CN104935063A - 一种蓄电池脉正负冲充电变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄电池正负脉冲充电变换器，采用双向全桥LLC谐振电路作为主充电拓扑，实现软开关的同时克服负脉冲的实现受应用场合和功率等级限制的缺陷。同时，功率主电路包括桥式不可控整流电路、双向全桥LLC谐振电路，在对蓄电池进行放电时，使得高压侧即整流侧的母线电容电压升高，这样，在正脉冲充电阶段起始充电时，由于采用开环控制即保持开关管Q₁～Q₄的占空比和频率与上一充电周期的占空比和频率相同，这样由于母线电容电压较高，使得充电电流相应增大，然后逐步减小，直到充电控制器正常工作，充电电流稳定，这样形成尖脉冲充电电流，以加强蓄电池的修复即去极化效果。此外，蓄电池的充电电流和放电电流均是高频脉动的，LC滤波器对其进行平滑的同时滤除充电电流的高次谐波。

Description

一种蓄电池脉正负冲充电变换器

技术领域

本发明属于蓄电池充电技术领域，更为具体地讲，涉及一种蓄电池正负脉冲充电变换器。

背景技术

正负脉冲充电是一种蓄电池快速充电的方法，该方法的使用有助于提高蓄电池的充电速度。

如图1所示，正负脉冲充电的特点是每个充电周期包含a、b、c、d四个阶段，其中，a为正脉冲充电阶段、b为停止充电的间歇阶段、c为负脉冲放电阶段、d停止放电的间歇阶段。正脉冲表示给蓄电池充电，负脉冲表示给蓄电池放电。

正负脉冲充电要求相应的充电拓扑(电路)具有充电和放电的功能，现有技术常用的有双向Buck/Boost、双向移相全桥、单向移相全桥+反激等充电拓扑，这些充电拓扑要么是不能实现软开关，要么是负脉冲的实现受应用场合和功率等级限制。

此外，蓄电池的修复和去极化效果有待加强。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种蓄电池正负脉冲充电变换器，以实现软开关的同时克服负脉冲的实现受应用场合和功率等级限制的缺陷，并加强蓄电池的修复即去极化效果。

为实现上述发明目的，本发明蓄电池正负脉冲充电变换器，包括功率主电路和控制器，其特征在于，所述功率主电路又包括：

桥式不可控整流电路，用于对输入的交流市电进行整流，把交流市电变换为直流电；

双向全桥LLC谐振电路，用于对整流输出的直流电做直流变换，输出给蓄电池(对蓄电池充电)，或对蓄电池输出的直流电做直流变换，对其高压侧即整流侧的母线电容进行充电(对蓄电池放电)；

LC滤波器，连接在双向全桥LLC谐振电路与蓄电池之间，对蓄电池的充电电流和放电电流进行平滑，同时滤除充电电压的高次谐波；

所述控制器又包括：

由电压环和电流环并联构成的充电控制器，通过调理电路采集蓄电池充电电流I_o和蓄电池电压V_out，得到采集电压V_f1和采集电流I_f，然后对采集电压V_f1与限压值V_ref1作差并对差值进行PI调节得到控制量P_V1，对采集电流I_f与限流值V_ref1作差并对差值进行PI调节得到控制量P_I，再取两个PI调节输出结果即控制量P_V1、P_I的小值作为第一PFM波发生器的输入信号，生成四路PFM波，分别驱动双向全桥LLC谐振电路原边即高压侧的四个开关管Q₁～Q₄，使其对整流输出的直流电做直流变换，输出给蓄电池(对蓄电池充电)；

由单个电压环构成的放电控制器，通过调理电路采集高压侧即整流侧的母线电容电压V_C1，得到采集电压V_f2，然后对采集电压V_f2与限压值V_ref2作差并对差值进行PI调节得到控制量P_V2，控制量P_V2作为第二PFM波发生器的输入信号，生成四路PFM波，分别驱动双向全桥LLC谐振电路副边即蓄电池侧的四个开关管Q₅～Q₈，使其对蓄电池输出的直流电做直流变换，对其高压侧即整流侧的母线电容进行充电(对蓄电池放电)；

驱动选择模块，在正脉冲充电阶段起始充电时，先采用开环控制即保持开关管Q₁～Q₄的占空比和频率与上一充电周期的占空比和频率相同，直到高压侧即整流侧的母线电容电压V_{C1_k}(k表示第k个充电周期)小于上一充电周期记录的开始放电时刻高压侧即整流侧的母线电容电压V_{C1_k-1}的1.1倍时，充电控制器才正常工作，直到正脉冲充电阶段结束，同时，整个正脉冲充电阶段禁止放电控制器工作；在停止充电的间歇阶段同时禁止充电控制器、放电控制器工作；在负脉冲放电阶段选择放电控制器工作禁止充电控制器工作；在停止放电的间歇阶段同时禁止充电控制器、放电控制器工作。

本发明的目的是这样实现的

本发明蓄电池正负脉冲充电变换器，采用双向全桥LLC谐振电路作为主充电拓扑，实现软开关的同时克服负脉冲的实现受应用场合和功率等级限制的缺陷。同时，功率主电路包括桥式不可控整流电路、双向全桥LLC谐振电路，在对蓄电池进行放电时，使得高压侧即整流侧的母线电容电压升高，这样，在正脉冲充电阶段起始充电时，由于采用开环控制即保持开关管Q₁～Q₄的占空比和频率与上一充电周期的占空比和频率相同，这样由于母线电容电压较高，使得充电电流相应增大，然后逐步减小，直到充电控制器正常工作，充电电流稳定，这样形成尖脉冲充电电流，以加强加强蓄电池的修复即去极化效果。此外，蓄电池的充电电流和放电电流均是高频脉动的，LC滤波器对其进行平滑的同时滤除充电电流的高次谐波。

附图说明

图1是正负脉冲充电示意图；

图2是双向全桥LLC谐振电路的原理图；

图3是本发明蓄电池正负脉冲充电变换器一种具体实施方式电路原理图；

图4是图3所示蓄电池正负脉冲充电变换器产生尖脉冲的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图2是双向全桥LLC谐振电路的原理图。

如图2所示，双向全桥LLC谐振电路是一种隔离型的软开关谐振拓扑，电路关于高频变压器对称，双向均能实现软开关，由于其高效率和高功率密度的特性，近年来颇受研究者关注。

在2015年04月08日公布的、公布号为CN104506039A，名称为“一种双向隔离直流-直流变换器”的中国发明专利申请中，对双向全桥LLC谐振电路的原理进行了详细分析，但没有指出基于该拓扑(电路)如何构成蓄电池充电变换器。

由于LLC是电压型拓扑，若直接应用于蓄电池的正负脉冲充电场合，则蓄电池的充电电流和放电电流均是高频脉动的，这将对蓄电池造成不利影响，且不便于对充电电流进行采样控制；同时，为加强蓄电池的修复或去极化效果，需要采用尖脉冲充电，此时需要研究适当的控制方法。

图3是本发明蓄电池正负脉冲充电变换器一种具体实施方式电路原理图。

在本实施例中，如图3所示，本发明蓄电池正负脉冲充电变换器功率主电路1和控制器2。

所述功率主电路又包括桥式不可控整流电路101、双向全桥LLC谐振电路102、LC滤波器103。

桥式不可控整流电路101，用于对输入的交流市电进行整流，把交流市电变换为直流电。桥式不可控整流电路101由整流二极管D₁～D₄构成。

双向全桥LLC谐振电路102，用于对整流输出的直流电做直流变换，输出给蓄电池(对蓄电池充电)，或对蓄电池输出的直流电做直流变换，对其高压侧即整流侧的母线电容C₁进行充电(对蓄电池放电)。双向全桥LLC谐振电路102包括母线电容即第一滤波电容C₁、原边MOSFET开关管Q₁～Q₄、第一谐振电感L_r1、第一谐振电容C_r1、高频变压器T₁、第二谐振电感L_r2、第二谐振电容C_r2、副边MOSFET开关管Q₅～Q₈、第二滤波电容C₂，L_m1为等效电感。

在给蓄电池充电时，双向全桥LLC谐振电路102功能是对整流的输出电压做直流变换，把整流输出的能量存储到蓄电池中，此时只对原边MOSFET开关管Q₁～Q₄提供驱动信号，使MOSFET开关管Q₅～Q₈保持关断，通过其体二极管构成桥式不可控整流电路，第一滤波电容C₁的电压V_C1基本保持不变；在给蓄电池放电时，双向全桥LLC谐振电路102功能是对蓄电池电压做直流变换，把蓄电池放电的能量存储到第一滤波电容C₁中，此时只对开关管Q₅～Q₈提供驱动信号，使开关管Q₁～Q₄保持关断，通过其体二极管构成桥式不可控整流电路，第一滤波电容C₁的电压V_C1逐渐升高，从而电压高于桥式不可控整流电路的整流输出电压，桥式不可控整流电路此时不工作。双向全桥LLC谐振电路本身的工作原理属于现有技术，在此不再赘述。

LC滤波器103连接在双向全桥LLC谐振电路102与蓄电池之间，对蓄电池的充电电流和放电电流进行平滑，同时滤除充电电流的高次谐波。LC滤波电路103包括滤波电感L₁、第三滤波电容C₃。

所述控制器2又包括充电控制器201、放电控制器202以及驱动选择模块203。控制器2的作用是对蓄电池充电电压、充电电流和高压侧母线电压V_C1进行控制，实质是通过对这些信号的采集来控制开关管的开关次序、占空比以及频率。

充电控制器201由电压环和电流环并联构成，通过电流采集模块、电压采集模块采集蓄电池充电电流I_o和蓄电池电压V_out，得到的采集电压V_f1和采集电流I_f，然后对采集电压V_f1与限压值V_ref1作差并对差值在电压PI补偿器进行PI调节得到控制量P_V1，对采集电流I_f与限流值V_ref1作差并对差值在电流PI补充器重进行PI调节得到控制量P_I，再取两个PI调节输出结果即控制量P_V1、P_I的小值作为第一PFM波发生器的输入信号，生成四路PFM波，分别驱动双向全桥LLC谐振电路102原边即高压侧的四个开关管Q₁～Q₄，使其对整流输出的直流电做直流变换，输出给蓄电池(对蓄电池充电)。

在本发明中，整个蓄电池的充电过程中，在充电初期，充电电压低于切换电压的预设值，此时只有电流环起作用。蓄电池正负脉冲充电变换器在电流环的控制下进行脉冲式恒流充电，蓄电池输出电压逐渐上升，电压PI补偿器输出慢慢减小。当电压PI补偿器的输出值低于电流PI补偿器输出值时，由电压补偿器起控制作用，从而完成从恒流充电方向到恒压充电方向的切换。这个时候，变换器在电压环的作用下实现恒压充电，随着蓄电池荷电量的增加，蓄电池逐渐被充满，充电电流开始减小，直至充电电流小于给定电流参考值，整个蓄电池充电过程结束。

放电控制器202由单个电压环构成的放电控制器，通过电压采集模块采集高压侧即整流侧的母线电容电压V_C1，得到的采集电压V_f2，然后对采集电压V_f2与限压值V_ref2作差并在电压PI补偿器中对差值进行PI调节得到控制量P_V2，控制量P_V2控制量P_V2作为第二PFM波发生器的输入信号，生成四路PFM波，分别驱动双向全桥LLC谐振电路副边即蓄电池侧的四个开关管Q₅～Q₈，使其对蓄电池输出的直流电做直流变换，对其高压侧即整流侧的母线电容即第一滤波电容C₁进行充电(对蓄电池放电)，当达到母线电容电压V_{C1_k}达到限压值V_ref2时，放电控制器202不再输出，母线电容电压维持在限压值V_ref2。

驱动选择模块203在正脉冲充电阶段起始充电时，先采用开环控制即保持开关管Q1～Q4的占空比和频率与上一充电周期的占空比和频率相同，直到高压侧即整流侧的母线电容电压V_{C1_k}小于上一充电周期记录的开始放电时刻高压侧即整流侧的母线电容电压V_{C1_k-1}的1.1倍时，充电控制器才正常工作，直到正脉冲充电阶段结束，同时，整个正脉冲充电阶段禁止放电控制器工作；在停止充电的间歇阶段同时禁止充电控制器、放电控制器工作；在负脉冲放电阶段选择放电控制器工作禁止充电控制器工作；在停止放电的间歇阶段同时禁止充电控制器、放电控制器工作。其中k为当前充电周期。

本实施例中，驱动选择模块203切换控制由上位机指令控制。

在对蓄电池进行放电时，使得高压侧即整流侧的母线电容电压升高，这样，在正脉冲充电阶段起始充电时，由于采用开环控制即保持开关管Q₁～Q₄的占空比和频率与上一充电周期的占空比和频率相同，这样由于母线电容电压较高，使得充电电流相应增大，然后逐步减小，直到充电控制器正常工作，充电电流稳定，这样形成尖脉冲充电电流，以加强加强蓄电池的修复即去极化效果。如图4(a)所示，尖脉冲充电是在正负脉冲充电的正脉冲充电期起始增加一个尖脉冲。

产生尖脉冲的控制原理：如图4(a)、(b)所示。

(1)在第一个充电周期：

正脉冲充电阶段t₀～t₁，放电控制器禁止输出，充电控制器使能输出，充电电流为没有尖脉冲的正脉冲电流，当充电电流稳定后，记录下此时开关管Q₁～Q₄的占空比和频率。

在t₀～t₁时刻即正脉冲充电阶段以及充电的间歇阶段，第一滤波电容C₁电压V_{C1_1}维持一个恒定值。

在负脉冲放电阶段t₁～t₂，充电控制器禁止输出，放电控制器使能输出，并记录下开始放电时刻第一滤波电容C₁的V_{C1_1}(即桥式不可控整流电路的输出电压V_{C1_1})。

在t₂～t₃时刻即停止放电的间歇阶段，同时禁止充电控制器、放电控制器工作，第一滤波电容C₁的V_{C1_1}维持在限压值V_ref2。

(2)在第二个充电周期：

正脉冲充电阶段，放电控制器禁止输出，在正脉冲充电阶段起始充电时t₃，先采用开环控制即保持开关管Q₁～Q₄的占空比和频率与上一充电周期的占空比和频率相同，直到高压侧即整流侧的母线电容电压V_{C1_2}小于上一充电周期记录的开始放电时刻高压侧即整流侧的母线电容电压V_{C1_1}的1.1倍时即时刻t₄，充电控制器才正常工作时刻，该过程形成一个尖脉冲电流，当充电电流稳定后，记录下此时开关管Q₁～Q₄的占空比和频率，直到t₅时刻充电的间歇阶段结束，第一滤波电容C₁电压V_{C1_2}维持一个恒定值。

反向放电时t₅～t₆，工作状态和第一个充电周期的类似，即充电控制器禁止输出，放电控制器正常工作，并记录下开始放电时刻第一滤波电容C1的电压V_C1(即桥式不可控整流电路的输出电压V_{C1_2})。

在t₆～t₇时刻即停止放电的间歇阶段，同时禁止充电控制器、放电控制器工作，第一滤波电容C₁的电压V_{C1_2}维持在限压值V_ref2。

随后的每个充电周期，充电控制器和放电控制器的工作状态和第二个充电周期的相同，即在正脉冲充电阶段起始充电时，先采用开环控制即保持开关管Q₁～Q₄的占空比和频率与上一充电周期的占空比和频率相同，直到高压侧即整流侧的母线电容电压V_{C1_k}(k表示第k个充电周期)小于上一充电周期记录的开始放电时刻高压侧即整流侧的母线电容电压V_{C1_k-1}的1.1倍时，充电控制器才正常工作，直到正脉冲充电阶段结束，同时，整个正脉冲充电阶段禁止放电控制器工作。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种蓄电池正负脉冲充电变换器，包括功率主电路和控制器，其特征在于，所述功率主电路又包括：

桥式不可控整流电路，用于对输入的交流市电进行整流，把交流市电变换为直流电；

双向全桥LLC谐振电路，用于对整流输出的直流电做直流变换，输出给蓄电池(对蓄电池充电)，或对蓄电池输出的直流电做直流变换，对其高压侧即整流侧的母线电容进行充电(对蓄电池放电)；

LC滤波器，连接在双向全桥LLC谐振电路与蓄电池之间，对蓄电池的充电电流和放电电流进行平滑，同时滤除充电电压的高次谐波；

所述控制器又包括：

由电压环和电流环并联构成的充电控制器，通过调理电路采集蓄电池充电电流I_o和蓄电池电压V_out，得到采集电压V_f1和采集电流I_f，然后对采集电压V_f1与限压值V_ref1作差并对差值进行PI调节得到控制量P_V1，对采集电流I_f与限流值V_ref1作差并对差值进行PI调节得到控制量P_I，再取两个PI调节输出结果即控制量P_V1、P_I的小值作为第一PFM波发生器的输入信号，生成四路PFM波，分别驱动双向全桥LLC谐振电路原边即高压侧的四个开关管Q₁～Q₄，使其对整流输出的直流电做直流变换，输出给蓄电池(对蓄电池充电)；

由单个电压环构成的放电控制器，通过调理电路采集高压侧即整流侧的母线电容电压V_C1，得到采集电压V_f2，然后对采集电压V_f2与限压值V_ref2作差并对差值进行PI调节得到控制量P_V2，控制量P_V2作为第二PFM波发生器的输入信号，生成四路PFM波，分别驱动双向全桥LLC谐振电路副边即蓄电池侧的四个开关管Q₅～Q₈，使其对蓄电池输出的直流电做直流变换，对其高压侧即整流侧的母线电容进行充电(对蓄电池放电)；

驱动选择模块，在正脉冲充电阶段起始充电时，先采用开环控制即保持开关管Q₁～Q₄的占空比和频率与上一充电周期的占空比和频率相同，直到高压侧即整流侧的母线电容电压V_{C1_k}小于上一充电周期记录的开始放电时刻高压侧即整流侧的母线电容电压V_{C1_k-1}的1.1倍时，充电控制器才正常工作，直到正脉冲充电阶段结束，同时，整个正脉冲充电阶段禁止放电控制器工作；在停止充电的间歇阶段同时禁止充电控制器、放电控制器工作；在负脉冲放电阶段选择放电控制器工作禁止充电控制器工作；在停止放电的间歇阶段同时禁止充电控制器、放电控制器工作。

2.根据权利要求1所述的蓄电池正负脉冲充电变换器，其特征在于，在第一个充电周期的正脉冲充电阶段，放电控制器禁止输出，充电控制器使能输出，充电电流为没有尖脉冲的正脉冲电流，当充电电流稳定后，记录下此时开关管Q₁～Q₄的占空比和频率。