CN101599656A

CN101599656A - 一种动力蓄电池组测试系统用充放电机

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Publication number: CN101599656A
Application number: CNA2009100205496A
Authority: CN
Inventors: 张丽霞; 张加胜; 王平; 王艳松; 康伟; 付翔飞
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2009-12-09

Abstract

本发明提供了一种动力蓄电池组测试系统用充放电机，由交流侧滤波器、IGBT整流桥、直流滤波器和电池组依次连接组成，在交流侧滤波器和整流器之间并联连接三个投切电容器，与交流滤波器的三相滤波电容形成并联，并由相应的电子开关控制，用可变的交流侧电容参数，改良放电时的电流逆变波形，很好地解决了电流型PWM逆变放电时交流侧电流波形畸变的问题。在直流侧采用基于切比雪夫算法的非对称T型滤波器取代传统电流型充放电机直流侧的单纯的平波电抗器，即在整流器和电池组之间串联二个电感，然后在两个电感之间再并联一个电容，组成一个“T”型的滤波器，可以减小非匹配滤波器对直流固有的通态衰减，解决电流型PWM应用于小阻抗的电池负载时存在的电流纹波超标的问题。

Description

一种动力蓄电池组测试系统用充放电机

技术领域

本发明涉及一种动力蓄电池组充放电机，尤其是能在充电时有效地降低测试电流纹波，放电时将电池能量高功率因数回归电网。

背景技术

动力蓄电池组测试系统由整流变压器，AC/DC变流器及其控制系统(因为其主要功能是对电池组循环地进行充放电，因此以下简称电池充放电机)，电池组，测量模块和后台处理单元构成。如图1所示。测试时系统通过AC/DC变流器输出恒定的直流电压和电流，按照一定的程序对动力蓄电池组进行充电或者放电，通过测量模块对流经电池的电压、电流、以及温度等数据进行采样和分析计算，得到电池的内阻、容量和循环寿命等参数值。在此过程中，对动力蓄电池组充放电电流的纹波水平以及系统动态响应性能等都有很严格的要求。电池本身对纹波非常敏感，纹波超标不但严重影响测试系统的精度，甚至会令电池提前损坏，造成循环寿命，容量，内阻等重要参数测量的不准确。而动力蓄电池组内阻极小而且本身具有反电动势，极小的电压纹波可能引起较大的电流纹波，这就要求测试系统所采用的变流器必须具有良好的输出电流特性。目前，常用的测试系统充放电机有线性调节器方式、相控方式和PWM变流方式三种电路结构。

(1)线性调节器方式的动力蓄电池组充放电机

传统的电池性能测试是以单只抽检电池(＜12V)为对象，采用线性调节器电路，通过计算机在线编程控制充、放电试验以及计算机在线检测技术来测试电池的容量、循环寿命以及功率密度等多项指标。

线性调节器在EV用动力蓄电池组综合性能测试系统中的变流主回路拓扑结构如图2所示，线性调节器的工作原理是利用大功率晶体管(MOS管)作为充放电电流调整的电子载体，使晶体管(MOS管)工作在线性放大状态，工作在线性放大区的场效应管的输出电阻往往较普通晶体管高得多，可达兆欧左右，恒流源正是利用场效应管输出阻抗高和相对恒定的电流特性构成的。其工作原理如下：充电时，三相交流电经整流变压器、三相不控二极管整流桥，通过电容滤波、线性调节器，给电池组充电，此过程保证线性调节器两端压降为5～15V左右。而放电时，电池组对电容器反向充电，这时电路中将有瞬时很大的电流流过线性调节器，因此，需要在电路中加入限流电抗器，起到限制瞬态电流和分压的作用，从而保护线性调节器。

这种方式的优点是技术成熟、有可接受的性价比。由上面的分析可以看出，只要保证线性调节器两端的压降保持在一定值(5～15V)使其工作在放大状态，就能有较为恒定的输出电流，而且具有较快的响应速度。但是也存在缺陷，这主要体现在：①因为线性调节器本身有压降，所以无论工作在充电还是放电状态，功耗都很大。事实上，放电时，线性调节器相当于负载，因而转换效率低。②电路的能量只能单方向流动，因此能源浪费大。③线性调节器必须工作在放大状态才能输出恒定的直流，受MOS管的容量限制，输出电流小，要实现测试系统的大功率化必须将多个晶体管并联，一方面使设备体积庞大，成本增加，另一方面，为了避免发生振荡或出现多个并联器件被同时烧毁的情况，需要加负反馈电路，这样增加了电路的复杂性。④线性调节器的功耗直接造成测试环境温度高，给测试中心和测试人员带来不便。

随着动力蓄电池组制造技术的进步，新型动力蓄电池组电池比能量的提高，迫切需要动力蓄电池组测试系统的大功率化。采用传统的线性调节器方式的变流器已不能满足现今动力蓄电池组测试对变流技术提出的“大功率化，网侧高功率因数，转换效率高”等要求。但是由于动力蓄电池组测试系统对其变流器输出电流要求严格，例如测试电流交流分量的含量小于0.5％，动态响应时间不超过50ms等，目前利用其他变流方式仍无法满足动力蓄电池组测试的需要，因而目前动力蓄电池组测试系统变流方式主要还是采用线性调节器方式。

(2)相控方式的动力蓄电池组充放电机

晶闸管因能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程易于控制，被广泛应用于动力蓄电池充、放电电路中。因其控制方式都采用相位控制，故这类整流电路又称之为相控整流。它可以在交流电压不变的情况下，通过改变触发角α的大小来改变直流输出电压的大小：当0°≤α＜90°时工作在整流状态，此时电流处于充电状态；当90°＜α＜180°时工作在有源逆变状态，此时电池处于放电状态，将能量回馈电网。动力蓄电池组测试时，逆变与整流的区别仅仅是控制角α和电池极性的不同。

相控方式动力蓄电池组测试系统拓扑如图3所示，主要由整流变压器、相控整流桥、滤波器、无源逆变桥、电池及测量模块等五部分组成。因为电池放电时晶闸管全控桥处于有源逆变状态，所以动力蓄电池组测试时，当由充电状态向放电状态转换时(此时全控桥由整流状态向有源逆变状态转换)，需要将电池的极性倒转，因此在整流桥的输出侧接电池极性转换电路，当充电时CT₁、CT₄管开通，CT₂、CT₃管关断；放电时CT₂、CT₃管开通，CT₁、CT₄管关断，完成电池极性的转换。此外，由于相控方式的直流侧电流脉动较大，交流侧功率因数较低，因此应采取一定的措施，提高充放电机整体的品质如降低纹波含量，提高变流电路的功率因数等。

晶闸管相控整流电路比线性调节器方式的测试系统优越之处在于：可以实现大功率、全范围可调的双向变流功能，在测试过程中增加了蓄电池逆变放电功能，即通过控制三相晶闸管全控桥工作在逆变状态，将蓄电池组的电能回馈给电网，实现恒流定时放电，既简化了试验接线，减轻了工作人员的劳动强度，又节约了电能。缺点是直流侧存在较大谐波电流；网侧输入端电流非正弦，功率因数较低，需加多相隔离变压器或者装设谐波补偿装置；直流滤波电感体积大，耗费有色金属多，能量转换效率较低，由晶闸管组成的相控整流电源动态响应较慢，最快为六分之一个工频周期等。但是晶闸管因能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程易于控制，目前仍被广泛应用于动力蓄电池充、放电电路中。

对于晶闸管相控整流电路，目前常用的谐波抑制措施有：增加整流装置的相数，装设无源电力谐波滤波器，装设有源电力滤波器等。提高晶闸管的相控变流电路功率因数的措施有：小控制角运行，采用两组对称的整流器串联，增加整流相数，设置补偿电容，采用不可控整流加直流斩波器调压等。

(3)脉宽调制(PWM：Pulse Width Modulation)变流方式的动力蓄电池组充放电机

PWM方式的充放电机分为电压型PWM充放电机和电流型PWM充放电机。电压型PWM充放电机主要由整流变压器、交流侧滤波器(串联电感)、电压型PWM整流桥和直流侧稳压电容组成，见图4；电流型PWM变流器主要由整流变压器、交流侧滤波器(串联电感和并联电容)、电流型PWM整流桥和直流侧平波电抗器组成，见图5；这两种变流器从电路结构到控制方法都有本质的区别。总的来说，电压型PWM的控制较容易实现。

长期以来，关于电流型PWM整流器有源逆变的研究较少。主要原因之一是电流型PWM直流侧电流方向不可以改变，相比之下电压型PWM更容易实现电池组负载的有源逆变(放电)。但是对动力蓄电池组进行测试的时候，要求整流器的输出电压宽范围可调，(电压调节范围是0～U_N)，而电压型PWM整流器只能提供高于电源电压的恒定直流电压，在要求低于电源电压的场合，还需一级降压电路，否则很难实现对整流器的设计。例如，按照863计划电动汽车专项EV用成组蓄电池性能测试规范，被试直流电源的电压变化范围为10％～110％，则若按10％额定电压时设计交流额定电压的等级，则在100％的额定电压工作时会使得交流电流很大；若按100％的额定电压设计，则会在直流电压较低时，逆变上网的电流随着直流电压的降低出现越来越严重的畸变现象。而电流型PWM整流器提供的是恒定的直流电流，其直流电压可调，并且低于电源电压。另外，电流型PWM整流器用作直流电源具有动态响应快，便于实现四象限运行，应用于动力蓄电池组测试系统，与电压型PWM整流器相比，电流型PWM整流器更为合适。

随着新型动力蓄电池的开发和研制，一方面电池的容量大为增加，另一方面等效内阻减少。现在电池测试行业变流器结构采用的是不控整流结合线性调节器系统或晶闸管整流器作为电池测试的变流器部分，前者存在不易于大功率化，损耗大，能源利用率低的缺点；后者虽然易于大功率化，但是一般都是恒压源设计，关于蓄电池组的测试电流对测试电压纹波的放大影响重视不足，因而普遍存在输出电流纹波超标的现象。二者都有不足之处，因而不能适应日益发展的新型动力蓄电池组测试需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有的不控整流结合线性调节器系统或晶闸管整流器作为动力电池测试系统充放电机的不足(前者不易于大功率化，后者易于大功率化但是普遍存在测试电流纹波超标的现象)，对电流型PWM整流器的电路结构进行改进，提出一种新型动力蓄电池组测试系统用充放电机，以期达到充、放电时直流电流纹波小，减少电池测试时电流纹波对电池循环寿命等参数指标的影响，放电时达到交流侧高功率因数运行，电池能量以高功率因数回馈电网。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：动力蓄电池组测试系统充放电机由交流侧滤波器、IGBT整流桥、T型直流滤波器和电池组依次连接组成，在交流侧滤波器和整流器之间并联连接三个投切电容器，与交流滤波器的三相滤波电容形成并联，并在三个投切电容器支路上各安装一个电子开关。在直流侧采用基于切比雪夫算法的非对称T型滤波器取代传统电流型变流器单纯的平波电抗器，即在整流器和电池组之间串联二个电感，然后在两个电感之间再并联一个电容，组成一个“T”型的滤波器。

本发明对传统电流型变流器进行了改进，在交流侧滤波器和整流器之间并联连接三个投切电容器，与交流滤波器的三相滤波电容形成并联，并由相应的电子开关控制，当电池充电时三个电子开关断开，三个投切电容器退出运行；当电池放电时三个电子开关闭合，三个电容器投入运行。用可变的交流侧电容参数，改良放电时的电流逆变波形，很好地解决了电流型PWM逆变放电时交流侧电流波形畸变的问题。由于在直流侧整流器和电池组之间串联二个电感，然后在两个电感之间再并联一个电容，组成一个“T”型的滤波器，可以减小非匹配滤波器对直流固有的通态衰减，解决电流型PWM应用于小阻抗的电池负载时存在的电流纹波超标的问题。而传统的电流型变流器在直流侧整流器和电池组之间只有一个平波电抗器，它不能有效地减少输出电流的纹波，而且会有很大的压降落在平波电抗器上，造成很大的能源损耗。

附图说明：

图1是动力蓄电池组测试系统结构示意图。

图2是电流型线性调节器电路示意图。

图3是动力蓄电池组测试系统示意图。

图4是电压型PWM整流电路示意图。

图5是电流型PWM整流电路示意图。

图6是依据本发明所提出的电池测试系统充放电机主回路结构示意图。

图7是M＝0.4充电实验(2A)滤波前后波形对照示意图。

图8是M＝0.4充电实验(2A)滤波后电流频谱示意图。

图9是M＝0.55充电实验(5A)滤波前后波形对照示意图。

图10是M＝0.55充电实验(5A)滤波后电流频谱示意图。

图11是0A→0.7A→3.3A→1.4A→3.3A电流转换试验示意图。

图12是M＝0.4放电实验(3.6A)滤波前后波形对照示意图。

图13是M＝0.4放电实验(3.6A)滤波后电流频谱示意图。

图14是M＝0.4放电实验(5A)滤波前后波形对照示意图。

图15是M＝0.4放电实验(5A)滤波后电流频谱示意图。

图16是0A→2.5A→0.8A→4.2A→0.8A电流转换试验示意图。

图17是m＝0.4，储能电感为60mh、输出电流(1.2A)时测试电流示意图。

图18是m＝0.4，储能电感为60mh、输出电流(1.2A)时的频谱示意图。

图19是m＝0.55，直流侧储能电感60mh、输出电流波形(4A)时测试电流示意图。

图20是m＝0.55，直流侧储能电感60mh、输出电流波形(4A)时的频谱示意图。

图21是给定为5A时SVPWM双闭环充电试验网侧电压电流示意图。

图22是给定为5A时SVPWM双闭环充电试验直流侧滤波前后波形示意图。

图23是给定为5A时SVPWM双闭环充电试验电池测试电流频谱示意图。

图24是给定为5A时SVPWM双闭环放电试验网侧电压电流示意图。

图25是给定为5A时SVPWM双闭环充电试验直流侧滤波前后波形示意图。

图26是给定为5A时SVPWM双闭环充电试验电池测试电流频谱示意图。

图中，1-交流侧电源；2-整流变压器；3-AC/DC整流器；4-动力蓄电池组；5-检测模块；6-三相不控整流桥；7-线性调节器；8-晶闸管整流桥；9-无源滤波器。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例来进一步描述本发明。

本发明所提出的电池测试系统充放电机电路结构如图6所示，R、L、C₁、C₂和C₃为传统电流型PWM整流器交流侧滤波器结构，S₁、S₂和S₃为电子开关，C₄、C₅和C₆为本发明改进后增加的并联投切滤波电容，其值与C₁、C₂和C₃比为3∶1。当电池进入放电状态，此时变流器为有源逆变状态，S₁、S₂和S₃闭合，C₄、C₅和C₆投入运行，当电池处于充电状态，S₁、S₂和S₃断开，C₄、C₅和C₆退出运行。改进的设计可以使电池充放电机在充电和放电的过程中，交流侧具有不同的滤波电容值，这样可有效改善电池放电时交流侧电流波形，并避免了充电时大电容对充电效率的不利影响。在直流侧整流器和电池组之间串联二个电感L_dc1、L_dc2和并联一个电容C为非对称T型滤波器，采取单端接载的滤波器设计方法(恒压源激励)，其电抗值之比为3∶2可有效降低直流侧测试电流的纹波水平。

针对本发明所提出的电路，进行电池充放电试验。实验结果采用滤波器(型号DL1600)录波，转为*.csv格式的数据，利用数学分析软件matlab对充放电电流的谐波含量进行进一步的分析。具体试验内容如下：

①0～5A开环充电实验(电池端电压12.8V，变压器输出35V)

由上面开环充电的比较试验可以看出，本发明所提出的滤波器在阻带内有较大的衰减，可以有效地降低电流型PWM接电池等容性反电动势负载时的测试电流纹波，将电流纹波降低在0.5％以下，达到电池测试对测试电流纹波的要求，这是以往的电流型PWM变流器难以达到的。

②通过改变调制比进行的电池充电电流转换实验(电池电压12.8V，变压器线电压28V)，由图7，9，11，12，14表明，充电时测试电流的转换时间在45ms以内。由此可见，本系统设计的滤波器在动态响应能力上完全可以满足电池测试对测试电流响应速度的要求。

③0～5A开环放电实验(电池端电压12.4V，变压器输出10V)

由上面开环充电的比较试验可以看出，本专利设计的滤波器在阻带内有较大的衰减，可以有效地降低电流型PWM接电池等容性反电动势负载时的测试电流纹波，将电流纹波降低在0.5％以下，达到电池测试对测试电流纹波的要求，这是以往的电流型PWM变流器难以达到的。

④通过改变调制比进行的电池放电电流转换实验(电池端电压12.4V，变压器输出10V)

图16表明，放电时测试电流的转换时间在45ms以内。由此可见，本发明提出的滤波器在动态响应能力上完全可以满足电池测试对测试电流响应速度的要求。

⑤电池端电压12.8V，变压器输出35V时，直流侧仅采用储能电感时的测试电流及其频谱如图12和图13所示。

由上图的比较试验可以看出，使用电感导致有较大的压降在电感上，因而输出较小的电流。基于切比雪夫算法的滤波器不但可以达到较小的测试电流纹波，还可以大大减少滤波电感的取值，因而提高能量转换效率。

⑥双闭环充电、放电试验

以上实验表明，充放电机无论在充电还是放电状态，网侧都能工作在高功率因数。放电的时候，电池放电电流接近正弦且与交流电网反相，做到了电池能量以高功率因数回馈电网的目的。

由以上①～②动力电池开环充电、放电实验可以看出，在直流侧增加不对称T型滤波器后，充、放电电流的纹波水平得到了很好的改善，谐波含量在0.5％以下，电流转换速度在50ms以内，完全可以满足电池测试对变流器的要求。由⑤的直流侧接单纯的平波电抗器和不对称T型滤波器的试验可以看出，添加滤波器大大减少了平波电抗器的取值，减少了有色金属(铜)的使用，而且提高了变流器的输出效率。(单纯的平波电抗器滤波会导致有很大的压降落在平波电抗器上，导致损耗的增加，因而减少变流器的输出效率)。由⑥的双闭环动力电池充放电实验可以看出，无论是整流还是逆变的情况下，交流侧均能运行于高功率因数。放电时电池能量绿色回馈电网，达到了节约能源的目的。

Claims

1.一种动力蓄电池组测试系统用充放电机，由交流侧滤波器、IGBT整流桥、直流滤波器和电池组依次连接组成，其特征是，在交流侧滤波器和整流器之间并联连接三个投切电容器，与交流滤波器的三相滤波电容形成并联；在直流侧采用基于切比雪夫算法的非对称T型滤波器取代传统电流型变流器单纯的平波电抗器，即在整流器和电池组之间串联二个电感，然后在两个电感之间再并联一个电容，组成一个“T”型的滤波器。

2.依据权利要求1所述的动力蓄电池组测试系统用充放电机，其特征是在三个投切电容器支路上各安装一个电子开关。

3.依据权利要求1所述的动力蓄电池组测试系统用充放电机，其特征是，串联的二个电感之比L_dc1∶L_dc2为3∶2。

4.依据权利要求1所述的动力蓄电池组测试系统用充放电机，其特征是，三个投切电容器与三相滤波电容之比为3∶1。