CN107317377B - 一种电池化成分容双向ac-dc电路及其控制方法 - Google Patents

一种电池化成分容双向ac-dc电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池化成分容双向AC‑DC电路，包括MOS管Q1、二极管D1、功率电感Lf、电容Cf以及电池化成分容双向AC‑DC电路控制子系统，所述电感Lf分别连接电池化成分容双向AC‑DC电路控制子系统和交流电源Uac，电感Lf另一端分别连接电容Cf、MOS管Q3的D极、二极管D3负极、MOS管Q1的D极和二极管D1负极，MOS管Q3的S极分别连接二极管D3正极、二极管D4负极、MOS管Q4的D极、电感L1、电感L2、电容CL、电容Cr、电感L3和输出端Udc正极。本发明的电路，可满足用户同时进行功率因数校正、高效率软开关、同步整流、双向能量转换的控制需求，极大提高系统的能量回收效率和系统的可靠性。

Description

一种电池化成分容双向AC-DC电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种AC-DC电路，具体是一种电池化成分容双向AC-DC电路及其控制方法。
背景技术
随着电动汽车行业的飞速发展和新能源节能技术的不断发展，高效能量转换与储存技 术在世界各国均被列入重大战略发展规划中。当前，动力锂电池在电动汽车工业领域得到 了广泛的应用，其化成、分容、匹配参数测试等工作，对确保动力电池工作过程的稳定高效具有非常重要的作用。然而，在化成、分容、匹配参数测试等工作过程中，会不断地进行动力电池的充放电操作，传统的测试方法和装置，有的无法进行能量回收，有的则能量回收效率低，能源损失大导致系统发热过大，既造成能源浪费，也存在巨大的安全隐患。 因此，新型的电池化成分容双向AC-DC电路及其控制方法研发是电动汽车工业界非常迫切的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电池化成分容双向AC-DC电路及其控制方法，以解决上述 背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电池化成分容双向AC-DC电路，包括MOS管Q1、二极管D1、功率电感Lf、电容 Cf以及电池化成分容双向AC-DC电路控制子系统，所述电感Lf分别连接电池化成分容双 向AC-DC电路控制子系统和交流电源Uac，电感Lf另一端分别连接电容Cf、MOS管Q3的 D极、二极管D3负极、MOS管Q1的D极和二极管D1负极，MOS管Q3的S极分别连接二极 管D3正极、二极管D4负极、MOS管Q4的D极、电感L1、电感L2、电容CL、电容Cr、电 感L3和输出端Udc正极，所述二极管D1正极分别连接MOS管Q1的S极、电感L1另一端、 二极管D8正极、二极管D5负极和MOS管Q5的D极，二极管D5正极分别连接二极管D6 正极、MOS管Q5的S极、MOS管Q5的S极、电容CL另一端、输出端Udc负极和电池化成 分容双向AC-DC电路控制子系统，所述电容Cr另一端分别连接二极管D7负极、MOS管Q7 的D极、二极管D9负极、二极管D8负极，MOS管Q7的S极分别连接二极管D7正极和电感L3另一端，二极管D9正极分别连接二极管D6负极、MOS管Q6的D极、电感L2另一端、 二极管D2正极和MOS管Q2的S极，二极管D2负极分别连接MOS管Q2的D极、MOS管Q4 的S极、二极管D4正极、电容Cf另一端和交流电源Uac另一端，所述电池化成分容双向AC-DC电路控制子系统还分别连接MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、 MOS管Q6、MOS管Q7的G极。
作为本发明进一步的方案：所述电池化成分容双向AC-DC电路控制子系统包含状态变 量检测模块、状态空间算法模块和谐振控制模块。
作为本发明再进一步的方案：所述电池化成分容双向AC-DC电路的控制方法，包括如 下步骤：步骤1：状态变量检测模块从功率主电路中获取系统的状态变量 X＝[if uf idcudc]T，状态变量检测模块按一定的存储深度，将系统状态变量存储 在数字信号处理器存储空间内，得到数字信号序列X[N],以存储深度N构造一个实时采样 更新的数据队列；步骤2：状态空间算法模块，依据状态变量检测模块获取的数字信号序 列，首先进行信号的清洗和修正，然后利用清洗修正后的数据进行状态空间的计算，具体步骤如下：步骤2.1：利用数字信号序列X[N]，生成一个影子序列影子序列的生成方法为其中k为遍历指针，n为数据序列的编号，ak为影子系数；步骤2.2：利用真实世界系统的惯性特性，即系统变量不会产生巨大的突变， 影子序列利用序列数据的关联性，生成的新的数据序列，与原数据序列进行数据对比，即 原数字信号序列X[N]与影子序列进行对比，设置清洗阈值σth，当数据编号为n的阈 值大于σth，则在数字信号序列X[N]中剔除该数据，并使用该数 据两端的数据的平均值进行替换，实现数据的清洗和修正；步骤2.3：清洗和修正后的数 字信号序列X[N]已经是干净的、无干扰的信号，利用数字信号序列X[N]的数据，判断系 统的状态空间H＝{H1，H2，H3}，其中H1表示AC端的正负半周，H1＝0表示负半周， H1＝1则表示正半周，H2表示能量流动方向，H2＝0表示AC端流向DC端，H2＝1则 表示DC端流向AC端，H3表示谐振工作使能和禁能状态，H3＝0表示禁能谐振，H3＝1 表示使能谐振，利用状态变量的数字信号序列的状态信息，判断系统的状态空间；步骤3： 依据状态空间H，控制S1～S7的信号、谐振模块的工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明控制方法，利用影子序列方法，采用数字控制手段，对系统状态变量进行精准采集，解决现有技术和产品在运行过程中的精度低问题。对于强非线性、动态、干扰源复杂的系统，本发明的控制方法具有更大的优势；(2)本发明的电路，可满足用户同时进行功率因数校正、高效率软开关、同步整流、 双向能量转换的控制需求，极大提高系统的能量回收效率和系统的可靠性。
附图说明
图1为电池化成分容双向AC-DC电路的结构示意图。
图2为本发明中AC-DC能量流动情况下的控制方法。
图3为本发明中DC-AC能量流动情况下的控制方法。
图4为本发明的谐振控制方法。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～4，本发明实施例中，一种电池化成分容双向AC-DC电路，包括MOS管Q1、 二极管D1、功率电感Lf、电容Cf以及电池化成分容双向AC-DC电路控制子系统，所述电感Lf分别连接电池化成分容双向AC-DC电路控制子系统和交流电源Uac，电感Lf另一端 分别连接电容Cf、MOS管Q3的D极、二极管D3负极、MOS管Q1的D极和二极管D1负极， MOS管Q3的S极分别连接二极管D3正极、二极管D4负极、MOS管Q4的D极、电感L1、 电感L2、电容CL、电容Cr、电感L3和输出端Udc正极，所述二极管D1正极分别连接MOS 管Q1的S极、电感L1另一端、二极管D8正极、二极管D5负极和MOS管Q5的D极，二 极管D5正极分别连接二极管D6正极、MOS管Q5的S极、MOS管Q5的S极、电容CL另一 端、输出端Udc负极和电池化成分容双向AC-DC电路控制子系统，所述电容Cr另一端分 别连接二极管D7负极、MOS管Q7的D极、二极管D9负极、二极管D8负极，MOS管Q7的 S极分别连接二极管D7正极和电感L3另一端，二极管D9正极分别连接二极管D6负极、 MOS管Q6的D极、电感L2另一端、二极管D2正极和MOS管Q2的S极，二极管D2负极分 别连接MOS管Q2的D极、MOS管Q4的S极、二极管D4正极、电容Cf另一端和交流电源Uac另一端，所述电池化成分容双向AC-DC电路控制子系统还分别连接MOS管Q1、MOS管 Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q6、MOS管Q7的G极。
所述电池化成分容双向AC-DC电路控制子系统包含状态变量检测模块、状态空间算法 模块和谐振控制模块。
所述电池化成分容双向AC-DC电路的控制方法，包括如下步骤：步骤1：状态变量检测模块从功率主电路中获取系统的状态变量X＝[if uf idc udc]T，状态变量检测模 块按一定的存储深度，将系统状态变量存储在数字信号处理器存储空间内，得到数字信号 序列X[N],以存储深度N构造一个实时采样更新的数据队列；步骤2：状态空间算法模块， 依据状态变量检测模块获取的数字信号序列，首先进行信号的清洗和修正，然后利用清洗 修正后的数据进行状态空间的计算，具体步骤如下：步骤2.1：利用数字信号序列X[N]， 生成一个影子序列影子序列的生成方法为其 中k为遍历指针，n为数据序列的编号，ak为影子系数；步骤2.2：利用真实世界系统的惯 性特性，即系统变量不会产生巨大的突变，影子序列利用序列数据的关联性，生成的新的 数据序列，与原数据序列进行数据对比，即原数字信号序列X[N]与影子序列进行对 比，设置清洗阈值σth，当数据编号为n的阈值大于σth，则在数字 信号序列X[N]中剔除该数据，并使用该数据两端的数据的平均值进行替换，实现数据的 清洗和修正；步骤2.3：清洗和修正后的数字信号序列X[N]已经是干净的、无干扰的信号， 利用数字信号序列X[N]的数据，判断系统的状态空间H＝{H1，H2，H3}，其中H1表示AC端的正负半周，H1＝0表示负半周，H1＝1则表示正半周，H2表示能量流动方向， H2＝0表示AC端流向DC端，H2＝1则表示DC端流向AC端，H3表示谐振工作使能和禁 能状态，H3＝0表示禁能谐振，H3＝1表示使能谐振，利用状态变量的数字信号序列的 状态信息，判断系统的状态空间；步骤3：依据状态空间H，控制S1～S7的信号、谐振模 块的工作。
本发明的电池化成分容双向AC-DC的硬件电路如图1所示，由7个功率开关管(Q1～Q7)、 9个功率二极管(D1～D9)、4个功率电感(Lf、L1～L2)、3个电容(Cf、CL和Cr)以及 电池化成分容双向AC-DC电路控制子系统构成,作为一个优选的实施例，7个功率开关管选 择IGBT或功率MOS管，功率电感(Lf、L1～L3)应选择高频特性好，抗饱和性好的磁芯绕 制而成，电容(Cf、CL和Cr)应选用高耐压、低等效串联电阻的电解电容或大容量的薄膜电容器。电池化成分容双向AC-DC电路控制子系统的核心部分采用DSP处理器或ARM处 理器，状态变量检测模块、状态空间算法模块和谐振控制模块均在处理器内部编程实现。 Q1～Q7构成主功率电路的开关部件，这7个功率开关管(Q1～Q7)在电池化成分容双向AC-DC电路控制子系统的控制信号(S1～S7)下，实现高效率的双向AC-DC变换。状态变量检测 模块对系统状态变量(if、uf、idc和udc)进行采样，状态空间算法模块则根据状态变 量检测模块的检测结果进行状态空间计算，谐振控制模块接收状态空间算法模块的计算结 果，对系统进行谐振控制。
针对控制方法，在AC-DC能量流动情况下，见图2，考虑H1＝0表示负半周，H1＝1 则表示正半周两种情况，其具体控制方法如下：
(1)H1＝1时，其控制回路对应图2中的(a)、(b)、(c)三种状态，三种状态 在H1＝1的阶段中循环执行，图中使用粗线条表示工作回路，细线条表示不工作回路，下 同。
(a)的具体的工作流程为：Uac->Lf->Q1->L1->Q4(D4)->Uac和Uac->Cf->Uac；(b)的具体的工作流程为：Uac->Lf->Cf->Uac和L1->Q5->Udc->L1和L1->Q5->CL->L1和CL->Udc->CL；(c)的具体的工作流程为：Uac->Lf->Cf->Uac和CL->Udc->CL。
(2)H1＝0时，其控制回路对应图2中的(d)、(e)、(f)三种状态，三种状态 在H1＝0的阶段中循环执行。(d)的具体的工作流程为：Uac->Q2->L2->Q3(D3)->Lf->Uac 和Uac->Cf->Lf->Uac和Cf->Q2->L2->Q3(D3)->Cf；(e)的具体的工作流程为： Uac->Cf->Lf->Uac和Q6(D6)->L2->Udc->Q6(D6)和Q6(D6)->L2->CL->Q6(D6)；(f)的具 体的工作流程为：Uac->Cf->Lf->Uac和CL->Udc->CL；在DC-AC能量流动情况下，见图 3，考虑H1＝0表示负半周，H1＝1则表示正半周两种情况，其具体控制方法如下：
(1)H1＝1时，其控制回路对应图3中的(a)、(b)、(c)三种状态，三种状态 在H1＝1的阶段中循环执行，图中使用粗线条表示工作回路，细线条表示不工作回路，下 同。
(a)的具体的工作流程为：Uac->Lf->Cf->Uac和L1->Q5->Udc->L1和L1->Q5->CL->L1
(b)的具体的工作流程为：Uac->Lf->Q1->L1->Q4(D4)->Uac和Uac->Lf->Cf->Uac和 Cf->Q1->L1->Q4(D4)->Cf
(c)的具体的工作流程为：Uac->Lf->Cf->Uac
(2)H1＝0时，其控制回路对应图3中的(d)、(e)、(f)三种状态，三种状态 在H1＝0的阶段中循环执行。(d)的具体的工作流程:Q6(D6)->L2->Udc->Q6(D6)和 Q6(D6)->L2->CL->Q6(D6)和CL->Udc->CL和Uac->Cf->Lf->Uac；(e)的具体的工作流程 为：Uac->Q2->L2->Q3(D3)->Lf->Uac和Uac->Cf->Lf->Uac和Cf->Q2->L2->Q3(D3)->Cf； (f)的具体的工作流程为：Uac->Cf->Lf->Uac。
在谐振控制情况下，见图4，考虑H1＝0表示负半周，H1＝1则表示正半周两种情 况，其具体控制方法如下：
(1)H1＝1时，其控制回路对应图4中的(a)、(b)、(c)、(d)四种状态， 四种状态在H1＝1的阶段中循环执行，图中使用粗线条表示工作回路，细线条表示不工作 回路，下同。(a)的具体的工作流程为：L1->Q5->Udc->L1和L1->Q5->CL->L1和 Q7->Cr->Lr->Q7；(b)的具体的工作流程为：L1->D8->Q7->Lr->L1和Udc->CL->Udc和Ude->D5->D8->Cr->Udc；(c)的具体的工作流程为：L1->D8->Q7->Lr->L1和L1->D8->Cr->L1 和Cr->L1->Q7(D7)->Cr；(d)的具体的工作流程为：L1->D8->Cr->L1。
(2)H1＝0时，其控制回路对应图4中的(e)、(f)、(g)三种状态，三种状态 在H1＝0的阶段中循环执行。(e)的具体的工作流程为：Udc->Q6(D6)->L2->Udc和 Udc->CL->Udc和Cr->Q7->Lr->Cr；(f)的具体的工作流程为：Udc->D6->L2->Udc和 Udc->CL->Udc和Udc->D6->D9->Cr->Udc和Cr->Q7->Lr->Cr；(h)的具体的工作流程为： L2->D9->Cr->L2和L2->D9->Q7->Lr->L2和Cr->Q7->Lr->Cr。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背 离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从 哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有 变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含 一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将 说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种电池化成分容双向AC-DC电路，包括MOS管Q1、二极管D1、功率电感Lf、电容Cf以及电池化成分容双向AC-DC电路控制子系统，其特征在于，所述电感Lf分别连接电池化成分容双向AC-DC电路控制子系统和交流电源Uac，电感Lf另一端分别连接电容Cf、MOS管Q3的D极、二极管D3负极、MOS管Q1的D极和二极管D1负极，MOS管Q3的S极分别连接二极管D3正极、二极管D4负极、MOS管Q4的D极、电感L1、电感L2、电容CL、电容Cr、电感L3和输出端Udc正极，所述二极管D1正极分别连接MOS管Q1的S极、电感L1另一端、二极管D8正极、二极管D5负极和MOS管Q5的D极，二极管D5正极分别连接二极管D6正极、MOS管Q5的S极、MOS管Q5的S极、电容CL另一端、输出端Udc负极和电池化成分容双向AC-DC电路控制子系统，所述电容Cr另一端分别连接二极管D7负极、MOS管Q7的D极、二极管D9负极、二极管D8负极，MOS管Q7的S极分别连接二极管D7正极和电感L3另一端，二极管D9正极分别连接二极管D6负极、MOS管Q6的D极、电感L2另一端、二极管D2正极和MOS管Q2的S极，二极管D2负极分别连接MOS管Q2的D极、MOS管Q4的S极、二极管D4正极、电容Cf另一端和交流电源Uac另一端，所述电池化成分容双向AC-DC电路控制子系统还分别连接MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q6、MOS管Q7的G极。
2.根据权利要求1所述的电池化成分容双向AC-DC电路，其特征在于，所述电池化成分容双向AC-DC电路控制子系统包含状态变量检测模块、状态空间算法模块和谐振控制模块。
3.一种如权利要求1或2所述的电池化成分容双向AC-DC电路的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：状态变量检测模块从功率主电路中获取系统的状态变量X＝[if ufidc udc]T，状态变量检测模块按一定的存储深度，将系统状态变量存储在数字信号处理器存储空间内，得到数字信号序列X[N],以存储深度N构造一个实时采样更新的数据队列；步骤2：状态空间算法模块，依据状态变量检测模块获取的数字信号序列，首先进行信号的清洗和修正，然后利用清洗修正后的数据进行状态空间的计算，具体步骤如下：步骤2.1：利用数字信号序列X[N]，生成一个影子序列影子序列的生成方法为其中k为遍历指针，n为数据序列的编号，ak为影子系数；步骤2.2：利用真实世界系统的惯性特性，即系统变量不会产生巨大的突变，影子序列利用序列数据的关联性，生成的新的数据序列，与原数据序列进行数据对比，即原数字信号序列X[N]与影子序列进行对比，设置清洗阈值σth，当数据编号为n的阈值大于σth，则在数字信号序列X[N]中剔除该数据，并使用该数据两端的数据的平均值进行替换，实现数据的清洗和修正；步骤2.3：清洗和修正后的数字信号序列X[N]已经是干净的、无干扰的信号，利用数字信号序列X[N]的数据，判断系统的状态空间H＝{H1，H2，H3}，其中H1表示AC端的正负半周，H1＝0表示负半周，H1＝1则表示正半周，H2表示能量流动方向，H2＝0表示AC端流向DC端，H2＝1则表示DC端流向AC端，H3表示谐振工作使能和禁能状态，H3＝0表示禁能谐振，H3＝1表示使能谐振，利用状态变量的数字信号序列的状态信息，判断系统的状态空间；步骤3：依据状态空间H，控制S1～S7的信号、谐振模块的工作。
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