双向变换器的保护电路和带储电功能的用电系统的制作方法

本发明涉及电力领域，具体而言，涉及一种双向变换器的保护电路和带储电功能的用电系统。

背景技术：

双向变换器主要应用于带有储能功能的用电系统，如图1所示，这类用电系统主要包括电源系统11、用电系统12、双向变换器13和储能系统14，其中双向变换器为能量转换枢纽点。当电源系统11输出功率高于负载要求(如图2所示双向变换器工作于充电模式的示意图)时，多余的能量通过双向变换器13将能量储存于储能系统14中，双向变换器13工作于充电模式，参见图2，箭头方向即为电流流动方向；当电源系统11发电功率不足或掉电时，储能系统14能够通过双向变换器13将能量释放出来，以维持用电系统12的正常供电，双向变换器13工作于放电模式，参见图3，箭头方向即为电流流动方向。

由此可见，双向变换器是在保持两端电压极性不变的情况下，根据应用需求改变电流方向，实现能量的双向流动，现有双向变换器中，其过流保护电路复杂、繁琐，而且由于电流的双向流动，需要双电源(即正负电源)供电，增加电源系统设计难度。

针对上述带有储能功能的用电系统中双向变换器的保护电路复杂的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种双向变换器的保护电路和带储电功能的用电系统，以至少解决带有储能功能的用电系统中双向变换器的保护电路复杂的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种双向变换器的保护电路，应用于带有储电功能的用电系统，包括：单电源采样电路，与所述用电系统中的双向变换器连接，用于采集所述双向变换器的第一电压信号；一级处理电路，与所述单电源采样电路连接，用于对所述第一电压信号进行信号处理，得到第二电压信号；比较电路，与所述一级处理电路连接，用于对基准电压信号与所述第二电压信号进行比较，输出比较结果信号；二级处理电路，与所述比较电路连接，用于根据所述比较结果信号执行保护动作。

进一步地，所述一级处理电路包括：第一低通滤波器，与所述单电源采样电路连接，用于过滤所述第一电压信号中的高频信号，得到第一过滤信号；电压跟随器，与所述第一低通滤波器连接，用于对所述第一过滤信号进行阻抗匹配，得到所述第二电压信号。

进一步地，所述电压跟随器包括：运算放大器，所述运算放大器的反相输入端与输出端连接，所述运算放大器的反相输入端与所述低通滤波器的输出端连接；所述运算放大器的输出端作为所述一级处理电路的输出端，用于输出所述第二电压信号。

进一步地，所述比较电路包括：第一比较器，反相输入端用于输入第一基准电压信号，同相输入端与所述一级处理电路的输出端连接，所述同相输入端用于输入所述第二电压信号，输出端用于输入第一比较信号；第二比较器，同相输入端用于输入第二基准电压信号，反相输入端与所述一级处理电路的输出端连接，所述反相输入端用于输入所述第二电压信号，输出端用于输出第二比较信号，其中，所述基准电压信号包括所述第一基准电压信号和所述第二基准电压信号，所述第一比较信号和所述第二比较信号接到一起输出所述比较结果信号。

进一步地，所述比较电路还包括：第一电阻，串接在所述第一基准电压信号的生成电路的输出端与所述第一比较器的反相输入端之间；第二电阻，串接在所述一级处理电路与所述第一比较器的同相输入端之间；第三电阻，串接在所述一级处理电路与所述第二比较器的反相输入端之间；第四电阻，串接在所述第二基准电压信号的生成电路的输出端与所述第二比较器的同相输入端之间。

进一步地，所述第一电阻和所述第二电阻阻值相同，所述第三电阻和所述第四电阻的阻值相同。

进一步地，所述比较电路还包括：第五电阻，一端与直流电源连接；所述第一比较器和所述第二比较器的输出端连接于第一节点，所述第五电阻的第二端连接于所述第一节点，所述第一节点用于输出所述比较结果信号。

进一步地，所述二级处理电路包括：第二低通滤波器，与所述比较电路的输出端连接，用于对所述比较结果信号进行过滤，得到保护判断信号；执行电路，与所述第二低通滤波器连接，用于根据所述保护判断信号执行保护动作。

进一步地，所述执行电路包括：处理器，与所述第二低通滤波器连接，用于在所述保护判断信号为高电平信号的情况下，确定所述双向变换器处于正常状态，不执行保护动作；在所述保护判断信号为低电平信号的情况下，确定所述双向变换器处于过流状态，执行保护动作。

进一步地，所述单电源采样电路为下述至少之一：电流传感器、电压传感器和采样电阻。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种带储电功能的用电系统，该用电系统运动双向变换器来保护电路。

通过上述实施例，利用单电源采样电路采集双向变换器的第一电压信号，在一级处理电路对其进行处理之后，得到第二电压信号。比较电路对基准电压信号与第二电压信号进行比较，输出比较结果信号，二级处理电路根据输出的一个比较结果信号确定是否需要执行保护动作。在该方案中，采用单电源采样电路采集双向变换器的电压信号，从而无需使用在保护电路中设置双电源，设置单电源即可实现保护的目的；另外，在该方案中，利用一个输出信号就可以实现电流正向过流和反向过流的双重保护。通过上述实施例，可以使用简单地保护电路实现对双向变换器的保护，解决了现有技术中带有储能功能的用电系统中双向变换器的保护电路复杂的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的带有储能功能的用电系统的示意图；

图2是根据本发明实施例的双向变换器工作于充电模式的示意图；

图3是根据本发明实施例的双向变换器工作于放电模式的示意图；

图4是根据本发明实施例的双向变换器硬件组成的示意图；

图5是根据本发明实施例的双向变换器的过流保护电路示意图；

图6是根据本发明实施例的双向变换器工作于充电过流时状态示意图；

图7是根据本发明实施例的双向变换器工作于放电过流时状态示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例提供了一种双向变换器的保护电路，该保护电路应用于带有储电功能的用电系统，其硬件组成如图4所示，单电源采样电路41、一级处理电路43、比较电路45以及二级处理电路47。

单电源采样电路41，与用电系统中的双向变换器连接，用于采集双向变换器的第一电压信号。单电源采样电路41可以采用电流传感器、电压传感器和采样电阻电流传感器中的至少一个传感器。

下面以上述单电源采样电路41为电流传感器为例，进行分析。电流传感器采用单电源供电，电流传感器输出信号为电压信号且为正。当输入电流为零时，电流传感器输出一定值的偏置电压；当输入电流为正向时(即充电模式)，采样输出电压高于偏置电压；当输入电流为反向时(即放电模式)，采样输出电压低于偏置电压且大于零。将电流传感器采样后得到的第一电压信号传输给一级处理电路43。

一级处理电路43，与单电源采样电路连接，用于对第一电压信号进行信号处理，得到第二电压信号。一级处理电路43包括第一低通滤波器和电压跟随器。

具体地，将上述第一电压信号通过第一低通滤波器滤除高频信号后，再传输到电压跟随其中，由电压跟随器对第一电压信号的输入阻抗进行提高，并且对第一电压信号的输入电容进行较小处理，保证第一电压信号的精度。最后将经过一级处理电路43处理后，得到的第二电压信号传输给比较电路45。

比较电路45，与一级处理电路连接，用于对基准电压信号与第二电压信号进行比较，输出比较结果信号。比较电路包含第一比较电器和第二比较电器，分别与第一基准电压信号和第二基准电压信号，进行比较，输出比较结果信号。

二级处理电路47，与比较电路连接，用于根据比较结果信号执行保护动作。

具体地，上述比较结果信号经过二级处理电路47后，对比较结果信号进行过滤，得到保护判断信号，再根据保护判断信号执行保护动作。即，当比较结果信号为高电平时，双向变换器工作于正常状态，系统不动作；当比较结果信号变为低电平后，即表明双向变换器处于过流状态，系统进入保护状态。

通过上述实施例，利用单电源采样电路采集双向变换器的第一电压信号，在一级处理电路对其进行处理之后，得到第二电压信号。比较电路对基准电压信号与第二电压信号进行比较，输出比较结果信号，二级处理电路根据输出的一个比较结果信号确定是否需要执行保护动作。在该方案中，采用单电源采样电路采集双向变换器的电压信号，从而无需使用在保护电路中设置双电源，设置单电源即可实现保护的目的；另外，在该方案中，利用一个输出信号就可以实现电流正向过流和反向过流的双重保护。通过上述实施例，可以使用简单地保护电路实现对双向变换器的保护，解决了现有技术中带有储能功能的用电系统中双向变换器的保护电路复杂的问题。

上述实施例，通过对采样信号的双重处理，实现了双向变换器正反向过流时，对两个过流信号的统一处理。

进一步地，一级处理电路包括：第一低通滤波器，与单电源采样电路连接，用于过滤第一电压信号中的高频信号，得到第一过滤信号；电压跟随器，与第一低通滤波器连接，用于对第一过滤信号进行阻抗匹配，得到第二电压信号。

在如图5所示的示例中，第一低通滤波器由第六电阻R6和第一电容C1组成，用于滤除高频信号。第一电压信号V1经过第一低通滤波器后，输入到运算放大器Y1的同相输入端。

如图5所示，电压跟随器可以包括：运算放大器Y1，运算放大器的反相输入端与输出端连接，运算放大器的反相输入端与低通滤波器的输出端连接；运算放大器的输出端作为一级处理电路的输出端，用于输出第二电压信号V2，利用该电压跟随器提高电流采样信号的输入阻抗，减小输入电容，保证电流采样信号的精度。

进一步地，如图5所示的示例中，比较电路可以包括：第一比较器B1，反相输入端用于输入第一基准电压信号Vref1，同相输入端与一级处理电路的输出端连接，同相输入端用于输入第二电压信号，输出端用于输入第一比较信号；第二比较器B2，同相输入端用于输入第二基准电压信号Vref2，反相输入端与一级处理电路的输出端连接，反相输入端用于输入第二电压信号，输出端用于输出第二比较信号，第一比较器的反相输入端由第一基准电压信号串接第一电阻R1后接入；第二比较器的同相输入端由第二基准电压信号串接第四电阻R4后接入。

其中，基准电压信号包括第一基准电压信号和第二基准电压信号，第一比较信号和第二比较信号接到一起输出比较结果信号。

进一步地，图5所示的比较电路中还可以包括：第一电阻R1，串接在第一基准电压信号的生成电路的输出端与第一比较器的反相输入端之间；第二电阻R2，串接在一级处理电路与第一比较器的同相输入端之间；第三电阻R3，串接在一级处理电路与第二比较器的反相输入端之间；第四电阻R4，串接在第二基准电压信号的生成电路的输出端与第二比较器的同相输入端之间。

进一步地，第一电阻和第二电阻阻值相同，第三电阻和第四电阻的阻值相同。两个比较器均采用差分输入方式，即电阻阻值相同，用于放大差模信号抑制共模信号。

进一步地，比较电路还包括：第五电阻R5，一端与直流电源VCC连接；第一比较器和第二比较器的输出端连接于第一节点，第五电阻的第二端连接于第一节点，第一节点用于输出比较结果信号。第一比较器与第二比较器在第一节点处连接，第一比较信号和第二比较信号在第一节点处汇集到一起，并在第一节点处经上拉电阻传入二级处理电路。

具体地，如图5所示，双向变换器的过流保护电路主要包括前级信号处理电路(如上述实施例中的一级处理电路)，两个比较器分别构成的比较电路以及后级信号处理电路(如上述的二级处理电路)。当双向变换器正常工作时，上述第二电压信号的值介于第一基准电压信号和第二基准电压信号之间，第一比较器和第二比较器同时输出高电平(也即第一比较信号和第二比较信号为高电平)，比较结果信号为高电平。

具体地，如图6所示，当双向变换器工作于充电过流状态时，上述第二电压信号高于第一基准电压信号，此时第一比较器的反相输入端电压高于同相输入端电压，第一比较器的输出由高电平变为低电平，同时将第二比较器的输出也钳位在低电平，所以比较结果信号由高电平变为低电平。

具体地，如图7所示，当双向变换器工作于放电过流状态时，上述第二电压信号低于第二基准电压信号，此时第二比较器的同相输入端电压低于反相输入端电压，第二比较器的输出由高电平变为低电平，同时将第一比较器的输出也钳位在低电平，所以比较结果信号由高电平变为低电平。

进一步地，二级处理电路包括：第二低通滤波器，与比较电路的输出端连接，用于对比较结果信号进行过滤，得到保护判断信号；执行电路，与第二低通滤波器连接，用于根据保护判断信号执行保护动作。在图5所示的示例中，第二低通滤波器包括第七电阻R7和第二电容C2。比较结果最后经低通滤波器滤波后输出过流保护电压，该信号即为双向变换器的过流保护判断信号。

进一步地，执行电路包括：处理器，与第二低通滤波器连接，用于在保护判断信号为高电平信号的情况下，确定双向变换器处于正常状态，不执行保护动作；在保护判断信号为低电平信号的情况下，确定双向变换器处于过流状态，执行保护动作。

需要说明的是，单电源采样电路为下述至少之一：电流传感器、电压传感器和采样电阻。

另一方面，本发明还提供一种带储电功能的用电系统，该用电系统运用上述双向变换器来进行保护电路。

通过上述实施例，本发明通过一个电流传感器、一组信号处理电路，实现了双向变换器正反向运行时的过流保护功能。并且该过流保护电路输出信号为电平信号，抗干扰性强，响应速度快，且只有一个输出信号就实现了电流正向过流和反向过流的双重保护，不但降低了成本，提高了系统的可靠性，且在I/O口或使能控制端较少的情况下能发挥更好的作用。通过对采样信号的双重处理，实现了双向变换器正反向过流时，对两个过流信号的统一处理。

本发明所提出的过流保护电路，主要应用于电流双向流动场合，当然也可以应用于电流单向流动场合。

上述实施例中，电流传感器采用的是电压型输出传感器，也可以采用电流型输出传感器。

进一步地，电流采样方式不局限于电流传感器采样，可以应用电阻采样以及其他采样方式；

进一步地，电流传感器供电方式也不局限于单电源供电，可以采用双电源供电，即正负电压供电；

进一步地，过流信号可以是高电平或低电平，本方案的过流信号为低电平有效，也可以采用高电平信号作为过流保护信号。

通过上述实施例，本发明运用一个电流传感器、一组信号处理电路，实现了双向变换器正反向运行时的过流保护功能。并且该过流保护电路输出信号为电平信号，抗干扰性强，响应速度快，且只有一个输出信号就实现了电流正向过流和反向过流的双重保护，不但降低了成本，提高了系统的可靠性，且在I/O口或使能控制端较少的情况下能发挥更好的作用。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。