宽电压范围的储能充电电路

技术领域

本申请涉及储能充电技术领域，特别是涉及一种宽电压范围的储能充电电路。

背景技术

在光伏发电系统中，由于光伏直流发电的输入电压仅有20V左右，而户用储能系统的电压一般在40~60V左右，因此需要配置高电压增益的电能变换电路对光伏输入电压进行升压处理。目前，高压户用储能逐渐代替低压储能系统，高压储能系统的电压等级普遍在500V左右，这对电能变换系统提出了更高要求。

传统的经典DC-DC斩波电路，例如BUCK升压电路，BOOST升压电路，ZETA升压电路等，不具备宽电压变换范围的能力，若采用多级电路叠加或者变换器串联升压方式，则在均压均流控制上存在较大难度。单级高增益变换器具有较高升压倍数，但其电路结构上存在过多的电感和开关管器件，使得电路结构较为复杂，体积庞大，实现成本较高，且部分单级高增益变换器不具备隔离功能。而具有隔离功能的隔离型DC-DC变换器，例如LLC，LCC，DAB等拓扑，又由于电压增益很大程度取决于变压器的匝数比，在合理的开关管占空比条件下电压增益依旧较低，电压输出变换范围窄，不具备灵活的电压输出范围调节能力，无法适用于高压储能系统。

发明内容

基于此，本申请提供一种宽电压范围的储能充电电路，克服传统光伏升压电路中存在的不具备隔离性，电压变换范围窄，实现成本过高等缺点，能够在变压器匝数比固定且开关管占空比合理的条件下，具有灵活的电压输出范围调节能力，可获得高电压增益满足于高压储能系统的应用，且实现成本较低。

本申请提供一种宽电压范围的储能充电电路，包括功率开关Q、变压器、升压模块和模式控制模块；所述变压器包括一次侧绕组L

本申请的宽电压范围的储能充电电路，克服了传统光伏升压电路中存在的不具备隔离性，电压变换范围窄，实现成本过高等缺点。本申请的宽电压范围的储能充电电路的技术方案，在储能充电电路中设置了变压器进行升压，能够获得一定的电压增益，且使得充电电路具有隔离性；在变压器的二次侧设置了可改变工作模式的升压模块，升压模块由两个开关、若干电容和若干二极管组成，通过对两个开关的导通关断的控制实现升压模块的拓扑结构变换，即实现升压模块的工作模式的选择，从而使得充电电路的总电压增益可以发生变化，并能够与负载端的储能电池的高电压需求相匹配。

在储能充电电路的工作过程中，变压器的匝数比固定，且功率开关的占空比也维持在一定范围内，因此，本储能充电电路能够在变压器匝数比固定且开关管占空比合理的条件下，具有灵活的电压输出范围调节能力，可获得高电压增益，满足于高压储能系统的应用；并且，该储能充电电路中采用了较少的电感以及开关元件，实现成本较低。

附图说明

图1为本申请一实施例中，宽电压范围的储能充电电路的拓扑结构示意图。

图2-5分别为本申请一实施例中，宽电压范围的储能充电电路在第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式、第四工作模式的输出波形图。

图6为本申请一实施例中，宽电压范围的储能充电电路的第四工作模式的模态1的等效电路图。

图7为本申请一实施例中，宽电压范围的储能充电电路的第四工作模式的模态2的等效电路图。

图8为本申请一实施例中，宽电压范围的储能充电电路的第四工作模式的电容充放电示意图。

图9为本申请一实施例中，宽电压范围的储能充电电路的第四工作模式的二极管通断示意图。

图10为本申请一实施例中，宽电压范围的储能充电电路的整体结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示至少两个。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

本申请一实施例提供的宽电压范围的储能充电电路，可应用于可再生能源分布式发电系统，例如应用于太阳能发电系统、风能发电系统、或光伏发电系统中。本申请实施例中，以宽电压范围的储能充电电路应用于光伏发电系统为例进行说明。

光伏发电系统 （photovoltaic generation system），简称光伏（photovoltaic），是指利用光伏电池的光生伏特效应，将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。

如图1所示，宽电压范围的储能充电电路包括：功率开关Q、变压器、升压模块和模式控制模块。其中，变压器包括一次侧绕组L

在储能充电电路的连接结构上，功率开关Q的第一端用于连接输入电源的正极，并与第二电容C

第一开关S

第一负载端用于连接储能电池的正极，第二负载端用于连接储能电池的负极；储能电池可以为高压户用储能电池。

如图10所示，模式控制模块的输入端用于与储能电池连接，检测储能电池的输出电压信号，模式控制模块的输出端与第一开关S

可选的，本实施例中，输入电源可以为光伏直流输入电源，储能电池可以为高电压需求的可充电电池。

本实施例上述宽电压范围的储能充电电路，克服了传统光伏升压电路中存在的不具备隔离性，电压变换范围窄，实现成本过高等缺点。本实施例的宽电压范围的储能充电电路的技术方案，在充电电路中设置了变压器进行升压，使得储能充电电路具有隔离性；在变压器的二次侧设置了可改变工作模式的升压模块，升压模块由两个开关、若干电容和若干二极管组成，通过对两个开关的导通关断的控制实现升压模块的拓扑结构变换，即实现升压模块的工作模式的选择，从而使得储能充电电路的电压增益可以发生变化，并能够与负载端的储能电池的高电压需求相匹配。

在充电电路的工作过程中，变压器的匝数比固定，且功率开关的占空比也维持在一定范围内，因此，本储能充电电路能够在变压器匝数比固定且开关管占空比合理的条件下，具有灵活的电压输出范围调节能力，可获得高电压增益，满足于高压储能系统的应用；并且，该储能充电电路中采用了较少的电感以及开关元件，整体体积较小，实现成本较低。

以下对储能充电电路的工作方式以及原理进行描述。

在模式控制模块对第一开关S

第一工作模式下，控制第一开关S

第二工作模式下，控制第一开关S

第三工作模式下，控制第一开关S

第四工作模式下，控制第一开关S

由上述电压增益计算公式可知，第一工作模式的电压增益较低，第二工作模式的电压增益中等，第三工作模式的电压增益较高，第四工作模式的电压增益最高，实现电压增益的改变。

结合图2-5来看，相同变压器匝数比，相同功率开关占空比的情况下，四种工作模式下的输出波形均不同。四种工作模式的理想输出电压分别为：300V、450V、600V、750V，考虑实际压降的情况下输出电压分别约为：297V、446V、588、733V，与理想输出电压接近。

在各个工作模式下，开关驱动模块控制功率开关Q的导通或关断，以使升压模块在两个模态之间切换，并通过对功率开关Q的占空比的微调实现输出电压的微调，从而保证了输出电压的稳定性，提高充电电路可靠性。

以下以第四工作模式为例说明一个开关周期内两个工作模态之间的切换。

在第四工作模式下，功率开关Q导通时，升压模块工作于模态1，功率开关Q关断时，升压模块工作于模态2。

结合图5、图6、图8、图9来看，模态1时，功率开关Q导通，第一开关S

结合图5、图7、图8、图9来看，模态2时，模态1时，功率开关Q关断，第一开关S

从图5可以看出，在假定条件（变压器匝数比为1:2，功率开关占空比60%）下，输入电压约为20V，输出电压约733V左右，可以实现最高37.5倍左右的电压变换增益；理想条件下输出电压为750V，因此实际输出电压与预期吻合。

在其他工作模式下，模态1和模态2的电路结构可由第四工作模式下的电路结构变换获得，在此不在赘述。

为了对第一开关S

在一个可选的实施例中，如图10所示，模式控制模块包括电压采样电路、除法电路和比较电路；电压采样电路用于与储能电池连接，检测储能电池上的输出电压信号传输至除法电路；除法电路将参考电压信号V

将比值信号K与第一参考值K

在光伏发电系统中，光伏输入电压会存在不稳定性，这种不稳定性会导致输出端电压存在一定波动，影响到储能充电电路的工作稳定性，对此，可以通过微调功率开关占空比的方式来解决。

为了对功率开关的占空比实现微调，在具体的实施例方式中，如图10所示，储能充电电路还包括开关驱动模块。开关驱动模块的输入端用于与储能电池连接，检测储能电池上的输出电压信号，开关驱动模块的输出端与功率开关Q的第三端连接；开关驱动模块根据输出电压信号获得开关驱动信号，输出至功率开关Q控制其适时导通关断，以对储能充电电路的电压增益进行调节。

在一实施例中，开关驱动模块可包括电压采样电路、电压比较电路、PWM控制器、以及驱动电路；通过电压采样电路对负载端的储能电池进行电压采样获得输出电压信号，再通过电压比较电路将输出电压信号与基准参考信号进行比较，获得比较结果输出至PWM控制器生成开关驱动信号，然后通过驱动电路传输至功率开关的第三端。当输出电压信号存在电压波动时，PWM控制器可微调节开关驱动信号的占空比，以使输出电压信号维持在较为稳定的范围内，提高储能充电电路的可靠性。

需要说明的是，本实施例中对输出电压的粗调是通过控制开关S

上述实施例中，功率开关Q可以为N沟道场效应管。开关驱动模块给场效应管的受控端输送开关驱动信号，开关驱动信号为PWM脉冲调制信号，具有预设占空比，调节开关驱动信号的占空比可以调节充电电路的电压增益，使得输出电压较为稳定。当各个场效应管的栅极和源极之间的电压满足场效应管的导通条件时场效应管导通，否则场效应管关断，因此，可输出对应的PWM脉冲调制信号触发功率开关Q适时导通或关断，从而实现输出电压的微调。

以上实施例记载的宽电压范围的储能充电电路，克服了传统光伏升压电路中存在的不具备隔离性，电压变换范围窄，电感及开关元件多成本过高等缺点，本实施例的技术方案，在储能充电电路中设置了变压器进行升压，使得储能充电电路具有隔离性；在变压器的二次侧设置了可改变工作模式的升压模块，升压模块由两个开关、若干电容和若干二极管组成，通过对两个开关的导通关断的控制实现升压模块的拓扑结构变换，即实现升压模块的工作模式的选择，从而使得储能充电电路的电压增益可以发生变化，并能够与负载端的储能电池的高电压需求相匹配。

在储能充电电路的工作过程中，变压器的匝数比固定，且功率开关的占空比也维持在一定范围内，因此，本储能充电电路能够在变压器匝数比固定且开关管占空比合理的条件下，具有灵活的电压输出范围调节能力，可获得高电压增益，满足于高压储能系统的应用；并且，该储能充电电路中采用了较少的电感以及开关元件，实现成本较低。

另外，本储能充电电路还具有以下特性。通用性，储能充电电路具备超宽的电压增益范围，能够契合新能源光伏发电输入波动性，以及不同电压等级的储能电池，具备较强的通用性。高可靠性，由于储能充电电路具备隔离功能，电路中的磁性元件和开关器件较少，相比于传统升压电路设计，本储能充电电路的电磁干扰问题较少，工作可靠性高。易实现性，整个储能充电电路在实际应用过程中，控制操作逻辑简单，并且半导体器件和电容的电压应力较低，易于实现。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。