CN105098920B - 开关电源及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关电源及其控制方法，通过将电池并联连接并连接对应的DC‑DC变换器，可以形成冗余效应，从而避免串联电池组中一路电池损坏导致整个系统不能使用。同时，通过为每个DC‑DC变换器配置两个对应的控制环路，第一控制环路在蓄电池荷电状态存在差异时控制DC‑DC变换器进行荷电状态均衡，第二控制环路在蓄电池荷电状态均衡完成后控制DC‑DC变换器进行均流，由此，可以使得开关电源的蓄电池的荷电状态在运行时趋向于均衡，延长蓄电池的使用寿命，同时维持系统稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种开关电源及其控制方法。
背景技术
在通信电源、空间电源、UPS、EPS以及大型电动车等领域需要大量的动力电池组，目前动力电池一般采用串联方式连接，以达到不同工况下的电压以及功率的要求。采用电池串联的方法具有功率密度高、技术相对成熟等优点。因此为提高系统效率、延长电池寿命，串联电池组充放电的均衡方法是目前研究的热点。
现有技术中通过升降压(buck-boost)、cuk、反激变换器等DC-DC拓扑实现能量均衡策略，已经取得显著的效果。通过上述均衡电路实现各单体之间相互充放电，虽然防止某些电池的过放或过冲，但一方面容易导致能量在电池之间相互传递，降低了系统的效率；另一方面当某个支路中任意个电池出现故障将使整个支路失效，极大影响系统能源的安全。针对一些特殊环境，例如深空探测、水下焊接等领域的供电系统是不具备可维护性的，这就要求电源具有很高冗余性来保证能源安全。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：串联电池组充放电均衡需外加均衡拓扑，增加损耗，并且能量在电池之间传递，降低系统整体效率；在串联电池组中当某个支路中任意一个电池出现故障将使整个支路失效，降低系统冗余性。串联电池组不适用于上述不具备可维护性的场合。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种开关电源及其控制方法。将电池单体经升压变换器并联输出，代替串联电池组使用，以提高系统冗余能力；通过控制方法，以使得开关电源可以进行荷电状态均衡，延长电池寿命，同时维持系统稳定性。
第一方面，提供一种开关电源，包括：
N个蓄电池，N为大于等于2的整数；
N个DC-DC变换器，分别与不同的蓄电池连接，并连接到相同的输出端；
N个控制器，分别对应于不同的DC-DC变换器，每个控制器用于在第一状态下根据第一控制环路和第二控制环路控制对应的DC-DC变换器，在第二状态下根据第二控制环路控制对应的DC-DC变换器；其中，第一控制环路使得各蓄电池的荷电状态趋于相同，第二控制环路使得各DC-DC变换器的输出电流趋于相同；
电源管理装置，与每个所述蓄电池连接，用于检测每个所述蓄电池的荷电状态(State Of Charge)，在所有蓄电池的荷电状态相同时，控制N个控制器切换到第二状态，否则控制N个控制器处于第一状态。
优选地，所述电源管理装置通过检测各蓄电池的输出电压和输出电流估算对应的荷电状态。
优选地，所述N个控制器用于在对应的蓄电池的荷电状态低于预定阈值时控制对应的DC-DC变换器停止工作。
优选地，所述第一控制环路以所有蓄电池的荷电状态的最小值为参考值进行控制；
所述N个第二控制环路以所有DC-DC变换器的输出电流的最大值为参考值进行控制。
优选地，所述控制器在第一状态下根据第一权值和第二权值分别对第一控制环路和第二控制环路的输出信号加权后形成对DC-DC变换器的控制型号。
第二方面提供一种开关电源控制方法，所述开关电源包括并联连接的多个蓄电池和对应的多个DC-DC变换器，所述方法包括：
检测每个所述蓄电池的荷电状态(State Of Charge)；
在存在荷电状态不同的蓄电池时，控制各DC-DC变换器以使得各蓄电池的荷电状态趋于相同；
在所有蓄电池的荷电状态相同时，控制各DC-DC变换器以使得其输出电流趋于相同。
优选地，所述检测每个所述蓄电池的荷电状态包括：
通过检测各蓄电池的输出电压和输出电流估算对应的荷电状态。
优选地，所述方法还包括：
控制与荷电状态低于预定阈值的蓄电池连接的DC-DC变换器停止工作。
优选地，所述控制各DC-DC变换器以使得各蓄电池的荷电状态趋于相同包括：
以所有蓄电池的荷电状态的最低值为参考值进行控制；
所述控制各DC-DC变换器以使得其输出电流趋于相同包括：
以所有DC-DC变换器的输出电流最大值为参考值进行控制。
优选地，所述控制各DC-DC变换器以使得各蓄电池的荷电状态趋于相同包括：
根据第一权值和第二权值分别对第一控制环路和第二控制环路的输出信号加权后形成对DC-DC变换器的控制信号；
第一控制环路使得各蓄电池的荷电状态趋于相同，第二控制环路使得各DC-DC变换器的输出电流趋于相同。
通过将电池并联连接并连接对应的DC-DC变换器，可以形成冗余效应，从而避免防止一路电池损坏导致整个系统不能使用。同时，通过为每个DC-DC变换器配置两个对应的控制环路，第一控制环路在蓄电池荷电状态存在差异时控制DC-DC变换器进行荷电状态均衡，第二控制环路在蓄电池荷电状态均衡完成后控制DC-DC变换器进行均流，由此，可以使得开关电源的蓄电池的荷电状态在运行时趋向于均衡，延长蓄电池的使用寿命，同时维持系统稳定性。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1a是本发明实施例的开关电源的电路示意图；
图1b是本发明实施例的控制器的信号流图；
图2是本发明实施例的开关电源的电流仿真波形图；
图3是本发明实施例的开关电源在第一控制器和第二控制器切换时的电流仿真波形图；
图4是本发明实施例的开关电源的母线电压误差值的仿真波形图；
图5是本发明实施例的开关电源的蓄电池的荷电状态仿真波形图；
图6是本发明实施例的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1a是本发明实施例的开关电源的电路示意图。
如图1a所示，本实施例的开关电源包括N个蓄电池Battery1-BatteryN、N个DC-DC变换器DC-DC 1～DC-DC N，电源管理装置S以及对应于每个DC-DC变换器DC-DC i设置的控制器Ci，其中每个控制器包括第一控制环路1i和第二控制环路2i，,i＝1,2,……,N。
其中，N个DC-DC变换器DC-DC 1～DC-DC N分别与不同的蓄电池Battery 1-Battery N连接，并连接到相同的输出端o。也即，将蓄电池Battery i与对应连接的DC-DC变换器DC-DC i视为一路功率级电路，在本实施例的开关电源中，N路功率级电路并联在地和输出端口o之间，构成一个DC-DC变换器并联运行系统。
在此系统中，每个DC-DC变换器对所连接的蓄电池的输出功率进行变换，并在输出端o输出基本稳定的电压Vo。同时，每一路的电流在输出端汇聚，从而输出一个较大的电流输出到负载。由此，可以向负载提供低电压大电流的输出。
N个控制器Ci分别对应于每个DC-DC变换器DC-DC i设置，用于控制对应的DC-DC变换器DC-DC i。也即，对于每个DC-DC变换器DC-DC i，对应设置有一个控制器Ci。
其中，控制器Ci包括两个不同的控制环路，即，第一控制环路1i和第二控制环路2i。控制器Ci在第一状态下根据第一控制环路1i和第二控制环路2i控制对应的DC-DC变换器DC-DC i，在第二状态下根据第二控制环路2i控制对应的DC-DC变换器DC-DC i。
其中，第一控制环路1i用于控制对应的DC-DC变换器DC-DC i以使得各蓄电池的荷电状态趋于相同。也即，第一控制环路1i用于进行荷电状态均衡控制，以使得所有的蓄电池的荷电状态均衡为目标进行控制。
第二控制环路2i用于控制对应的DC-DC变换器DC-DC i以使得其输出电流趋于相同。也即，第二控制环路2i用于进行输出电流均衡，以使得所有DC-DC变换器的输出电流均衡为目标进行控制。
电源管理装置S与每个蓄电池Battery1-BatteryN连接，用于检测每个蓄电池Battery1-BatteryN的荷电状态，同时接收反馈回来的变换器输出电压电流信号，并发送控制指令，图中发送指令包括：第一、二控制器的参考值、相应的权值和故障切换信号。在所有蓄电池的荷电状态相同时(也即达到荷电状态均衡时)，将N个控制器Ci设置为第二状态，否则，将N个控制器Ci设置为第一状态。
图1b是本发明实施例的控制器的信号流图。如图1b所示，电源管理装置S在获取到所有的蓄电池的Battery1-BatteryN的荷电状态后，会对荷电状态进行排序，并选出荷电状态最低值作为参考值，并将该参考值SOCref传送到N个第一控制环路。
每个第一控制环路1i以所有蓄电池的荷电状态的最低值为参考值SOCref进行控制。使得各蓄电池的荷电状态趋向于所述参考值SOCref。
具体地，第一控制环路1i获取对应的电池的荷电状态SOC(荷电状态SOC由图1a中电池和DC-DC变换器小信号建模得到的传递函数Gbd(s)和电池SOC估算部分计算并发送至第一控制环路1i)，将其与参考值SOCref获得荷电状态误差值SOCerr，进而经由PI调节器Gu1(s)和比例环节1/Um获得第一控制环路的输出d1(s)，然后，将利用第一权值w1对输出d1(s)进行加权后输出。
同时，第二控制环路2i获取输出电流的参考值iref和输出电压的参考值Vref。根据输出电流反馈信号io可以获取输出电流误差信号ierr。电流误差信号ierr经由PI调节器Gc2(s)获得均流控制参量，均流控制参量与输出电压参考值Vref以及输出电压反馈信号Vo进行计算后获得误差参量Verr，该误差参量经由恒压控制器Gu2(s)处理后，再经由比例环节1/Um获得第二控制环路的输出d2(s)。然后，将利用第二权值w2对输出d2(s)进行加权后输出。
进行加权后的输出信号被合并并用于控制DC-DC变换器Gud(s)。DC-DC变换器输出的恒定电压Vo(s)在负载Z(s)的作用下转换为对应的输出电流io(s)。输出电压Vo(s)和输出电流io(s)分别经由不同的反馈回路β和H形成为反馈信号Vo和io进入控制环路，参与控制。
具体地，由于在由所述第一状态切换到所述第二状态时，可能会引起负载的突变，这可能会导致系统不稳定。针对该情况，控制器Ci在第一状态下(也即荷电均衡状态下)可以进行混合控制以在实现荷电状态均衡的过程中尽量保持各DC-DC变换器的输出电流跟随输出电流最大值变化，从而避免出现在切换时各支路的电流差异过大的情况。此时，各控制器Ci允许第一控制环路1i和第二控制环路2i同时工作，通过设置使得第一权值w1大于第二权值w2，可以使得控制电路Ci在第一状态下以荷电状态均衡为主要控制目标，以输出电流均衡为次要控制目标进行控制。一方面保证输出电压电流达到要求值，另一方面使得在切换时各DC-DC变换器的占空比差异不至于过大，实现平滑切换。由此，使得控制器在第一状态下以荷电状态均衡为主要目标进行控制，同时保持输出电流的跟随。
在第二状态下，也即在所有蓄电池的荷电状态相同时，关闭第一环路，仅第二控制环路工作，由此，在第二状态下仅进行均流控制。
通过在第一状态下，使得第一权值w1大于第二权值w2，在第二状态下，通过关闭第一控制环路(也即，控制第一控制环路停止工作，或将对应的第一权值w1设置为零)实现控制器在第一状态下进行以荷电均衡为主要目标以电流跟随为次要目标的混合控制，在第二状态下进行均流控制。
由此，可以避免出现切换时各支路的电流差异过大，保证了切换的平滑，保证了系统的稳定。
具体地，第一控制环路可以通过保持或减小荷电状态最低的一路DC-DC变换器的占空比，同时，按照对应的荷电状态来增大其它路的DC-DC变换器的占空比，提高其它路的DC-DC变换器的输出电流以加速其它蓄电池的电量趋向于参考值。
每个第二控制环路以所有DC-DC变换器的输出电流最大值为参考值进行控制。输出电流由电源管理装置统一采集。采集后，对所有DC-DC变换器的输出电流进行排序以获得输出电流的最大值，将该最大值作为参考值。
具体地，第二控制环路可以通过保持或减小输出电流最大的一路DC-DC变换器的占空比，同时，增大其它DC-DC变换器的占空比以增大输出电流，使得所有DC-DC变换器的输出电流趋向于参考值。
应理解，第一控制器和第二控制器在进行上述控制的同时还会进行恒压控制以保证对应的DC-DC变换器输出端的电压基本恒定。
进一步地，电源管理装置S通过检测各蓄电池Battery1-BatteryN的输出电压和输出电流估算对应的蓄电池的荷电状态。
进一步地，电源管理装置S还用于在对应的蓄电池的荷电状态低于预定阈值时，发出故障切换信号，使控制器Ci控制连接的DC-DC变换器停止工作。
具体地，控制器Ci通过故障切换环路3i进行上述操作。例如，电源管理装置S在检测到对应的蓄电池的荷电状态低于预定阈值时，将故障切换信号发送到控制器Ci，控制器Ci通过故障切换环路3i控制连接的DC-DC变换器DC-DC i停止工作。
也就是说，在某一个蓄电池Battery m的荷电状态低于预定阈值时，该蓄电池的电量过低，此时电源管理装置S通知对应的控制器Cm控制对应的DC-DC变换器DC-DC m停止的工作，避免蓄电池进一步掉电，损害电池寿命。由此，可以有效保障电池的使用寿命。
由此，通过第一控制器在蓄电池荷电状态存在差异时控制DC-DC变换器进行荷电状态均衡，第二控制器在蓄电池荷电状态均衡完成后控制DC-DC变换器进行均流，由此，可以使得开关电源的蓄电池的荷电状态在运行时趋向于均衡，延长蓄电池的使用寿命，同时维持系统稳定性。
图2-图5是对本实施例的开关电源进行仿真获取的不同参量的波形图。在仿真中，开关电源包括两路蓄电池及DC-DC变换器并联系统。将蓄电池的初始荷电状态分别设为0.9和0.85，输出电压的参考值设置为80V。在离散仿真模式下，选择采样时间为10-5s。
图2是本发明实施例的开关电源的电流仿真波形图
如图2所示，两个并联模块的电流仿真波形，在0.01s～0.146s中，由第一控制器控制各DC-DC变换器，在这一过程中不同的DC-DC变换器的输出电流有所差异，但时间短暂。
图3是本发明实施例的开关电源在第一控制器和第二控制器切换时的电流仿真波形图。
如图3所示，在0.01s～0.146s中，此时均流控制作为跟随作用，两路电流渐渐趋于平均值，两路电流信号差值趋于0，在0.146s之后切换到由第二控制器控制各DC-DC变换器，即均流控制开始作用，根据图3可见，电流实现了平滑切换。在0.146s后，两模块的输出电流一致，稳定在3A左右。
图4是本发明实施例的开关电源的母线电压误差值的仿真波形图。
在本发明中，母线电压是指输出侧与负载连接的输出电压。如图4所示，母线电压基本趋于稳定于参考点电压值，差值在可接受范围之内。可见，基于本实施例的开关电源可以始终保持稳定的电压输出。
图5是本发明实施例的开关电源的蓄电池的荷电状态仿真波形图。
同时，如图5所示，两路电池荷电状态最终也实现均衡，稳定于79％左右，从而证明了所述控制方法的有效性。
本实施例通过为每个DC-DC变换器配置两个对应的控制器，第一控制器在蓄电池荷电状态存在差异时控制DC-DC变换器进行荷电状态均衡，第二控制器在蓄电池荷电状态均衡完成后控制DC-DC变换器进行均流，由此，可以使得开关电源的蓄电池的荷电状态在运行时趋向于均衡，延长蓄电池的使用寿命，同时维持系统稳定性。
图6是本发明实施例的开关电源的控制方法的流程示意图。
本实施例的开关电源为在前所述实施例的开关电源，所述控制方法包括：
步骤100、检测每个所述蓄电池的荷电状态(State Of Charge)。
步骤200、判断荷电状态是否相同。
步骤300、在存在荷电状态不同的蓄电池时，控制各DC-DC变换器以使得各蓄电池的荷电状态趋于相同。
步骤400、在所有蓄电池的荷电状态相同时，控制各DC-DC变换器以使得其输出电流趋于相同。
优选地，所述检测每个所述蓄电池的荷电状态包括：
通过检测各蓄电池的输出电压和输出电流估算对应的蓄电池的荷电状态。
优选地，所述方法还包括：
控制与荷电状态低于预定阈值的蓄电池连接的DC-DC变换器停止工作。
优选地，所述控制各DC-DC变换器以使得各蓄电池的荷电状态趋于相同包括：
以所有蓄电池的荷电状态的最低值为参考值进行控制；
所述控制各DC-DC变换器以使得其输出电流趋于相同包括：
以所有DC-DC变换器的输出电流最大值为参考值进行控制。
优选地，所述控制各DC-DC变换器以使得各蓄电池的荷电状态趋于相同包括：
根据第一权值和第二权值分别对第一控制环路和第二控制环路的输出信号加权后形成对DC-DC变换器的控制型号。
第一控制环路使得各蓄电池的荷电状态趋于相同，第二控制环路使得各DC-DC变换器的输出电流趋于相同。
通过将电池并联连接并连接对应的DC-DC变换器，可以形成冗余效应，从而避免防止一路电池损坏导致整个系统不能使用。同时，通过为每个DC-DC变换器配置两个对应的控制环路，第一控制环路在蓄电池荷电状态存在差异时控制DC-DC变换器进行荷电状态均衡，第二控制环路在蓄电池荷电状态均衡完成后控制DC-DC变换器进行均流，由此，可以使得开关电源的蓄电池的荷电状态在运行时趋向于均衡，延长蓄电池的使用寿命，同时维持系统稳定性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种开关电源，包括：
N个蓄电池，N为大于等于2的整数；
N个DC-DC变换器，分别与不同的蓄电池连接，并连接到相同的输出端；
N个控制器，分别对应于不同的DC-DC变换器，每个控制器用于在第一状态下根据第一控制环路和第二控制环路控制对应的DC-DC变换器，在第二状态下根据第二控制环路控制对应的DC-DC变换器；其中，第一控制环路使得各蓄电池的荷电状态趋于相同，第二控制环路使得各DC-DC变换器的输出电流趋于相同；
电源管理装置，与每个所述蓄电池连接，用于检测每个所述蓄电池的荷电状态(StateOf Charge)，在所有蓄电池的荷电状态相同时，控制N个控制器切换到第二状态，否则控制N个控制器处于第一状态；
所述第一控制环路以所有蓄电池的荷电状态的最小值为参考值进行控制；
所述N个第二控制环路以所有DC-DC变换器的输出电流的最大值为参考值进行控制；
所述控制器在第一状态下根据第一权值和第二权值分别对第一控制环路和第二控制环路的输出信号加权后形成对DC-DC变换器的控制信号。
2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述电源管理装置通过检测各蓄电池的输出电压和输出电流估算对应的荷电状态。
3.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述N个控制器用于在对应的蓄电池的荷电状态低于预定阈值时控制对应的DC-DC变换器停止工作。
4.一种开关电源控制方法，所述开关电源包括并联连接的多个蓄电池和对应的多个DC-DC变换器，所述方法包括：
检测每个所述蓄电池的荷电状态(State Of Charge)；
在存在荷电状态不同的蓄电池时，控制各DC-DC变换器以使得各蓄电池的荷电状态趋于相同；
在所有蓄电池的荷电状态相同时，控制各DC-DC变换器以使得其输出电流趋于相同；
其中，所述控制各DC-DC变换器以使得各蓄电池的荷电状态趋于相同包括：
以所有蓄电池的荷电状态的最低值为参考值进行控制；
所述控制各DC-DC变换器以使得其输出电流趋于相同包括：
以所有DC-DC变换器的输出电流最大值为参考值进行控制；
其中，所述控制各DC-DC变换器以使得各蓄电池的荷电状态趋于相同包括：
根据第一权值和第二权值分别对第一控制环路和第二控制环路的输出信号加权后形成对DC-DC变换器的控制信号；
第一控制环路使得各蓄电池的荷电状态趋于相同，第二控制环路使得各DC-DC变换器的输出电流趋于相同。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述检测每个所述蓄电池的荷电状态包括：
通过检测各蓄电池的输出电压和输出电流估算对应的荷电状态。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
控制与荷电状态低于预定阈值的蓄电池连接的DC-DC变换器停止工作。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |