CN206789649U - 一种锂电池化成系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种锂电池化成系统，其技术特点是：包括RISC主控制器、双向电压型三电平PWM整流器、交流电压及相位检测单元、直流母线电流电压检测单元和多个双向DC/DC单元；RISC主控制器与上位机相连接，该RISC主控制器通过CAN总线与双向电压型三电平PWM整流器和所有双向DC/DC单元相连；双向电压型三电平PWM整流器分别与直流母线、交流母线、交流电压及相位检测单元、直流母线电流电压检测单元相连接；每个双向DC/DC单元均与直流母线和对应的锂电池相连接。本使用提高了锂离子电池的化成效率，降低了化成充电时间，具有广泛的推广应用价值和市场前景，可应用于汽车电池等动力锂离子电池的化成测试，满足动力锂电池的大规模生产需要。

Description

一种锂电池化成系统

技术领域

本实用新型属于锂电池技术领域，尤其是一种锂电池化成系统。

背景技术

随着全球范围能源危机的加剧和人们对周围环境保护意识的不断提高，电动汽车作为一种新能源汽车，是近年来世界各国竞相研究开发的热点。电动汽车的动力能量来自电池，锂离子电池是二十世纪九十年代出现的绿色、高能、环保电池，具有能量密度高、环境友好、无记忆效应、循环寿命长、自放电少等突出的优点，并且近十几年来得到了飞速发展，目前锂离子电池的技术水平、使用寿命的已经得到提高，大容量锂离子电池已经在电动汽车中得到了广泛的应用。

化成工序是锂电池生产过程中的重要工序，化成时在负极表面形成一层钝化层，即固体电解质界面膜(SEI膜)，SEI膜的好坏直接影响到电池的循环寿命、稳定性、自放电性、安全性等电化学性能。电池生产过程中必须要经过电池化成工序，即在生产过程中需要进行多次充放电才能完成整个电池的生产。目前由于技术和成本因素，国内的电池化成绝大部分还在沿用小容量电池的设备，充电设备效率和网侧功率因数较低，放电时采用将电池能量通过电阻放电的方式消耗，造成极大的能源浪费。据估算，电池化成消耗的电能费用可占到生产成本的20％～30％，尤其在大容量化的趋势下，能量浪费则更加明显，因此，大容量锂离子电池需要高效率的电池化成设备，这样既为生产厂家节电节能，也符合国家节能减排的要求。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、效率高、节约能源且成本低廉的锂电池化成系统。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种锂电池化成系统，包括RISC主控制器、双向电压型三电平PWM整流器、交流电压及相位检测单元、直流母线电流电压检测单元和多个双向DC/DC单元，所述RISC主控制器与上位机相连接，该RISC主控制器通过CAN总线与双向电压型三电平PWM整流器和所有双向DC/DC单元相连，实现交流电源流向锂电池、锂电池流向交流电源和锂电池之间相互流动功能；所述双向电压型三电平PWM整流器分别与直流母线和交流母线相连接，所述交流电压及相位检测单元分别与交流母线及双向电压型三电平PWM整流器相连接，所述直流母线电流电压检测单元分别与直流母线及双向电压型三电平PWM整流器相连接；每个双向DC/DC单元均与直流母线和对应的锂电池相连接，每个双向DC/DC单元还与一个电池电压电流检测单元和一个母线侧电压电流检测单元相连接，该电池电压电流检测单元与对应的锂电池相连接，该母线侧电压电流检测单元与直流母线相连接。

所述双向电压型三电平PWM整流器由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路依次连接构成并实现整流逆变智能切换功能。

所述交流回路包括交流电动势、连接在三相电路中的电感和电阻、外接电抗器的电感和交流电源内部电感、外接电抗器的电阻和交流电源内部电阻；所述功率开关管桥路由三电平电压源型全桥电路组成，每相桥臂由四个开关管和两个钳位二极管组成，运行中有三种组合开关状态，每相桥臂中点的电压有三种电平；所述直流回路包括电容和负载，该负载为多路双向DC/DC变换器。

所述双向DC/DC变换器包括充电电路和放电电路并实现智能转变功能，所述充电电路采用移相全桥式ZVS-PWM功率变换电路；所述放电电路采用推挽式的DC/DC Boost功率变换电路。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本实用新型基于能量受控的双向AC/DC变换器和DC/DC变换器，分别采用电压型三电平PWM整流器/逆变器和移相全桥式ZVS-PWM功率变换/推挽式的DC/DC Boost功率变换相结合的拓扑结构，运用电压电流双闭环的控制方式，实现了能量的高效双向流动以及锂电池的恒压、恒流充放电等功能。解决了国内现有化成检测设备普遍存在的自动化程度较低、精度较低、安全可靠性较差、能耗过高的问题。有利于为生产厂家节电节能，也符合国家节能减排的要求，符合电池生产厂家和整个国家的经济利益。

2、本实用新型不仅可以提高锂离子电池的化成效率，又能保证SEI膜成膜良好，保持锂离子电池良好的循环性能：同时能够在保证锂离子电池良好性能不变的前提下有效地降低化成充电时间，提高生产效率，具有广泛的推广应用价值和市场前景，可应用于汽车电池等动力锂离子电池的化成测试，满足动力锂电池的大规模生产需要。

附图说明

图1为本实用新型的电路方框图；

图2a为本实用新型的总流程图；

图2b为双向DC/DC单元的工作流程，

图2c为电池化成流程图；

图3为三相电压型PWM整流器电路拓扑图；

图4为双向DC/DC变换器的主电路拓扑图；

图5为双向DC/DC变换器的充电电路拓扑图；

图6为双向DC/DC变换器的放电电路拓扑图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述：

一种锂电池化成系统，如图1所示，包括RISC主控制器、双向电压型三电平PWM整流器、双向DC/DC单元、电池电压电流检测单元、交直流母线电压电流检测单元。其中，RISC主控制器通过CAN总线与双向电压型三电平PWM整流器和所有双向DC/DC单元相连，通过总线方式获得所有电池充放电数据和母线电压电流数据以及PWM整流器、双向DC/DC单元工作状态，RISC主控制器根据数据和状态控制PWM整流器和双向DC/DC单元，使能量在系统中受控流动，完成电池的化成流程。RISC主控制器将所有电池化成的数据传送至上位机系统，通过上位机系统建立的数据库来存储这些数据。每个双向DC/DC单元及电池电压电流检测单元均对应于一个电池单体。电池充电时由交流母线经双向电压型三电平PWM整流器(其它电池放电能量不足以支持充电)和其它双向DC/DC单元提供直流能量(其它电池存在放电过程)，再经过与电池相连的双向DC/DC单元为电池进行恒流或恒压充电；放电时将电池的能量经与其相连的双向DC/DC单元向其它双向DC/DC单元提供电能(其它电池存在充电过程)和双向电压型三电平PWM整流器反馈回电网(电池放电电能大于充电电能)。该锂电池化成系统优势在于多只电池同时进行化成，其中部分电池充电，部分电池放电。直流母线连接了双向电压型三电平PWM整流器和多个双向DC/DC单元，这样能量就可以通过直流母线在不同电池单体的双向DC/DC单元之间流动，避免每个放电模块单独设计向电网回馈能量的电路，可提高整个设备的效率，同时降低设备成本。

本实用新型的工作流程如图2a、图2b、图2c所示。在图2a中，RISC主控制器首先判断电池充电能量是否小于电池放电能量，如果小于说明系统中存在直流能量需要回馈给交流电网，那么双向电压型三电平PWM整流器工作于逆变模式；否则工作于整流模式，而双向DC/DC单元按照自己的工作流程运行。在图2b中，双向DC/DC单元判断电池是否充电结束，如果没有结束，双向DC/DC单元继续为电池充电并继续根据电池化成流程工作；如果结束充电了那么判断电池是否需要放电，如果需要放电，双向DC/DC单元对电池进行放电将能量流向直流母线侧，继续根据电池化成流程工作；如果无需放电则双向DC/DC单元停止工作，继续根据电池化成流程运行。在图2c中，电池化成流程分为：恒流充电阶段、恒压充电阶段、休眠阶段、恒流放电阶段，所有阶段由RISC控制器和双向DC/DC单元联合控制全部自动切换完成，自动完成电池化成阶段的切换不仅提高生产效率，更能完美地激活电极材料、降低正负极阻抗，提高电池容量，并能保证SEI膜成膜良好，保持锂离子电池良好的循环性能。

如图3所示，双向电压型三电平PWM整流器拓扑包括交流回路、功率开关管桥路以及直流回路。其中交流回路包括交流电动势以及电感Lsx，其包含外接电抗器的电感和交流电源内部电感和电阻Rsx，其包含外接电抗器的电阻和交流电源内部电阻，电感在这里起着传递能量、限制谐波电流和平衡电网电压与桥臂终端电压的关系等作用；直流回路包括电容和负载，在这里负载为多路双向DC/DC变换器，电容为高次谐波电流提供低阻抗通路；功率开关管桥路由三电平电压源型全桥电路组成。双向电压型三电平PWM整流器每相桥臂由四个开关管和两个钳位二极管组成，运行中有三种组合开关状态，分别对应于Vx1、Vx2；Vx2、Vx3或Vx3、Vx4导通，每相桥臂中点的电压有三种电平。三电平整流与逆变设计，使整流器在提高耐压等级和电流响应速度的同时，有效地降低了交流谐波电压、电流，从而改善了其网侧波形品质。PWM整流器实现了电能的双向传输，当PWM整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态，此时可为锂电池充电。而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态，此时可将锂电池放电的能量回馈电网。PWM整流器实际上是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流装置，使用SVPWM空间电压矢量调制方法即可使PWM整流器可控运行于各个象限，实现了整流与逆变的功能。双向电压型三电平PWM整流器具有能量双向流动、网侧电流正弦化、低谐波输入电流、恒定直流电压控制、较小容量滤波器及高功率因数等特征，有效地消除了传统整流器输入电流谐波含量大、功率因数低等问题。

所述双向DC/DC变换器的锂电池充电和放电变换均由主电路、控制电路、驱动电路、检测保护电路和输出滤波环节构成。其中，主电路如图4所示，当IGBT开关管V1-V4工作，V5、V6、V7封锁时，可控硅VT0、VT1导通、VT2截止时，系统工作在电池充电状态，充电电路为移相全桥式ZVS-PWM功率变换，如图5所示。Vl，V2,V3,V4为四个IGBT开关管，分为超前臂和滞后臂，其中V1,V2为超前臂、V3,V4为滞后臂。两个桥臂的导通之间相差一个相位，即所谓移相角，通过调节移相角的大小和开关管的频率来调节输出电压的脉冲宽度与周期，从而达到调节相应的输出电压和电流的目的，实现了锂电池恒压充电与恒流充电。由于超前臂是利用变压器的漏感和输出电抗器的储能实现零电压开通，所以超前管的零电压开通范围很大，而滞后管是利用变压器的漏感储能实现零电压开通，所以其零电压开通范围很窄，因此该ZVS-ZCS全桥PWM变换器是在原边串上一个电感L1与一个电容即C2和C3并联，使滞后管在电容和漏感的作用下实现零电流关断，这样不仅能有效降低环流导通耗、占空比丢失问题，而且可克服滞后管的零电压导通范围过窄间题。当IGBT开关管V5、V6、V7工作，V1-V4封锁时，可控硅VT0、VT4导通、VT3截止时系统工作在电池放电状态，放电电路采用推挽式的DC/DC Boost功率变换，如图6所示(可控硅VT0在放电电路开始工作前为截止状态，当工作稳定后输出电压与直流母线相同后再为导通状态)。推挽式变换电路是由两个正激式功率管V5、V6组成，只是它们工作时相位相反。在每个周期里，两个功率管交替导通和截止，在各自导通的半个周期内，分别把能量传递给负载，所以称之为“推挽”电路。推挽式DC/DCBoost变换器是在Boost变换器嵌入一个推挽式直流变换器而形成的，构成一个带有预调整的DC/DC变换器，开关管V5、V6具有固定的导通比，即0.5，开关管V7的导通比可调，推挽式DC/DC Boost变换器将锂电池低压直流电转化为高压直流电，实现锂电池的恒流放电。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。

Claims (4)

1.一种锂电池化成系统，其特征在于：包括RISC主控制器、双向电压型三电平PWM整流器、交流电压及相位检测单元、直流母线电流电压检测单元和多个双向DC/DC单元，所述RISC主控制器与上位机相连接，该RISC主控制器通过CAN总线与双向电压型三电平PWM整流器和所有双向DC/DC单元相连，实现交流电源流向锂电池、锂电池流向交流电源和锂电池之间相互流动功能；所述双向电压型三电平PWM整流器分别与直流母线和交流母线相连接，所述交流电压及相位检测单元分别与交流母线及双向电压型三电平PWM整流器相连接，所述直流母线电流电压检测单元分别与直流母线及双向电压型三电平PWM整流器相连接；每个双向DC/DC单元均与直流母线和对应的锂电池相连接，每个双向DC/DC单元还与一个电池电压电流检测单元和一个母线侧电压电流检测单元相连接，该电池电压电流检测单元与对应的锂电池相连接，该母线侧电压电流检测单元与直流母线相连接。

2.根据权利要求1所述的一种锂电池化成系统，其特征在于：所述双向电压型三电平PWM整流器由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路依次连接构成并实现整流逆变智能切换功能。

3.根据权利要求2所述的一种锂电池化成系统，其特征在于：所述交流回路包括交流电动势、连接在三相电路中的电感和电阻、外接电抗器的电感和交流电源内部电感、外接电抗器的电阻和交流电源内部电阻；所述功率开关管桥路由三电平电压源型全桥电路组成，每相桥臂由四个开关管和两个钳位二极管组成，运行中有三种组合开关状态，每相桥臂中点的电压有三种电平；所述直流回路包括电容和负载，该负载为多路双向DC/DC变换器。

4.根据权利要求1所述的一种锂电池化成系统，其特征在于：所述双向DC/DC变换器包括充电电路和放电电路并实现智能转变功能，所述充电电路采用移相全桥式ZVS-PWM功率变换电路；所述放电电路采用推挽式的DC/DC Boost功率变换电路。