本發明涉及充電裝置及其控制方法，尤其是一種風電變槳系統后備電源用充電裝置及其充電控制方法。

背景技術：

隨著風電事業的發展，變槳控制系統的控制和設計不斷優化完善，尤其是安全設計，而后備電源作為風機安全運行的重要保護措施之一，其充電裝置的設計直接影響著它的使用壽命以及應用的可靠性和靈活性。

在變槳系統應用中，充電裝置以浮充充電方式進行充電，即先進行恒流充電，待后備電源電壓達到浮充電壓后，再進行涓流充電。目前，很多充電裝置只能輸出固定的充電電壓，無法根據后備電源額定電壓進行調節,且不同發電功率的風機所配備變槳系統的后備電源額定電壓也不盡相同，因此，充電電壓固定的充電裝置無法適用于不同發電功率的風機，這就導致了這類充電裝置的適用性大大降低。

同時，常見的充電裝置也不具備溫度補償功能，而風機運行環境惡劣，溫度變化范圍大，在環境溫度較高時，較高的充電電壓長時間充電容易造成后備電源過沖，減少后備電源使用壽命，從而增加維護成本；在環境溫度較低時，又無法使后備電源電壓達到實際充滿狀態，影響收槳速度，甚至無法將槳葉收至安全位置，存在安全隱患。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了解決現有技術中存在的上述問題，通過提出了一種可以根據不同后備電源額定電壓調制的且具有溫度補償功能的風電變槳系統后備電源用充電裝置及其充電控制方法。

本發明的目的將通過以下技術方案得以實現：

風電變槳系統后備電源用充電裝置，與上位機及采集后備電源溫度的溫度采集電路連接通信，包括微處理器，所述微處理器產生期望充電電流控制信號、期望充電電壓控制信號及期望溫度補償控制信號并分別輸送給與其耦合的電流信號放大調制電路、電壓信號放大調制電路、溫度信號放大調制電路，所述電流信號放大調制電路與充電電流控制電路耦合，所述電壓信號放大調制電路、溫度信號放大調制電路均與充電電壓及溫度補償控制電路耦合，所述充電電流控制電路及充電電壓及溫度補償控制電路構成控制雙管正激電路輸出的充電電壓的控制電路。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源用充電裝置，其中：所述電流信號放大調制電路包括第一放大器和第二放大器，所述第一放大器的正向輸入引腳通過兩級RC濾波電路連接充電電流調制信號端，第一級RC濾波電路包括第二電阻與第一電容，第二級RC濾波電路包括第三電阻與第二電容，所述充電電流調制信號端通過第一電阻接+3.3V電源端，所述第一放大器的反向輸入引腳通過第四電阻連接電源地，所述第一放大器的輸出引腳和反向輸入引腳之間設置第五電阻，所述第一放大器的輸出引腳通過第六電阻連接所述第二放大器的正向輸入引腳，第二放大器的正向輸入引腳還通過第七電阻連接電源地，所述第二放大器的反向輸入引腳和輸出引腳之間還設置第八電阻，所述第二放大器的輸出引腳輸出充電電流控制信號。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源用充電裝置，其中：所述充電電流調制信號端的調節充電電流的占空比大小滿足如下公式：

其中，D1是調節充電電流的占空比大小，I指需要設定的電流，Io是恒流充電時的電流，一般即充電器的額定輸出電流，V1是計算D1數學關系時電路的電流環基準電壓，K1是根據所述電流信號放大調制電路的參數計算的比例增益參數，取值在0.1～10之間。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源用充電裝置，其中：所述電壓信號放大調制電路包括第三放大器和第四放大器，所述第三放大器的正向輸入引腳通過兩級RC濾波電路連接充電電壓調制信號端，第五級RC濾波電路由第十電阻與第三電容構成，第六級RC濾波電路由第十一電阻與第四電容構成，所述充電電壓調制信號端與+3.3V電源之間設置第九電阻，所述第三放大器的反向輸入引腳通過第十二電阻連接電源地，所述第三放大器的反向輸入引腳和輸出引腳之間設置第十三電阻，所述第三放大器的輸出引腳通過第十四電阻連接所述第四放大器的正向輸入引腳，所述第四放大器的正向輸入引腳還通過第十五電阻連接電源地，所述第四放大器的反向輸入引腳和輸出引腳之間設置第十六電阻，所述第四放大器的輸出引腳輸出充電電壓控制信號。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源用充電裝置，其中：所述充電電壓調制信號端的調節充電電壓的占空比大小滿足如下公式：

其中，D2是調節充電電壓的占空比大小，t是后備電源電壓和充電電壓的比值，V_batt指后備電源額定電壓，Vo是恒壓充電時的電壓大小，一般即充電器的額定輸出電壓，V2是計算D2數學關系時電路的電壓環基準電壓，K2是根據所述電壓信號放大調制電路的參數計算的比例增益參數，取值在0.1～10000之間。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源用充電裝置，其中：所述溫度信號放大調制電路包括第五放大器，所述第五放大器的正向輸入引腳通過兩級RC濾波電路接溫度補償調制信號端及接電源地，第三級RC濾波電路包括第十七電阻與第五電容，第四級RC濾波電路包括第十八電阻與第六電容，所述第五放大器的反向輸入引腳通過第十九電阻連接電源地，所述第五放大器的反向輸入引腳和輸出引腳之間設置第二十電阻和第二十一電阻，所述第五放大器的輸出引腳通過第二十二電阻連接溫度補償控制信號輸出端。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源用充電裝置，其中：所述溫度補償調制信號端的調節溫度補償的占空比大小滿足如下公式：

其中，D3是調節溫度補償的占空比大小，Kd是根據充電電壓及溫度補償控制電路參數計算的比例增益常數K與調節充電電壓的占空比D2的乘積，Ka是由鉛酸電池特性決定的常系數與后備電源額定電壓參數Vbatt的乘積，ΔT指溫度補償的溫度差，Kc是根據充電電壓及溫度補償控制電路參數計算的比例增益常數。

風電變槳系統后備電源用充電裝置的充電控制方法，包括如下步驟：

S1，微處理器接收上位機輸入的后備電源期望充電電流參數，計算輸出期望充電電流調制信號，經電流信號放大調制電路處理后，通過充電電流控制電路輸出至雙管正激電路；

S2，微處理器接收上位機輸入的后備電源額定電壓參數，計算輸出期望充電電壓調制信號，經電壓信號放大調制電路處理后，再通過充電電壓及溫度補償控制電路輸出至雙管正激電路；

S3，微處理器接收上位機輸入的后備電源額定電壓參數及溫度采集電路采集的后備電源溫度，計算輸出溫度補償調制信號，經溫度信號放大調制電路處理后，再通過充電電壓及溫度補償控制電路輸出至雙管正激電路；

S4，所述雙管正激電路接收處理后的期望充電電流調制信號、期望充電電壓調制信號及溫度補償調制信號進行處理后輸出充電電壓。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源用充電裝置的充電控制方法，其中：所述后備電源額定電壓參數的范圍在0～276V之間，且參數精度為1V。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源用充電裝置的充電控制方法，其中：所述溫度補償調制信號用以當后備電源溫度高于20℃的設定溫度時，減小充電裝置的充電電壓，以及當后備電源溫度低于20℃的設定溫度時，加大充電裝置的充電電壓。

本發明技術方案的優點主要體現在：

本發明設計合理，通過調整后備電源的額定電壓參數，可以適用不同額定電壓的后備電源的充電要求，參數設計簡單、直觀、快捷，提高了充電裝置應用的廣泛性和靈活性，溫度補償功能既保護了后備電源又提高了后備電源輸出電壓的穩定性，為風機的安全、穩定運行提供了更加可靠的保障，同時也有利于延長后備電源的適用壽命。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2是本發明的充電電流信號放大調制電路圖；

圖3是本發明的充電電壓信號放大調制電路圖；

圖4是本發明的溫度控制信號放大調制電路圖；

圖5是本發明中充電電流控制電路及充電電壓及溫度補償控制電路構成的控制電路。

具體實施方式

本發明的目的、優點和特點，將通過下面優選實施例的非限制性說明進行圖示和解釋。這些實施例僅是應用本發明技術方案的典型范例，凡采取等同替換或者等效變換而形成的技術方案，均落在本發明要求保護的范圍之內。

本發明揭示的風電變槳系統后備電源用充電裝置，如附圖1所示，與上位機1及采集后備電源溫度的溫度采集電路連接通信，包括微處理器2，所述微處理器2產生期望充電電流控制信號、期望充電電壓控制信號及期望溫度補償控制信號并分別輸送給與其耦合的電流信號放大調制電路3、電壓信號放大調制電路4、溫度信號放大調制電路5，所述電流信號放大調制電路3與充電電流控制電路6耦合，所述電壓信號放大調制電路4、溫度信號放大調制電路5均與充電電壓及溫度補償控制電路7耦合，所述充電電流控制電路6及充電電壓及溫度補償控制電路7構成控制雙管正激電路8輸出的充電電壓的控制電路9。

其中，如附圖2所示，所述電流信號放大調制電路3包括第一放大器U9-B和第二放大器U9-C，所述第一放大器U9-B的正向輸入引腳通過兩級RC濾波電路連接充電電流調制信號端D1，第一級RC濾波電路包括第二電阻R65與第一電容C42，第二級RC濾波電路包括第三電阻R66與第二電容C43，所述充電電流調制信號端D1通過第一電阻R89接+3.3V電源端，所述第一放大器U9-B的反向輸入引腳通過第四電阻R67連接電源地，所述第一放大器U9-B的輸出引腳和反向輸入引腳之間設置第五電阻R68，所述第一放大器U9-B的輸出引腳通過第六電阻R64連接所述第二放大器U9-C的正向輸入引腳，第二放大器U9-C的正向輸入引腳還通過第五第七電阻R63連接電源地，所述第二放大器U9-C的反向輸入引腳和輸出引腳之間還設置第八電阻R79，所述第二放大器U9-C的輸出引腳輸出充電電流控制信號AO1。

根據所述電流信號放大調制電路可得，所述充電電流控制信號端AO1的電壓V_AO1與充電電流調制信號端D1的調節充電電流的占空比大小的關系滿足公式(1)

V_AO1＝k₁·D₁ (1)

其中，k₁為已知量，由電流信號放大調制電路確定；D1是調節充電電

流的占空比大小，K1是根據該電流信號放大調制電路參數計算的比例

增益參數，一般為0.1～10之間不等

當V_AO1＝V₁時， (2)

其中，V1是計算D1數學關系時電路的電流環基準電壓，根據充電電流比較器控制電路可得充電電流

I_out＝I_o (3)

其中，Io是恒流充電時的電流，一般即充電器的額定輸出電流，因此，當輸出電流為Io時，對應充電電流調制電路的控制信號端電壓為V₁，當輸出電流為I時，對應充電電流調制電路的控制信號端電壓為V_AO1＝K1*D1，調制電路特性針對兩種輸入、輸出信號的比例關系一樣，因此有由上述式(1)～(3)可得V_AO1/V1＝I/Io，即

其中，I為需要設定的電流

因此，可以得到

同時，如附圖3所示，所述電壓信號放大調制電路4包括第三放大器U9-A和第四放大器U9-D，所述第三放大器U9-A的正向輸入引腳通過兩級RC濾波電路連接充電電壓調制信號端D2，第五級RC濾波電路由第十電阻R70與第三電容C44構成，第六級RC濾波電路由第十一電阻R71與第四電容C45構成，所述充電電壓調制信號端D2與+3.3V電源之間設置第一第九電阻R90，所述第三放大器U9-A的反向輸入引腳通過第二第十二電阻R72連接電源地，所述第三放大器U9-A的反向輸入引腳和輸出引腳之間設置第三第十三電阻R73，所述第三放大器U9-A的輸出引腳通過第四第十四電阻R74連接所述第四放大器U9-D的正向輸入引腳，所述第四放大器U9-D的正向輸入引腳還通過第五第十五電阻R69連接電源地，所述第四放大器U9-D的反向輸入引腳和輸出引腳之間設置第六第十六電阻R80，所述第四放大器U9-D的輸出引腳輸出充電電壓控制信號AO2。

根據所述電壓信號放大調制電路4可得，所述充電電壓控制信號端AO2的電壓V_AO2與充電電壓調制信號端D2的調節充電電壓的占空比大小的關系為：

V_AO2＝k₂·D₂ (4)

其中，k₂為已知量，由電壓信號放大調制電路確定，是根據該電路參數計算的比例增益參數，一般為0.1～10000之間不等，D2是調節充電電壓的占空比大小；

當V_AO2＝V₂時 (5)

其中，V2是計算D2數學關系時電路的電壓環基準電壓；

據充電電壓及溫度補償比較器控制電路可得充電電壓V_out

V_out＝V_o (6)

其中，Vo是恒壓充電時的電壓大小，一般即充電器的額定輸出電壓；

又據蓄電池充電特性得到V_out與后備電源額定電壓V_batt的關系式為

V_out＝t·V_batt (7)

其中，t為已知量，是后備電源電壓和充電電壓的比值，一般來說V_batt的后備電源電壓需要的充電器充電電壓需要比V_batt大一點，才能持續充電，范圍一般1～1.5之間。

因此，由上述式(4)～(7)可得：

因此，

進一步，如附圖4所示，所述溫度信號放大調制電路5包括第五放大器U12-D，所述第五放大器U12-D的正向輸入引腳通過兩級RC濾波電路接溫度補償調制信號端D3及接電源地，第三級RC濾波電路包括第十七電阻R15與第五電容C25，第四級RC濾波電路包括第十八電阻R52與第六電容C39，所述第五放大器U12-D的反向輸入引腳通過第一第十九電阻R53連接電源地，所述第五放大器U12-D的反向輸入引腳和輸出引腳之間設置第二第二十電阻R54和第三第二十一電阻R61，所述第五放大器U12-D的輸出引腳通過第四第二十二電阻R116連接溫度補償控制信號輸出端AO3。

根據溫度信號放大調制電路5可得，所述溫度補償控制信號端AO3的電壓V_AO3與溫度補償調制信號端D3的調節溫度補償的占空比大小的關系為

V_AO3＝k₃·D₃ (8)其中，k₃為已知量，由溫度信號放大調制電路確定；D3是調節溫度補償的占空比大小；

根據蓄電池溫升說明可知蓄電池每1V每升高1℃的補償量為V_a(9)

根據充電電壓及溫度補償比較器控制電路、后備電源額定電壓參數V_batt和上述期望充電電壓調制信號端的調節充電電壓的占空比大小D2，溫度補償電壓V_b為：

V_b＝k_b·D₂+k_c·V_AO3＝k_d+k_c·V_AO3 (10)

其中，k_b,k_c由充電電壓及溫度補償比較器控制電路確定，Kd是根據充電電壓及溫度補償控制電路參數計算的比例增益常數K與調節充電電壓的占空比D2的乘積，即Kd＝K*D2，Kc是根據充電電壓及溫度補償控制電路參數計算的比例增益常數；從上式可得：

風電變槳系統用充電裝置的充電控制方法中，設計當后備電源溫度為20℃，溫度補償電壓為0v，溫度補償的溫度差ΔT為：

ΔT＝T-20 (11)

其中，T為溫度采集電路采集的后備電源溫度；

由上述式(8)～(11)可得：

k_d+k_c·V_AO3＝k_a·ΔT，公式左邊是溫度補償電壓V_b，右邊是溫度升高ΔT時對應的溫度補償值，Ka是由鉛酸電池特性決定的常系數與后備電源額定電壓參數V_batt的乘積，其計算公式如下k_a＝V_a·V_batt，

因此，

更進一步，如附圖5所示，所述充電電流控制電路6包括比較器U10-A，所述比較器U10-A的正向輸入引腳(3腳)通過串聯的電阻R145、電阻R152連接電流控制信號端A01，所述比較器U10-A的反向輸入引腳(2腳)通過電阻R149連接實際充電電流信號端CURRENT_1，所述比較器U10-A的輸出引腳(1腳)通過串聯的二極管D24及電阻R125連接到光耦H1-A的原邊，具體的，連接到所述光耦H1-A中發光二極管的陰極；所述比較器U10-A的輸出引腳和反向輸入引腳之間還設置電容C81以及與其并聯的電容C75、電阻R148。

如附圖5所示，所述充電電壓及溫度補償控制電路7包括比較器U3-A，所述比較器U3-A的正向輸入引腳(3腳)通過串聯的電阻R73、電阻R5接充電電壓控制信號端AO2，所述比較器U3-A的反向輸入引腳(2腳)通過串聯的電阻R77、R17、R3接實際充電電壓信號端VOLT，在電阻R77及實際充電電壓信號端VOLT之間還設置與電阻R17、R3并聯設置有串聯的電阻R24及電容C19；所述比較器U3-A的反向輸入引腳(2腳)還連接溫度補償信號端TEMP以及通過并聯的電阻R69、電容C24接數字地端；所述比較器U3-A的輸出引腳(1腳)通過串聯的二極管D49、電阻R125連接到光耦H1-A的原邊，具體的連接到光耦H1-A中發光二極管的陰極，所述比較器U3-A的輸出引腳和反向輸入引腳之間還設置電容C81以及與其并聯的電容C75、電阻R148。

所述光耦H1-A中的發光二極管的陽極接12V電源端以及與電容C32的一端，所述電容C32的另一端接地；并且，所述發光二極管的陽極和陰極之間還連接有電阻R32。

進一步，所述風力發電變槳系統充電控制電路，還包括與所述比較器U10-A及U3-A的輸出引腳接在一起的一鍵封鎖信號端SEC_STOP，一鍵封鎖信號端SEC_STOP與測試點TP23連接。

通過增加SEC_STOP信號處理，起到一鍵封鎖的作用，當需要切斷光耦H1-A輸出時，直接置一鍵封鎖信號端為高電平，使所述光耦H1-A的原邊封鎖，副邊無輸出，從而切斷充電器充電輸出，用于緊急情況保護。

所述雙管正激電路包括與所述控制電路9中的光耦H1-A的副邊耦合的控制芯片UC2845，所述控制芯片UC2845的輸出引腳與推挽電路耦合，所述推挽電路與隔離電路耦合，所述隔離電路連接雙功率管并控制其通斷。

本發明根據風電變槳系統后備電源用充電裝置的應用特點，通過軟、硬件設計，開發了一種可根據后備電源額定電壓調節充電電壓并具有溫度補償功能的充電裝置，其可對設計允許范圍內的任一額定電壓值的后備電源進行充電。

在軟件設計方面，設計了兩個參數，一個參數用以表征后備電源期望充電電流，另一個參數用以表征后備電源額定電壓，額定電壓的參數精度為1V，設置范圍0～276V，因此該充電裝置可對設計允許范圍內的任一電壓的后備電源進行充電。

在硬件設計方面，設計了溫度采集電路用于實時監測后備電源溫度以對充電電壓進行溫度補償。

根據軟件中的兩個參數以及實時采集的后備電源溫度參數形成三組調制信號，一組用以控制和表征期望充電電流，一組用以控制和表征期望充電電壓信號，一組用以控制和表征溫度補償電壓信號，其中，所述溫度補償調制信號以工況常溫20℃為基準，用以當后備電源溫度高于20℃的設定溫度時，減小充電裝置的充電電壓，以及當后備電源溫度低于20℃的設定溫度時，加大充電裝置的充電電壓。

實際應用中，充電裝置與上位機1連接通訊，只需通過上位機將相關參數(后備電源額定電壓參數及后備電源期望充電電流參數等)設置為相應值并保存即可，所述微處理器根據參數分別得到當前后備電源期望充電電流與期望充電電壓的調制信號，并據實時采集的后備電源溫度和后備電源額定電壓參數得到溫度補償電壓的調制信號，當環境溫度高于某設定溫度時，該補償信號用以加大充電裝置的充電電壓，低于某設定溫度時，該補償信號用以降低充電裝置的充電電壓，從而使得充裝置輸出最佳充電電壓。

所述風電變槳系統后備電源用充電裝置的充電控制方法，其包括如下過程：

S1，所述微處理器2接收所述上位機1輸入的后備電源期望充電電流參數，計算輸出期望充電電流調制信號，經所述電流信號放大調制電路3處理后，通過所述充電電流控制電路6輸出至雙管正激電路8。

S2，所述微處理器2接收上位機1輸入的后備電源額定電壓參數，計算輸出期望充電電壓調制信號，經所述電壓信號放大調制電路4處理后，再通過所述充電電壓及溫度補償控制電路7輸出至雙管正激電路8。

S3，所述微處理器2接收上位機1輸入的后備電源額定電壓參數及溫度采集電路采集的后備電源溫度，計算輸出溫度補償調制信號，經所述溫度信號放大調制電路5處理后，再通過所述充電電壓及溫度補償控制電路7輸出至雙管正激電路8。

S4，所述雙管正激電路8接收處理后的期望充電電流調制信號、期望充電電壓調制信號及溫度補償調制信號進行處理后輸出充電電壓。

本發明尚有多種實施方式，凡采用等同變換或者等效變換而形成的所有技術方案，均落在本發明的保護范圍之內。