CN103312178A - 一种双向dc/dc变换器及应用其的电池检测设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池检测技术领域，提供了一种双向DC/DC变换器，包括：推挽正激单元和交错并联单元，其中推挽正激单元连接高压端，交错并联单元连接低压端；当所述双向DC/DC变换器工作在充电模式时，推挽正激单元实现推挽正激，交错并联单元进行倍流同步整流，能量从高压端流向低压端；当所述双向DC/DC变换器工作在放电模式时，推挽正激单元进行半波整流，交错并联单元实现双BOOST升压，能量从低压端流向高压端。本发明可实现能量的双向流动，并减小电流纹波，系统整体性能高且成本低。

Description

一种双向DC/DC变换器及应用其的电池检测设备
【技术领域】
本发明涉及电池检测技术领域，特别是涉及一种双向DC/DC变换器及应用其的电池检测设备。
【背景技术】
传统电池检测设备（例如锂电池检测设备）对电池充电和放电时，分别用两套独立的功率拓扑实现能量的流动。
由于双向DC/DC变换器（Bi-directional DC/DC Converter，BDC）可实现能量的双向传输，相当于两个功率拓扑的一体化，这种功率拓扑在储能、电池化成分容、新能源发电、电动汽车能量回收等领域的应用，可大幅减少系统的体积，节省能量，降低成本，有着广泛的应用价值。
电池检测设备通过采用双向DC/DC变换器，在电池放电时，可将电池能量回馈到直流母线上，供其他模块使用或再由双向DC/AC变换器回馈到电网；在电池充电时，能量反向流动。通过在电池检测设备中采用双向DC/DC变换器，可大幅降低电池化成、分容、或检测时所耗能量，降低使用成本，并提高设备的可靠性。
但是，目前的电池检测设备中采用双向DC/DC变换器的方案，电流纹波较大。鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供一种电流纹波小的双向DC/DC变换器及应用其的电池检测设备。
本发明采用如下技术方案：
一种双向DC/DC变换器，包括：
推挽正激单元和交错并联单元，其中推挽正激单元连接高压端，交错并联单元连接低压端；
当所述双向DC/DC变换器工作在充电模式时，推挽正激单元实现推挽正激，交错并联单元进行倍流同步整流，能量从高压端流向低压端；
当所述双向DC/DC变换器工作在放电模式时，推挽正激单元进行半波整流，交错并联单元实现双BOOST升压，能量从低压端流向高压端。
优选地，所述推挽正激单元包括第一MOS管、第二MOS管、第一电容和变压器原边绕组，所述变压器原边绕组包括第一原边绕组和第二原边绕组；
其中所述第一MOS管的漏极分别与高压端和第一原边绕组的异名端连接，第一MOS管的源极与第二原边绕组的同名端连接，所述第二MOS管的漏极与第一原边绕组的同名端连接，第二MOS管的源极与第二原边绕组的异名端连接，第一MOS管的源极和第二MOS管的漏极之间连接有第一电容。
优选地，所述交错并联单元包括第三MOS管、第四MOS管、储能电感模块和变压器副边绕组；
其中所述第三MOS管的漏极与储能电感模块一端并联后与变压器副边绕组的同名端连接，第四MOS管的漏极与储能电感模块一端并联后与变压器副边绕组的异名端连接，第三MOS管的源极与第四MOS管的源极并联后与储能电感模块另一端连接，储能电感模块另一端还与低压端连接。
优选地，所述储能电感模块包括第一电感和第二电感；
所述第三MOS管的漏极与第一电感一端并联后与变压器副边绕组的同名端连接，第四MOS管的漏极与第二电感一端并联后与变压器副边绕组的异名端连接，第三MOS管的源极和第四MOS管的源极并联后与第一电感另一端和第二电感另一端的并联端连接，第一电感另一端和第二电感另一端的并联端还与低压端连接。
优选地，所述储能电感模块包括第三电感，所述第三电感为耦合电感，耦合电感中两电感的同名端分别与变压器副边绕组的同名端和异名端连接，耦合电感中两电感的异名端并联后与低压端连接。
优选地，所述交错并联单元还包括第二电容，所述第二电容为滤波电容；
所述第三MOS管的源极与第四MOS管的源极并联后通过第二电容与储能电感模块另一端连接，或者第三MOS管的源极和第四MOS管的源极并联后通过第二电容与第一电感另一端和第二电感另一端的并联端连接，或者第三MOS管的源极与第四MOS管的源极并联后通过第二电容与第三电感另一端连接。
优选地，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管为N沟道增强型MOS管。
优选地，所述第一MOS管的漏极和第二MOS管的源极之间连接有第三电容。
优选地，所述第一电容为钳位电容，第三电容为滤波电容。
本发明还提供了一种电池检测设备，所述电池检测设备采用上述双向DC/DC变换器对电池进行充电和放电。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过控制推挽正激单元和交错并联单元的工作模式，不仅能实现能量从高压端到低压端以及从低压端到高压端的双向流动，还通过交错并联单元的两个拓扑之间互相作用以及磁芯耦合，使电流纹波减小为单功率拓扑的一半，进一步提升功率传输效率，提高系统整体性能，且由于减少一套功率拓扑，节省了成本。
本发明的双向DC/DC变换器以及电池检测设备非常适合于要求非常高的程控电源、电池充放电、服务器电源等领域的应用。
【附图说明】
图1是本发明双向DC/DC变换器的模块结构示意图；
图2是实施例1双向DC/DC变换器的电路图；
图3是实施例2双向DC/DC变换器的电路图；
图4是实施例3双向DC/DC变换器的电路图；
图5是高压端到低压端变换的工作原理及波形图；
图6是低压端到高压端变换的工作原理及波形图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种双向DC/DC变换器，其包括推挽正激单元100和交错并联单元200，其中推挽正激单元100连接高压端VH，交错并联单元200连接低压端VL。推挽正激单元100和交错并联单元200之间进行了隔离，具体的，可通过变压器隔离推挽正激单元100和交错并联单元200。
当双向DC/DC变换器工作在充电模式时，推挽正激单元100实现推挽正激，交错并联单元200进行倍流同步整流，能量从高压端VH流向低压端VL；当双向DC/DC变换器工作在放电模式时，推挽正激单元100进行半波整流，交错并联单元200实现双BOOST升压，能量从低压端VL流向高压端VH。
本发明通过控制推挽正激单元100和交错并联单元200的工作模式，不仅能实现能量从高压端VH到低压端VL以及从低压端VL到高压端VH的双向流动，还通过交错并联单元200的两个拓扑之间互相作用以及磁芯耦合，使电流纹波减小为单功率拓扑的一半，进一步提升功率传输效率，提高系统整体性能，且由于减少一套功率拓扑，节省了成本。
本发明的双向DC/DC变换器非常适合于要求非常高的程控电源、电池充放电、服务器电源等领域的应用。
下面通过几个具体的实施例对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供了一种双向DC/DC变换器。
如图2所示，该双向DC/DC变换器包括：
（1）由第一MOS管1A、第二MOS管2A、第一电容C1和变压器原边绕组组成的推挽正激单元，变压器原边绕组包括第一原边绕组L-A和第二原边绕组L-B；其中MOS管1A的漏极D分别与高压端VH和原边绕组L-A的异名端连接，MOS管1A的源极S与原边绕组L-B的同名端连接，MOS管2A的漏极D与原边绕组L-A的同名端连接，MOS管2A的源极S与原边绕组L-B的异名端连接，MOS管1A的源极S和MOS管2A的漏极D之间连接有电容C1；
（2）由第三MOS管3A、第四MOS管4A、储能电感模块和变压器副边绕组L-C组成的交错并联单元；本实施例中储能电感模块由第一电感L1和第二电感L2组成。其中MOS管3A的漏极D与电感L1一端并联后与变压器副边绕组L-C的同名端连接，MOS管4A的漏极D与电感L2一端并联后与变压器副边绕组L-C的异名端连接，MOS管3A的源极S和MOS管4A的源极S并联后与电感L1另一端和电感L2另一端的并联端连接，电感L1另一端和电感L2另一端的并联端还与低压端VL连接。
其中，在优选实施方式中，电容C1可以是钳位电容，MOS管1A、2A、3A和4A可以是N沟道增强型MOS管。当然，上述元器件还可以选择其他可实现同样功能的元器件，例如：MOS管1A、2A、3A和4A可选择三极管。此处不一一列举。
下面对本实施例的工作原理进行说明：
当双向DC/DC变换器工作在充电模式时：推挽正激单元工作在推挽正激模式，将能量传递到变压器副边；同时，在钳位电容C1的作用下，可以有效避免MOS管1A、2A关断时的高应力，实现MOS管1A、2A关断时能量的储存，并将此能量也传递到变压器副边，以提高工作效率，减少损耗。交错并联单元工作在倍流同步整流模式，将变压器原边的两路高频交流能量进行倍流同步整流，此时MOS管3A、4A分别作为同步整流二极管，将两路时序相差180度的电流进行叠加整流，实现输出的倍流整流功能，储能电感L1、L2则起到续流和滤波的作用。通过上述过程，能量从高压端VH流向低压端VL。
当双向DC/DC变换器工作在放电模式时：交错并联单元工作在双BOOST升压模式，将变压器副边能量经过变压器升压流动到变压器原边。推挽正激单元工作在双半波整流模式，将变压器副边传递的高频交流能量进行整流滤波，转为直流能量，回馈到高压端VH的直流母线。通过上述过程，能量从低压端VL流向高压端VH。
下面对本实施例的详细工作过程进行说明：
如图5所示，当双向DC/DC变换器工作在充电模式时：
MOS管1A导通时期，变压器副边上正下负，此时MOS管4A导通，把变压器下端拉到地，而MOS管3A断开，此时输出电感L1充电，其电流IL1线性上升；
MOS管1A断开时期，变压器副边输出电压变为0，此时MOS管3A导通为输出电感IL2续流；MOS管4A导通，为输出电感IL1续流至4A关断；
MOS管2A导通时期，变压器副边上负下正，此时MOS管3A导通，把变压器上端拉到地，而MOS管4A断开，此时输出电感IL2充电；
MOS管2A断开时期，变压器副边输出电压变为0，此时MOS管4A导通为IL1续流；MOS管3A导通，为IL1续流至3A关断。
在能量从高压端VH流向低压端VL的充电过程中，流过电感L1的平均电流IL1、流过电感L2的平均电流IL2、输出平均电流IL1+IL2均大于0。
如图6所示，为双向DC/DC变换器中能量从低压端VL到高压端VH变换的工作原理及波形图。此时，双向DC/DC变换器工作在放电模式，放电模式是充电模式的反过程，工作过程同上述充电模式的工作过程相同，此处不赘述。不同的是，在能量从低压端VL流向高压端VH的放电过程中，流过电感L1的平均电流IL1、流过电感L2的平均电流IL2、输出平均电流IL1+IL2均小于0。
在这种交错并联的控制逻辑下，当控制系统设定不同的参数时，可实现能量双向自由流动，进而实现对电池充放电的功能。
本实施例可完成锂电池化成、分容、或实验室检测时的充放电功能，实现充放电能量的双向流动，满足锂电池检测所需的各种充电或放电需求。相对传统充电和放电分别用一个功率拓扑实现，本实施例减少一套功率拓扑，节省了设备的制造成本，同时，简化了控制的复杂度，进而提高了设备的可靠性。总体上，设备结构简单，体积和重量较小，成本较低。
以上交错并联功率拓扑设计不仅仅是两套功率拓扑的并联使用，而是通过交错控制算法，使得两个拓扑之间互相作用，可以进一步提升功率传输效率，并降低功率器件的电应力；通过磁芯耦合，可减小体积，并可减少电流纹波值（至少降低一半），进而提高变换器整体性能。交错并联的设计使得本实施例非常适合于要求非常高的程控电源、电池充放电、服务器电源等领域的应用。
实施例2
本发明实施例2提供了另一种双向DC/DC变换器。下面对本实施例与实施例1的区别进行说明。
如图3所示，本实施例在实施例1的基础上，增加了第二电容C2和第三电容C3。电容C2连接在MOS管3A的源极S与MOS管4A的源极S并联端与储能电感模块另一端之间，本实施例中储能电感模块由第一电感L1和第二电感L2组成，因此电容C2连接在MOS管3A的源极S和MOS管4A的源极S并联端与电感L1另一端和电感L2另一端的并联端之间；电容C3连接在MOS管1A的漏极D和MOS管2A的源极S之间。电容C2和电容C3均用于降低交流脉动波纹系数，提升高效平滑直流输出。
在优选实施方式中，电容C2、C3可以是滤波电容。当然，电容C2、C3还可以选择其他可实现同样功能的电容，此处不一一列举。
本实施例与实施例1相同的部分及其工作原理，在实施例1中已详细说明，此处不再赘述。
实施例3
本发明实施例3提供了另一种双向DC/DC变换器。下面对本实施例与实施例2的区别进行说明。
如图4所示，本实施例对储能电感模块进行了改进，其没有实施例2中两个独立的储能电感L1、L2，而是采用磁耦合设计方案，在一个磁芯内绕制两个电感，也即第三电感L3，电感L3为耦合电感，电感L3中两电感的同名端分别与变压器副边绕组的同名端和异名端连接，电感L3中两电感的异名端并联后与低压端连接。其所实现的效果与实施例2类似。
本实施例与实施例1和2相同的部分及其工作原理，在实施例1中已详细说明，此处不再赘述。
实施例4
本发明实施例4提供了一种电池检测设备，其采用实施例1、2或者3中的双向DC/DC变换器对电池进行充电和放电，可实现能量的双向流动，并减小电流纹波，系统整体性能高且成本低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双向DC/DC变换器，其特征在于，包括：
推挽正激单元和交错并联单元，其中推挽正激单元连接高压端，交错并联单元连接低压端；
当所述双向DC/DC变换器工作在充电模式时，推挽正激单元实现推挽正激，交错并联单元进行倍流同步整流，能量从高压端流向低压端；
当所述双向DC/DC变换器工作在放电模式时，推挽正激单元进行半波整流，交错并联单元实现双BOOST升压，能量从低压端流向高压端。
2.根据权利要求1所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述推挽正激单元包括第一MOS管、第二MOS管、第一电容和变压器原边绕组，所述变压器原边绕组包括第一原边绕组和第二原边绕组；
其中所述第一MOS管的漏极分别与高压端和第一原边绕组的异名端连接，第一MOS管的源极与第二原边绕组的同名端连接，所述第二MOS管的漏极与第一原边绕组的同名端连接，第二MOS管的源极与第二原边绕组的异名端连接，第一MOS管的源极和第二MOS管的漏极之间连接有第一电容。
3.根据权利要求1所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述交错并联单元包括第三MOS管、第四MOS管、储能电感模块和变压器副边绕组；
其中所述第三MOS管的漏极与储能电感模块一端并联后与变压器副边绕组的同名端连接，第四MOS管的漏极与储能电感模块一端并联后与变压器副边绕组的异名端连接，第三MOS管的源极与第四MOS管的源极并联后与储能电感模块另一端连接，储能电感模块另一端还与低压端连接。
4.根据权利要求3所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述储能电感模块包括第一电感和第二电感；
所述第三MOS管的漏极与第一电感一端并联后与变压器副边绕组的同名端连接，第四MOS管的漏极与第二电感一端并联后与变压器副边绕组的异名端连接，第三MOS管的源极和第四MOS管的源极并联后与第一电感另一端和第二电感另一端的并联端连接，第一电感另一端和第二电感另一端的并联端还与低压端连接。
5.根据权利要求3所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述储能电感模块包括第三电感，所述第三电感为耦合电感，耦合电感中两电感的同名端分别与变压器副边绕组的同名端和异名端连接，耦合电感中两电感的异名端并联后与低压端连接。
6.根据权利要求3-5任一项所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述交错并联单元还包括第二电容，所述第二电容为滤波电容；
所述第三MOS管的源极与第四MOS管的源极并联后通过第二电容与储能电感模块另一端连接，或者第三MOS管的源极和第四MOS管的源极并联后通过第二电容与第一电感另一端和第二电感另一端的并联端连接，或者第三MOS管的源极与第四MOS管的源极并联后通过第二电容与第三电感另一端连接。
7.根据权利要求2-5任一项所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管为N沟道增强型MOS管。
8.根据权利要求2所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述第一MOS管的漏极和第二MOS管的源极之间连接有第三电容。
9.根据权利要求2或8所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述第一电容为钳位电容，第三电容为滤波电容。
10.一种电池检测设备，其特征在于，所述电池检测设备采用权利要求1-9任一项所述的双向DC/DC变换器对电池进行充电和放电。
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