劉朋飛， 王新光， 洪 光， 陶吉利

(1.太原科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，山西太原030000；2.寧波市江北九方和榮電氣有限公司，浙江寧波315100；3.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江寧波315100)

一種超寬輸入范圍的自供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉朋飛1， 王新光1， 洪 光2， 陶吉利3

(1.太原科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，山西太原030000；2.寧波市江北九方和榮電氣有限公司，浙江寧波315100；3.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江寧波315100)

在電力電子系統(tǒng)中，高電壓大電流的主回路的功率器件兩端擁有豐富的電能。以輸入超寬范圍的反激式開關(guān)電源為核心，設(shè)計(jì)一個(gè)隔離式直流供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)還以可充磷酸鐵鋰電池為輔助電源，并包含保護(hù)電池的電池智能管理系統(tǒng)，且具備雙電源自動(dòng)切換和升壓功能。本系統(tǒng)在輸入50～700 V之間穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)了電能再利用，提高了能源利用率。同時(shí)，有效解決了高壓主回路和低壓控制回路的電氣隔離問(wèn)題，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

超寬輸入；開關(guān)電源；自供電；電池智能管理

隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，電源廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、精密儀器儀表、數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)化生產(chǎn)及電力電子系統(tǒng)中[1]。電源種類繁多，包括開關(guān)電源、不間斷電源(UPS)、逆變電源及自供電電源等。其中，自供電電源雖目前應(yīng)用不甚廣泛，但應(yīng)用潛力巨大。自供電系統(tǒng)中常見的利用風(fēng)能、生物能、太陽(yáng)能、機(jī)械能等其他形式的能量轉(zhuǎn)化成電能[2－3]，應(yīng)用場(chǎng)合多是小功率供電控制系統(tǒng)。而從電力電子系統(tǒng)的高壓器件兩端實(shí)現(xiàn)電能到電能的轉(zhuǎn)換，應(yīng)用在相關(guān)電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路中是一種新穎的自供電設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)電力電子系統(tǒng)控制電路部分多數(shù)采用電池供電或者簡(jiǎn)單的隔離變壓器降壓濾波單獨(dú)供電。低壓控制電路的這種供電模式不僅設(shè)備占據(jù)空間增大，出故障風(fēng)險(xiǎn)增高，而且隨著主回路電壓的增大，電源間的隔離困難，設(shè)備投入成本高、效率低，且不能完全保證控制電路運(yùn)轉(zhuǎn)的及時(shí)、安全、有效。由此，本文設(shè)計(jì)了一套能從電力器件兩端取能，獲取低壓控制電路所需要的5 V直流電壓的自供電系統(tǒng)，以解決設(shè)備占用空間大和電氣隔離困難的問(wèn)題，并提高能源利用率。

圖1 自供電系統(tǒng)框圖

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

本文設(shè)計(jì)的自供電系統(tǒng)框圖如圖1所示。首先通過(guò)阻容吸收和電阻降壓等措施獲取自供電系統(tǒng)的輸入，將500～5 000 V的大功率器件的端電壓降至50～700 V。開關(guān)電源采用超寬輸入范圍的反激式開關(guān)電源，能使輸入范圍25～250 V的交流信號(hào)變換成5 V的直流輸出。變電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步控制輸入電壓的范圍，使開關(guān)電源電路的輸入電壓控制在25～250 V之間。本系統(tǒng)中的磷酸鐵鋰可充電池，在開關(guān)電源正常輸出時(shí)，被切換電路禁止輸出電能；此時(shí)，電池管理電路對(duì)可充電池充電。開關(guān)電源沒(méi)有輸出時(shí)，切換電路將允許可充電池供電?？沙潆姵睾烷_關(guān)電源的輸出，經(jīng)升壓電路提供穩(wěn)定的5 V直流電壓。該直流電源輸出給電力電子功率器件的驅(qū)動(dòng)電路以及其他相關(guān)控制電路，達(dá)到系統(tǒng)自供電。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣有效隔離和能源利用率的提高，且具有雙電源供電、快速切換等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 具有變電阻網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)電源電路

本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)輸入電壓在50～700 V范圍內(nèi)變化時(shí)得到穩(wěn)定的直流電壓輸出，設(shè)計(jì)了具有變電阻網(wǎng)絡(luò)的超寬輸入范圍反激式開關(guān)電源。該電路的設(shè)計(jì)，不僅能夠有效解決輸入大幅度波動(dòng)引起穩(wěn)定的直流電壓輸出困難的問(wèn)題，還能實(shí)現(xiàn)高壓主回路和低壓控制電路的電氣隔離功能[4]。

開關(guān)電源芯片TNY280PN屬于PI公司的Tiny-Switch系列，內(nèi)部集成一個(gè)耐壓700 V功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)。此系列采用ON/OFF控制方案，具有降低系統(tǒng)成本和功率擴(kuò)展的能力。芯片采取降低限流點(diǎn)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)輸入25～250 V、輸出5 V600 mA的超寬輸入電壓范圍的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。該開關(guān)電源設(shè)計(jì)原理如圖2所示。開關(guān)電源工作過(guò)程如下：通過(guò)啟動(dòng)電路向芯片旁路引腳饋電，芯片接受外部供電，即使電路在輸入25 V有效電壓下也可啟動(dòng)工作。啟動(dòng)電路在圖2中是一個(gè)由Q22、Q23、VR2、D4、R4、R6和R42組成的浮動(dòng)恒流源，它能夠在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)為芯片的BP/M引腳提供約為600 μA的恒流。反饋控制通過(guò)光耦合器PC817接收來(lái)自變壓器次級(jí)的反饋，用以使能或禁止電源芯片內(nèi)集成的開關(guān)管，以維持輸出電壓的穩(wěn)定。流經(jīng)光耦合器內(nèi)二極管的電流與使能引腳EN/UV腳的電流成正比。當(dāng)使能引腳電流超過(guò)115 μA的關(guān)斷閾值電流，開關(guān)電源將跳過(guò)開關(guān)周期；低于閾值電流時(shí)，開關(guān)周期將重新開始。

圖2 開關(guān)電源電路原理圖

該電源實(shí)現(xiàn)最大輸出功率是3 W。表1是開關(guān)電源在50 Hz的工頻輸入和10 Ω的電阻負(fù)載下的測(cè)試數(shù)據(jù)。從表1中可見，該電路可以在25～250 V的輸入電壓范圍內(nèi)，保證直流電壓穩(wěn)定輸出。

表1 開關(guān)電源輸入和輸出值

由于開關(guān)電源的工作范圍是25～250 V，因此，在圖2中引入實(shí)框部分的變電阻網(wǎng)絡(luò)，使得濾波后電壓保持在50～700 V之間，保證開關(guān)電源能正常工作。變電阻網(wǎng)絡(luò)主要包括并聯(lián)電阻Rp，串聯(lián)電阻Rs11、Rs12、Rs13，常閉型24 V繼電器控制電路及24 V直流電壓等。系統(tǒng)輸入低于250 V的時(shí)候，三個(gè)繼電器都閉合，短路串聯(lián)電阻；升高到250 V時(shí)，繼電器J1斷開，電阻Rs11串聯(lián)工作。當(dāng)升高到400 V時(shí)，繼電器J2斷開，電阻Rs12串聯(lián)進(jìn)入系統(tǒng)工作；當(dāng)升高到600 V時(shí)，繼電器J3斷開，電阻Rs13串聯(lián)進(jìn)入系統(tǒng)工作。測(cè)試結(jié)果如圖3所示，其中是輸入電壓，是并聯(lián)電阻電壓，是輸出電壓。從圖3中可見，變電阻網(wǎng)絡(luò)能使開關(guān)電源在50～700 V之間穩(wěn)定輸出。

圖3 變阻抗開關(guān)電源輸出電壓

2.2 電池管理電路

可充電池選擇某3.2 V3 Ah的磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池的比能量和壽命等性能優(yōu)于鉛酸電池和氫鎳電池。磷酸鐵鋰電池在鋰離子電池中也具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命長(zhǎng)、發(fā)熱量高；同時(shí)，磷酸鐵鋰電池還擁有良好的環(huán)境安全性[5]。

電池管理電路的控制芯片CN3058可對(duì)磷酸鐵鋰充電電池進(jìn)行恒流/恒壓充電。芯片工作電壓范圍在4～6 V，最大充電電流為1 A。電池管理電路如圖4所示，5 V輸出是開關(guān)電源的輸出，To_Bat輸出給切換電路。LED燈D7、D8作為充電狀態(tài)指示燈。當(dāng)輸入電壓大于電源低電壓檢測(cè)閾值和電池端電壓時(shí)，CN3058開始對(duì)電池進(jìn)行充電。此時(shí)，指示燈D7亮，D8滅，表示充電正在進(jìn)行。如果電池電壓檢測(cè)輸入端(FB)的電壓低于2.05 V，CN3058用正常充電電流的10%對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)電池電壓檢測(cè)輸入端(FB)的電壓超過(guò)2.05 V時(shí)，充電器采用恒流模式對(duì)電池充電，充電電流Ichar由電阻R37確定，如式(1)所示：

圖4 電池管理電路原理圖

表2是電池管理電路對(duì)兩節(jié)3 Ah/3.2 V鐵鋰電池充電測(cè)試結(jié)果，其中代表充電時(shí)間，h；是充電電壓，V；是充電電流，A。從表2可知，可充電池經(jīng)歷短暫的0.05 A預(yù)充電，進(jìn)入0.38 A的恒流充電模式。

表2 恒壓源對(duì)兩節(jié)并聯(lián)鐵鋰電池充電

圖5是電池管理電路對(duì)2 Ω電阻負(fù)載放電時(shí)的測(cè)試結(jié)果圖，時(shí)間單位是分鐘(min)。由圖5可見，電池在大電流放電時(shí)，180 min內(nèi)的電壓變化范圍較小，電池輸出電壓仍然超過(guò)3.1 V。

圖5 兩節(jié)并聯(lián)電池放電電流電壓時(shí)間曲線

2.3 切換電路

切換電路采用美信(Maxim)的MAX4842過(guò)壓保護(hù)控制器芯片。MAX4842為電路提供過(guò)、欠壓保護(hù)，內(nèi)部集成了電壓監(jiān)視電路和N溝道MOS管驅(qū)動(dòng)器。用MOS管作為切換和保護(hù)開關(guān)不僅壓降低，而且可以有效避免二極管中出現(xiàn)的反向漏電問(wèn)題。

切換電路原理圖如圖6所示。該電路利用MAX4842的6號(hào)使能引腳配合分壓電阻R25和R26實(shí)現(xiàn)電源的切換功能。來(lái)自開關(guān)電源的5 V輸出，磷酸鐵鋰電池BT1，共同作為切換電路的輸入；To_Vol_Up是切換電路的輸出。當(dāng)外部開關(guān)電源未接入，使能控制引腳被R25拉低，芯片MAX4842驅(qū)動(dòng)Q11、Q12的柵極為高電平，電池為負(fù)載供電。外部開關(guān)電源接入時(shí)，通過(guò)分壓電阻R25、R26分壓后使能引腳上產(chǎn)生高于1.47 V電壓，芯片關(guān)閉場(chǎng)效應(yīng)管Q11、Q12，電池被禁止輸出；開關(guān)電源經(jīng)二極管D19輸出，實(shí)現(xiàn)兩種電源的快速自動(dòng)切換。該芯片欠壓鎖定門限2.8 V，低于可充電池工作電壓，有效防止電池過(guò)度放電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的放電保護(hù)。該芯片與充電管理芯片共同實(shí)現(xiàn)可充電池充放電的管理功能，保證電池能夠長(zhǎng)時(shí)間維持良好的工作狀態(tài)。

圖6 切換電路原理圖

2.4 升壓電路

升壓電路的控制芯片采用凌力爾特公司LT1930。該芯片采用恒定頻率的內(nèi)部補(bǔ)償電流模式的PWM架構(gòu)可以提供卓越的電壓和負(fù)載調(diào)節(jié)。輸入電壓范圍為2.6～16 V，輸出電壓最大可達(dá)到34 V。本文設(shè)計(jì)的升壓電路輸入電壓范圍為2.8～5.0 V，輸出電壓為5.0 V。

電路原理如圖7所示。To_Vol_Up是來(lái)自切換電路，作為升壓電路的輸入；OUTPUT是升壓電路的輸出，提供電源給晶閘管驅(qū)動(dòng)電路、系統(tǒng)狀態(tài)報(bào)警和保護(hù)電路等。R404和D211指示輸出狀態(tài)，燈亮表示輸出正常。反饋電阻R301和R311控制輸出電壓的大小，關(guān)系式為：

圖7 升壓電路原理圖

表3 升壓電路對(duì)不同阻值電阻負(fù)載測(cè)試結(jié)果表V

2.5 整體功能測(cè)試

完成各部分電路功能后，系統(tǒng)的整體性能還需要經(jīng)過(guò)測(cè)試。本系統(tǒng)所進(jìn)行的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，以臺(tái)基Y76KPM晶閘管驅(qū)動(dòng)電路作為系統(tǒng)負(fù)載，并使驅(qū)動(dòng)電路處于最大功耗狀態(tài)。在保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作前提下，測(cè)試系統(tǒng)輸入的電壓范圍及開關(guān)電源和升壓電路的輸出數(shù)據(jù)，繪制曲線如圖8所示，三條曲線分別是開關(guān)電源輸出電壓、電流和升壓電路輸出電壓。該圖表明，所設(shè)計(jì)的自供電系統(tǒng)在輸入電壓為50～700 V時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定工作。

圖8 系統(tǒng)整體性能測(cè)試

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的自供電系統(tǒng)從高壓功率器件兩端取電實(shí)現(xiàn)5 V直流電壓的穩(wěn)定輸出。變電阻網(wǎng)絡(luò)與超寬輸入范圍反激式開關(guān)電源相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在輸入50～700 V時(shí)穩(wěn)定工作?？沙潆姵睾烷_關(guān)電源的雙電源供電模式及快速切換功能提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。而且，系統(tǒng)具有防止可充電池過(guò)充、過(guò)放保護(hù)功能，延長(zhǎng)磷酸鐵鋰電池的使用壽命。本系統(tǒng)已成功應(yīng)用在某科技企業(yè)的電力電子系統(tǒng)中，有效解決了晶閘管高壓主回路和低壓控制回路的電氣隔離問(wèn)題，具有工作性能穩(wěn)定，能源利用率高等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊化，所占體積小，是應(yīng)用上的一種創(chuàng)新突破。

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圖10 電池組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真誤差

3 結(jié)論

本文從電池基本電學(xué)等效電路出發(fā)，分析三種串聯(lián)電池組等效電路模型，構(gòu)建simulink仿真模型，在實(shí)驗(yàn)識(shí)別電池模型參數(shù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了單體及串聯(lián)電池組充放電過(guò)程仿真，進(jìn)一步利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法提出一種大規(guī)模串聯(lián)電池組的仿真方法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其精度，得到如下結(jié)論：特定實(shí)驗(yàn)條件(如恒定電流、溫度)下辨識(shí)的電池參數(shù)，用于工況條件下的模型仿真誤差較大，高精度的電池模型仿真需要形成不同溫度、充放電倍率、使用區(qū)間的電池參數(shù)庫(kù)；將串聯(lián)電池組直接等效為一個(gè)“大電池”進(jìn)行整體參數(shù)辨識(shí)，Thevenin模型仿真誤差較大，充分考慮電池參數(shù)的離散性有利于電池組仿真；基于單體電池參數(shù)統(tǒng)計(jì)，利用組中單體電池容量、初始SOC、內(nèi)阻等參數(shù)正態(tài)分布規(guī)律進(jìn)行的串聯(lián)電池組仿真有較高的精度，為電池串聯(lián)成組的參數(shù)范圍選擇提供一種計(jì)算機(jī)仿真方法。

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Self powered system design with super wide input range

In power electronic systems,there existed abundant electrical energy at both ends of power devices in the main circuit which had high voltage and large current.Based on one super wide input flyback switching power,an isolated DC power supply system was designed.The rechargeable lithium iron phosphate battery was selected as auxiliary power,and a battery intelligent management system was designed to protect battery and had the function of dual power automatic switching and boosting the obtained voltage.The system was stable when the input voltage ranges from 50 V to 700 V,which realized the reuse of power and improved energy usage efficiency.At the same time,the problem of electrical isolation between the high voltage of the main circuit and the low voltage of the control circuit was effectively solved.The designed system had broad prospects for industrial applications.

super wide input;switching power supply;self-power supply;intelligent battery management

TM912

A

1002-087X(2016)12-2453-04

2016-05-21

劉朋飛（1988—），男，河南省人，碩士，主要研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別與智能系統(tǒng)。