CN111293761B - 宽容量范围电池充电修复一体化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种宽容量范围电池充电修复一体化装置，包括一体化模块，蓄电池，DC/DC模块，整流模块；所述一体化模块的输出与蓄电池相连对蓄电池的充、放电和修复进行控制，包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂。所述三个桥臂都连接在直流母线的正负端，即PN端；所述第一桥臂与第二桥臂可以串联输出给蓄电池，也可以将第一桥臂与第二桥臂并联输出给蓄电池。本发明能够适应的蓄电池容量大小范围更宽，能够完成充电、放电、修复功能，可以较为灵活地对不同种类、不同批次、不同型号、不同老化状态的蓄电池进行修复，从而提高修复的效果。所施加脉冲电流的幅值和频率以及正负极性均可以任意控制，提高了修复控制的灵活性。

Description

宽容量范围电池充电修复一体化装置
技术领域
本发明涉及电能存储系统中对电池组充电或控制的电路装置，特别是涉及蓄电池充放电、修复一体化变换器和控制装置。
背景技术
近年来，尽管各种新型电池层出不穷，但是铅酸蓄电池以其价格低、可靠性高、安全等优点仍然得到了广泛的应用。但是由于使用和维护不当，会引起蓄电池的极板腐蚀和硫酸盐化等问题，大大缩短了蓄电池的使用寿命，增加了使用成本。目前针对该问题有很多修复方法，其中通过添加活性修复剂并利用脉冲修复方法可以有效改善蓄电池的特性，提高蓄电池的使用寿命。目前用于修复蓄电池的技术很多，但是存在控制复杂、成本高，且难以对充放电电流和高频脉冲电流进行解耦并灵活控制等问题。
中国专利CN201510191311.5公开了一种高频共振式铅酸蓄电池修复装置及方法，该专利主电路采用降压斩波电路，由于仅能够控制充电处于电流连续模式，因此无法加入高频电流脉冲实现高频共振；如果采用电流断续模式，充电电流又得不到保证。因此，该发明尽管对电池修复有一定帮助，但是无法得到更好的修复效果。
中国专利CN201711120648.2公开了一种大型铅酸蓄电池修复充放电装置及方法，该发明采用了中国专利CN201510191311.5相同的主电路，所不同的是该发明采用了电流可逆斩波控制模式，并在“DC/DC双向调压器”之前接入了负载控制斩波器，用于电池放电时，将电池所释放的能量消耗掉。因此上述两个专利均无法实现充放电电流和注入高频电流脉冲的解耦控制。
中国专利CN201810339166.4公开了一种蓄电池涓流脉冲修复装置及方法，与中国专利CN201711120648.2的方案相似。
中国专利CN201910697805.9、CN201210294987.3，采用了相同的主电路，即高频谐振电路。这种电路可以加入电流脉冲，但是对充电电流无法进行稳定控制。
中国专利CN107959328A公开了一种高压快速充电的充电电路及其充电方法。该发明采用开关电容方式加入电流脉冲，由于电容在瞬态可以看作一个电压源，电源切换时会产生不可控的电流尖峰，因此修复效果会受到限制。
中国专利CN108988451A公开了一种隔离型双向充电机控制方法及控制电路，但是该电路在控制充放电电流时，无法注入较大的电流脉冲，同时由于功率器件使用较多，因此成本较高。
综上所述，现有技术在电池充电和修复变换器方面主要存在控制较为简单，无法真正将充放电电流和脉冲注入进行解耦，并独立精确控制。同时由于现有技术变换器的参数设定后，所适应的蓄电池的容量范围较小，应用受到限制。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种宽容量范围电池充电修复一体化装置，与现有技术相比，本发明能够适应的蓄电池容量大小范围更宽。能够利用本发明完成充电、放电、修复功能，而不必分别采用三台装置分别实现充电、放电、修复等功能。由于充放电电流和电流脉冲解耦控制，因此可以较为灵活地对不同种类、不同批次、不同型号、不同老化状态的蓄电池进行修复，从而提高修复的效果。所施加脉冲电流的幅值和频率以及正负极性均可以任意控制，提高了修复控制的灵活性。本发明还具有结构简单、成本低、可靠性高等特点。
本发明采取的技术方案为：
为了达到上述目的，本发明的宽容量范围电池充电修复一体化装置包括一体化模块，蓄电池，DC/DC模块，整流模块；所述一体化模块的输出与蓄电池相连对蓄电池的充、放电和修复进行控制；所述整流模块输入接交流市电，整流后输出给DC/DC模块，变换成适当电压输出给一体化模块；所述一体化模块包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂，所述三个桥臂都连接在直流母线的正负端，即PN端；所述第一桥臂与第二桥臂可以串联输出给蓄电池，也可以将第一桥臂与第二桥臂并联输出给蓄电池。
所述一体化模块还包括转换接触器、输入电容；所述转换接触器包括常开触点、常闭触点，通过控制常开触点、常闭触点的接通和断开，可以将第一桥臂与第二桥臂在串联输出模式和并联输出模式之间进行转换。
所述第一桥臂包括第一功率开关、第二功率开关、第一电感，第一功率开关与第二功率开关串联跨接在直流母线两端，即PN端；所述第一电感一端与第一功率开关和第二功率开关的中点相连，另外一端作为输出；所述第二桥臂包括第三功率开关、第四功率开关、第二电感，第三功率开关与第四功率开关串联跨接在直流母线两端，即PN端，第二电感一端与第三功率开关和第四功率开关的中点相连，另外一端作为输出。
所述第一电感的感值大于第二电感的感值；第二电感直接与蓄电池相连；串联输出模式时，第一电感与第二电感串联后与蓄电池相连；并联输出模式时，第一电感与第二电感并联后与蓄电池相连。
所述第二桥臂的输出始终接蓄电池，第一桥臂的输出可以通过转换接触器接第二桥臂进行串联输出；经过转换接触器控制，第一桥臂的输出可以直接与第二桥臂的输出并联接蓄电池。
通过控制，所述第一桥臂工作在电感电流连续模式，第二桥臂工作在电感电流断续模式。
所述第三桥臂包括第五功率开关、第一功率二极管、泄放电阻，所述。第一功率二极管与泄放电阻并联，再与第五功率开关，然后跨接在直流母线两端，即PN端。
所述DC/DC模块的输出端直流母线，即PN端同时接多个一体化模块、蓄电池，可以同时分别对不同的蓄电池进行充电、放电、修复等控制；所述直流母线电压UPN大于蓄电池电压Ubat。
所述第一桥臂与第二桥臂分别独立控制，使蓄电池的充放电电流进行叠加。
所述第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关、第五功率开关均为能够高频工作的全控型半导体功率器件。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
本发明的一个效果在于，通过对变换器的第一桥臂和第二桥臂的输出进行串并联转换，可以拓展蓄电池的容量范围，适应更多种类蓄电池的充电和修复需求。
本发明的一个效果在于，充放电电流和所施加的电流脉冲可以分别控制，输入或者输出蓄电池的电流等于充放电电流和脉冲电流的叠加。
本发明的一个效果在于，施加的电流脉冲的幅值、频率、相位、极性均可以控制，有利于提高其对修复策略和方法的适应性。
本发明的一个效果在于，多个一体化模块同时进行充放电及修复操作，可以在不向电网馈电的前提下，有效利用同时段放电模块所输出的电能，并向其他模块充电，提高了系统的效率，降低了修复成本。
附图说明
图1是本发明中宽容量范围电池充电修复一体化装置示意图；
图2是本发明中多组电池充电/修复状态示意图；
图3是本发明中电池充电修复一体化模块的主电路原理图；
图4是本发明中一体化模块串联主电路原理图；
图5是本发明中一体化模块并联主电路原理图；
图6是本发明中一体化模块充电状态波形图；
图7是本发明中一体化模块放电状态波形图；
图8 是本发明中一体化模块串联主电路仿真图；
图9 是本发明中一体化模块串联主电路充电仿真波形图；
图10是本发明中一体化模块并联主电路仿真图；
图11是本发明中一体化模块并联主电路充电仿真波形图；
图12是本发明中整流模块主电路原理图；
图13是本发明中DC/DC模块主电路原理图。
附图中，各标号所代表的部件：
1、一体化模块，2、蓄电池，3、DC/DC模块，4、整流模块，101、第一桥臂，102、第二桥臂，103、第三桥臂，104、转换接触器，105、输入电容，1011、第一功率开关，1012、第二功率开关，1013、第一电感，1021、第三功率开关，1022、第四功率开关，1023、第二电感，1031、第五功率开关，1032、第一功率二极管，1033、泄放电阻，1041、常开触点，1042、常闭触点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的介绍。
图1是本发明中宽容量范围电池充电修复一体化装置示意图，本发明可以实现对蓄电池的充放电操作，以及修复操作。
首先接入交流市电通过整流模块4进行整流得到直流电, 图12是本发明中整流模块主电路原理图,本实施例中整流模块4采用的是带有功率因数校正（PFC）功能的整流电路。通过图12中的功率开关VTs的脉宽调制（PWM）控制方式进行控制，使电感L的电流跟踪输入电压，并与输入交流电压同相位、同为正弦波。
在一个实施例中，整流模块4可以采用不控整流模块，即如图12中的D1、D2、D3、D4所组成的整流电路，即除了虚线框的部分。
在一个实施例中，可以采用PWM整流电路，可以使电能双向流动，并使蓄电池2放电时，电能可以回馈电网，提高系统的使用效率。
由于整流后整流模块4输出电压uo较高，可以通过一级DC/DC模块3将直流电压降低到与所要的电池电压相适合的电压等级，图13是DC/DC模块主电路原理图。DC/DC模块3输出的直流母线电压，即PN两端电压，优选地可以设为蓄电池2额定电压的2-3倍。
本实施例中，DC/DC模块3采用了全桥DC/DC变换器，实现了能量由电源向蓄电池2单一方向流动。为了保证充电安全，本实施例采用了高频变压器进行电气隔离，见图13。
在一个实施例中，为了实现能量双向流动，DC/DC模块3可以采用双有源桥DC/DC变换器。
在一个实施例中，为了降低成本，DC/DC模块3可以采用半桥直流变换器，或者非隔离的降压斩波电路。
如图1所示，DC/DC模块3输出直流母线PN直接与一体化模块1即充电/修复控制器（CPC）的输入相连，并通过一体化模块1对蓄电池2进行充电、放电、修复等控制。
图2是本发明中多组电池充电/修复状态示意图，由多个一体化模块1和蓄电池2并联在直流母线PN端，可以同时对多个蓄电池2进行充电或者修复。因为在修复过程中，有的蓄电池2处于放电状态，而有的蓄电池2处于充电状态，因此电能可以加以充分利用，而不用消耗掉或者回馈到电网中，从而可以有效提高系统效率，并降低系统的使用成本。
图3是本发明中电池充电修复一体化模块的主电路原理图,一体化模块1的输入端接直流母线PN端。一体化模块1包含第一桥臂101、第二桥臂102、第三桥臂103、转换接触器104、输入电容105等几个部分组成。输入电容105跨接在输入直流母线PN上，用来稳定输入电压。第一桥臂101包括第一功率开关1011、第二功率开关1012、第一电感1013，第一功率开关1011与第二功率开关1012串联跨接在直流母线PN端，第一电感1013一端与第一功率开关1011和第二功率开关1012的中点相连，另外一端作为输出。第二桥臂102包括第三功率开关1021、第四功率开关1022、第二电感1023，第三功率开关1021与第四功率开关1022串联跨接在直流母线PN端，第二电感1023一端与第三功率开关1021和第四功率开关1022的中点相连，另外一端作为输出。
第一桥臂101与第二桥臂102结构相同，但是其工作状态不同。其中第一桥臂101的第一电感1013感值较大，因此该桥臂始终工作在电流连续模式（CCM），主要用于控制充放电电流的大小。第二桥臂102的第二电感1023感值较小（感值远小于第一电感1013），因此该桥臂始终工作在电流断续模式（DCM），主要用于控制施加电流脉冲，来对蓄电池2进行修复。
由于不同蓄电池2的容量不同，其充放电电流和电流脉冲的大小也不同，因此在进行充放电电流控制和电流脉冲幅值控制时，第一电感1013的感值和第二电感1023的感值大小需要与充放电电流进行匹配。当蓄电池2容量较大时，放电电流控制和电流脉冲幅值也要求比较大，这时需要第一电感1013和第二电感1023具有较小的感值，因此可以采用并联模式进行控制，即电感并联输出。当蓄电池2容量较小时，放电电流控制和电流脉冲幅值也要求比较小，这时需要第一电感1013和第二电感1023具有较大的感值，因此可以采用串联模式进行控制，即电感串联输出。
为了适应不同的蓄电池2的容量，本实施例采用了转换接触器104来进行第一桥臂101与第二桥臂102串并联转换，见图3。转换接触器104包括常开触点1041和常闭触点1042。当常闭触点1042接通时，第一桥臂101与第二桥臂102为串联模式，适合较小容量的蓄电池2，图4是本发明中一体化模块串联主电路原理图；当常开触点1041接通时，第一桥臂101与第二桥臂102为并联模式，适合较大容量的蓄电池2，图5是本发明中一体化模块并联主电路原理图。
当常闭触点1042接通时，第一桥臂101中的第一电感1013输出端与第二桥臂102的中点，即C点相连，见图4。这时，第一电感1013与第二电感1023串联，总的等效电感值较大。
当常开触点1041接通时，第一桥臂101中的第一电感1013输出端与D点相连，见图5。这时，第一电感1013与第二电感1023并联，总的等效电感值较小。
在一个实施例中，转换接触器104可以由两个固态功率开关来分别代替常开触点1041和常闭触点1042。需要注意的是，在该实施例中，两个固态开关必须互锁，不能同时导通，否则会产生故障。
第三桥臂103主要包括第五功率开关1031、第一功率二极管1032、泄放电阻1033。当系统控制蓄电池2放电时，输入电容105的电压会升高，为了防止输入电容105的电压超过安全值，需要将输入电容105的电能释放掉，这时需要控制第五功率开关1031将电能通过泄放电阻1033消耗，使输入电容105的电压下降到规定数值。
图6是本发明中一体化模块充电状态波形图，图7是本发明中一体化模块放电状态波形图，图6和图7中第一条曲线为第一功率开关1011的驱动信号uGE11，第二条曲线为第二功率开关1012的驱动信号uGE12，第三条曲线为第三功率开关1021的驱动信号uGE21，第四条曲线为第四功率开关1022的驱动信号uGE22，第五条曲线为蓄电池2的带有电流脉冲的充电电流ibat曲线。
当蓄电池2充电时，控制第一功率开关1011处于PWM控制模式，第二功率开关1012处于关断状态，当第一功率开关1011导通时ibat上升；当第一功率开关1011关断时ibat下降。如果需要加入正向电流脉冲时，将第三功率开关1021导通；如果需要加入负向电流脉冲时，将第四功率开关1022导通，见图6。
当蓄电池2放电时，控制第一功率开关1011处于关断状态，第二功率开关1012处于PWM控制模式，见图7。当第二功率开关1012导通时ibat反向上升；当第二功率开关1012关断时ibat反向下降。如果需要加入正向电流脉冲时，将第三功率开关1021导通；如果需要加入负向电流脉冲时，将第四功率开关1022导通，见图7。
为了分别验证第一桥臂101与第二桥臂102的串联和并联工作模式，利用电力电子仿真工具软件对两种模式进行了仿真，图8是本发明中一体化模块串联主电路仿真图，图10是本发明中一体化模块并联主电路仿真，其中MOS1为第一功率开关1011，MOS2是第二功率开关1012，MOS3是第三功率开关1021，MOS4是第四功率开关1022。其仿真结果分别是图9和图11，图9 是本发明中一体化模块串联主电路充电仿真波形图，图11是本发明中一体化模块并联主电路充电仿真波形图，其中I1是蓄电池2的电流，V7是第一功率开关1011（MOS1）的驱动信号，V10是第二功率开关1012（MOS2）的驱动信号，V8是第三功率开关1021（MOS3）的驱动信号，V9是第四功率开关1022（MOS4）的驱动信号。从图9和图11可以看出，两种工作模式的充放电效果完全相似，并与上述理论分析完全相同，只是输出的充电电流和脉冲电流幅值不同。其中并联模式因为等效电感小于串联模式，因此充电电流和脉冲电流幅值均大于串联模式。从而证明本发明的宽电池容量范围充放电与修复一体装置有较好的适应性。
对所公开的实施例的上述说明，仅用于本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现，因此本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创新点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.宽容量范围电池充电修复一体化装置，包括一体化模块（1），蓄电池（2），DC/DC模块（3），整流模块（4）；其特征在于，所述一体化模块（1）的输出与蓄电池（2）相连对蓄电池（2）的充、放电和修复进行控制；所述整流模块（4）输入接交流市电，整流后输出给DC/DC模块（3），变换成适当电压输出给一体化模块（1）；所述一体化模块（1）包括第一桥臂（101）、第二桥臂（102）、第三桥臂（103），所述三个桥臂都连接在直流母线的正负端，即PN端，第一桥臂（101）和第二桥臂（102）之间存在串联和并联两种输出模式；所述一体化模块（1）还包括转换接触器（104），转换接触器（104）包括常开触点（1041）、常闭触点（1042），通过控制常开触点（1041）、常闭触点（1042）的接通和断开，将第一桥臂（101）与第二桥臂（102）在串联输出模式和并联输出模式之间进行转换；所述第一桥臂（101）包括第一功率开关（1011）、第二功率开关（1012）、第一电感（1013），第一功率开关（1011）与第二功率开关（1012）串联跨接在直流母线PN端，第一电感（1013）一端与第一功率开关（1011）和第二功率开关（1012）的中点相连，另外一端作为输出；所述第二桥臂（102）包括第三功率开关（1021）、第四功率开关（1022）、第二电感（1023），第三功率开关（1021）与第四功率开关（1022）串联跨接在直流母线PN端，第二电感（1023）一端与第三功率开关（1021）和第四功率开关（1022）的中点相连，另外一端作为输出；所述第一电感（1013）的感值大于第二电感（1023）的感值，所述第二电感（1023）直接与蓄电池（2）相连，串联输出模式时，第一电感（1013）与第二电感（1023）串联后与蓄电池（2）相连，并联输出模式时，第一电感（1013）与第二电感（1023）并联后与蓄电池（2）相连。
2.如权利要求1所述的宽容量范围电池充电修复一体化装置，其特征在于，所述第二桥臂（102）的输出始终接蓄电池（2），第一桥臂（101）的输出通过转换接触器（104）接第二桥臂（102）进行串联输出；经过转换接触器（104）控制，第一桥臂（101）的输出直接与第二桥臂（102）的输出并联接蓄电池（2）。
3.如权利要求1所述的宽容量范围电池充电修复一体化装置，其特征在于，通过控制，所述第一桥臂（101）工作在电感电流连续模式，第二桥臂（102）工作在电感电流断续模式。
4.如权利要求1所述的宽容量范围电池充电修复一体化装置，其特征在于，所述第三桥臂（103）包括第五功率开关（1031）、第一功率二极管（1032）、泄放电阻（1033），所述第一功率二极管（1032）与泄放电阻（1033）并联，再与第五功率开关（1031）串联，然后跨接在直流母线两端，即PN端。
5.如权利要求1所述的宽容量范围电池充电修复一体化装置，其特征在于，所述DC/DC模块（3）的输出端直流母线，即PN端同时接多个一体化模块（1）、蓄电池（2），同时分别对不同的蓄电池（2）进行充电、放电、修复控制；所述直流母线电压UPN大于蓄电池（2）电压Ubat。
6.如权利要求1所述的宽容量范围电池充电修复一体化装置，其特征在于，所述第一桥臂（101）与第二桥臂（102）分别独立控制，使蓄电池（2）的充放电电流进行叠加。
7.如权利要求4所述的宽容量范围电池充电修复一体化装置，其特征在于，所述第一功率开关（1011）、第二功率开关（1012）、第三功率开关（1021）、第四功率开关（1022）、第五功率开关（1031）均为能够高频工作的全控型半导体功率器件。
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