CN110149052B - 一种用于电池充电的谐振电路拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电池充电的谐振电路拓扑结构，包括半桥式变换器、CLCL谐振网络、第一桥式整流电路和第二桥式整流电路，CLCL谐振网络连接于半桥式变换器与第一桥式整流电路、第二桥式整流电路之间由第一电容、第二电容、第一电感和第二电感组成，第一桥式整流电路和第二桥式整流电路的输入端串联，输出端并联。该用于电池充电的谐振电路拓扑结构，无需专门的复杂控制器，可自动实现在不同负载的情况下恒流或恒压充电，提高了传输效率及系统可靠性。

Description

一种用于电池充电的谐振电路拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种用于电池充电的电路拓扑结构，特别是涉及一种用于电池充电的谐振电路拓扑结构。
背景技术
近年来，可再生能源和资源引起了全世界越来越多的关注。电池作为可再生能源系统中的重要存储元件，在消费电子、生物医用植入物、电动汽车和列车电源等许多工业应用的发展中都是必不可少的。特别是锂离子电池作为一种更经济、更环保的电池，目前在这些应用中得到了广泛的应用。
电池的充电方法主要有：锥形电流充电、脉冲充电和恒压或恒流充电等技术。在这些方法中，恒流恒压(CC/CV)控制充电方法是应用最广泛的一种充电方式，用于锂电池和其他一些电池的充电，然而，如果超过电压和电流上限，这些电池可能会受到损坏。
基于DC-DC拓扑的电池充电技术因其均衡精度高、效率高而近年来备受关注。已经有人提出并研究了用于电池充电的谐振整流器，如LLC拓扑结构。LLC整流器在谐振频率附近工作，可以实现高效率和高功率密度。然而，在大的输出电压范围内很难保持高效率，特别是当开关频率远远高于或低于谐振频率时。同时，为了解决硬开关问题，在轻负载条件下分别采用PSFB整流器的变开关频率控制策略和LLC整流器的相移调制方法。虽然该方法可以获得更高的效率，但控制和设计方法相对复杂，不同控制模式之间的转换也降低了动态响应。因此，在不同负载条件下，亟需开发一种简单控制方案的高效整流器拓扑结构以满足电池充电应用。
发明内容
针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种用于电池充电的谐振电路拓扑结构，解决现有电池充电电路拓扑结构中普遍存在的控制和设计方法相对复杂，且在高电压范围内效率低的问题，无需专门的复杂控制器，可自动实现在不同负载的情况下恒流或恒压充电。
本发明技术方案是这样的：一种用于电池充电的谐振电路拓扑结构，包括半桥式变换器、CLCL谐振网络、第一桥式整流电路和第二桥式整流电路，所述CLCL谐振网络包括第一电容、第二电容、第一电感和第二电感，所述第一电容的第一端与所述半桥式变换器的第一输出端连接，所述第一电容的第二端与所述第一电感的第一端连接，所述第一电感的第二端与所述第二电容的第一端、第二电感的第一端连接，所述第一桥式整流电路的第一输入端与所述半桥式变换器的第二输出端连接，所述第一桥式整流电路的第二输入端与所述第二桥式整流电路的第一输入端连接构成所述第一桥式整流电路和第二桥式整流电路的输入串联连接，所述第二桥式整流电路的第二输入端与所述第二电感的第二端连接，所述第二电容的第二端与所述第一桥式整流电路的第二输入端连接，所述第一桥式整流电路和第二桥式整流电路的输出端并联连接构成所述用于电池充电的谐振电路拓扑结构的直流输出端。
进一步地，所述第一桥式整流电路和第二桥式整流电路的工作频率fs为
Figure BDA0002055414010000021
L2为第二电感的电感值，C2为第二电容的电容值。
进一步地，所述第一电感的电感值和第二电感的电感值满足L2≤L1≤20L2，L1为第一电感的电感值，L2为第二电感的电感值。
进一步地，所述CLCL谐振网络的输入电压与所述第一桥式整流电路和第二桥式整流电路中一个桥式整流电路的输出电流同相。
进一步地，所述半桥式变换器的第一输出端、第二输出端与所述第一电容的第一端、第一桥式整流电路的第一输入端之间连接有变压器。
进一步地，所述变压器的初级线圈侧串联第三电容。所述第三电容用于对产生的直流分量进行隔离。
本发明与现有技术相比的优点在于：该拓扑结构采用半桥式变换器、CLCL谐振网络和两个高频整电路，无需专门的复杂控制器，可自动实现对不同负载的恒流CC或恒压CV充电状态。该谐振整流器的所有开关均可实现零电压开关，提高了传输效率和电压应力。恒流CC或恒压CV的输出特性不采用专用控制策略，进一步提高了整个系统的可靠性和实用性。
附图说明
图1为本发明用于电池充电的新型谐振电路拓扑结构的示意图；
图2为本发明电路拓扑结构在不同负载RL下的输出电流与输出电压计算和测试结果图；
图3为带有变压器Tr1的用于电池充电的新型谐振电路拓扑结构示意图；
图4为本发明实施例中对不同负载RL充电的充电效率计算和测试结果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
请结合图1所示，本实施例涉及的用于电池充电的谐振电路拓扑结构，包括半桥式变换器1、CLCL谐振网络2、第一桥式整流电路3和第二桥式整流电路4。CLCL谐振网络2包括第一电容Ct、第二电容Ci、第一电感Lt和第二电感Li。第一电容Ct的第一端与半桥式变换器1的第一输出端连接，第一电容Ct的第二端与第一电感Lt的第一端连接。第一电感Lt的第二端与第二电容Ci的第一端、第二电感Li的第一端连接。第一桥式整流电路3的第一输入端与半桥式变换器1的第二输出端连接，第一桥式整流电路3的第二输入端与第二桥式整流电路4的第一输入端连接构成第一桥式整流电路3和第二桥式整流电路4的输入串联连接。第二桥式整流电路4的第二输入端与第二电感Li的第二端连接，第二电容Ci的第二端与第一桥式整流电路3的第二输入端连接，第一桥式整流电路3和第二桥式整流电路4的输出端并联连接构成用于电池充电的谐振电路拓扑结构的直流输出端。CLCL谐振网络2由第一桥式整流电路3和第二桥式整流电路4供电，第一桥式整流电路3和第二桥式整流电路4的工作频率fs为
Figure BDA0002055414010000031
L2为第二电感Li的电感值，C2为第二电容Ci的电容值。第一电感Lt的电感值和第二电感Li的电感值满足L2≤L1≤20L2，本实施例为L1＝10L2，L1为第一电感的电感值。开关器件选用IPP200N25N3G，其开关频率选择为100kHz。经过半桥式变换器1整流后后级CLCL谐振网络2的输入电压Ui与第一桥式整流电路3和第二桥式整流电路4中一个桥式整流电路的输出电流Io同相。该用于电池充电的谐振电路拓扑结构在不同负载RL下的输出电流与输出电压计算和测试结果，如图2所示。
本发明的一个具体实施例结构如图3所示，变压器Tr1的线圈分别设置于半桥式变换器1与CLCL谐振网络2之间，即半桥式变换器1的第一输出端、第二输出端与第一电容Ct的第一端、第一桥式整流电路3的第一输入端之间连接变压器Tr1，第三电容CDB与变压器Tr1的初级线圈串联，半桥式变换器1采用第三电容CDB对产生的直流分量进行隔离。本实施例中对不同负载RL充电的充电效率计算和测试结果，如图4所示。测试结果表明，该系统的最高充电效率为95.4％。

Claims (6)

1.一种用于电池充电的谐振电路拓扑结构，其特征在于，包括半桥式变换器、CLCL谐振网络、第一桥式整流电路和第二桥式整流电路，所述CLCL谐振网络包括第一电容、第二电容、第一电感和第二电感，所述第一电容的第一端与所述半桥式变换器的第一输出端连接，所述第一电容的第二端与所述第一电感的第一端连接，所述第一电感的第二端与所述第二电容的第一端、第二电感的第一端连接，所述第一桥式整流电路的第一输入端与所述半桥式变换器的第二输出端连接，所述第一桥式整流电路的第二输入端与所述第二桥式整流电路的第一输入端连接构成所述第一桥式整流电路和第二桥式整流电路的输入串联连接，所述第二桥式整流电路的第二输入端与所述第二电感的第二端连接，所述第二电容的第二端与所述第一桥式整流电路的第二输入端连接，所述第一桥式整流电路和第二桥式整流电路的输出端并联连接构成所述用于电池充电的谐振电路拓扑结构的直流输出端。
2.根据权利要求1所述的用于电池充电的谐振电路拓扑结构，其特征在于，所述第一桥式整流电路和第二桥式整流电路的工作频率fs为
Figure FDA0002055411000000011
L2为第二电感的电感值，C2为第二电容的电容值。
3.根据权利要求1所述的用于电池充电的谐振电路拓扑结构，其特征在于，所述第一电感的电感值和第二电感的电感值满足L2≤L1≤20L2，L1为第一电感的电感值，L2为第二电感的电感值。
4.根据权利要求1所述的用于电池充电的谐振电路拓扑结构，其特征在于，所述CLCL谐振网络的输入电压与所述第一桥式整流电路和第二桥式整流电路中一个桥式整流电路的输出电流同相。
5.根据权利要求1所述的用于电池充电的谐振电路拓扑结构，其特征在于，所述半桥式变换器的第一输出端、第二输出端与所述第一电容的第一端、第一桥式整流电路的第一输入端之间连接有变压器。
6.根据权利要求5所述的用于电池充电的谐振电路拓扑结构，其特征在于，所述变压器的初级线圈侧串联第三电容， 所述第三电容用于对产生的直流分量进行隔离。
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