CN103532388B

CN103532388B - 一种基于全桥隔离双向变换器的蓄电池充放电控制方法

Info

Publication number: CN103532388B
Application number: CN201310425356.5A
Authority: CN
Inventors: 师长立; 唐西胜; 李宁宁; 张国伟
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2033-09-17
Also published as: CN103532388A

Abstract

一种基于全桥隔离双向变换器的蓄电池充放电控制方法。充电时，首先设定四种工作状态：开关频率f＝X₂kHz最大功率充电状态、开关频率f＝X₂kHz恒流充电状态、开关频率f＝X₁kHz恒流充电状态、开关频率f＝X₁kHz恒压充电状态，其中X₂＜X₁。变换器采集蓄电池荷电状态（SOC），然后根据荷电状态判断进入相应的工作状态，当蓄电池荷电状态为1或有停机指令时，变换器停止工作。蓄电池放电时，首先设定三种工作状态：开关频率f＝X₂kHz最大功率放电、开关频率f＝X₂kHz恒功率放电、开关频率f＝X₁kHz恒功率放电，其中X₂＜X₁。变换器采集蓄电池荷电状态，判断蓄电池是否可以放电，然后根据参考输出功率判断进入相应的工作状态，当荷电状态小于设定值或有停机指令时，变换器停止工作。

Description

一种基于全桥隔离双向变换器的蓄电池充放电控制方法

技术领域

本发明涉及一种蓄电池充放电控制方法，尤其涉及一种基于全桥隔离双向变换器的蓄电池充放电控制方法。

背景技术

近年来，随着新能源产业的发展，分布式微电网作为一种利用新能源的有效形式，发展很快。由于太阳能、风能等新能源具有间歇性，为了最大限度利用新能源发出的电能，同时平抑新能源波动，减小对电网的冲击，微电网中需要配备储能环节。为实现系统与储能环节的双向流动，双向DC/DC变换器是系统必不可少的环节。应用于微电网场合，全桥隔离双向变换器有很多优势，采用高频变压器实现电气隔离，由于取代了工频变压器，减少了设备的重量与体积，提高设备的功率密度，同时降低了成本。采用移相控制方式，可以很方便的实现系统的软开关功能，提高了系统效率。全桥隔离双向变换器属于典型的“一机两用”型装置，提高了充放电装置的利用率。全桥隔离双向变换器可以实现大变比控制，因此，变换器蓄电池电压不需要太高，可提高系统安全性。

中国专利201210212527.1公布了一种输入串联输出串联全桥高频隔离双向DC/DC变换器，其主电路包括两个拥有相同结构的输入端相互串联、输出端相互串联的全桥双向DC/DC变换电路，每个全桥双向DC/DC变换电路包括输入侧全桥电路和输出侧全桥电路，两者之间通过谐振电路和高频变压器连接。其中全桥电路用于整流和逆变，谐振电路用于软开关控制，高频变压器用于隔离和变压。

中国专利201120322064.5公布了一种双向的、隔离式的、移相全桥的DC/DC变换器，包括：双向DC/DC功率电路、移相控制器、换向驱动电路，其中，双向DC/DC功率电路由对称的变换器与串联谐振电路组成；对称的移相控制器一直处于工作状态；换向驱动电路由隔离换向电路与驱动电路组成，隔离换向电路用于改变能量的流动方向，驱动电路用于驱动开关器件。

现有的全桥隔离双向变换器的控制方法主要有：单侧全桥移相控制方法和全桥移相控制方法等。

（1）单侧全桥移相控制方法:该方法首先判断蓄电池电流方向，然后确定需要移相控制的全桥变换器，变压器另一侧的全桥变换器工作在不控整流状态将能量由变换器一侧传至另一侧。此方法简单容易实现，但是变换器在同一电压下，不能实现能量的双向流动。

（2）全桥移相控制方法：该方法同时控制隔离变压器两侧的全桥变换器，通过控制移相角的大小来实现对传输能量的控制。此方法简单易行，但是由于移相控制策略的特点，全桥双向变换器工作时会产生无功环流，当变换器用于宽电压输入范围大电流场合时，无功环流现象尤为突出。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术对全桥隔离双向变换器的控制方法无功环流大，同时没有考虑蓄电池特性的缺点，提出一种基于全桥隔离双向变换器的蓄电池充放电控制方法。本发明结合隔离全桥双向变换器与蓄电池的特点，使开关频率根据蓄电池工作状态的变化而变化，降低了变换器无功环流的含量，提高了全桥隔离双向变换器的效率。与此同时，蓄电池可以工作在更为合理的充放电状态，提高了蓄电池的安全性，延长了蓄电池使用寿命。

本发明适用于基于全桥隔离双向变换器的各种蓄电池充放电场合。

本发明适用的全桥隔离双向变换器包括初级稳压电容器、初级侧高频变换器、储能电感、高频变压器、次级高频变换器和次级稳压电容器，其中高频变压器用于隔离和变压；储能电感用于传递能量和实现软开关；初次级稳压电容器用于提高直流电压的稳定性；两侧高频变换器结构相同，各由四个并联有反并联二级管的开关器件组成，用于逆变和整流。全桥隔离双向变换器的控制器通过传感器或者蓄电池管理装置与蓄电池连接，获取蓄电池的工作信息。

全桥隔离双向变换器采用全桥移相控制方法时，调节全桥隔离双向变换器桥臂的移相角可以控制变换器传输的功率，全桥隔离双向变换器的移相角越小传输的有功功率越小。由于全桥隔离双向变换器的初级侧电压与次级侧电压不匹配，当变换器的桥臂移相角越小时，全桥隔离双向变换器中有功功率的占比越小，全桥隔离双向变换器中无功环流占比越大。全桥隔离双向变换器的传输功率与变换器的开关频率成反比，当变换器传输的有功功率较小时，提高变换器的开关器件的开关频率，在不影响全桥隔离双向变换器有功率传输效果前提下，可有效降低无功环流的含量，提高变换器的效率。

本发明基于全桥隔离双向变换器变频控制策略的蓄电池充放电方法步骤如下：

1.基于全桥隔离双向变换器的蓄电池充电控制方法步骤如下：

（1）首先设定全桥隔离双向变换器的四种工作状态：最大功率充电状态、恒流充电状态和恒压充电状态。当：全桥隔离双向变换器处于最大功率充电状态时，全桥隔离双向变换器的开关频率f＝X₂kHz；全桥隔离双向变换器处于恒流充电状态时，全桥隔离双向变换器的开关频率f＝X₂kHz；全桥隔离双向变换器处于恒流充电状态时，全桥隔离双向变换器的开关频率f＝X₁kHz；全桥隔离双向变换器处于恒压充电状态时，全桥隔离双向变换器的开关频率f＝X₁kHz，其中X₂＜X₁。其中f为全桥隔离双向变换器的开关器件的开关频率，X₁为全桥隔离双向变换器的开关器件的较高开关频率值，X₂为全桥隔离双向变换器的开关器件的较低开关频率值，kHz为频率单位：千赫兹。

（2）通过传感器或蓄电池管理装置采集蓄电池的荷电状态SOC，根据蓄电池的荷电状态SOC确定全桥隔离双向变换器的工作状态：

A.当蓄电池荷电状态小于等于设定的荷电状态值N₃时，全桥隔离双向变换器工作在最大功率充电状态，此时全桥隔离双向变换器的开关频率f＝X₂kHz。全桥隔离双向变换器向蓄电池充电至N₂≥SOC＞N₃时，变换器工作在恒流充电状态，全桥隔离双向变换器的开关频率f＝X₂kHz。当蓄电池充电至N₁≥SOC＞N₂，全桥隔离双向变换器工作在恒流充电状态，变换器开关频率f＝X₁kHz。当蓄电池充电至1＞SOC＞N₁，全桥隔离双向变换器工作在恒压充电状态，变换器的开关频率f＝X₁kHz恒压充电状态。当蓄电池的荷电状态SOC＝1时，全桥隔离双向变换器停止工作。

B.当蓄电池荷电状态小于等于N₂并且大于N₃时，全桥隔离双向变换器工作在恒流充电状态，其开关频率f＝X₂kHz。当蓄电池充电至N₁≥SOC＞N₂，全桥隔离双向变换器工作在恒流充电状态，其开关频率f＝X₁kHz。当蓄电池充电至1＞SOC＞N₁，全桥隔离双向变换器工作在恒压充电状态，其开关频率f＝X₁kHz。当蓄电池的荷电状态SOC＝1时，全桥隔离双向变换器停止工作。

C.当蓄电池荷电状态小于等于N₁并且大于N₂时，全桥隔离双向变换器工作在恒流充电状态，其开关频率f＝X₁kHz。当蓄电池充电至1＞SOC＞N₁，全桥隔离双向变换器工作在恒压充电状态，其开关频率f＝X₁kHz。当蓄电池荷电状态SOC＝1时，全桥隔离双向变换器停止工作。

D.当蓄电池荷电状态大于N₁时，全桥隔离双向变换器工作在恒压充电状态，其开关频率f＝X₁kHz。当蓄电池荷电状态SOC＝1时，全桥隔离双向变换器停止工作。

（3）全桥隔离双向变换器工作在任一工作状态时，均可根据需要由全桥隔离双向变换器的控制器发出的停机指令控制变换器停止工作。

其中，SOC为蓄电池的荷电状态，N₁、N₂、N₃为设定的蓄电池荷电状态值，并且1＞N₁＞N₂＞N₃。以上（1）和（2）中的X₁均为全桥隔离双向变换器的开关器件的较高开关频率值，X₂为全桥隔离双向变换器的开关器件的较低开关频率值。

2.基于全桥隔离双向变换器的蓄电池放电方法的步骤如下：

（1）首先设定全桥隔离双向变换器的三种工作状态：全桥隔离双向变换器处于最大功率放电状态，全桥隔离双向变换器的开关频率为f＝X₂kHz；当全桥隔离双向变换器处于恒功率放电状态时，全桥隔离双向变换器的开关频率f＝X₂kHz；当全桥隔离双向变换器处于恒功率放电状态时，全桥隔离双向变换器的开关频率f＝X₁kHz；其中X₂＜X₁。X₁为全桥隔离双向变换器的开关器件的较高开关频率值，X₂为全桥隔离双向变换器的开关器件的较高开关频率值，此处所设定的全桥隔离全桥双向变换器的开关器件的频率值X₁、X₂与前述基于全桥隔离双向变换器的蓄电池充电方法中开关器件的频率值X₁、X₂相同；

（2）采集蓄电池荷电状态SOC，根据蓄电池荷电状态SOC与蓄电池给定参考放电功率P确定全桥隔离双向变换器的工作状态：

A.设定蓄电池的给定参考放电功率P，当蓄电池的给定参考放电功率P大于全桥隔离双向变换器的额定输出功率P_max时，全桥隔离双向变换器工作在最大功率放电状态，其开关频率f＝X₂kHz。当蓄电池荷电状态SOC≤N₃时，全桥隔离双向变换器停止工作；

B.当蓄电池的给定参考放电功率P_min＜P≤P_max时，全桥隔离双向变换器工作在恒功率放电状态，其开关频率f＝X₂kHz。当蓄电池荷电状态SOC≤N₃时，全桥隔离双向变换器停止工作；

C.当蓄电池的给定参考功率P_min≤P时，全桥隔离双向变换器工作在恒功率放电状态，其开关频率f＝X₁kHz。当蓄电池荷电状态SOC≤N₃时，全桥隔离双向变换器停止工作。

D.当蓄电池的给定参考放电功率P发生变化时，全桥隔离双向变换器的工作状态可在三种工作状态间根据所述A、B、C中记载的设定条件进行转换。

当全桥隔离双向变换器工作在任一状态时，可根据需要由全桥隔离双向变换器的控制器发出停机指令停止工作。

其中，N₃为设定的蓄电池荷电状态值，且N₃＜1，kHz为频率单位：千赫兹，P_min为设定的蓄电池的最小放电功率值，P_max为设定的蓄电池的最大放电功率值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明：

图1全桥隔离双向变换器结构图；

图2全桥隔离双向变换器能量传递原理图；

图3全桥隔离双向变换器低频工作实例仿真波形；

图4全桥隔离双向变换器高频工作实例仿真波形；

图5本发明全桥隔离双向变换器的充放电状态。

具体实施方式

全桥隔离双向变换器的结构如图1所示，全桥隔离双向变换器包括初级稳压电容器、初级侧高频变换器、储能电感、高频变压器、次级高频变换器、次级稳压电容器，其中高频变压器用于隔离和变压；储能电感用于传递能量和实现软开关；初次级稳压电容器用于提高直流电压的稳定性；两侧高频变换器结构相同，各由四个并联有反并联二级管的开关器件组成，用于逆变和整流。全桥隔离双向变换器的控制器通过传感器或者蓄电池管理装置与蓄电池连接，获取蓄电池的工作信息。

控制器通过开关器件S₁、S₂、S₃、S₄、M₁、M₂、M₃、M₄使变换器桥臂产生相位差给电感L₁充电，从而实现能量的双向流动。其能量传输原理如图2所示，将全桥隔离双向变换器的次级电压V₂通过变压器折算到初级侧为NV₂，当初级侧电压V₁超前于次级折算电压NV₂一定的移相角时，能量由变换器的初级侧传至次级侧，当初级侧电压V₁滞后于次级折算电压NV₂一定的移相角时，能量由变换器的次级传至初级。变换器的传输功率关系可用下式表示：

其中，P为传输功率，f为开关频率，为移相角，N为变压器变比，V₁为初级侧电压，V₂为次级侧电压，L为全桥隔离双向变换器的储能电感。由公式（1）可知，全桥隔离双向变换器可以传递的功率与变换器开关频率成反比。

蓄电池储能属于化学储能，其充放电过程有其自身特点。充电时，一般采用“两段式”或“三段式”充电，即当蓄电池荷电状态比较低时，采用大电流恒流充电，当荷电状态接近100%时，采用恒压充电模式，充电电流不断减少，使蓄电池得到保护，不至于因电流过大而损坏。放电时，蓄电池放电深度不能为零，同时大电流放电也会减少蓄电池的使用寿命。

当全桥隔离双向变换器用于蓄电池充放电时，当蓄电池充电后期或小功率放电时，由式（1）可知，变换器移相角会很小。下面以最小移相角＝0为例进行实例分析，如图3所示，其中，V₁侧：36V，V₂侧：300V，移相角：0，频率f_s：10kHz，变压器变比1/N：10，此时虽然全桥隔离双向变换器传输的有功功率为零，但全桥隔离双向变换器V₁与NV₂不匹配，内部仍然会有无功环流，这种现象在宽范围输入大电流情况下尤为突出，会增加变换器的损耗，降低效率。此时如果将全桥隔离双向变换器开关频率提高至20kHz，由图4可知，全桥隔离双向变换器无功环流减小至原来的一半。

全桥隔离双向变换器的充电状态如图5所示，全桥隔离双向变换器启动，开始工作。首先变换器获取蓄电池的荷电状态信息，当蓄电池荷电状态SOC≤N₃时，全桥隔离双向变换器工作在最大功率充电状态，变换器工作频率为f＝X₂kHz。全桥隔离双向变换器给蓄电池充电至蓄电池荷电状态N₃＜SOC≤N₂时，全桥隔离双向变换器工作在恒流充电状态，变换器工作频率为f＝X₂kHz。全桥隔离双向变换器给蓄电池充电至荷电状态N₂＜SOC≤N₁时，全桥隔离双向变换器工作在恒流充电状态，变换器工作频率为f＝X₁kHz。全桥隔离双向变换器给蓄电池充电至N₁＜SOC，全桥隔离双向变换器工作在恒压充电状态，变换器工作频率为f＝X₁kHz。全桥隔离双向变换器给蓄电池充电至荷电状态SOC＝1时，全桥隔离双向变换器停机。当全桥隔离双向变换器处于任一工作状态时，可以通过停机指令控制全桥隔离双向变换器停止工作。

全桥隔离双向变换器的放电状态如图5所示，全桥隔离双向变换器启动，开始工作。变换器获取蓄电池的荷电状态信息，当给定蓄电池放电功率P大于蓄电池最大放电功率P_max并且N₃＜SOC时，全桥隔离双向变换器工作在最大功率放电状态，变换器工作频率为f＝X₂kHz，蓄电池放电至荷电状态N₃＞SOC时，全桥隔离变换器停机。当给定蓄电池放电功率P小于蓄电池最大放电功率P_max同时大于其最小放电功率P_min，并且蓄电池荷电状态N₃＜SOC时，全桥隔离双向变换器工作在恒功率放电状态，变换器工作频率为f_s＝X₂kHz，蓄电池放电至荷电状态N₃＞SOC时，全桥隔离变换器停机。当给定蓄电池放电功率P小于最小放电功率P_min并且蓄电池N₃＜SOC时，全桥隔离双向变换器工作在恒功率放电状态，变换器工作频率为f＝X₁kHz，蓄电池放电至荷电状态N₃＞SOC时，全桥隔离双向变换器停机。全桥隔离双向变换器可以根据给定放电功率的不同在各工作状态之间进行转换。全桥隔离双向变换器工作时，可以根据变换器的控制器发出的停机指令进行停机操作。其中，X₂＜X₁。

Claims

1.一种基于全桥隔离双向变换器的蓄电池充电控制方法，其特征在于：所述蓄电池充电控制方法的步骤如下：

(1)首先设定全桥隔离双向变换器的四种工作状态：全桥隔离双向变换器处于最大功率充电状态时，全桥隔离双向变换器的开关频率f＝X₂kHz；全桥隔离双向变换器处于恒流充电状态时，全桥隔离双向变换器的开关频率f＝X₂kHz；全桥隔离双向变换器处于恒流充电状态时，全桥隔离双向变换器的开关频率f＝X₁kHz；全桥隔离双向变换器处于恒压充电状态时，全桥隔离双向变换器的开关频率f＝X₁kHz，其中X₂<X₁；其中，f为全桥隔离双向变换器的开关器件的开关频率，X₁为全桥隔离双向变换器的开关器件的较高开关频率值，X₂为全桥隔离双向变换器的开关器件的较低开关频率值，kH_z表示频率单位：千赫兹；

(2)采集蓄电池荷电状态SOC，确定全桥隔离双向变换器的工作状态:

A.当蓄电池荷电状态小于等于N₃时，全桥隔离双向变换器工作在开关频率f＝X₂kHz最大功率充电状态；充电至N₂≥SOC>N₃时，全桥隔离双向变换器工作在开关频率f＝X₂kHz恒流充电状态；充电至N₁≥SOC>N₂，全桥隔离双向变换器工作在开关频率f＝X₁kHz恒流充电状态；充电至1>SOC>N₁，全桥隔离双向变换器工作在f＝X₁kHz恒压充电状态；当SOC＝1时，全桥隔离双向变换器停止工作；

B.当蓄电池荷电状态小于等于N₂并且大于N₃时，全桥隔离双向变换器工作在开关频率f＝X₂kHz恒流充电状态；充电至N₁≥SOC>N₂，全桥隔离双向变换器工作在开关频率f＝X₁kHz恒流充电状态；充电至1>SOC>N₁，全桥隔离双向变换器工作在f＝X₁kHz恒压充电状态；当SOC＝1时，全桥隔离双向变换器停止工作；

C.当蓄电池荷电状态小于等于N₁并且大于N₂时，全桥隔离双向变换器工作在开关频率f＝X₁kHz恒流充电状态；充电至1>SOC>N₁，全桥隔离双向变换器工作在f＝X₁kHz恒压充电状态；当SOC＝1时，全桥隔离双向变换器停止工作；

D.当蓄电池荷电状态大于N₁时，全桥隔离双向变换器工作在开关频率f＝X₁kHz恒压充电状态；当SOC＝1时，全桥隔离双向变换器停止工作；

其中，SOC为蓄电池的荷电状态，N₁、N₂、N₃为设定的蓄电池荷电状态值，并且1>N₁>N₂>N₃。

2.按照权利要求1所述的基于全桥隔离双向变换器的蓄电池充电控制方法，其特征在于：所述的全桥隔离双向变换器工作在任一工作状态时，能够根据需要由停机指令控制全桥隔离双向变换器停止工作。

3.一种基于全桥隔离双向变换器的蓄电池放电方法，其特征在于：该方法通过以下步骤实现：

(1)首先设定全桥隔离双向变换器的三种工作状态：全桥隔离双向变换器处于最大功率放电状态时，全桥隔离双向变换器的开关频率f＝X₂kHz；全桥隔离双向变换器处于恒功率放电状态时，全桥隔离双向变换器的开关频率f＝X₂kHz；全桥隔离双向变换器处于恒功率放电状态，全桥隔离双向变换器开关频率f＝X₁kHz，其中X₂<X₁，X₁为全桥隔离双向变换器的开关器件的较高开关频率值，X₂为全桥隔离双向变换器的开关器件的较低开关频率值，kHz为频率单位：千赫兹；

A.给定蓄电池的参考放电功率P，当蓄电池的P大于其额定输出功率P_max时，全桥隔离双向变换器工作在最大功率放电状态，其开关频率f＝X₂kHz；当蓄电池荷电状态SOC≤N₃时，全桥隔离双向变换器停止工作；

B.当蓄电池的给定参考功率P_min<P<P_max时，全桥隔离双向变换器工作在恒功率放电状态，其开关频率f＝X₂kHz；当蓄电池荷电状态SOC≤N₃时，全桥隔离双向变换器停止工作；

C.当蓄电池的给定参考功率P_min>P时，全桥隔离双向变换器工作恒功率放电状态，其开关频率f＝X₁kHz恒功率放电状态，当蓄电池荷电状态SOC≤N₃时，全桥隔离双向变换器停止工作；

D.当蓄电池给定参考功率P发生变化时，全桥隔离双向变换器的工作状态根据所述A、B、C中的蓄电池给定参考功率P的状态在所述的三种工作状态间进行转换。

4.按照权利要求3所述的基于全桥隔离双向变换器的蓄电池放电方法，其特征在于：全桥隔离双向变换器工作在任一状态时，能够根据停机指令控制全桥隔离双向变换器停止工作。