一种动力电池化成电源的制作方法

1.本发明涉及动力电池化成技术领域，特别是涉及一种动力电池化成电源。


背景技术：

2.随着工业的发展，电动汽车、不间断电源以及储能电池广泛应用于人们的日常生活。尤其是近年以来，电动汽车以其舒适的驾驶体验、经济节能等优点，逐渐成为人们的优先选购对象，因此未来对动力电池的需求量将急剧增加。
3.电池出厂前需要进行化成工序，将其内部的惰性物质进行循环充放电激活，使其内部的化学特性达到最佳状态，从而使电池的容量最高，因此电池化成设备的市场潜力巨大。
4.现有的动力电池化成设备虽然能实现能量的双向流动，但其功率器件为普通硅半导体，能量转化效率已经无法进一步提高。在导通时，由于器件内阻的存在，产生大量的热能从而使器件损坏。随着未来对动力电池需求量增加，化成设备将长时间处于工作状态，因此对设备的稳定性提出了更高的要求。
5.目前的动力电池化成电源，其dc/dc模块普遍采用buck
‑
boost主电路，功率器件工作于硬开通和硬关断状态，在开通和关断时，由于电流电压的重叠，导致了巨大的能量损耗，且这一损耗随着开关频率的加快逐渐增加。
6.我国电池产量约占世界产量的三分之一，且这一数据正逐年增加，每年耗费巨大的电能用于电池化成，如果能改善目前的动力电池化成设备的能量转化效率和稳定性，将大大节约能源的无谓消耗和电费的支出，减少设备的检修时间，具有广阔的应用前景。


技术实现要素：

7.基于此，本发明的目的在于解决现有技术中的动力电池化成设备存在的能量转化效率和稳定性较低的问题，提供一种具有高能量转化效率和高稳定性等特点的动力电池化成电源，可以节约能源的无谓消耗和电费的支出，减少设备的检修时间。
8.本发明实施例提供一种动力电池化成电源，包括：交流电网、ac/dc模块、直流母线、多个dc/dc模块、化成电池模块和数字控制模块；所述ac/dc模块分别与所述交流电网、所述直流母线和所述数字控制模块连接；所述直流母线还与多个所述dc/dc模块连接；任一所述dc/dc模块还与所述控制模块和所述化成电池模块连接；其中，
9.所述dc/dc模块包括clllc型谐振主电路，所述clllc型谐振主电路包括多个功率器件，任一所述功率器件为开关器件；所述clllc型谐振主电路用于在所述化成电池模块进行化成的过程中，在所述数字控制模块给部分所述功率器件施加互补的驱动信号下，实现能量在所述直流母线和所述化成电池模块之间的双向流动。
10.本发明实施例提供的动力电池化成电源中，可以采用数字控制模块作为控制中心，数字控制模块可以采用软件编程的方式，实现在对化成电池模块进行充电和放电的过程中，给dc/dc模块的clllc型谐振主电路的功率器件施加互补的驱动信号，系统动态响应
速度快，控制灵活性高，可以实现任意工序的改变和升级。dc/dc模块通过采用clllc型谐振主电路，由于clllc型谐振主电路中的开关器件在工作中均处于谐振软开关状态，可以提高能量的转换效率，同时，软开关的实现可以明显减少电池干扰，可以提高充电放电时的电流电压的精度，可以提高设备的工作稳定性。
11.可选地，所述clllc型谐振主电路还包括第一谐振电感、第一谐振电容、励磁电感、隔离变压器、第二谐振电感、第二谐振电容和多个二极管；
12.多个功率器件包括第一组功率器件和第二组功率器件，所述第一组功率器件、所述第二组功率器件分别包括四个功率器件；其中，
13.任一所述功率器件内嵌寄生反并联的一个所述二极管；
14.所述隔离变压器内嵌所述励磁电感；
15.所述第一谐振电感的一端与所述隔离变压器的第一端连接，所述第一谐振电感的另一端分别与所述第一组功率器件中的两个所述功率器件并联；
16.所述第一谐振电容的一端与所述隔离变压器的第二端连接，所述第一谐振电容的另一端分别与所述第一组功率器件中的另外两个所述功率器件并联；
17.所述第二谐振电感的一端与所述隔离变压器的第三端连接，所述第二谐振电感的另一端分别与所述第二组功率器件中的两个所述功率器件并联；
18.所述第二谐振电容的一端与所述隔离变压器的第四端连接，所述第二谐振电容的另一端分别与所述第二组功率器件中的另外两个所述功率器件并联；
19.所述第一组功率器件中的两个所述功率器件，与所述第一组功率器件中的另外两个所述功率器件并联；
20.所述第二组功率器件中的两个所述功率器件，与所述第二组功率器件中的另外两个所述功率器件并联。
21.可选地，clllc型谐振主电路正向工作时，所述隔离变压器将正向电压降低至与所述化成电池模块所需的电压相等，以实现为所述化成电池模块充电；或者，
22.clllc型谐振主电路反向工作时，所述隔离变压器升高化成电池模块的电压，以实现能量回馈给所述直流母线。
23.可选地，所述clllc型谐振主电路正向工作时，所述数字控制模块给所述第一组功率器件施加互补的驱动信号，以实现能量的逆变流动；所述第二组功率器件中的各个所述功率器件寄生反并联的所述二极管作为整流二极管，以实现电流整流；或者，
24.所述clllc型谐振主电路反向工作时，所述数字控制模块给所述第二组功率器件施加互补的驱动信号，以实现能量的逆变流动；所述第一组功率器件中的各个所述功率器件寄生反并联的的所述二极管作为整流二极管，以实现电流整流。
25.可选地，若所述clllc型谐振主电路正向工作，在第一时间段的第一时刻，第一谐振电感的第一电流通过第一功率器件、第四功率器件寄生反并联的所述二极管续流，将所述第一功率器件、所述第四功率器件的两端电压箝位至0，此时，所述数字控制模块给所述第一功率器件、所述第四功率器件开通信号，实现零电压开通所述第一功率器件、所述第四功率器件；所述第一功率器件为所述第一组功率器件中的两个所述功率器件中的一个，所述第四功率器件为所述第一组功率器件中的另外两个所述功率器件中的一个；
26.在所述第一时刻之后，所述数字控制模块将所述直流母线的电压施加在第一节点
和第二节点之间，增大所述第一电流和流经所述励磁电感的第二电流，所述第一电流的增大速率大于所述第二电流的增大速率，使得所述第一电流在所述第一时间段内的第二时刻完成换向下降；流经所述第二谐振电感的第三电流，流经所述第二组功率器件中的各个所述功率器件寄生反并联的所述二极管；所述第一节点为所述第一谐振电感的另一端分别与所述第一组功率器件中的两个所述功率器件的连接节点，所述第二节点为所述第一谐振电容的另一端分别与所述第一组功率器件中的另外两个所述功率器件的连接节点。
27.可选地，所述clllc型谐振主电路正向工作时，在位于所述第一时间段后的第二时间段的第三时刻，所述第一电流降低至与所述第二电流相等，以使所述隔离变压器的原边无能量传递给所述隔离变压器副边，以实现将流经所述第二组功率器件中的各个功率器件寄生反并联的二极管的第四电流降低至0，所述第二谐振电感和所述第二谐振电容退出谐振，所述第一谐振电感、所述第一谐振电容和所述励磁电感串联谐振。
28.可选地，若所述clllc型谐振主电路反向工作，在位于所述第二时间段后的第三时间段第四时刻，第一谐振电感的第三电流通过第二功率器件、第三功率器件寄生反并联的所述二极管续流，实现将所述第二功率器件、所述第三功率器件的两端电压箝位至0，此时，所述数字控制模块给所述第二功率器件、所述第三功率器件开通信号，实现零电压开通所述第二功率器件、所述第三功率器件；所述第二功率器件为所述第一组功率器件中的两个所述功率器件中的另一个，所述第三功率器件为所述第一组功率器件中的另外两个所述功率器件中的另一个；
29.在所述第四时刻之后，所述数字控制模块将所述直流母线的电压施加在所述第一节点和所述第二节点之间，增大所述第三电流和流经所述励磁电感的第二电流，所述第三电流的增大速率大于所述第二电流的增大速率，使得所述第三电流在所述第三时间段内的第五时刻完成换向下降；流经所述第一谐振电感的第一电流，流经所述第一组功率器件中的各个所述功率器件寄生反并联的所述二极管。
30.可选地，所述clllc型谐振主电路正向工作时，在位于所述第三时间段后的第四时间段的第六时刻，所述第三电流降低至与所述第二电流相等，以使所述隔离变压器的副边无能量传递给所述隔离变压器原边，以实现将流经所述第一组功率器件中的各个功率器件寄生反并联的二极管的第五电流降低至0，所述第二谐振电感和所述第二谐振电容退出谐振，所述第一谐振电感、所述第一谐振电容和所述励磁电感串联谐振。
31.可选地，所述直流母线和所述化成电池模块之间的电压不同，通过设置所述隔离变压器的原边与副边之间的匝数比实现电压的转换。
32.可选地，任一所述功率器件为sic功率器件；
33.所述数字控制模块包括：数字信号处理器；
34.所述化成电池模块包括多个化成电池。
35.进一步优选地，
36.相对于现有技术，本发明实施例提供的动力电池化成电源，可以采用软件编程的方式，实现在对化成电池模块进行充电和放电的过程中，给dc/dc模块的clllc型谐振主电路的功率器件施加互补的驱动信号，系统动态响应速度快，控制灵活性高，可以实现任意工序的改变和升级。dc/dc模块通过采用clllc型谐振主电路，由于clllc型谐振主电路中的开关器件在工作中均处于谐振软开关状态，可以提高能量的转换效率，同时，软开关的实现可
以明显减少电池干扰，可以提高充电放电时的电流电压的精度，可以提高设备的工作稳定性。即本发明实施例提供的动力电池化成电源可以具有高能量转化效率和高稳定性等特点，可以节约能源的无谓消耗和电费的支出，减少设备的检修时间。
37.为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
38.图1为本发明实施例提供的一种动力电池化成电源的系统架构示意图；
39.图2为本发明实施例提供的一种clllc型谐振主电路的拓扑结构示意图；
40.图3为本发明实施例提供的一种clllc型谐振主电路中的各器件工作波形图。
具体实施方式
41.在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于其构造进行定义的，它们是相对的概念。因此，有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。
42.以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与本公开的一些方面相一致的实施方式的例子。
43.在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
44.附图中各个部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是示意说明以下示例性实施例中所描述的实施方式。
45.请参考图1所示，本发明实施例提供的动力电池化成电源，可以包括：交流电网101、ac/dc模块102、直流母线103、多个dc/dc模块104、化成电池模块105和数字控制模块106。其中，ac/dc模块102分别可以与交流电网101、直流母线103和数字控制模块106连接。直流母线103还可以与多个dc/dc模块104连接。任一dc/dc模块104还可以与控制模块和化成电池模块105连接。
46.可选地，dc/dc模块104可以包括clllc型谐振主电路。其中，clllc型谐振主电路可以包括多个功率器件，任一功率器件可以为开关器件。在具体的实现过程中，clllc型谐振主电路可以用于在化成电池模块105进行化成的过程中，在数字控制模块106给部分功率器件施加互补的驱动信号下，可以实现能量在直流母线103和化成电池模块105之间的双向流动，也就是说，能量无论是从直流母线103流向化成电池模块105，还是从化成电池模块105流向直流母线103，都能实现clllc型谐振主电路中的功率器件的零电压开通和零电流关断。
47.可选地，数字控制模块106通过与ac/dc模块102和多个dc/dc模块104连接，可以实现在化成电池模块105的化成过程中，对充电、放电的电流电压控制和反馈信号的处理。
48.本发明实施例提供的动力电池化成电源中，可以采用数字控制模块106作为控制中心，数字控制模块106可以采用软件编程的方式，实现在对化成电池模块105进行充电和
放电的过程中，给dc/dc模块104的clllc型谐振主电路的功率器件施加互补的驱动信号，系统动态响应速度快，控制灵活性高，可以实现任意工序的改变和升级。dc/dc模块104通过采用clllc型谐振主电路，由于clllc型谐振主电路中的开关器件在工作中均处于谐振软开关状态，可以提高能量的转换效率，同时，软开关的实现可以明显减少电池干扰，可以提高充电放电时的电流电压的精度，可以提高设备的工作稳定性。
49.可选地，结合图1和图2所示，clllc型谐振主电路还可以包括第一谐振电感l1、第一谐振电容c1、励磁电感l
m
、隔离变压器t
r
、第二谐振电感l2、第二谐振电容c2和多个二极管。多个功率器件可以包括第一组功率器件和第二组功率器件，第一组功率器件、第二组功率器件分别可以包括四个功率器件。
50.其中，任一功率器件可以内嵌寄生反并联的一个二极管，例如，如图2所示，功率器件s1可以内嵌寄生反并联的二极管d
s1
。隔离变压器t
r
可以内嵌励磁电感l
m
。第一谐振电感l1的一端可以与隔离变压器t
r
的第一端连接，第一谐振电感l1的另一端分别可以与第一组功率器件中的两个功率器件并联，例如分别可以与图2所示的功率器件s1和功率器件s2并联。第一谐振电容c1的一端可以与隔离变压器t
r
的第二端连接，第一谐振电容c1的另一端分别可以与第一组功率器件中的另外两个功率器件并联，例如分别可以与图2所示的功率器件s3和功率器件s4并联。第二谐振电感l2的一端可以与隔离变压器t
r
的第三端连接，第二谐振电感l2的另一端分别可以与第二组功率器件中的两个功率器件并联，例如分别可以与图2所示的功率器件s5和功率器件s6并联。第二谐振电容c2的一端可以与隔离变压器t
r
的第四端连接，第二谐振电容c2的另一端分别可以与第二组功率器件中的另外两个功率器件并联，例如分别可以与图2所示的功率器件s7和功率器件s8并联。
51.可选地，第一组功率器件中的两个功率器件，可以与第一组功率器件中的另外两个功率器件并联，例如，如图2所示，功率器件s1和功率器件s2，可以与功率器件s3和功率器件s4并联。第二组功率器件中的两个功率器件，可以与第二组功率器件中的另外两个功率器件并联，例如，如图2所示，功率器件s5和功率器件s6，可以与功率器件s7和功率器件s8并联。
52.可选地，结合图1和图2所示，clllc型谐振主电路正向工作时，隔离变压器t
r
可以将正向电压降低至与化成电池模块105所需的电压相等，以实现为化成电池模块105充电。或者，clllc型谐振主电路反向工作时，隔离变压器t
r
可以升高化成电池模块105的电压，以实现能量回馈给直流母线103。
53.本发明实施例中，通过在clllc型谐振主电路正向工作时，为化成电池模块105充电，在clllc型谐振主电路返向工作时，将能量回馈给直流母线103，可以实现能量在直流母线103和化成电池模块105之间的双向流动。
54.具体地，clllc型谐振主电路正向工作时，数字控制模块106可以给第一组功率器件施加互补的驱动信号，如图2所示，可以给功率器件s1‑
s4施加互补的驱动信号，以实现能量的逆变流动，达到逆变功能。此时，第二组功率器件中的各个功率器件寄生反并联的二极管可以作为整流二极管，如图2所示，寄生反向并联二极管d
s5
‑
d
s8
可以作为整流二极管，以实现电流整流，达到整流功能。或者，clllc型谐振主电路反向工作时，数字控制模块106可以给第二组功率器件施加互补的驱动信号，如图2所示，可以给功率器件s5‑
s8施加互补的驱动信号，以实现能量的逆变流动，达到逆变功能。此时，第一组功率器件中的各个功率器件
寄生反并联的的二极管作为整流二极管，如图2所示，寄生反向并联二极管d
s1
‑
d
s4
可以作为整流二极管，以实现电流整流，达到整流功能。
55.可选地，结合图1
‑
3所示，clllc型谐振主电路正向工作时，可以包括四个工作模态：工作模态a，工作模态b，工作模态c和工作模态d。其中，每一个工作模态中，各个器件的电路电压波形可以不同。
56.下面将具体介绍clllc型谐振主电路正向工作的四个工作模态。
57.为了方便叙述，下文设定流经第一谐振电感l1的第一电流为i
p
，流经第二谐振电感l2的第三电流为i
s
，流经励磁电感l
m
的第二电流为i
m
，第一谐振电容c1和第二谐振电容c2的电压分别为u
c1
和u
c2
。
58.可选地，结合图1
‑
3所示，工作模态a的工作时段为第一时间段t0‑
t1，在第一时刻t0，第一谐振电感l1的第一电流i
p
可以通过第一功率器件s1、第四功率器件s4寄生反并联的二极管d
s1
、d
s4
续流，可以实现将第一功率器件s1、第四功率器件s4的两端电压箝位至0。此时，数字控制模块106可以给第一功率器件s1、第四功率器件s4开通信号，可以实现零电压开通第一功率器件s1、第四功率器件s4。
59.可选地，在第一时刻t0之后，数字控制模块106可以将直流母线103的电压施加在第一节点和第二节点之间，可以增大第一电流i
p
和流经励磁电感l
m
的第二电流i
m
，由于第一电流i
p
的增大速率大于第二电流i
m
的增大速率，可以使得第一电流i
p
在第一时间段内的第一时刻t
x
完成换向下降。流经第二谐振电感l2的第三电流i
s
，流经第二组功率器件中的各个功率器件寄生反并联的二极管，如图2所示，i
s
流经寄生反并联的二极管d
s5
‑
d
s8
。其中，第一节点可以为第一谐振电感的另一端分别与第一组功率器件中的两个功率器件的连接节点，即图2所示的a点。第二节点可以为第一谐振电容的另一端分别与第一组功率器件中的另外两个功率器件的连接节点，即图2所示的b点。
60.其中，第一功率器件s1为第一组功率器件中的两个功率器件s1、s2中的一个，第四功率器件s4为第一组功率器件中的另外两个功率器件s3、s4中的一个。
61.可选地，结合图1
‑
3所示，工作模态b的工作时段为第二时间段t1‑
t2，即第二时间段位于第一时间段之后。在第二时间段的第三时刻t1，第一电流i
p
可以降低至与第二电流i
m
相等，以使隔离变压器t
r
的原边无能量传递给隔离变压器t
r
副边，以实现将流经第二组功率器件中的各个功率器件寄生反并联的二极管的第四电流降低至0，从而可以实现零电流关断。由于隔离变压器t
r
的原边无能量传递给隔离变压器t
r
副边，可以使第二谐振电感l2和第二谐振电容c2退出谐振，第一谐振电感l1、第一谐振电容c1和励磁电感l
m
串联谐振，可以保持流经第一组功率器件中的各个功率器件寄生反并联的二极管的第五电流基本不变。
62.可选地，结合图1
‑
3所示，工作模态c的工作时段为第三时间段t2‑
t3，即第三时间段位于第二时间段之后。在第三时刻的第四时刻t2，第二谐振电感l2的第三电流i
s
可以通过第二功率器件s2、第三功率器件s3寄生反并联的二极管d
s2
、d
s3
续流，可以实现将第二功率器件s2、第三功率器件s3的两端电压箝位至0。此时，数字控制模块106可以给第二功率器件s2、第三功率器件s3开通信号，可以实现零电压开通第二功率器件s2、第三功率器件s3。
63.可选地，在第四时刻t2之后，数字控制模块106可以将直流母线103的电压施加在第一节点和第二节点之间，可以增大第三电流i
s
和流经励磁电感l
m
的第二电流i
m
，由于第三电流i
s
的增大速率大于第二电流i
m
的增大速率，可以使得第三电流i
s
在第三时间段内的第
五时刻t
y
完成换向下降。流经第一谐振电感l1的第一电流i
p
，流经第一组功率器件中的各个功率器件寄生反并联的二极管，如图2所示，i
p
流经寄生反并联的二极管d
s1
‑
d
s4
。
64.可选地，结合图1
‑
3所示，工作模态d的工作时段为第四时间段t3‑
t4，即第四时间段位于第三时间段之后。在第四时刻的第六时刻t3，第三电流i
s
可以降低至与第二电流i
m
相等，以使隔离变压器t
r
的副边无能量传递给隔离变压器t
r
原边，以实现将流经第一组功率器件中的各个功率器件寄生反并联的二极管的第五电流降低至0，从而可以实现零电流关断。由于隔离变压器t
r
的副边无能量传递给隔离变压器t
r
的原边，可以使第一谐振电感l1和第二谐振电容c1退出谐振，第二谐振电感l2、第二谐振电容c2和励磁电感l
m
串联谐振，可以保持流经第二组功率器件中的各个功率器件寄生反并联的二极管的第四电流基本不变。
65.可选地，结合图1
‑
图3所示，clllc型谐振主电路反向工作时，也可以包括4个工作模态，其工作原理可以与正向工作时类似，只是将功率器件由s1‑
s4变换为s5‑
s8实现逆变功能，由d
s5
‑
d
s8
变换为d
s1
‑
d
s4
实现整流功能，具体可以参见上述clllc型谐振主电路正向工作式的相关描述，在此不再赘述。
66.可选地，结合图1
‑
3所示，直流母线103和化成电池模块105之间的电压可以不同，通过设置隔离变压器的原边与副边之间的不同匝数比，即可实现电压的转换，换言之，可以实现不同动力电池的化成工作。
67.可选地，结合图1
‑
3所示，上述任一功率器件可以为sic功率器件。相较于普通si功率器件，采用sic功率器件可以大大降低功率器件的开关损耗，还可以提高设备的工作频率，还可以减小磁性器件的体积。
68.可选地，数字控制模块106可以包括：数字信号处理器。示例性的，该数字信号处理器可以为tms320f280049数字信号处理器。
69.可选地，结合图1
‑
3所示，化成电池模块105可以包括多个化成电池，可以同时对多个化成电池进行化成控制。
70.可选地，结合图1
‑
3所示，ac/dc模块102可以包括ac/dc转换装置。
71.相对于现有技术，本发明实施例提供的动力电池化成电源，可以采用软件编程的方式，实现在对化成电池模块105进行充电和放电的过程中，给dc/dc模块104的clllc型谐振主电路的功率器件施加互补的驱动信号，系统动态响应速度快，控制灵活性高，可以实现任意工序的改变和升级。dc/dc模块104通过采用clllc型谐振主电路，由于clllc型谐振主电路中的开关器件在工作中均处于谐振软开关状态，可以提高能量的转换效率，同时，软开关的实现可以明显减少电池干扰，可以提高充电放电时的电流电压的精度，可以提高设备的工作稳定性。即本发明实施例提供的动力电池化成电源可以具有高能量转化效率和高稳定性等特点，可以节约能源的无谓消耗和电费的支出，减少设备的检修时间。
72.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。