一种智能型镁空气电池

1.本实用新型涉及金属空气电池领域，尤其是一种智能型镁空气电池。


背景技术：

2.镁空气电池可应用于储能备用电源、海洋水下仪器电源等，其作为应急电源时，需要在不同场合中输出不同等级的电压以供设备使用；且多组电路输出不同等级电压时，其它路带载会影响某一电路输出的电压，造成各路输出电压波动较大；应急电源内部是以金属镁为负极通过化学反应产生相应的电能，其放电特性与其他电池不同，这一化学反应同样会引起电源输出电压波动较大；应急电源在输出放电的同时，电池内阻不断增加，电解液浓度不断降低，这会影响到电源应急使用的效果。现有的镁空气应急电源不能在输出不同等级电压的同时，根据电池内部反应以及所接负载造成的电压变化作出响应，电源输出电压波动幅度比较大，超出了所接负载允许的电压指标范围，导致控制精度不够，达不到应急使用的效果；
3.存在以下缺点：
4.1、镁空气应急电源输出的电压等级不多(一般只有5v、12v)；
5.2、不同等级电压输出不够稳定，变压增益能力不够；
6.3、多电路输出带载时，不同电路接不同负载会对输出电压造成影响，输出电压不稳定，即为交叉调整率，应急电源根据输出电压波动未能很好得作出反馈调节；
7.4、镁空气应急电源内部反应造成输入电压波动，未能很好调节。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的在于提供一种智能型镁空气电池，以解决上述背景技术中提出的问题。
9.本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种智能型镁空气电池，包括电压输出电路，所述电压输出电路包括变压电路与控制电路；
10.变压电路包括逆变谐振电路、电压变换电路、整流滤波电路与增益单元；逆变谐振电路的输入端与镁空气电池的输出端相连接，逆变谐振电路的输出端与整流滤波电路的输入端相连接，增益单元的输入端连接在整流滤波电路的输出端上；
11.控制电路包括输出反馈电路、微控制器与pwm控制电路；输出反馈电路包括加权控制模块、第一pid控制模块和第二pid控制模块，输出反馈电路对输出端电压采集后进行加权控制；加权控制模块一端接收增益单元的vout1端和vout2端的输出电压，另一端连接至第一pid控制模块输入端；第一pid控制模块输出端和增益单元输出端口(电感电流信号iout1、iout2)输出端口，与第二pid控制模块输入端连接；
12.所述电压输出电路还包括电压输出电路包括控制电路与变压电路的信号传递关系(如图4所示)：增益单元的vout1端和vout2端的输出电压信号传入加权控制模块，输出电压比例信号与输出端口的基准电压vref进行比较后传入第一pid控制模块，经过pid调节后
的电信号与整流滤波电路中的电感电流信号(iout1、iout2)进行比较后传入第二pid控制模块，再次经过pid调节后与应急电源的输入电压前馈信号vin以及额定输入电压信号vrat进行比较后传入微控制器，微控制器对信号处理生成不同的pwm波信号。
13.作为优选，逆变谐振电路包括开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4、电阻r1、电感l1、电容c6，开关管q1的漏极端与镁空气电池的正极端电连接；开关管q3的漏极端与开关管q1的源极端电连接，开关管q3的源极端与电池的负极端电连接；开关管q2的漏极端与所述电池的正极端电连接；开关管q4的漏极端与开关管q2的源极端电连接，开关管q4的源极端与电池的负极端电连接；电阻r1一端与开关管q1的源极端电连接，电阻r1另一端与电感l1点连接，电感l1两端与电阻r1和电容c6分别电连接；逆变谐振电路还包括电容c1、电容c2、电容c3、电容c4，四个电容分别与开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4的漏极端与源极端电连接。
14.作为优选，电压变换电路包括变压器t1，变压器t1输入端的一接口与电容c6电连接，另一接口与开关管q4的漏极端电连接。
15.作为优选，整流滤波电路包括全波桥式整流器d7、全波桥式整流器d8、耦合电感l2、耦合电感l5、二极管d1、二极管d4、电容c7、电容c10、电阻r2、电阻r3、电阻r5、电阻r6；全波桥式整流器d7和全波桥式整流器d8均分别与变压器t1的两个输出端电连接；耦合电感l2两端分别与二极管d1正极端和全波桥式整流器d7电连接，耦合电感l5分别与二极管d4正极端和全波桥式整流器d8电连接；二极管d1负极端分别与电容c7和电阻r3的一端电连接；二极管d4负极端分别与电容c10和电阻r6的一端电连接；电容c7的另一端与电阻r2一端电连接，电容c10的另一端与电阻r5一端电连接；电阻r2和电阻r3的另一端与全波桥式整流器d7电连接，电阻r5和电阻r6的另一端与全波桥式整流器d8电连接，其中变压器t1采用两个输出端，变压器t1也可以有很多输出端，即可以输出不同等级的电压，不限制与本实施例1中的两路输出。
16.作为优选，增益单元包括开关管q6、开关管q7、二管d2、二极管d3、二管d5、二极管d6、电感l3、电感l4、电感l6、电感l7、电容c8、电容c9、电容c11、电容c12、电阻r4、电阻r7；开关管q6的漏极端与d1负极端电连接，开关管q7的漏极端与d4负极端电连接；电感l3的一端与开关管q6源极端电连接，电感l3的另一端与电阻r3的负极端电连接，电感l6的一端与开关管q7源极端电连接，电感l6的另一端与电阻r6的负极端电连接；电感l4一端分别与开关管q6源极端和二极管d2负极端电连接，电感l4另一端与电容c8一端电连接，电容c8另一端与电阻r3负极端电连接，电感l7一端分别与开关管q7源极端和二极管d5负极端电连接，电感l7另一端与电容c11一端电连接，电容c11另一端与电阻r6负极端电连接；二极管d3一端与电感l3正极端电连接，二极管d3另一端与电感l4负极端电连接；电容c9一端与二极管d2正极端电连接，电容c9另一端与电阻r3负极端电连接，电容c12一端与二极管d5正极端电连接，电容c12另一端与电阻r6负极端电连接；电阻r4并联在电容c9两端，电阻r7并联在电容c12两端，其中电容c5一端与镁空气电池正极相连，电容c5另一端接地，可对后续电路进行充能以降低输入电压波动，pwm控制电路分别与开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4、开关管q6、开关管q7、开关管q8的栅极端电连接，其占空比可在0-1之间调节，电阻r4、电阻r7的一端则为电路电压输出端。
17.作为优选，微控制器的输入端与输出反馈电路中pid控制模块输出端相连接，微控
制器的输出端与pwm控制电路的输入端相连接；pwm控制电路的输出端连接在逆变谐振电路与增益单元的开关管q1、q2、q3、q4、q6、q7上，第一pid控制模块和第二pid控制模块中有pi调节与pd调节，pi调节减小或消除稳态误差，可在输出电压波动变化不大时进行；pd调节改变动态性能，增加系统稳定性，在输出电压波动变化较大时进行，加权控制模块把各个端口的输出电压按照权重比例进行取样反馈(即乘以一定系数)
18.本实用新型的优点和积极效果是：
19.1、可提供5v、12v、24v、36v等多端口电压输出，且增益效果好。
20.2、多电路输出时，不同电路接不同负载会对输出电压造成影响，即为交叉调整率，优化交叉调整率，对多路电压输出进行反馈与稳定处理。
21.3、可以根据镁空气应急电源输入进行电压前馈控制，可对因电源内部反应造成的电压波动进行响应，从而稳定输出电压。
附图说明
22.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
23.图1为本实用新型的一种变压电路原理连接结构示意图；
24.图2为本实用新型的一种变压电路仿真结构示意图；
25.图3为镁空气应急电源放电曲线图；
26.图4为本实用新型输出电压变换电路结构示意图；
27.图5为无反馈时输出端口电压波形图；
28.图6为本实用新型输出端口电压波形图；
29.图7为本实用新型多电压等级智能型镁空气应急电源结构示意图。
具体实施方式
30.现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。
31.下面结合图1-7对本实用新型进行详细说明，其中，为叙述方便，现对下文所说的方位规定如下：下文所说的上下左右前后方向与图1视图方向的前后左右上下的方向一致，图1为本实用新型装置的正视图，图1所示方向与本实用新型装置正视方向的前后左右上下方向一致。
32.以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述：
33.请参阅图1-7，本实用新型提供的一种实施例：一种智能型镁空气电池，包括电压输出电路，所述电压输出电路包括变压电路与控制电路；
34.变压电路包括逆变谐振电路、电压变换电路、整流滤波电路与增益单元；逆变谐振电路的输入端与镁空气电池的输出端相连接，逆变谐振电路的输出端与整流滤波电路的输入端相连接，增益单元的输入端连接在整流滤波电路的输出端上；
35.控制电路包括输出反馈电路、微控制器与pwm控制电路；输出反馈电路包括加权控制模块、第一pid控制模块和第二pid控制模块，输出反馈电路对输出端电压采集后进行加权控制；加权控制模块一端接收增益单元的vout1端和vout2端的输出电压，另一端连接至第一pid控制模块输入端；第一pid控制模块输出端和增益单元输出端口(电感电流信号
iout1、iout2)输出端口，与第二pid控制模块输入端连接；
36.所述电压输出电路还包括电压输出电路包括控制电路与变压电路的信号传递关系(如图4所示)：增益单元的vout1端和vout2端的输出电压信号传入加权控制模块，输出电压比例信号与输出端口的基准电压vref进行比较后传入第一pid控制模块，经过pid调节后的电信号与整流滤波电路中的电感电流信号(iout1、iout2)进行比较后传入第二pid控制模块，再次经过pid调节后与应急电源的输入电压前馈信号vin以及额定输入电压信号vrat进行比较后传入微控制器，微控制器对信号处理生成不同的pwm波信号。
37.另外，在一种实施例中，逆变谐振电路包括开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4、电阻r1、电感l1、电容c6，开关管q1的漏极端与镁空气电池的正极端电连接；开关管q3的漏极端与开关管q1的源极端电连接，开关管q3的源极端与电池的负极端电连接；开关管q2的漏极端与所述电池的正极端电连接；开关管q4的漏极端与开关管q2的源极端电连接，开关管q4的源极端与电池的负极端电连接；电阻r1一端与开关管q1的源极端电连接，电阻r1另一端与电感l1点连接，电感l1两端与电阻r1和电容c6分别电连接；逆变谐振电路还包括电容c1、电容c2、电容c3、电容c4，四个电容分别与开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4的漏极端与源极端电连接。
38.另外，在一种实施例中，电压变换电路包括变压器t1，变压器t1输入端的一接口与电容c6电连接，另一接口与开关管q4的漏极端电连接。
39.另外，在一种实施例中，整流滤波电路包括全波桥式整流器d7、全波桥式整流器d8、耦合电感l2、耦合电感l5、二极管d1、二极管d4、电容c7、电容c10、电阻r2、电阻r3、电阻r5、电阻r6；全波桥式整流器d7和全波桥式整流器d8均分别与变压器t1的两个输出端电连接；耦合电感l2两端分别与二极管d1正极端和全波桥式整流器d7电连接，耦合电感l5分别与二极管d4正极端和全波桥式整流器d8电连接；二极管d1负极端分别与电容c7和电阻r3的一端电连接；二极管d4负极端分别与电容c10和电阻r6的一端电连接；电容c7的另一端与电阻r2一端电连接，电容c10的另一端与电阻r5一端电连接；电阻r2和电阻r3的另一端与全波桥式整流器d7电连接，电阻r5和电阻r6的另一端与全波桥式整流器d8电连接，其中变压器t1采用两个输出端，变压器t1也可以有很多输出端，即可以输出不同等级的电压，不限制与本实施例1中的两路输出。
40.另外，在一种实施例中，增益单元包括开关管q6、开关管q7、二管d2、二极管d3、二管d5、二极管d6、电感l3、电感l4、电感l6、电感l7、电容c8、电容c9、电容c11、电容c12、电阻r4、电阻r7；开关管q6的漏极端与d1负极端电连接，开关管q7的漏极端与d4负极端电连接；电感l3的一端与开关管q6源极端电连接，电感l3的另一端与电阻r3的负极端电连接，电感l6的一端与开关管q7源极端电连接，电感l6的另一端与电阻r6的负极端电连接；电感l4一端分别与开关管q6源极端和二极管d2负极端电连接，电感l4另一端与电容c8一端电连接，电容c8另一端与电阻r3负极端电连接，电感l7一端分别与开关管q7源极端和二极管d5负极端电连接，电感l7另一端与电容c11一端电连接，电容c11另一端与电阻r6负极端电连接；二极管d3一端与电感l3正极端电连接，二极管d3另一端与电感l4负极端电连接；电容c9一端与二极管d2正极端电连接，电容c9另一端与电阻r3负极端电连接，电容c12一端与二极管d5正极端电连接，电容c12另一端与电阻r6负极端电连接；电阻r4并联在电容c9两端，电阻r7并联在电容c12两端，其中电容c5一端与镁空气电池正极相连，电容c5另一端接地，可对后
续电路进行充能以降低输入电压波动，pwm控制电路分别与开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4、开关管q6、开关管q7、开关管q8的栅极端电连接，其占空比可在0-1之间调节，电阻r4、电阻r7的一端则为电路电压输出端。
41.另外，在一种实施例中，微控制器的输入端与输出反馈电路中pid控制模块输出端相连接，微控制器的输出端与pwm控制电路的输入端相连接；pwm控制电路的输出端连接在逆变谐振电路与增益单元的开关管q1、q2、q3、q4、q6、q7上，第一pid控制模块和第二pid控制模块中有pi调节与pd调节，pi调节减小或消除稳态误差，可在输出电压波动变化不大时进行；pd调节改变动态性能，增加系统稳定性，在输出电压波动变化较大时进行，加权控制模块把各个端口的输出电压按照权重比例进行取样反馈(即乘以一定系数)。
42.使用时，电源vin为镁空气电池，电容c5可为电池进行蓄能；通过pwm控制电路控制开关管q1、q2、q3、q4组成的全桥式llc谐振变换器，实现开关管的自由开通，降低开关损耗；通过变压器t1产生两路输出电压，由全波桥式整流器d7、d8进行整流，经过耦合电感l2、l5对电压进行滤波；在开关管q6、q7关断时，二极管d2、d3、d5、d6为导通状态，电容c8、c9、c11、c12充电，电感l3、l4、l6、l7放电，在开关管q6、q7导通时，二极管d2、d3、d5、d6为截止状态，电感l3、l4、l6、l7充电，电容c8、c9、c11、c12放电，输出端就得到了增益后的电压；
43.如图2是根据变压电路原理连接结构所作的仿真示意图，镁空气应急电源在使用过程中会有多路带载的情况，某一端口输出带载时会造成另一端口的输出电压的波动，为此采取输出电压加权反馈以及对滤波电路的电感进行耦合处理，降低负载交叉调整率。镁空气应急电源内部剧烈的化学反应会引起输入电压的波动，通过输入电压前馈实时检测电源输入电压。将不同端口输出电压加权后与基准电压进行比较得到电压波动值，电压输出波动较大时通过pd调节改变系统动态性能提高稳定性，电压输出波动较小时通过pi调节减小稳态误差；再与滤波电感电流的反馈信号进行比较后进行pi控制。此时再与输入电压前馈后的值相乘后送入pwm发生器，产生不同占空比的pwm波，最后返回至逆变电路产生所需脉冲矩形波，以及返回电压增益电路控制后产生所需增益效果，得到稳定的输出电压；
44.如图3所示为本实用新型镁空气应急电源放电曲线图，图中前半部分输出电压波动比较剧烈，适合pd调节，后半部分输出电压变化较小，适合进行pi调节；
45.如图4所变示输出电压换电路结构示意图，当输出端接入负载或在长时间放电时，对两路(可多路)输出电压进行采集，根据输出电压的权重比列进行加权负反馈；与基准输出电压比较后进行pid控制，接着与电路电感电流比较后再次进行pid调节；调节后的信号，与电源输入电压前馈和额定电压比较后的信号一同传入微控制器，最后生成pwm波控制变压电路，对开关管及耦合电感进行调节以达到稳定输出电压的目的；
46.如图5为不加输入电压前馈以及输出电压反馈控制的输出端口电压波形图；
47.图6为本实用新型输出端口电压波形图，可以看出本实用新型输出电压具有更强的超调能力及更好的稳态性能，交叉调整率较低，不同端口能够输出不同等级的稳定电压；
48.如图7所示为本实用新型智能型镁空气电池完整结构示意图，对镁空气应急电源进行电压、电流、温度等参数的采集，进而对应急电源的soc进行估算；当应急电源电压、电流、温度等参数检测异常时，通过报警器报警，并由放电保护模块对应急电源进行故障保护；电压、电流、温度、soc，以及经过电压变换电路产生的不同等级的输出电压，都在显示屏中进行数据的实时显示；应急电源在不断的放电过程中，镁板与电解液会不断消耗，电池内
阻会不断增大，以盐水作为电解质的浓度会降低，通过监测电池内阻与电解液浓度的大小建立指标，在应急电源放电基本结束或长时间不使用时，发出警报，并通过微控制器控制抽水泵更换电解液，使用多次后电压输出不足报警时清洗或者更换镁板，达到应急使用的效果。
49.需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。