橋逆變電路(FBI)，不僅僅是功率器件逞指數(shù)增加的問題，更要命的是，在進(jìn)行多電平疊加的同時(shí)，還要在每一個(gè)電平中進(jìn)行SPWM脈寬調(diào)制，一個(gè)FBI的SPWM控制已經(jīng)夠復(fù)雜，現(xiàn)在要對(duì)多達(dá)2N = 65536個(gè)SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行控制，其空間矢量的復(fù)雜程度，是不可想像的。微功直流耗逆變器所需功率器件和電路復(fù)雜性逞線性增加，即所需功率器件P =2N，其中N為電平數(shù)。圖4是4電平微功耗直流逆變器的實(shí)際電路，所需功率器件P = 2N=2*4 = 8，實(shí)現(xiàn)16電平逆變器，所需功率器件P = 2N = 2*16 = 32，限于文章篇幅，本處不宜畫完整電路圖，僅在圖5畫出了微功耗直流逆變器(16階)寶塔波電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路及圖6的寶塔波電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)仿真波形。圖25是直流逆變器(16階)寶塔波電壓仿真波形，圖中曲線可以看到，N= 16的寶塔波已經(jīng)趨近正弦波，根本用不著進(jìn)行電壓切割。用正弦波波形切割寶塔波，設(shè)切去正弦波后剩下來的部份面積為S0，當(dāng)寶塔波的階數(shù)N = I時(shí)，SO = A(I-Sinx)，其中A是輸入電壓的幅值，根據(jù)計(jì)算，這部份面積占總面積的36%，當(dāng)寶塔波的階數(shù)N= 16，或大于某個(gè)正整數(shù)時(shí)，寶塔波已經(jīng)趨近正弦波，根本用不著進(jìn)行電壓切割。當(dāng)階數(shù)N在I和某個(gè)正整數(shù)之間時(shí)，切割下來的面積SO所代表的功率比較可觀，必須通過功率變換，或反饋，或輸出，提高整機(jī)效率。圖26是電壓切割電路，功率MOS管Q5、Q6和磁芯變壓器TXl組成了主電路，IOOKHz的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)VI、V5加在Q5、Q6的柵極，V2是輸入正弦波電壓Vi，Vi為幅值360V的正弦波電壓，負(fù)載R6接在Q6的源極。輸入電壓的正半周，當(dāng)驅(qū)動(dòng)方波電壓V5為高電平時(shí)，Q6飽和導(dǎo)通，輸入電壓Vi通過Q5的體內(nèi)二極管和Q6的漏源極，加在負(fù)載電阻R5和變壓器TXl的原邊；在輸入電壓的負(fù)半周，當(dāng)驅(qū)動(dòng)方波電壓Vl為高電平時(shí)，Q5飽和導(dǎo)通，輸入電壓Vi通過Q6的體內(nèi)二極管和Q5的漏源極，加在負(fù)載電阻R5和變壓器TXl的原邊。適當(dāng)選擇變壓器原邊的電感量和驅(qū)動(dòng)信號(hào)VI、V5的脈寬,可便負(fù)載電阻R5上的電壓為輸出額定值。變壓器TXl的附邊接有由Q1-Q4組成的動(dòng)態(tài)整流電路[1]，可將TXl附邊產(chǎn)生的包絡(luò)為正弦波的雙邊帶方波電壓Vs整流為正弦波電壓，適當(dāng)選擇TXl的變比和驅(qū)動(dòng)信號(hào)VI、V5的脈寬，可使得動(dòng)態(tài)整流電路輸出的正弦波電壓(由Q3、Q4的源極取出)為額定輸出電壓，此電壓與輸入電壓同頻、同相、同步，與電阻R5產(chǎn)生的額定電壓同頻、同相，同幅，共同形成輸出電壓Vo。由于整機(jī)不采用鐵芯，并不利用磁飽和現(xiàn)象穩(wěn)定交流電壓，因而不會(huì)產(chǎn)生正弦波波形失真，有關(guān)動(dòng)態(tài)整流的論述請(qǐng)參考文獻(xiàn)[2]。圖27是切割電路各點(diǎn)電壓的仿真波形，最外層是幅值360V的輸入電壓Vi，下面是電阻R5上被切去頭部后的輸入電壓和TXl附邊產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)整流電壓共同形成的輸出電壓Vo，最里層是變壓器原邊產(chǎn)生的包絡(luò)為正弦波的雙邊帶方波電壓Vp，附邊電壓Vs由TXl的變比決定，是Vp的n倍。
具體實(shí)施例方式圖28是微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)實(shí)際電路，其中充電恒流、恒壓電源由Q3、Q8等組成的正負(fù)整流升壓器完成，蓄電池充電部份由Q1、Q2和Q19、Q20等組成無損充電機(jī)完成，逆變部份由Q12、Q13、Q14、Q16、Q17、Q18等組成的三相微分逆變器完成。
單相交流電壓V4以倍壓整流方式進(jìn)入A、B兩點(diǎn)，正負(fù)對(duì)稱整流升壓器完成正負(fù)直流電壓的升壓、穩(wěn)定、恒流、恒壓，輸入直流電壓的穩(wěn)定和升壓，前已詳述。恒流功能是檢測(cè)電阻Rll上的直流電壓完成的，根據(jù)輸入正負(fù)對(duì)稱直流電壓的高低，選擇最佳充電電池的個(gè)數(shù)N，選擇的原則是使得N個(gè)蓄電池的端電壓等于或高于輸入直流電壓，這樣整流升壓器可以根據(jù)電阻Rll上的直流電壓調(diào)整充電流電流達(dá)恒定值，如果N個(gè)蓄電池的端電壓低于輸入直流電壓，則充電電流將會(huì)失去控制。恒壓功能是檢測(cè)C、D兩點(diǎn)的直流電壓完成的，根據(jù)各種蓄電池不同的端電壓，確定恒流轉(zhuǎn)恒壓、恒壓充電的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，根據(jù)輸入正負(fù)對(duì)稱直流電壓的高低，選擇最佳充電電池的個(gè)數(shù)N，選擇的原則與上述恒流的情況相同。圖18所示輸入電壓是單相倍壓整流電路，正負(fù)對(duì)稱310V，如果是正負(fù)對(duì)稱直流電壓，直接接入A、B兩點(diǎn)，如果是三相交流電壓，以雙半波整流方式接入A、B兩點(diǎn)。整流升壓電路產(chǎn)生的恒流、恒壓電源直接進(jìn)入由Q1、Q2和Q19、Q20組成的無損充電部份，由Q12、Q13、Q14、Q16、Q17、Q18等組成的三相微分逆變器從E、F兩點(diǎn)獲得電池正負(fù)對(duì)稱直流電壓，這里寶塔波產(chǎn)生電路和電壓切割電路省略，無損充電、逆變?cè)硪延谇笆?。采用PWM脈寬調(diào)制、以磁芯變壓器或電感傳遞功率、對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生強(qiáng)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(duì)應(yīng)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)，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(jìn)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(jìn)行實(shí)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(dá)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(zhǎng)。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(dòng)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(dá)輸出端，成為輸出功率。采用PWM脈寬調(diào)制、以磁芯變壓器或電感傳遞功率、對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生強(qiáng)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(duì)應(yīng)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)，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(jìn)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(jìn)行實(shí)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(dá)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(zhǎng)。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(dòng)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(dá)輸出端，成為輸出功率。 圖28電路中，由Q12、Q13、Q14、Q16、Q17、Q18等組成的三相微分逆變器，如果去掉Q14、Q16、Q17、Q18組成的逆變器，則成為一個(gè)單相逆變器，其原理和工作過程已經(jīng)于前述。說明本文所有電路圖均出自電力電子仿真軟件SMetrix/SMPLIS 6.0a，可不加修改直接仿真，獲得相同的輸出波形。
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I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I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I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(chǎng)效應(yīng)管Ql、Q2，電感LI，電容Cl組成，場(chǎng)效應(yīng)管Ql的漏極接電容Cl的正極，其源極接場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極，場(chǎng)效應(yīng)管Q2的源極接地，電感LI 一端接場(chǎng)效應(yīng)管Ql的源極，一端接電容Cl的負(fù)極，電容Cl的負(fù)極構(gòu)成端點(diǎn)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(chǎng)效應(yīng)管Ql可以用一個(gè)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(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極。
5.如權(quán)利要求I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(gè)電壓切割電路和一個(gè)N階電容網(wǎng)絡(luò)組成，N階電容網(wǎng)絡(luò)的輸出端接電壓切割電路的輸入端。
6.如權(quán)利要求I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(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管Q9的漏極接電容網(wǎng)絡(luò)的正極，場(chǎng)效應(yīng)管Q12的漏極接電容網(wǎng)絡(luò)的負(fù)極，場(chǎng)效應(yīng)管Q9、Q12的驅(qū)動(dòng)信號(hào)V12是幅值310V的正弦波信號(hào)。
7.如權(quán)利要求I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(luò)由正、負(fù)雙臂組成 a)電容網(wǎng)絡(luò)的正臂由電容(1、03、05、07和場(chǎng)效應(yīng)管03、06、08、011組成，電容Cl的正極接場(chǎng)效應(yīng)管Q3的源極，場(chǎng)效應(yīng)管Q3的漏極接二極管Dl的陰極，電容C3的正極接場(chǎng)效應(yīng)管Q6的源極，場(chǎng)效應(yīng)管Q6的漏極接二極管Dl的陽極和電容Cl的負(fù)極，電容C5的正極接場(chǎng)效應(yīng)管Q8的源極，場(chǎng)效應(yīng)管Q8的漏極接二極管D3的陽極和電容C3的負(fù)極，電容C7的正極接場(chǎng)效應(yīng)管Qll的源極，場(chǎng)效應(yīng)管Qll的漏極接二極管D5的陽極和電容C5的負(fù)極，電容C7的負(fù)極接地，二極管D1、D3、D5的陰極同時(shí)接電容網(wǎng)絡(luò)的正極，即場(chǎng)效應(yīng)管Q9的漏極； b)電容網(wǎng)絡(luò)的負(fù)臂由電容C2、C4、C6、C9和場(chǎng)效應(yīng)管Ql、Q5、Q7、QlO組成，電容C2的負(fù)極接場(chǎng)效應(yīng)管Ql的源極，場(chǎng)效應(yīng)管Ql的漏極接二極管D2的陽極，電容C4的負(fù)極接場(chǎng)效應(yīng)管Q6的源極，場(chǎng)效應(yīng)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(fù)極接場(chǎng)效應(yīng)管Q7的源極，場(chǎng)效應(yīng)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(fù)極接場(chǎng)效應(yīng)管QlO的源極，場(chǎng)效應(yīng)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(shí)接電容網(wǎng)絡(luò)的負(fù)極，即場(chǎng)效應(yīng)管Q12的漏極； c)輸入正直流電壓V4的負(fù)極接地其正極接場(chǎng)效應(yīng)管Q4的漏極，場(chǎng)效應(yīng)管Q4的源極接場(chǎng)效應(yīng)管Qg的漏極，輸入負(fù)直流電壓V6的正極接地，其負(fù)極接場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極，場(chǎng)效應(yīng)管Q2的源極接場(chǎng)效應(yīng)管Q12的漏極； d)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)V1、V2是市電同步方波信號(hào)，正臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)V13、V10、V8、V5和負(fù)臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)VII、V9、Tl、V3也是市電同步方波信號(hào)，但脈寬以每2ms遞減，延時(shí)以每Ims遞增，場(chǎng)效應(yīng)管Q9、Q12的驅(qū)動(dòng)信號(hào)V 12是幅值310V的正弦波信號(hào)。
全文摘要
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(shí)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(diǎn)是，只要把輸入功率中極小部份進(jìn)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(jìn)行實(shí)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(dá)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(zhǎng)，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(hào)H02J3/38GK102624024SQ20111017955
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)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(qǐng)人:郁百超