CN115102407A - 电池化成分容用dab变换器及其控制方法 - Google Patents

电池化成分容用dab变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电池化成分容用DAB变换器及其控制方法，包括主控、直流电源模块、DAB变换器模块以及采样及保护模块，DAB变换器模块在变压器T的一次侧连接为第一全桥结构，且在变压器T的二次侧连接为第二全桥结构，DAB变换器模块的输入端与直流电源模块的输出端连接，DAB变换器模块的输出端与串联电池组连接，主控能够控制DAB变换器模块的运行，采样及保护模块用于采样串联电池组中的各个单体电池的电压和电流、DAB变换器模块的输出电压和电流，并变送至主控。本发明主要解决如何提供适于电池化成分容场合下使用的DAB变换器及其控制方法的问题；本发明的电池化成分容用DAB变换器的控制方法，提前纠正在工作时的变化趋势，并实现快速的动态响应。

Description

电池化成分容用DAB变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及DAB变换器控制技术领域，具体为一种电池化成分容用DAB变换器及其控制方法。
背景技术
随着新能源和储能行业的发展，具有电压高、重量轻、体积小、寿命长、安全性好、无污染、自放电率低及宽范围工作温度等诸多优点的锂电池受到广泛的运用；在锂电池的制造过程中，需要完成化成工序，即，在锂电池组装完成后，需要使用一定的电压和电流对锂电池进行一定时间的充电，并经过放电和放置的步骤，使锂电池内部发生一系列化学反应，从而激活锂电池的电芯，使锂电池的性能达到标准。
随着锂电池的容量和功率的提升，锂电池的化成工序对于化成电源的功率要求也越来越高。
现有技术中，通常使用buck-boost拓扑结构的电能变换器作为化成电源，对于buck-boost拓扑结构的电能变换器，其功率器件难以实现软开关，将导致巨大的功率损耗，且功率损耗还会随着电能变换器的工作频率的提高而增加，此外，buck-boost拓扑结构的电能变换器只能工作在较低的功率范围，难以满足化成工序的要求。
DAB变换器的电压和电流应力相对较小，适用于大功率场合，同时，DAB变换器的功率器件能够实现软开关，有效地降低了功率损耗，适于锂电池的化成工序使用。
然而，传统电能变换器的控制通常采用脉宽调制(PWM)技术，并结合线性控制技术，以控制电能变换器的输出电压、电流以及功率等，虽然能满足基本的稳定性和可靠性，但是其动态响应和抗干扰性差；在实际应用中，由于电能变换器的系统复杂，且功率器件容易受扰动，使用传统控制技术来控制DAB变换器往往无法达到最佳控制效果。
综上所述，如何提供一种适于电池化成分容场合下使用的DAB变换器及其控制方法，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种电池化成分容用DAB变换器，适于在电池化成分容场合下使用。
本发明的另一目的在于提供一种电池化成分容用DAB变换器的控制方法，能够有效提高电池化成分容用DAB变换器的动态响应速度和抗干扰性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电池化成分容用DAB变换器，用于完成串联电池组的化成工序，其包括主控、直流电源模块、DAB变换器模块以及采样及保护模块；所述DAB变换器模块包括变压器T、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7、开关管Q8以及电感L；所述开关管Q1、所述开关管Q2、所述开关管Q3以及所述开关管Q4均设置在所述变压器T的一次侧并连接为第一全桥结构，且所述第一全桥结构的自由端为所述DAB变换器模块的输入端；所述开关管Q5、所述开关管Q6、所述开关管Q7以及所述开关管Q8均设置在所述变压器T的二次侧并连接为第二全桥结构，且所述第二全桥结构的自由端为所述DAB变换器模块的输出端；所述电感L与所述变压器T之一次侧绕组串接；所述DAB变换器模块的输入端与所述直流电源模块的输出端连接，所述DAB变换器模块的输出端与所述串联电池组连接；所述主控能够分别控制所述DAB变换器模块的开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7以及开关管Q8的开通和关断，进而控制所述DAB变换器模块的运行；所述采样及保护模块用于采样所述串联电池组中的各个单体电池的电压和电流、所述DAB变换器模块的输出电压和电流，以及，所述直流电源模块的母线输出电压，并变送至所述主控。
一种电池化成分容用DAB变换器的控制方法，应用上述的电池化成分容用DAB变换器上，包括所述主控控制所述DAB变换器模块进入下述的任一工作状态：
状态一：在t0-t1时间段，所述开关管Q1和所述开关管Q3开通，且所述开关管Q6和所述开关管Q7开通；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q1的体二极管、所述开关管Q3、所述变压器T的一次侧绕组以及所述电感L；所述DAB变换器模块的输入端电压源与所述电容C1形成回路；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q6的体二极管、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q7的体二极管；
状态二：在t1-t2时间段，所述开关管Q3在t1时刻关断，所述开关管Q4的体二极管能够续流，且所述开关管Q4以零电压开关的方式开通，所述开关管Q6和所述开关管Q7的状态维持不变；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q4的体二极管、所述变压器T的一次侧绕组、所述电感L以及所述开关管Q1的体二极管；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q6的体二极管、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q7的体二极管；
状态三：在t2-t3时间段，所述DAB变换器模块中的所有开关管的状态维持不变，经过所述电感L的电流在t2时刻由负方向转为正方向；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q1、所述电感L、所述变压器T的一次侧绕组以及所述开关管Q4；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q7、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q6；
状态四：在t3-t4时间段，所述开关管Q1、所述开关管Q2、所述开关管Q3以及所述开关管Q4的状态维持不变，所述开关管Q6在t3时刻关断，所述开关管Q5的体二极管能够续流，且所述开关管Q5以零电压开关的方式开通；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q1、所述电感L、所述变压器T的一次侧绕组以及所述开关管Q4；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q7、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q5的体二极管；所述DAB变换器模块的输出端与所述电容C2形成回路；
状态五：在t4-t5时间段，所述开关管Q1、所述开关管Q2、所述开关管Q3以及所述开关管Q4的状态维持不变，所述开关管Q7在t4时刻关断；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q1、所述电感L、所述变压器T的一次侧绕组以及所述开关管Q4；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q8的体二极管、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q5的体二极管；
状态六：在t5-t6时间段，所述开关管Q1在t5时刻关断，所述开关管Q2的体二极管能够续流，且所述开关管Q2以零电压开关的方式开通；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q2的体二极管、所述电感L、所述变压器T的一次侧绕组以及所述开关管Q4；所述DAB变换器模块的输入端电压源与所述电容C1形成回路；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q8的体二极管、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q5的体二极管；
状态七：在t6-t7时间段，所述开关管Q4在t6时刻关断，所述开关管Q3的体二极管能够续流，且所述开关管Q3以零电压开关的方式开通；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q2的体二极管、所述电感L、所述变压器T的一次侧绕组以及所述开关管Q3的体二极管；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q8的体二极管、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q5的体二极管；
状态八：在t7-t8时间段，所述DAB变换器模块中的所有开关管的状态维持不变，经过所述电感L的电流在t7时刻由正方向转为负方向；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q3、所述变压器T的一次侧绕组、所述电感L以及所述开关管Q2；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q5、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q8；
状态九：在t8-t9时间段，所述开关管Q1、所述开关管Q2、所述开关管Q3以及所述开关管Q4的状态维持不变，所述开关管Q5在t8时刻关断，所述开关管Q6的体二极管能够续流，且所述开关管Q6以零电压开关的方式开通；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q3、所述变压器T的一次侧绕组、所述电感L以及所述开关管Q2；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q6的体二极管、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q8；所述DAB变换器模块的输出端与所述电容C2形成回路；
状态十：在t9-t10时间段，所述开关管Q1、所述开关管Q2、所述开关管Q3以及所述开关管Q4的状态维持不变，所述开关管Q8在t9时刻关断，所述开关管Q7的体二极管能够续流，且所述开关管Q7以零电压开关的方式开通；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q3、所述变压器T的一次侧绕组、所述电感L以及所述开关管Q2；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q6的体二极管、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q7的体二极管。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的电池化成分容用DAB变换器，在变压器T的一次侧和二次侧分别具有第一全桥结构和第二全桥结构，其电压和电流应力相对较小，适用于大功率场合，并且在提高系统功率密度的同时，降低了系统的体积，各个开关管可以实现软开关，有效降低了功率损耗；此外，DAB变换器的一次侧和二次侧均能够实现全控，实现快速的动态响应，并且适于使用模型预测控制的方法进行控制。
2、本发明的电池化成分容用DAB变换器的控制方法，在电池化成分容用DAB变换器的工作时，主控通过模型预测控制的方法，对电池化成分容用DAB变换器进行控制，其信息冗余量大，有利于提高自动控制系统的鲁棒性，以提前纠正电池化成分容用DAB变换器在工作时的变化趋势，并实现快速的动态响应。
附图说明
图1为本发明的实施例一和实施例二的系统结构图。
图2为本发明的实施例一和实施例二中的DAB变换器模块的电路原理图。
图3为本发明实施例三在状态一时的DAB变换器模块的工作状态图。
图4为本发明实施例三在状态二时的DAB变换器模块的工作状态图。
图5为本发明实施例三在状态三时的DAB变换器模块的工作状态图。
图6为本发明实施例三在状态四时的DAB变换器模块的工作状态图。
图7为本发明实施例三在状态五时的DAB变换器模块的工作状态图。
图8为本发明实施例三在状态六时的DAB变换器模块的工作状态图。
图9为本发明实施例三在状态七时的DAB变换器模块的工作状态图。
图10为本发明实施例三在状态八时的DAB变换器模块的工作状态图。
图11为本发明实施例三在状态九时的DAB变换器模块的工作状态图。
图12为本发明实施例三在状态十时的DAB变换器模块的工作状态图。
图13为本发明实施例三中的DAB变换器模块在各个工作状态下的波形图。
图14为本发明实施例三的自动控制原理图。
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。
实施例一：
本实施例提供一种电池化成分容用DAB变换器，用于完成串联电池组的化成工序。
其中，串联锂电池组即若干节组装完成后的电池，通过串联方式依极性连接而形成的电池组，该串联电池组具有正负极。
请参阅图1，该种电池化成分容用DAB变换器，包括主控、直流电源模块、DAB变换器模块以及采样及保护模块。
其中，主控可以为MCU，例如电源控制专用芯片、数字处理芯片、单片机以及嵌入式芯片等，主控也可以为可编程控制器(PLC)，主控还可以为工控计算机，只需确保主控具有通用输入/输出接口、串行通信接口、PWM控制接口以及模拟量输入接口即可，本实施例中，主控为MCU，并搭载在一块印刷电路板(PCB)上，该搭载有主控的印刷电路板(PCB)称为主控板；直流电源模块为基于功率开关器件的AC-DC转换模块，能够将交流电转换为直流电，本实施例中，直流电源模块将380V的三相交流市电转换为800V的直流电，且直流电源模块的输出端引出为直流母线。
请参阅图2，DAB变换器模块包括变压器T、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7、开关管Q8以及电感L。
其中，变压器T为高频电力电子变压器；开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7以及开关管Q8均为全控型碳化硅(SiC)器件，且带有体二极管，例如功率场效应管(Power MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)。
开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3以及开关管Q4均设置在变压器T的一次侧并连接为第一全桥结构，且第一全桥结构的自由端为DAB变换器模块的输入端；开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7以及开关管Q8均设置在变压器T的二次侧并连接为第二全桥结构，且第二全桥结构的自由端为DAB变换器模块的输出端；电感L与变压器T之一次侧绕组串接，电感L可以为变压器T的漏感，也可以为单独设置的器件。
以此方式设置，即构成双有源桥变换器模块(DAB变换器模块)，使DAB变换器的一次侧和二次侧均能够实现全控。
DAB变换器模块的输入端与直流电源模块的输出端连接，即，DAB变换器模块的输入端与直流电源模块的直流母线连接；DAB变换器模块的输出端与串联电池组连接，即，DAB变换器模块的输出端依极性与串联电池组的两极连接。
主控能够分别控制DAB变换器模块的开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7以及开关管Q8的开通和关断，进而控制DAB变换器模块的运行；具体地，该种电池化成分容用DAB变换器还包括开关管驱动模块，该开关管驱动模块能够输出用于驱动开关管的PWM信号或者电平信号；主控与开关管驱动模块信号连接，开关管驱动模块的控制信号输出端分别与DAB变换器模块的开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7以及开关管Q8之控制极连接；主控通过控制开关管驱动模块输出的PWM信号之占空比或者电平的高低，从而控制开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7以及开关管Q8的开通与关断时间比，最终控制控制DAB变换器模块的运行。
采样及保护模块用于采样串联电池组中的各个单体电池的电压和电流、DAB变换器模块的输出电压和电流，以及，直流电源模块的母线输出电压，并变送至主控；具体来说，采样及保护模块基于放大器，搭载有主控的主控板上还搭载有多路模拟-数字转换器，采样及保护模块之放大器的输出端与多路模拟-数字转换器的模拟信号输入端连接，多路模拟-数字转换器的输出端与主控的通用输入/输出接口连接；采样及保护模块的各个放大器分别采样各个单体电池的电压和电流(从各个单体电池的两端采样)和DAB变换器模块的输出电压和电流(从DAB变换器模块的输出端采样)，并以模拟信号的方式传输至多路模拟-数字转换器，多路模拟-数字转换器则将模拟信号变换为数字信号并传输至主控；此外，直流电源模块的母线输出电压经过采样和保护模块采样后，传输到主控板上，经主控板上搭载的滤波器件滤波后，直接输入至主控的模拟量输入接口。
本实施例的电池化成分容用DAB变换器，在变压器T的一次侧和二次侧分别具有第一全桥结构和第二全桥结构，其电压和电流应力相对较小，适用于大功率场合，并且在提高系统功率密度的同时，降低了系统的体积，各个开关管可以实现软开关，有效降低了功率损耗；此外，DAB变换器的一次侧和二次侧均能够实现全控，实现快速的动态响应，并且适于使用模型预测控制的方法进行控制。
实施例二：
请参阅图1和图2，本实施例提供一种电池化成分容用DAB变换器，用于完成串联电池组的化成工序，其在实施例一提供的电池化成分容用DAB变换器的基础上，还有如下的技术方案：
DAB变换器模块还包括电容C1，电容C1设置在DAB变换器模块的输入端，用于稳压，使DAB变换器模块的输入电压更稳定。
DAB变换器模块还包括电容C2，电容C2设置在DAB变换器模块的输出端，用于滤波，以滤除DAB变换器模块输出波形中的杂波、尖峰和毛刺。
本实施例的电池化成分容用DAB变换器，设置电容C1和电容C2，使DAB变换器模块的性能更稳定。
实施例三：
本实施例提供一种电池化成分容用DAB变换器的控制方法，应用在实施例一和实施例二任一所述的电池化成分容用DAB变换器上。
在本实施例中，定义DAB变换器模块的输入电压为Vin，DAB变换器模块的输出电压为Vout，变压器T的一次侧电压为VAB，变压器T的二次侧电压为VCD，变压器T的一次侧与二次侧之匝数比为n:1，变压器T的输出电流为iO，电感L两端的电压为UL，流经电感L的电流为iL。
请参阅图13，该种电池化成分容用DAB变换器的控制方法，包括主控控制DAB变换器模块进入下述的任一工作状态：
如图3所示，状态一：在t0-t1时间段，开关管Q1和开关管Q3开通，且开关管Q6和开关管Q7开通；DAB变换器模块的一次侧电流依次经过开关管Q1的体二极管、开关管Q3、变压器T的一次侧绕组以及电感L；DAB变换器模块的输入端电压源与电容C1形成回路；DAB变换器模块的二次侧电流依次经过开关管Q6的体二极管、变压器T的二次侧绕组以及开关管Q7的体二极管；
在状态一时：流经电感L的电流为iL为负数，变压器T的二次侧电压VCD＝-Vout，电感L两端的电压为UL＝nVout。
如图4所示，状态二：在t1-t2时间段，开关管Q3在t1时刻关断，开关管Q4的体二极管能够续流，且开关管Q4以零电压开关的方式开通，开关管Q6和开关管Q7的状态维持不变；DAB变换器模块的一次侧电流依次经过开关管Q4的体二极管、变压器T的一次侧绕组、电感L以及开关管Q1的体二极管；DAB变换器模块的二次侧电流依次经过开关管Q6的体二极管、变压器T的二次侧绕组以及开关管Q7的体二极管；
在状态二时：流经电感L的电流为iL为负数，变压器T的一次侧电压VAB＝Vin，变压器T的二次侧电压VCD＝-Vout，电感L两端的电压为UL＝Vin+nVout。
如图5所示，状态三：在t2-t3时间段，DAB变换器模块中的所有开关管的状态维持不变，经过电感L的电流在t2时刻由负方向转为正方向；DAB变换器模块的一次侧电流依次经过开关管Q1、电感L、变压器T的一次侧绕组以及开关管Q4；DAB变换器模块的二次侧电流依次经过开关管Q7、变压器T的二次侧绕组以及开关管Q6；
在状态三时：流经电感L的电流为iL为正数，变压器T的一次侧电压VAB＝Vin，变压器T的二次侧电压VCD＝Vout，电感L两端的电压为UL＝Vin+nVout。
如图6所示，状态四：在t3-t4时间段，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3以及开关管Q4的状态维持不变，开关管Q6在t3时刻关断，开关管Q5的体二极管能够续流，且开关管Q5以零电压开关的方式开通；DAB变换器模块的一次侧电流依次经过开关管Q1、电感L、变压器T的一次侧绕组以及开关管Q4；DAB变换器模块的二次侧电流依次经过开关管Q7、变压器T的二次侧绕组以及开关管Q5的体二极管；DAB变换器模块的输出端与电容C2形成回路；
在状态四时：流经电感L的电流为iL为正数，变压器T的一次侧电压VAB＝Vin，变压器T的二次侧电压VCD＝0，电感L两端的电压为UL＝Vin。
如图7所示，状态五：在t4-t5时间段，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3以及开关管Q4的状态维持不变，开关管Q7在t4时刻关断；DAB变换器模块的一次侧电流依次经过开关管Q1、电感L、变压器T的一次侧绕组以及开关管Q4；DAB变换器模块的二次侧电流依次经过开关管Q8的体二极管、变压器T的二次侧绕组以及开关管Q5的体二极管；
在状态五时：流经电感L的电流为iL为正数，变压器T的一次侧电压VAB＝Vin，变压器T的二次侧电压VCD＝Vout，电感L两端的电压为UL＝Vin-nVout。
如图8所示，状态六：在t5-t6时间段，开关管Q1在t5时刻关断，开关管Q2的体二极管能够续流，且开关管Q2以零电压开关的方式开通；DAB变换器模块的一次侧电流依次经过开关管Q2的体二极管、电感L、变压器T的一次侧绕组以及开关管Q4；DAB变换器模块的输入端电压源与电容C1形成回路；DAB变换器模块的二次侧电流依次经过开关管Q8的体二极管、变压器T的二次侧绕组以及开关管Q5的体二极管；
在状态六时：流经电感L的电流为iL为正数，变压器T的一次侧电压VAB＝0，变压器T的二次侧电压VCD＝Vout，电感L两端的电压为UL＝-nVout。
如图9所示，状态七：在t6-t7时间段，开关管Q4在t6时刻关断，开关管Q3的体二极管能够续流，且开关管Q3以零电压开关的方式开通；DAB变换器模块的一次侧电流依次经过开关管Q2的体二极管、电感L、变压器T的一次侧绕组以及开关管Q3的体二极管；DAB变换器模块的二次侧电流依次经过开关管Q8的体二极管、变压器T的二次侧绕组以及开关管Q5的体二极管；
在状态七时：流经电感L的电流为iL为正数，变压器T的一次侧电压VAB＝-Vin，变压器T的二次侧电压VCD＝Vout，电感L两端的电压为UL＝-Vin-nVout。
如图10所示，状态八：在t7-t8时间段，DAB变换器模块中的所有开关管的状态维持不变，经过电感L的电流在t7时刻由正方向转为负方向；DAB变换器模块的一次侧电流依次经过开关管Q3、变压器T的一次侧绕组、电感L以及开关管Q2；DAB变换器模块的二次侧电流依次经过开关管Q5、变压器T的二次侧绕组以及开关管Q8；
在状态八时：流经电感L的电流为iL为负数，变压器T的一次侧电压VAB＝-Vin，变压器T的二次侧电压VCD＝Vout，电感L两端的电压为UL＝-Vin-nVout。
如图11所示，状态九：在t8-t9时间段，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3以及开关管Q4的状态维持不变，开关管Q5在t8时刻关断，开关管Q6的体二极管能够续流，且开关管Q6以零电压开关的方式开通；DAB变换器模块的一次侧电流依次经过开关管Q3、变压器T的一次侧绕组、电感L以及开关管Q2；DAB变换器模块的二次侧电流依次经过开关管Q6的体二极管、变压器T的二次侧绕组以及开关管Q8；DAB变换器模块的输出端与电容C2形成回路；
在状态九时：流经电感L的电流为iL为负数，变压器T的一次侧电压VAB＝-Vin，变压器T的二次侧电压VCD＝0，电感L两端的电压为UL＝-Vin。
如图12所示，状态十：在t9-t10时间段，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3以及开关管Q4的状态维持不变，开关管Q8在t9时刻关断，开关管Q7的体二极管能够续流，且开关管Q7以零电压开关的方式开通；DAB变换器模块的一次侧电流依次经过开关管Q3、变压器T的一次侧绕组、电感L以及开关管Q2；DAB变换器模块的二次侧电流依次经过开关管Q6的体二极管、变压器T的二次侧绕组以及开关管Q7的体二极管；
在状态十时：流经电感L的电流为iL为负数，变压器T的一次侧电压VAB＝-Vin，变压器T的二次侧电压VCD＝Vout，电感L两端的电压为UL＝-Vin+nVout。
进一步地，在状态一前，还有：在t0时间段前，开关管Q2和开关管Q3开通，且开关管Q6和开关管Q7开通；DAB变换器模块的一次侧电流依次经过开关管Q3、变压器T的一次侧绕组、电感L以及开关管Q1的体二极管；DAB变换器模块的二次侧电流依次经过开关管Q6的体二极管、变压器T的二次侧绕组以及开关管Q7的体二极管。
在上述的过程中，开关管Q1、开关管Q2和开关管Q5、开关管Q8，分别超前开关管Q3、开关管Q4和开关管Q6、开关管Q7开通，超前时间为D1Ths；开关管Q1、开关管Q4和开关管Q2、开关管Q3，分别超前开关管Q5、开关管Q8和开关管Q6、开关管Q7开通，超前时间为D2Ths；其中，各个开关管的导通时间为Ths，D1为内移相比，D2为外移相比。
本实施例中，在电池化成分容用DAB变换器的工作时，主控通过模型预测控制的方法，对电池化成分容用DAB变换器进行控制，其信息冗余量大，有利于提高自动控制系统的鲁棒性，以提前纠正电池化成分容用DAB变换器在工作时的变化趋势，并实现快速的动态响应。
请参阅图14，主控通过模型预测控制的方法，对DAB变换器模块进行控制，具体包括下述步骤：
S1、通过建立一预测模型；
S2、将电池化成分容用DAB变换器在当前时刻的控制量和控制信号输入至预测模型，以获得电池化成分容用DAB变换器在下一时刻的控制量之预测值；
S3、将电池化成分容用DAB变换器在下一时刻的控制量之预测值与期望值的差值作为目标函数，并求解出最小化的目标函数；
S4、主控在下一时刻，将与最小化的目标函数相对应的控制信号输出至DAB变换器模块，以控制DAB变换器模块的运行。
与最小化的目标函数相对应的控制信号，即为对DAB变换器模块的最优控制信号；主控该最优控制信号，控制开关管驱动模块信号输出的PWM控制信号，从而分别控制DAB变换器模块的开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7以及开关管Q8的开通和关断，进而控制DAB变换器模块的运行，使DAB变换器模块在最优的状态运行，其输出最为接近期望值。
具体地，预测模型中，DAB变换器模块的输出电压Vout之预测模型为：
Figure BDA0003750799420000161
其中，Vout(k+1)为DAB变换器模块在k+1时刻的输出电压之预测值，Vout(k)为DAB变换器模块在k时刻的输出电压，f为DAB变换器模块的工作频率，Vin(k)为DAB变换器模块在k时刻的输入电压，iout(k)为DAB变换器模块在k时刻的输出电流，C2为电容C2的电容值；
目标函数为Vout(k+1)为DAB变换器模块在k+1时刻的输出电压之预测值与期望值Vref之差的平方，具体为：
J＝[Vout(k+1)-Vref]2；
其中，期望值Vref是人为根据电池化成工艺要求而设定的；显然，当目标函数J最小时，DAB变换器模块在k+1时刻的输出电压Vout(k+1)最接近期望值Vref；
通过对D2的目标函数求导，可以得到目标函数最小化时，内外移相比之间的关系：
Figure BDA0003750799420000162
根据电流应力的定义，可以推导出DAB变换器模块的电流应力为：
Figure BDA0003750799420000171
其中，iL(t)为电感L在t时刻的电流值，n为变压器T的一次侧与二次侧之匝数比；
对ID进行标幺化处理后，得：
Figure BDA0003750799420000172
在D1处对
Figure BDA0003750799420000173
求导，并结合D2，可得：
Figure BDA0003750799420000174
其中，
Figure BDA0003750799420000175
为了保护电池化成分容用DAB变换器，避免过压和过流的情况持续发生，采样及保护模块检测到串联电池组中的各个单体电池的电压和电流、DAB变换器模块的输出电压和电流，以及，直流电源模块的母线输出电压中的任一者高于保护阈值时，向主控发送异常信号，该信号可以为一个电平信号或者一段信息；主控接收到异常信号时，控制DAB变换器模块的暂停运行，即，主控锁止开关管驱动模块输出PWM信号或者电平的输出，使DAB变换器模块的各个开关管暂停运行；主控能够向采样及保护模块发送异常信号清零命令，该清零命令可以为一个电平信号或者一段信息，采样及保护模块收到异常信号清零命令时，清除异常信号，停止异常信号的发送。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种电池化成分容用DAB变换器，用于完成串联电池组的化成工序，其特征在于，包括主控、直流电源模块、DAB变换器模块以及采样及保护模块；
所述DAB变换器模块包括变压器T、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7、开关管Q8以及电感L；
所述开关管Q1、所述开关管Q2、所述开关管Q3以及所述开关管Q4均设置在所述变压器T的一次侧并连接为第一全桥结构，且所述第一全桥结构的自由端为所述DAB变换器模块的输入端；所述开关管Q5、所述开关管Q6、所述开关管Q7以及所述开关管Q8均设置在所述变压器T的二次侧并连接为第二全桥结构，且所述第二全桥结构的自由端为所述DAB变换器模块的输出端；所述电感L与所述变压器T之一次侧绕组串接；
所述DAB变换器模块的输入端与所述直流电源模块的输出端连接，所述DAB变换器模块的输出端与所述串联电池组连接；
所述主控能够分别控制所述DAB变换器模块的开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7以及开关管Q8的开通和关断，进而控制所述DAB变换器模块的运行；
所述采样及保护模块用于采样所述串联电池组中的各个单体电池的电压和电流、所述DAB变换器模块的输出电压和电流，以及，所述直流电源模块的母线输出电压，并变送至所述主控。
2.根据权利要求1所述的电池化成分容用DAB变换器，其特征在于，所述DAB变换器模块还包括电容C1，所述电容C1设置在所述DAB变换器模块的输入端，用于稳压。
3.根据权利要求1或2所述的电池化成分容用DAB变换器，其特征在于，所述DAB变换器模块还包括电容C2，所述电容C2设置在所述DAB变换器模块的输出端，用于滤波。
4.根据权利要求1所述的电池化成分容用DAB变换器，其特征在于，还包括开关管驱动模块；
所述主控与所述开关管驱动模块信号连接，所述开关管驱动模块的控制信号输出端分别与所述DAB变换器模块的开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7以及开关管Q8之控制极连接。
5.一种电池化成分容用DAB变换器的控制方法，应用在权利要求1-4任一所述的电池化成分容用DAB变换器上，其特征在于，包括所述主控控制所述DAB变换器模块进入下述的任一工作状态：
状态一：在t0-t1时间段，所述开关管Q1和所述开关管Q3开通，且所述开关管Q6和所述开关管Q7开通；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q1的体二极管、所述开关管Q3、所述变压器T的一次侧绕组以及所述电感L；所述DAB变换器模块的输入端电压源与所述电容C1形成回路；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q6的体二极管、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q7的体二极管；
状态二：在t1-t2时间段，所述开关管Q3在t1时刻关断，所述开关管Q4的体二极管能够续流，且所述开关管Q4以零电压开关的方式开通，所述开关管Q6和所述开关管Q7的状态维持不变；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q4的体二极管、所述变压器T的一次侧绕组、所述电感L以及所述开关管Q1的体二极管；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q6的体二极管、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q7的体二极管；
状态三：在t2-t3时间段，所述DAB变换器模块中的所有开关管的状态维持不变，经过所述电感L的电流在t2时刻由负方向转为正方向；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q1、所述电感L、所述变压器T的一次侧绕组以及所述开关管Q4；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q7、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q6；
状态四：在t3-t4时间段，所述开关管Q1、所述开关管Q2、所述开关管Q3以及所述开关管Q4的状态维持不变，所述开关管Q6在t3时刻关断，所述开关管Q5的体二极管能够续流，且所述开关管Q5以零电压开关的方式开通；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q1、所述电感L、所述变压器T的一次侧绕组以及所述开关管Q4；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q7、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q5的体二极管；所述DAB变换器模块的输出端与所述电容C2形成回路；
状态五：在t4-t5时间段，所述开关管Q1、所述开关管Q2、所述开关管Q3以及所述开关管Q4的状态维持不变，所述开关管Q7在t4时刻关断；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q1、所述电感L、所述变压器T的一次侧绕组以及所述开关管Q4；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q8的体二极管、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q5的体二极管；
状态六：在t5-t6时间段，所述开关管Q1在t5时刻关断，所述开关管Q2的体二极管能够续流，且所述开关管Q2以零电压开关的方式开通；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q2的体二极管、所述电感L、所述变压器T的一次侧绕组以及所述开关管Q4；所述DAB变换器模块的输入端电压源与所述电容C1形成回路；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q8的体二极管、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q5的体二极管；
状态七：在t6-t7时间段，所述开关管Q4在t6时刻关断，所述开关管Q3的体二极管能够续流，且所述开关管Q3以零电压开关的方式开通；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q2的体二极管、所述电感L、所述变压器T的一次侧绕组以及所述开关管Q3的体二极管；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q8的体二极管、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q5的体二极管；
状态八：在t7-t8时间段，所述DAB变换器模块中的所有开关管的状态维持不变，经过所述电感L的电流在t7时刻由正方向转为负方向；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q3、所述变压器T的一次侧绕组、所述电感L以及所述开关管Q2；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q5、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q8；
状态九：在t8-t9时间段，所述开关管Q1、所述开关管Q2、所述开关管Q3以及所述开关管Q4的状态维持不变，所述开关管Q5在t8时刻关断，所述开关管Q6的体二极管能够续流，且所述开关管Q6以零电压开关的方式开通；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q3、所述变压器T的一次侧绕组、所述电感L以及所述开关管Q2；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q6的体二极管、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q8；所述DAB变换器模块的输出端与所述电容C2形成回路；
状态十：在t9-t10时间段，所述开关管Q1、所述开关管Q2、所述开关管Q3以及所述开关管Q4的状态维持不变，所述开关管Q8在t9时刻关断，所述开关管Q7的体二极管能够续流，且所述开关管Q7以零电压开关的方式开通；所述DAB变换器模块的一次侧电流依次经过所述开关管Q3、所述变压器T的一次侧绕组、所述电感L以及所述开关管Q2；所述DAB变换器模块的二次侧电流依次经过所述开关管Q6的体二极管、所述变压器T的二次侧绕组以及所述开关管Q7的体二极管。
6.根据权利要求5所述的电池化成分容用DAB变换器的控制方法，其特征在于，定义所述DAB变换器模块的输入电压为Vin，所述DAB变换器模块的输出电压为Vout，所述变压器T的一次侧电压为VAB，所述变压器T的二次侧电压为VCD，所述变压器T的一次侧与二次侧之匝数比为n:1，所述变压器T的输出电流为iO，所述电感L两端的电压为UL，流经所述电感L的电流为iL，则有：
在状态一时：流经所述电感L的电流为iL为负数，所述变压器T的二次侧电压VCD＝-Vout，所述电感L两端的电压为UL＝nVout；
在状态二时：流经所述电感L的电流为iL为负数，所述变压器T的一次侧电压VAB＝Vin，所述变压器T的二次侧电压VCD＝-Vout，所述电感L两端的电压为UL＝Vin+nVout；
在状态三时：流经所述电感L的电流为iL为正数，所述变压器T的一次侧电压VAB＝Vin，所述变压器T的二次侧电压VCD＝Vout，所述电感L两端的电压为UL＝Vin+nVout；
在状态四时：流经所述电感L的电流为iL为正数，所述变压器T的一次侧电压VAB＝Vin，所述变压器T的二次侧电压VCD＝0，所述电感L两端的电压为UL＝Vin；
在状态五时：流经所述电感L的电流为iL为正数，所述变压器T的一次侧电压VAB＝Vin，所述变压器T的二次侧电压VCD＝Vout，所述电感L两端的电压为UL＝Vin-nVout；
在状态六时：流经所述电感L的电流为iL为正数，所述变压器T的一次侧电压VAB＝0，所述变压器T的二次侧电压VCD＝Vout，所述电感L两端的电压为UL＝-nVout；
在状态七时：流经所述电感L的电流为iL为正数，所述变压器T的一次侧电压VAB＝-Vin，所述变压器T的二次侧电压VCD＝Vout，所述电感L两端的电压为UL＝-Vin-nVout；
在状态八时：流经所述电感L的电流为iL为负数，所述变压器T的一次侧电压VAB＝-Vin，所述变压器T的二次侧电压VCD＝Vout，所述电感L两端的电压为UL＝-Vin-nVout；
在状态九时：流经所述电感L的电流为iL为负数，所述变压器T的一次侧电压VAB＝-Vin，所述变压器T的二次侧电压VCD＝0，所述电感L两端的电压为UL＝-Vin；
在状态十时：流经所述电感L的电流为iL为负数，所述变压器T的一次侧电压VAB＝-Vin，所述变压器T的二次侧电压VCD＝Vout，所述电感L两端的电压为UL＝-Vin+nVout。
在上述的过程中，开关管Q1、开关管Q2和开关管Q5、开关管Q8，分别超前开关管Q3、开关管Q4和开关管Q6、开关管Q7开通，超前时间为D1Ths；开关管Q1、开关管Q4和开关管Q2、开关管Q3，分别超前开关管Q5、开关管Q8和开关管Q6、开关管Q7开通，超前时间为D2Ths；其中，各个开关管的导通时间为Ths，D1为内移相比，D2为外移相比。
7.根据权利要求6所述的电池化成分容用DAB变换器的控制方法，其特征在于，在所述电池化成分容用DAB变换器的工作时，所述主控通过模型预测控制的方法，对所述电池化成分容用DAB变换器进行控制。
8.根据权利要求7所述的电池化成分容用DAB变换器的控制方法，其特征在于，所述主控通过模型预测控制的方法，对所述DAB变换器模块进行控制，具体包括下述步骤：
S1、通过建立一预测模型；
S2、将所述电池化成分容用DAB变换器在当前时刻的控制量和控制信号输入至所述预测模型，以获得所述电池化成分容用DAB变换器在下一时刻的控制量之预测值；
S3、将所述电池化成分容用DAB变换器在下一时刻的控制量之预测值与期望值的差值作为目标函数，并求解出最小化的所述目标函数；
S4、所述主控在下一时刻，将与最小化的所述目标函数相对应的控制信号输出至所述DAB变换器模块，以控制所述DAB变换器模块的运行。
9.根据权利要求8所述的电池化成分容用DAB变换器的控制方法，其特征在于，所述预测模型中，所述DAB变换器模块的输出电压Vout之预测模型为：
Figure FDA0003750799410000071
其中，Vout(k+1)为所述DAB变换器模块在k+1时刻的输出电压之预测值，Vout(k)为所述DAB变换器模块在k时刻的输出电压，f为所述DAB变换器模块的工作频率，Vin(k)为所述DAB变换器模块在k时刻的输入电压，iout(k)为所述DAB变换器模块在k时刻的输出电流，C2为所述电容C2的电容值；
所述目标函数为Vout(k+1)为所述DAB变换器模块在k+1时刻的输出电压之预测值与期望值Vref之差的平方，具体为：
J＝[Vout(k+1)-Vref]2；
通过对D2的目标函数求导，可以得到所述目标函数最小化时，内外移相比之间的关系：
Figure FDA0003750799410000081
根据电流应力的定义，可以推导出所述DAB变换器模块的电流应力为：
Figure FDA0003750799410000082
其中，iL(t)为所述电感L在t时刻的电流值，n为变压器T的一次侧与二次侧之匝数比；
对ID进行标幺化处理后，得：
Figure FDA0003750799410000083
在D1处对
Figure FDA0003750799410000084
求导，并结合D2，可得：
Figure FDA0003750799410000085
其中，
Figure FDA0003750799410000086
10.根据权利要求5所述的电池化成分容用DAB变换器的控制方法，其特征在于，所述采样及保护模块检测到所述串联电池组中的各个单体电池的电压和电流、所述DAB变换器模块的输出电压和电流，以及，所述直流电源模块的母线输出电压中的任一者高于保护阈值时，向所述主控发送异常信号；
所述主控接收到所述异常信号时，控制所述DAB变换器模块的暂停运行；
所述主控能够向所述采样及保护模块发送异常信号清零命令。
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