一种直流变换模组、控制方法及锂电池串联化成用电源

1.本发明涉及直流变换器技术领域，特别涉及一种直流变换模组、控制方法及锂电池串联化成用电源。


背景技术：

2.随着电动汽车和储能行业的发展，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。
3.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。
4.传统的并联化成设备是将各个锂电池分为独立的通道进行化成，通过各个锂电池的电流不可能保证完全一致，再加上受到化成设备的输出精度影响，难以保证在化成工序时，各个锂电池的一致性；另外，大功率锂电池在化成时，所需的电流较大，在并联化成时，化成设备的内阻会消耗较大的电能。
5.如果将各个锂电池串联起来统一化成，能够使串联后的各个锂电池获得相同的电流，更好地保证了各个锂电池在化成工序时的一致性；此外，串联化成的方式，可以提高化成回路的端口电压，降低电能在化成设备的内阻上的损耗。
6.锂电池在化成的过程中，其电压会随化成的进程而变化，单个锂电池的电压范围一般为2.0v-4.2v，多个锂电池串联在一起时，电压变化范围将随锂电池的串联数量增加而成倍增加，因此，如何提供一种宽增益范围的电池化成用电源成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种直流变换模组及控制方法，能够提供宽增益范围的输出电压。
8.本发明的另一个目的是提供一种锂电池串联化成用电源，能够自动化地实现串联蓄电池构成的各个化成工艺流程。
9.本发明的目的通过以下技术方案实现：
10.一种直流变换模组，包括主控和至少一个直流变换模块，所述直流变换模块的充电输入端与直流母线连接，所述直流变换模块的充电输出端按照极性与串联锂电池组的两极连接，各个直流变换模块在主控的控制下，同时开通，同时关闭或交替开通任意数量。
11.进一步，所述直流变换模块包括开关器件q1、开关器件q2、开关器件q3、开关器件q4、电感l1以及电感l2；开关器件q1的第一极与直流母线连接，开关器件q1的第二极与电感l1的一端连接，电感l1的另一端与串联锂电池组的正极连接，串联锂电池组的负极与电感l2的一端连接，电感l2的另一端与开关器件q3的第一极连接，开关器件q3的第二极与gnd端连接；开关器件q4的第一极与直流母线连接，开关器件q4的第二极与电感l2的另一端连接，电感l1的另一端与开关器件q2的第一极连接，开关器件q2的第二极与gnd端连接；开关器件
q1、开关器件q2、开关器件q3以及开关器件q4的控制极均与主控的pwm输出端连接。
12.进一步，
13.来自直流母线的第一方向电流依次经过开关器件q1、电感l1、串联锂电池组、电感l2以及开关器件q3后，从gnd端流出，或从gnd端流入，依次经过所述开关器件q2、所述电感l1、所述串联锂电池组、所述电感l2以及所述开关器件q4后，流出回至直流母线，构成串联锂电池组的正压充电回路；
14.来自直流母线和/或串联锂电池组的第二方向电流依次经过开关器件q4、电感l2、串联锂电池组、电感l1以及开关器件q2后，从gnd端流出，或从gnd端流入，依次经过所述开关器件q3、所述电感l1、所述串联锂电池组、所述电感l2以及所述开关器件q1后，流出回至直流母线，从而构成串联锂电池组的正压放电回路、零压放电回路或负压放电回路。
15.进一步，所述直流变换模块还包括滤波电容c1和滤波电容c2，滤波电容c1连接在gnd端与接入开关器件q1的直流母线之间，滤波电容c2连接在gnd端与接入开关器件q4的直流母线之间。
16.进一步，所述直流变换模块还包括输出电容c3，所述输出电容c3并联在串联锂电池组的正负极。
17.进一步，所述主控集成电流采样反馈模块及电压采样反馈模块，所述电流采样反馈模块用于采样经过各个直流变换模块的电感l1或电感l2的输出电流，电压采样反馈模块用于采样输出至串联锂电池组两极之间的输出电压。
18.进一步，通过向主控给定参考电压v
ref
(s)，从而控制第一pwm信号和第二pwm信号的占空比，即可控制输出至串联锂电池组两极之间的输出电压，实现n个直流变换模块同时开通或同时关闭或交替开通任意数量；
19.所述第一pwm信号用于控制n个直流变换模块中开关器件q1和开关器件q3的开通和关断；
20.所述第二pwm信号用于控制n个直流变换模块的开关器件q2和开关器件q4的开通和关断。
21.进一步，n个直流变换模块中，相邻的直流变换模块所接收的第一pwm信号之间具有的相位差，且相邻的直流变换模块所接收的第二pwm信号之间也具有的相位差；不同相位的第一pwm信号和第二pwm信号驱动各个直流变换模块组成多相交错并联的输出结构。
22.进一步，在频域上，向所述主控给定一参考电压v
ref
(s)后，所述参考电压v
ref
(s)与所述串联锂电池组两极之间的输出电压v
out
(s)之间依次包括：
23.第一pi控制器、第二pi控制器以及控制对象，且所述第二pi控制器与所述控制对象之间设有零位输出占空比补偿环节，且所述参考电压v
ref
(s)经过一前馈补偿器，以正相比较的方式补偿至所述第二pi控制器与所述控制对象之间；
24.所述第一pi控制器的传递函数为
25.所述第二pi控制器的传递函数为
26.所述控制对象的传递函数为
27.所述零位输出占空比补偿环节的传递函数为d(s)；
28.所述前馈补偿器的传递函数为
29.式中，k
p1
和k
p2
均为比例环节系数，k
i1
和k
i2
均为积分环节系数，k
ff
为所述前馈补偿器的调整系数，k
ff
的取值范围为(0,1)；
[0030]vbus
为所述直流母线的输入电压，r为所述直流变换模组的负载为电阻时的阻抗，l为所述电感l1和所述电感l2的电感量之和，c为所述输出电容c3的电容量；
[0031]
所述直流变换模组对称时，d(s)恒等于0.5。
[0032]
进一步，输出电流i(t)变换至频域后，通过一内环反馈环节反馈至所述第一pi控制器与所述第二pi控制器之间；所述内环反馈环节的传递函数为gh(s)＝rcs+1；
[0033]
式中，r为所述直流变换模组的负载为电阻时的阻抗，c为所述输出电容c3的电容量。
[0034]
进一步，输出电压v(t)变换至频域后，通过一外环反馈环节反馈至所述第一pi控制器前；
[0035]
所述外环反馈环节的传递函数为h(s)，且h(s)为单位反馈传递函数。
[0036]
进一步，所述串联锂电池组的工作状态包括充电、正压放电、零压放电、负压放电及放置。
[0037]
一种锂电池串联化成用电源，用于为串联锂电池组提供化成电能，包括交流电网、ac/dc变换模块、直流母线及如权利要求1-6任一项所述的直流变换模组。
[0038]
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
[0039]
1、该种直流变换模组，各个直流变换模块在主控的控制下，能够同时开通，或同时关闭，或交替开通任意数量，多个直流变换模块组成多相交错并联的输出结构，有利于提高该种直流变换模组输出的连续性，并提高该种直流变换模组输出的增益范围，有效地减小该种直流变换模组的输出纹波。
[0040]
2、该种锂电池串联化成用电源，各个直流变换模块在主控的控制下，能够同时开通，或同时关闭，或交替开通任意数量，从而，能够自动化地实现串联蓄电池组的各个化成工艺流程，多个直流变换模块组成多相交错并联的输出结构，有利于提高该种直流变换模组输出的连续性，并有效地减小该种直流变换模组的输出纹波。
附图说明
[0041]
图1是本发明的直流变换模组的电路原理图；
[0042]
图2是本发明的直流变换模块的电路原理图；
[0043]
图3是本发明实施例的自动控制原理图；
[0044]
图4是本发明锂电池串联化成用电源结构示意图。
具体实施方式
[0045]
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0046]
如图1所示，一种直流变换模组，用于将来自直流母线的电能转换为适于对串联锂电池组进行化成的电能，包括主控和至少一个直流变换模块，所述直流变换模块的充电输
入端与直流母线连接，所述直流变换模块的充电输出端按照极性与串联锂电池组的两极连接，各个所述直流变换模块在所述主控的控制下，能够同时开通，或同时关闭，或交替开通任意数量。
[0047]
如图2所示，多个直流变换模块的结构相同。进一步包括：开关器件q1、开关器件q2、开关器件q3、开关器件q4、滤波电容c1、滤波电容c2、输出电容c3、电感l1以及电感l2。
[0048]
具体连接方式为：串联锂电池组的正负极分别与两条直流母线连接，每个所述直流变换模块中:所述输出电容跨接在串联锂电池组的两端，所述电感l1的一端串联锂电池组的正极连接，另一端分别与开关器件q2的第一端连接，所述开关器件q2的第二端与gnd端连接，所述开关器件q3的第二极与gnd端连接，其第一极分别与电感l2的一端及开关器件q4的第二极连接，所述电感l2的另一端与串联锂电池组的负极连接，所述开关器件q4的第一极与直流母线连接。所述开关器件q1、所述开关器件q2、所述开关器件q3以及所述开关器件q4的控制极均与所述主控的pwm输出端连接。
[0049]
所述滤波电容c1并入在gnd端与接入所述开关器件q1的直流母线之间，所述滤波电容c2并入在gnd端与接入所述开关器件q4的直流母线之间；每个所述直流变换模块还包括输出电容c3；所述输出电容c3并入在所述电感l1的自由端与所述电感l2的自由端之间。设置滤波电容c1和滤波电容c2，能够滤除来自直流母线的脉冲或毛刺等杂波。
[0050]
具体地，在化成过程中，输出电容c3的两端分别连接串联锂电池组的正负极；设置输出电容c3，能够滤除直流变换模块输出至串联锂电池组的脉冲或毛刺等杂波。
[0051]
在各个所述直流变换模块中，来自所述与串联锂电池组正极连接直流母线的第一方向电流能够依次经过所述开关器件q1、电感l1、串联锂电池组、电感l2以及开关器件q3后，从gnd端流出；第一方向电流也能够从gnd端流入，依次经过开关器件q2、电感l1、串联锂电池组、电感l2以及开关器件q4后，流出回至直流母线。
[0052]
并且，来自所述与串联锂电池组负极连接直流母线和/或所述串联锂电池组的第二方向电流能够依次经过所述开关器件q4、所述电感l2、所述串联锂电池组、所述电感l1以及所述开关器件q2后，从gnd端流出；第二方向电流也能够从gnd端流入，依次经过所述开关器件q3、所述电感l1、所述串联锂电池组、所述电感l2以及所述开关器件q1后，流出回至直流母线。
[0053]
在各个所述直流变换模块中，主控设有pwm输出端，产生第一pwm信号及第二pwm信号。所述开关器件q1和所述开关器件q3受控于所述主控发出的第一pwm信号，所述开关器件q2和所述开关器件q4受控于所述主控发出的第二pwm信号。所述第一pwm信号与所述第二pwm信号互补。
[0054]
具体地，第一pwm信号用于控制开关器件q1和开关器件q3的开通和关断，第二pwm信号则用于控制开关器件q2和开关器件q4的开通和关断；进一步具体地，主控通过控制第一pwm信号的占空比d1，控制开关器件q1和开关器件q3的开通和关断时间，进而能够控制输出至串联锂电池组两极之间的输出电压，同样，主控通过控制第二pwm信号的占空比d2，控制开关器件q2和开关器件q4的开通和关断时间，进而能够控制输出至串联锂电池组两极之间的输出电压。
[0055]
其中，第一pwm信号与第二pwm信号互补，即，第一pwm信号与第二pwm信号互为反相信号，占空比d1+d2＝1；另外，第一pwm信号与第二pwm信号之间存在开通死区，避免开关器
件q1、q3和开关器件q2、q4直通而导致母线短路或电池短路
[0056]
所述直流变换模块的数量为n时，相邻的所述直流变换模块所接收的第一pwm信号之间具有的相位差，且相邻的所述直流变换模块所接收的第二pwm信号之间也具有的相位差。不同相位的第一pwm信号和第二pwm信号驱动各个直流变换模块组成多相交错并联的输出结构，有利于提高该种直流变换模组输出的连续性，并有效地减小该种直流变换模组的输出纹波。
[0057]
进一步，该直流变换模组还包括电流采样反馈模块和电压采样反馈模块，其中，电流采样反馈模块和电压采样反馈模块均为集成在主控上的模拟量采样模块及a/d信号转换模块；电流采样反馈模块用于采样经过各个直流变换模块的电感l1或电感l2之输出电流i(t)，并反馈至主控；电压采样反馈模块用于采样输出至串联锂电池组两极之间的输出电压v(t)，并反馈至主控；本实施例中，电流采样反馈模块由其模拟量采样模块从每个直流变换模块的电感l1之自由端处采样，经由a/d信号转换模块计算平均值后，输入至主控的数字信号处理器；电压采样反馈模块由其模拟量采样模块从串联锂电池组的两端或者电感l1的自由端和电感l2的自由端之间采样，经由a/d信号转换模块输入至主控的数字信号处理器。
[0058]
如图3所示，具体控制过程为：
[0059]
在频域上，向主控给定一参考电压v
ref
(s)后，参考电压v
ref
(s)与串联锂电池组两极之间的输出电压v
out
(s)之间依次包括：
[0060]
第一pi控制器、第二pi控制器以及控制对象，且所述第二pi控制器与所述控制对象之间设有零位输出占空比补偿环节，且参考电压v
ref
(s)经过一前馈补偿器，以正相比较的方式补偿至第二pi控制器与控制对象之间；
[0061]
第一pi控制器的传递函数为
[0062]
第二pi控制器的传递函数为
[0063]
控制对象的传递函数为
[0064]
零位输出占空比补偿环节的传递函数为d(s)；
[0065]
前馈补偿器的传递函数为
[0066]
式中，k
p1
和k
p2
均为比例环节系数，k
i1
和k
i2
均为积分环节系数，k
ff
为前馈补偿器的调整系数，k
ff
的取值范围为(0,1)；
[0067]vbus
为直流母线的输入电压，r为直流变换模组的负载为电阻时的阻抗，l为电感l1和电感l2的电感量之和，c为输出电容c3的电容量；
[0068]
所述直流变换模组对称时，d(s)恒等于0.5。
[0069]
实际上，主控通过控制第一pwm信号和第二pwm信号的占空比，即可控制输出电压v
out
(s)的大小；参考电压v
ref
(s)为根据串联锂电池组的化成工艺需求而人为给定的量，用于影响第一pwm信号和第二pwm信号的占空比，从而控制输出电压v
out
(s)的大小。
[0070]
输出电流i(t)变换至频域后，通过一内环反馈环节反馈至第一pi控制器与第二pi控制器之间；
[0071]
内环反馈环节的传递函数为gh(s)＝rcs+1；
[0072]
式中，r为直流变换模组的负载为电阻时的阻抗，c为输出电容c3的电容量。
[0073]
输出电压v(t)变换至频域后，通过一外环反馈环节反馈至第一pi控制器前；外环反馈环节的传递函数为h(s)，且h(s)为单位反馈传递函数。
[0074]
本实施例中直流变换模组仅设置一个主控，但主控的电流采样反馈模块会从每个直流变换模块中采样，且主控能够分别控制每个直流变换模块之开关器件q1、开关器件q2、开关器件q3以及开关器件q4的开通或关断，故对于每个直流变换模块来说，其是具有独立的闭环控制环。
[0075]
具体地，主控为具有pwm输出功能的mcu，例如基于开关电源控制芯片或者数字信号处理器(digital signal processor，dsp)的控制电路板；本实施例中，主控为基于数字信号处理器的控制电路板，其具有多路pwm输出端，并具有反馈控制输入端，其数字信号处理器的型号为tms320f28379d。
[0076]
如图1所示，本实施例直流变换模组设置有四个直流变换模块，分别称为a相、b相、c相以及d相，此时，相邻的直流变换模块所接收的第一pwm信号之间具有的相位差，且相邻的直流变换模块所接收的第二pwm信号之间也具有的相位差。
[0077]
该种直流变换模组，在使用时，有下述的情况：
[0078]
1、对串联锂电池组进行充电时，主控向开关器件q1和开关器件q3发出第一pwm信号，控制开关器件q1和开关器件q3开通和关断；同时，主控向开关器件q2和开关器件q4发出第二pwm信号，控制开关器件q2和开关器件q4开通和关断。当开关器件q1、q3开启时，来自所述直流母线的第一方向电流能够依次经过所述开关器件q1、所述电感l1、所述串联锂电池组、所述电感l2以及所述开关器件q3后，从gnd端流出；在开关器件q1、q3关断时，开关器件q2、开关器件q4同步导通并续流，电流从gnd端流入，依次经过所述开关器件q2、所述电感l1、所述串联锂电池组、所述电感l2以及所述开关器件q4后，流出回至直流母线。两种电路状态下，电流均从串联电池组正极流入，负极流出，从而为串联电池组正压充电。
[0079]
2、对串联锂电池组进行放电时，主控向开关器件q1和开关器件q3发出第一pwm信号，控制开关器件q1和开关器件q3开通和关断；同时，主控向开关器件q2和开关器件q4发出第二pwm信号，控制开关器件q2和开关器件q4开通和关断。当开关器件q2、开关器件q3开启时，来自串联锂电池组的第二方向电流能够依次经过开关器件q4、电感l2、串联锂电池组、电感l1以及开关器件q2后，从gnd端流出；在开关器件q2、开关器件q4关断时，开关器件q1、开关器件q3同步导通并续流，电流从gnd端流入，依次经过所述开关器件q3、所述电感l2、所述串联锂电池组、所述电感l1以及所述开关器件q1后，流出回至直流母线。两种电路状态下，电流均从串联电池组负极流入，正极流出，从而为串联电池组进行正压、零压或负压放电。
[0080]
3、对串联锂电池组进行放置时，主控不向开关器件q1、开关器件q2、开关器件q3以及开关器件q4发出任何pwm信号，直流母线和串联锂电池组之间的回路被关断，串联锂电池组不被充放电。
[0081]
在上述的各个过程中，通过向主控给定参考电压v
ref
(s)，从而控制第一pwm信号和第二pwm信号的占空比，即可控制输出至串联锂电池组两极之间的输出电压。
[0082]
该种直流变换模组，各个直流变换模块在主控的控制下，能够同时开通，或同时关闭，或交替开通任意数量，多个直流变换模块组成多相交错并联的输出结构，有利于提高该种直流变换模组输出的连续性，并提高该种直流变换模组输出的增益范围，有效地减小该种直流变换模组的输出纹波。
[0083]
本实施例中，开关器件q1、开关器件q2、开关器件q3以及开关器件q4为功率场效应管(power mosfet)，从而，开关器件q1、开关器件q2、开关器件q3以及开关器件q4的第一极为漏极，开关器件q1、开关器件q2、开关器件q3以及开关器件q4的第二极为源极，开关器件q1、开关器件q2、开关器件q3以及开关器件q4的控制极为栅极。
[0084]
实施例2
[0085]
一种直流变换模组，用于将来自直流母线的电能转换为适于对串联锂电池组进行化成的电能，包括主控和至少一个直流变换模块，与实施例1的区别为：
[0086]
开关器件q1、开关器件q2、开关器件q3以及开关器件q4为绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)，从而，开关器件q1、开关器件q2、开关器件q3以及开关器件q4的第一极为集电极，开关器件q1、开关器件q2、开关器件q3以及开关器件q4的第二极为发射极，开关器件q1、开关器件q2、开关器件q3以及开关器件q4的控制极为门极。
[0087]
实施例3
[0088]
请参阅图4，本实施例提供一种锂电池串联化成用电源，用于为串联锂电池组提供化成电能，其包括交流电网、ac/dc变换模块以及直流母线，其还包括实施例一或实施例二中的直流变换模组。
[0089]
其中，交流电网可以取自额定电压为220v的单相交流市电或者额定电压为380v的三相交流市电；ac/dc变换模块基于开关器件构成的开关电源，用于将交流电网提供的交流市电转换为直流电；直流母线可以为具有若干接线端子的铜排，也可以为ac/dc变换模块上的汇流输出端口。
[0090]
交流电网、ac/dc变换模块、直流母线、直流变换模组以及串联锂电池组依次连接。
[0091]
具体地，交流电网的各相线对应接入ac/dc变换模块的输入端，直流母线为具有若干接线端子的铜排，ac/dc变换模块的输出端与直流母线连接，直流变换模组引出导线，并连接至直流母线的接线端子。
[0092]
该种锂电池串联化成用电源，各个直流变换模块在主控的控制下，能够同时开通，或同时关闭，或交替开通任意数量，从而，能够自动化地实现串联蓄电池组的各个化成工艺流程，多个直流变换模块组成多相交错并联的输出结构，有利于提高该种直流变换模组输出的连续性，并有效地减小该种直流变换模组的输出纹波。
[0093]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。