用于光储一体机黑启动的系统供电电源

技术领域

本发明涉及光储一体机技术领域，更特别地，涉及一种用于光储一体机黑启动的系统供电电源。

背景技术

新能源的发电占比会持续增加，且以后户用或商用的光储一体机需求会更多，所谓的储能一体机值指得是既可光伏发电又带有储能PCS功能。

针对单相光储一体机，所需电池多为48V电池，因此母线与电池需要隔离DCDC。而光储一体机就存在一种工况，即只有电池情况下需要给电网或负载供电，此种工况称之为“黑启动”。因此如何给隔离DCDC两端的驱动以及控制器供电就成为行业内一个急需解决的问题。

针对这个问题，现有技术中有两种解决方案：

如图1所示，第一种是电池首先给低压辅源供电，低压辅源产生DCDC低压侧MOSFET所需的驱动电压，同时产生一个高压给高压侧辅源，接着高压侧辅源产生控制器与DCDC高压侧驱动所需的电压；随后控制系统开始工作，将BAT的能量通过变压器传输给母线再经过逆变传输给负载或电网；当母线U_bus正常工作会将低压辅源产生的高压顶掉从而无需电池输入耗电；

如图2所示，第二种是高压辅源产生一个低压电源与BAT电池进行互顶输入给低压辅源，由低压辅源产生DCDC高低压侧驱动与控制电源。

但是，这两种方案存在以下问题：

第一、由于变压器体积就决定了功率大小，因此两种方案的反激1都需要准备产生满载条件下的功率消耗，而这2个变压器在实际使用率很低，因此造成成本的提高；

第二、多出来的输出还需要配有二极管，RC滤波电路，滤波电容，增加了整机成本；尤其是在光储一体机行业，副边输出多的会达到4路以上，这样就需要增加多套副边电路；

第三、反激电源实际为BUCK-BOOST(升降压)电源，方案一在一个变压器既要实际降压输出，同时又要实现升压输出，而高压输出又需要带适当的高压电容，在反激1启动时，高压输出一路的电容会需储存很大的能量，因此在启动时极易造成反激一控制误认短路保护，而放开短路保护的灵敏度又会造成真实短路时无法保护；

第四、增加的变压器与电路都需要待机功耗，而现行的光储一体机都是IP65的设计，因此这些增加的待机功耗都会造成机器内部温升较高；

第五、两个变压器加上外围电路非常占PCB面积，与“高功率密度”的发展趋势不符。

基于此，需要一种新的解决方案。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种用于光储一体机黑启动的系统供电电源，包括母线输入、电池输入、变压器、旁路模块和电压环路模块，母线输入绕组与电池输入绕组绕制在同一变压器的原边，上电后，如果母线输入没有上电，则电池输入有效，由所述电池输入通过电压环路模块在变压器的副边产生能量供控制器与半导体驱动使用，控制器带电后通过主功率隔离DCDC给母线进行充电；母线电压被充起后，通过旁路模块使电池输入失效，由母线输入通过电压环路模块开始为变压器的副边供电。

在本发明提供的用于光储一体机黑启动的系统供电电源中，所述母线输入有效时在最小工作电压条件下的启动时间短于所述电池输入有效时工作在最高电压条件下的启动时间。

在本发明提供的用于光储一体机黑启动的系统供电电源中，所述变压器的电池输入绕组的线径按安全载流量的1.5倍设计。

在本发明提供的用于光储一体机黑启动的系统供电电源中，所述旁路模块包括比较电路、回差电路、隔离电路和旁路电路，所述比较电路用于判断所述母线输入是否达到工作电压，在所述母线达到工作电压时通过所述隔离电路输出控制信号控制所述旁路电路使得所述电池输入无法正常工作。

在本发明提供的用于光储一体机黑启动的系统供电电源中，5.所述比较电路包括第一电阻R1、第二电阻R2与第一电压比较器U1，所述回差电路包括第一三极管Q1、第三电阻R3和第六电阻R6，第四电阻R4、第五电阻R5、第七电阻R7、第二三极管Q2和第一光电耦合器U2，所述旁路电路包括MOS管Q3、第八电阻R8和第九电阻R9；

所述第一电阻R1的第一端连接所述母线正极，所述第四电阻R4的第一端和所述第五电阻R5的第一端连接输入辅源的母线PWM控制器的Vcc引脚，所述第一电阻R1的第二端连接所述第二电阻R2的第一端、所述第三电阻R3的第二端和所述第一电压比较器U1的第一端，所述第一电压比较器U1的第二端连接于所述第六电阻R6的第二端、所述第五电阻R5的第二端和所述第七电阻R7的第一端，所述第六电阻R6的第一端连接所述第一三极管Q1的第一端，所述第一三极管Q1的第三端连接所述第三电阻R3的第一端，所述第七电阻R7的第二端连接所述第二三极管Q2的第一端，所述第二三极管Q2的第二端连接所述第一光电耦合器U2的第二端，所述第一光电耦合器U2的第一端连接所述第四电阻R4的第二端，所述第二电阻R2的第二端、所述第一三极管Q1的第二端、所述第一电压比较器U1的第三端、所述第二三极管Q2的第三端连接所述母线负极；

所述第一光电耦合器U2的第四端连接所述第八电阻R8的第二端、所述第九电阻R9的第一端、所述MOS管Q3的栅极，所述第八电阻R8的第一端连接所述电池输入的电池PWM控制器的Vcc引脚，所述MOS管Q3的漏极连接所述电池输入的电池PWM控制器的控制引脚，所述第一光电耦合器U2的第三端、所述第九电阻R9的第二端连接所述电池输入的电池PWM控制器的GND引脚，所述MOS管Q3的源极连接电压环路模块。

在本发明提供的用于光储一体机黑启动的系统供电电源中，还包括连接于所述变压器副边的所述电压环路模块，所述电压环路模块包括电压比较电路、多个限流电阻、第二光电耦合器U4、第三光电耦合器U5和滤波电路。

在本发明提供的用于光储一体机黑启动的系统供电电源中，7.所述电压比较电路包括第十八电阻R18、第十九电阻R19和第二电压比较器U6，所述滤波电路包括第十六电阻R16、第十七电阻R17和第一电容C1；

第十二电阻R12和第十三电阻R13串联后并联在所述第二光电耦合器U4的第一端和第二端之间，所述第二光电耦合器U4的第一端还连接于第十一电阻R11的第一端，所述第二光电耦合器U4的第二端还连接于第三光电耦合器U5的第一端，第十四电阻R14和第十五电阻R15串联后并联在所述第三光电耦合器U5的第一端和第二端之间，所述第三光电耦合器U5的第二端还连接于第二电压比较器U6的第二端和第十六电阻R16的第一端和第十七电阻R17的第一端；

第十七电阻R17的第二端连接第一电容C1的第一端，第一电容C1的第二端、第十六电阻R16的第二端、第二电压比较器U6的第一端、第十九电阻R19的第一端连接于第十八电阻R18的第二端，第十八电阻R18的第一端、第十一电阻R11的第二端连接于第十电阻R10的第一端，第十电阻R10的第二端连接所述变压器副边，第二电压比较器U6的第三端连接于第十九电阻R19的第二端；

第二光电耦合器U4的第三端连接所述母线输入的母线PWM控制器的GND引脚，第二光电耦合器U4的第四端连接所述母线输入的母线PWM控制器的控制引脚，第三光电耦合器U5的第三端连接所述电池输入的电池PWM控制器的GND引脚，第三光电耦合器U5的第四端连接经由所述MOS管Q3连接所述电池输入的电池PWM控制器的控制引脚。

在本发明提供的用于光储一体机黑启动的系统供电电源中，还包括连接于所述变压器副边的过压保护电路，所述过压保护电路包括第四光电耦合器U7、第五光电耦合器U8、第三电压比较器U9、第二十电阻R20、第二十一电阻R21和第二十二电阻R22，

第四光电耦合器U7的第一端连接于第二十电阻R20的第一端，第四光电耦合器U7的第二端连接于第五光电耦合器U8的第一端，第五光电耦合器U8的第二端连接于第三电压比较器U9的第二端，第三电压比较器U9的第三端连接第二十二电阻R22的第二端，，第三电压比较器U9的第一端连接第二十二电阻R22的第一端和第二十一电阻R21的第二端，第二十一电阻R21的第一端连接于第二十电阻R20的第二端和所述变压器副边，

第四光电耦合器U7的第三端连接所述母线输入的母线PWM控制器的GND引脚，第四光电耦合器U7的第四端连接所述母线输入的母线PWM控制器的控制引脚，第五光电耦合器U8的第三端连接所述电池输入的电池PWM控制器的GND引脚，第五光电耦合器U8的第四端连接经由所述MOS管Q3连接所述电池输入的电池PWM控制器的控制引脚。

实施本发明的用于光储一体机黑启动的系统供电电源，具有以下有益效果：本发明提供的用于光储一体机黑启动的系统供电电源，通过将原有的母线输入与电池输入绕制于同一变压器的原边，母线输入没有上电时则通过电池输入为母线输入充电；母线输入上电后，则通过旁路模块旁路电池输入，由母线输入为变压器的副边供电；同时，将电源输出绕制在同一个变压器的副边，母线输入与电池输入的输出共用一套电路，即可在同一变压器实现所有的输入输出；由此，可最大限度降低变压器和相应外围电路的成本与PCB面积；通过主从设计，两个电源只能一个工作，这样可以降低不必要的功耗，降低逆变器内部温升；电池输入无需考虑输出一个高压源，这样就无需增加电流保护阈值，从而可有效进行输出短路保护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1所示为现有技术中方案一的原理示意图；

图2所示为现有技术中方案二的原理示意图；

图3所示是本发明一实施例提供的一种用于光储一体机黑启动的系统供电电源的框图；

图4所示为旁路模块的电路图；

图5所示为电压环路模块的电路图；

图6所示为过压保护电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的总体思路是：针对现有技术中用于光储一体机的供电电源需要两个变压器而造成的配套电路增加、功耗增加以及成本增加等问题，提供一种用于光储一体机黑启动的系统供电电源，通过将原有的母线输入与电池输入绕制于同一变压器的原边，母线输入没有上电时则由电池输入为母线输入充电；母线输入上电后，则通过旁路模块使旁路电池输入，由母线输入为变压器的副边供电；同时，将电源输出绕制在同一个变压器的副边，母线输入与电池输入的输出共用一套电路，即可在同一变压器实现所有的输入输出；由此，可最大限度降低变压器和相应外围电路的成本与PCB面积；通过主从设计，两个电源只能一个工作，这样可以降低不必要的功耗，降低逆变器内部温升；电池输入无需考虑输出一个高压源，这样就无需增加电流保护阈值，从而可有效进行输出短路保护。

图3所示是本发明一实施例提供的一种用于光储一体机黑启动的系统供电电源的框图。如图3所示，在本发明提供的用于光储一体机黑启动的系统供电电源中，所述母线输入和所述电池输入绕制在所述变压器的原边，则该电源有2个输入，分别为母线(U_bus)输入与电池(BAT)输入；同时该电源所有的输出只有一套，即原有的2种电源输出共用一套电路，并与输入绕制在同一个变压器的副边上。同时，输入采用主从结构，主输入为母线输入，从输入为电池输入，即当母线上电后，要求电池输入绕组无法起到作用。采用“二合一”的设计思路，可最大限度降低变压器和相应外围电路的成本与PCB面积。

具体地，上电后，首先判断母线输入有没有上电，其中，母线只要带电则母线输入的PWM芯片就可以开始工作，即表示母线输入上电；如果所述母线输入没有上电，则通过所述电池输入为所述母线输入充电，即电池输入有效，由电池输入通过电压环路模块在变压器的副边产生能量供控制器与半导体驱动使用，控制器带电后通过主功率隔离DCDC给母线进行充电；所述母线电压被充起后，则通过旁路模块旁路使电池输入失效，由所述母线输入通过电压环路模块为所述变压器的副边供电。2个电源只能一个工作，这样可以降低不必要的功耗，降低逆变器内部温升；同时，电池输入无需考虑输出一个高压源，这样就无需增加电流保护阈值，从而可有效进行输出短路保护。

具体地，在本发明一实施例中，母线输入有效时在最小工作电压条件下的启动时间短于所述电池输入有效时工作在最高电压条件下的启动时间，即当母线和电池同时供电时，母线输入逻辑判断时间短于电池输入，以确保在电池和母线同时供电时，母线先上电。

具体地，在本发明一实施例中，所述变压器的电池输入绕组的线径安全载流量的1.5倍设计。由于电池输入一旦工作有效后，母线输入就会有切入而旁路电池输入，因此电池输入绕组无需过设计。

具体地，在本发明一实施例中，设计有旁路模块，即当母线达到工作电压后，可以对电池输入进行旁路，防止两个输入同时工作。图4所示为旁路模块的电路图，如图4所示，该旁路模块包括：第一电阻R1、第二电阻R2与第一电压比较器U1组成的比较电路；第一三极管Q1、第三电阻R3和第六电阻R6组成的回差电路；第四电阻R4、第五电阻R5、第七电阻R7、第二三极管Q2和第一光电耦合器U2组成的隔离电路；MOS管Q3、第八电阻R8和第九电阻R9组成的旁路电路。所述比较电路判断所述母线输入是否达到工作电压，在所述母线达到工作电压时通过所述隔离电路输出控制信号控制所述旁路电路使得所述电池输入无法正常工作。

进一步地，如图4所示，所述第一电阻R1的第一端连接所述母线正极，所述第四电阻R4的第一端和所述第五电阻R5的第一端连接输入辅源的母线PWM控制器的Vcc引脚，所述第一电阻R1的第二端连接所述第二电阻R2的第一端、所述第三电阻R3的第二端和所述第一电压比较器U1的第一端，所述第一电压比较器U1的第二端连接于所述第六电阻R6的第二端、所述第五电阻R5的第二端和所述第七电阻R7的第一端，所述第六电阻R6的第一端连接所述第一三极管Q1的第一端，所述第一三极管Q1的第三端连接所述第三电阻R3的第一端，所述第七电阻R7的第二端连接所述第二三极管Q2的第一端，所述第二三极管Q2的第二端连接所述第一光电耦合器U2的第二端，所述第一光电耦合器U2的第一端连接所述第四电阻R4的第二端，所述第二电阻R2的第二端、所述第一三极管Q1的第二端、所述第一电压比较器U1的第三端、所述第二三极管Q2的第三端连接所述母线负极(也是母线输入的母线PWM控制器的GND引脚)；所述第一光电耦合器U2的第四端连接所述第八电阻R8的第二端、所述第九电阻R9的第一端、所述MOS管Q3的栅极，所述第八电阻R8的第一端连接所述电池输入的电池PWM控制器的Vcc引脚，所述MOS管Q3的漏极连接所述电池输入的电池PWM控制器的控制引脚，所述第一光电耦合器U2的第三端、所述第九电阻R9的第二端连接所述电池输入的电池PWM控制器的GND引脚，所述MOS管Q3的源极连接电压环路模块。

具体地，如图4所示，其中U_bus_Vcc为母线输入的控制芯片供电，U_bat_Vcc为电池输入的控制芯片供电，当两者达到阈值电压后，控制芯片就开始工作，同时供电电压也会有适当的下降。当第二电阻R2的电压高于阈值Vref时(即母线输入上电)，第一电压比较器U1输出低电平，第一三极管Q1被截止，第二三极管Q2和第一光电耦合器U2被导通，MOS管Q3被截止，电池PWM控制器的电压环控制脚无法与电压环路模块相连，从而造成电池PWM控制器默认输出过压，造成电池输入无法工作；当第二电阻R2的电压低于阈值V.ref时(即母线输入下电)，第一电压比较器U1输出高电平，第一三极管Q1被导通，第二三极管Q2和第一光电耦合器U2被截止，MOS管Q3被导通，电池PWM控制器电压环控制脚与电压环路模块相连，电池输入开始有效。

进一步地，在本发明一实施例中，在该电源的副边连接有一个电压环，可工作在母线输入有效或电池输入有效时，将母线输入有效或电池输入的电压输出到副边，供副边的负载或控制器等使用，两种电源输出共用一套电压环路模块进行输出，进一步节约了成本。如图5所示，该电压环路模块包括第十八电阻R18、第十九电阻R19和第二电压比较器U6组成的电压比较电路；多个限流电阻、第二光电耦合器U4、第三光电耦合器U5和滤波电路。其中，该滤波电路可采用1型，2型或3型，在图5所示的实施例中采用的是2型滤波电路。

进一步地，第十二电阻R12和第十三电阻R13串联后并联在所述第二光电耦合器U4的第一端和第二端之间，所述第二光电耦合器U4的第一端还连接于第十一电阻R11的第一端，所述第二光电耦合器U4的第二端还连接于第三光电耦合器U5的第一端，第十四电阻R14和第十五电阻R15串联后并联在所述第三光电耦合器U5的第一端和第二端之间，所述第三光电耦合器U5的第二端还连接于第二电压比较器U6的第二端和第十六电阻R16的第一端和第十七电阻R17的第一端；第十七电阻R17的第二端连接第一电容C1的第一端，第一电容C1的第二端、第十六电阻R16的第二端、第二电压比较器U6的第一端、第十九电阻R19的第一端连接于第十八电阻R18的第二端，第十八电阻R18的第一端、第十一电阻R11的第二端连接于第十电阻R10的第一端，第十电阻R10的第二端连接所述变压器副边，第二电压比较器U6的第三端连接于第十九电阻R19的第二端；第二光电耦合器U4的第三端连接所述母线输入的母线PWM控制器的GND引脚，第二光电耦合器U4的第四端连接所述母线输入的母线PWM控制器的控制引脚，第三光电耦合器U5的第三端连接所述电池输入的电池PWM控制器的GND引脚，第三光电耦合器U5的第四端连接经由所述MOS管Q3连接所述电池输入的电池PWM控制器的控制引脚。

进一步地，如图5所示，当母线辅源输入上电时，MOS管Q3被截止，第二光电耦合器U4可将电压环路模块输出连接上母线PWM控制器；当母线辅源输入下电时，MOS管Q3被导通，第二光电耦合器U4与第三光电耦合器U5可同时将电压环路模块输出连接上母线PWM控制器和电池PWM控制器，但由于母线辅源输入已经下电，因此只有电池PWM控制器有效工作。

进一步地，在本发明一实施例中，为了防止在电池输入切到母线输入存在的瞬间过压现象，还包括连接在副边的过压保护电路。如图6所示，所述过压保护电路包括第四光电耦合器U7、第五光电耦合器U8、第三电压比较器U9、第二十电阻R20、第二十一电阻R21和第二十二电阻R22；第四光电耦合器U7的第一端连接于第二十电阻R20的第一端，第四光电耦合器U7的第二端连接于第五光电耦合器U8的第一端，第五光电耦合器U8的第二端连接于第三电压比较器U9的第二端，第三电压比较器U9的第三端连接第二十二电阻R22的第二端，第三电压比较器U9的第一端连接第二十二电阻R22的第一端和第二十一电阻R21的第二端，第二十一电阻R21的第一端连接于第二十电阻R20的第二端和所述变压器副边；第四光电耦合器U7的第三端连接所述母线输入的母线PWM控制器的GND引脚，第四光电耦合器U7的第四端连接所述母线输入的母线PWM控制器的控制引脚，第五光电耦合器U8的第三端连接所述电池输入的电池PWM控制器的GND引脚，第五光电耦合器U8的第四端连接经由所述MOS管Q3连接所述电池输入的电池PWM控制器的控制引脚。

如图6所示，第二十电阻R20为限流电阻，可将第四光电耦合器U7和第五光电耦合器U8工作饱和区，第二十一电阻R21、第二十二电阻R22和第三电压比较器U9组成分电压比较电路。当输出电压超过阈值时，第三电压比较器U9输出低电平，第四光电耦合器U7和第五光电耦合器U8饱和导通；当输出电压低于阈值时，第三电压比较器U9输出高电平，第四光电耦合器U7和第五光电耦合器U8截止。

上文已经描述了本发明的某些具体实施例。注意，在此使用的术语仅为了描述具体实施例而并非旨在于限制公开内容。例如，除非上下文另有明示,在此使用的单数形式“一个/一种”和“该”旨在于也包括复数形式。还将理解措词“包括”在使用于本说明书中时指定存在声明的特征、整件、步骤、操作、单元和/或部件而未排除存在或者添加一个或者多个其他特征、整件、步骤、操作、单元、部件和/或其组合。

尽管已经在上文参考附图描述了本发明的若干实施例，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施例。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。所附权利要求的范围符合最宽泛的解释，从而包含所有这样的修改及等同结构和功能。