双向DC/DC变换装置及动力电池充放电装置的制作方法

双向dc/dc变换装置及动力电池充放电装置
技术领域
1.本发明涉及能源变换设备技术领域，尤其涉及一种双向dc/dc变换装置及动力电池充放电装置。


背景技术：

2.电芯的化成与分容是动力电芯生产环节中不可缺失的一部分，它与成品电芯的质量息息相关。近年来，越来越多串联型的化成分容设备被运用到电池生产车间中。不同于并联型设备，串联型设备仅用一个回路就能为所有处于切入状态的电芯充放电，不仅减少了功率模块及功率线缆的成本，而且提高了电力系统转换效率和电芯的一致性。
3.由于串联型的化成分容设备功率模块需要为多个电芯提供能量，且每个电芯都能处于切入或者切出两种状态，这使得功率模块需要有较宽的输出功率范围。从能量流动的角度上看，当且仅当功率模块的输出端口电压大于回路的总电芯电压时，电流从功率模块流向电芯，电芯才会充电。反之，仅在功率模块的输出端口电压小于回路的总电芯电压时，才能为电芯放电。
4.实际中，串联型功率模块输出端口最小也会有几伏电压(最小放电电压)的输出，而该最小放电电压电压可能会大于回路上的总电芯电压(单个电芯切入回路时或多个仅有微小电压电芯串入回路时)，此时回路不能实现正常放电流程，也即不能实现电芯的彻底放电。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种可将储能电源放电至零伏以实现彻底放电的双向dc/dc变换装置及动力电池充放电装置。
6.为了实现上述目的，本发明公开了一种双向dc/dc变换装置，其包括功率模块和调压模块，所述功率模块和所述调压模块串联在作为储能电源的电池组所在功率回路中，所述功率模块和所述调压模块还分别与母线电源的输出端连接，所述母线电源可为所述电池组充电，所述电池组还可通过所述母线电源向外放电；
7.所述功率模块，用于为所述电池组的充放电工作提供直流电压的变化；
8.所述调压模块，包括第一桥式开关组和与所述第一桥式开关组电性连接的第一升降压环路，当所述电池组处于充电状态时，所述第一桥式开关组控制所述第一升降压环路处于输出电压为零的直通状态，当所述电池组处于放电状态时，所述第一桥式开关组控制第一升降压环路的输出端口保持在预设电压水平，且使得所述预设电压大于所述功率模块的最小放电电压。
9.较佳地，所述第一桥式开关组包括电性连接在一起以构成半桥开关电路的第一开关管和第二开关管。
10.较佳地，所述第一开关管与所述母线电源的正极电性连接，所述第二开关管与所述母线电源的负极电性连接，且所述第二开关管位于所述第一升降压环路的电流通路中，
当所述电池组处于充电状态时，所述第二开关管处于导通状态、所述第一开关管处于断开状态。
11.较佳地，所述第一升降压环路包括第一电感和第一电容，所述第一电感的一端与所述第一开关管和所述第二开关管的连接端连接，所述第一电感的另一端与所述第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端与所述第一升降压环路的负极端连接。
12.较佳地，所述调压模块还包括设置在所述第一升降压环路的正极端的第一启动开关。
13.较佳地，所述功率模块包括第二桥式开关组和与所述第二桥式开关组电性连接的第二升降压环路，所述第二桥式开关组用于驱动所述第二升降压环路对输入的电压进行状态变换。
14.较佳地，所述第二桥式开关组包括电性连接在一起以构成半桥开关电路的第三开关管和第四开关管；所述第二升降压环路包括第二电感和第二电容，所述第二电感的一端与所述第三开关管和所述第四开关管的连接端连接，所述第二电感的另一端与所述第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端与所述第二升降压环路的负极端连接。
15.较佳地，所述功率模块还包括设置在所述第二升降压环路的正极端的第二启动开关。
16.较佳地，还包括与所述功率模块和所述调压模块电性连接的控制模块，所述控制模块用于控制所述功率模块和所述调压模块的工作状态。
17.本实用新型还公开一种动力电池充放电装置，其包括电池组和双向dc/dc变换装置，所述电池组包括若干串联在一起的电芯，且任一所述电芯可切入或切出所述电池组所在功率回路。
18.与现有技术相比，上述动力电池充放电装置通过双向dc/dc变换装置进行充放电工作，该双向dc/dc变换装置包括串联连接的功率模块和调压模块，当电池组处于放电状态时，通过第一桥式开关组和第一升降压环路的作用，使得调压模块输出端口电压保持在预设电压水平，从而通过该预设电压抬高功率模块与电池组连接端口处的电压，因此，即使电池组电压降低到零伏，也可确保功率模块与电池组连接端口处的电压大于功率模块的最小放电电压，从而使得电池组放电至零伏，从而有利于对电池组的放电特性做更广泛的研究。
附图说明
19.图1为本实用新型实施例中动力电池充放电装置的原理结构示意图。
20.图2为本实用新型实施例中双向dc/dc变换装置的电路原理图。
21.图3为图2中双向dc/dc变换装置处于充电状态的电流走向图。
22.图4为图2中双向dc/dc变换装置处于放电状态的电流走向图。
具体实施方式
23.为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
24.如图1和图2，本实施例公开了一种动力电池充放电装置，其包括电池组30和双向dc/dc变换装置，电池组30包括若干串联在一起的电芯31，且任一电芯31可切入或切出电池
组30所在功率回路。该双向dc/dc变换装置包括功率模块10和调压模块11，功率模块10和调压模块11串联在作为储能电源的电池组30所在功率回路中，功率模块10和调压模块11还分别与母线电源20的输出端连接，母线电源20可为电池组30充电，电池组30还可通过母线电源20向外放电。
25.功率模块10，用于为电池组30的充放电工作提供电压的变化，也即，本实施例中的功率模块10支持电流的双向流动，既可以从母线电源20流向电池组30实现对电池组30的充电工作，也可从电池组30流向母线电源20实现对电池组30的放电工作。
26.调压模块11，包括第一桥式开关组k1和与第一桥式开关组k1电性连接的第一升降压环路h1，当电池组30处于充电状态时，第一桥式开关组k1控制第一升降压环路h1处于输出电压为零的直通状态，当电池组30处于放电状态时，第一桥式开关组k1控制第一升降压环路h1的输出端口保持在预设电压水平，且使得预设电压大于功率模块10的最小放电电压。
27.对于上述实施例中的动力电池充放电装置，当电池组30处于充电状态时，第一桥式开关组k1控制第一升降压环路h1处于输出电压为零的直通状态，此时，该调压模块11相当于一直通导线，从而确保整个充电回路的正常工作。而当电池组30处于放电状态时，通过第一桥式开关组k1和第一升降压环路h1的作用，使得调压模块11的输出端口电压保持在预设电压水平，从而通过该预设电压抬高功率模块10与电池组30连接端口处的电压，因此，即使电池组30电压降低到零伏，也可确保功率模块10与电池组30连接端口处的电压大于功率模块10的最小放电电压，使得电池组彻底放电。
28.如图1，上述实施例中的电池组30包括若干串联在一起的电芯31，且任一电芯31可切入或切出电池组30所在功率回路。本实施例中，每一电芯31通过一切换模块接入充放电功率回路，通过该切换模块来切入或切出与之相连的电芯31，而不影响其他电芯31的正常工作。另外需要说明的是，对于切换模块的具体结构属于本领域的公知常识，在此不再赘述。
29.如图2，第一桥式开关组k1包括电性连接在一起以构成半桥开关电路的第一开关管q1和第二开关管q2。
30.第一开关管q1与母线电源20的正极电性连接，第二开关管q2与母线电源20的负极电性连接，且第二开关管q2位于第一升降压环路h1的电流通路中，当电池组30处于充电状态时，第二开关管q2处于导通状态、第一开关管q1处于断开状态。具体地，第一升降压环路h1包括第一电感l1和第一电容c1，第一电感l1的一端与第一开关管q1和第二开关管q2的连接端连接，第一电感l1的另一端与第一电容c1的一端连接，第一电容c1的另一端与第一升降压环路h1的负极端连接。另外，为便于方便控制调压模块11的启停，以实现对调压模块11的软启动控制，调压模块11还包括设置在第一升降压环路h1的正极端的第一启动开关s1。
31.请再次参阅图2，功率模块10包括第二桥式开关组k2和与第二桥式开关组k2电性连接的第二升降压环路h2，第二桥式开关组k2用于驱动第二升降压环路h2对输入的电压进行状态变换。具体地，第二桥式开关组k2包括电性连接在一起以构成半桥开关电路的第三开关管q3和第四开关管q4。第二升降压环路h2包括第二电感l2和第二电容c2，第二电感l2的一端与第三开关管q3和第四开关管q4的连接端连接，第二电感l2的另一端与第二电容c2的一端连接，第二电容c2的另一端与第二升降压环路h2的负极端连接。另外，为便于方便控
制功率模块10的启停，以实现对功率模块10的软启动控制，功率模块10还包括设置在第二升降压环路h2的正极端的第二启动开关s2。
32.上述实施例中，第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3和第四开关管q4均为n沟道场效应管。
33.再者，如图1和图2，还可为上述双向dc/dc变换装置配置以控制模块12，该控制模块12与功率模块10和调压模块11电性连接，以控制功率模块10和调压模块11的工作状态。
34.具有上述结构的动力电池充放电装置的工作包括恒流充电工作和恒流放电工作。
35.如图3，恒流充电工作流程包括：
36.a10：上位机下发充电命令给控制模块12，控制模块12控制处于正常状态的每一电芯31切入功率回路；
37.a11：控制模块12向调压模块11发送开关管控制信号，即向第一开关管q1发送低电平、向第二开关管q2发送高电平；
38.a12：调压模块11根据控制模块12发送的控制指令，关闭第一开关管q1，打开第二开关管q2；
39.a13：控制模块12向调压模块11发送闭合第一启动开关s1的信号；
40.a14：第一启动开关s1闭合，电池组30中各个电芯31的总电压通过调压模块11加载至功率模块10的输出端口处，并被电压采样电路v2所采集；
41.a15：控制模块12通过电压采样电路v2采集到功率模块10的输出端口处的电压后，开始向功率模块10发出软启动信号，即向第三开关管q3和第四开关管q4发出相应地软启动信号，也即pwm波；
42.a16：控制模块12通过电压采样电路v1采集功率模块10内部的第二电容c2的电压，并通过调整加载到第三开关管q3和第四开关管q4上的pwm波使得该第二电容c2的电压等于功率模块10的输出端口处的电压(buck拓扑电压环路调整)；
43.a17：控制模块12向功率模块10发送将第三开关管q3和第四开关管q4置为低电平从而关闭第三开关管q3和第四开关管q4的控制信号，并向第二启动开关s2发出闭合的控制信号；
44.a18：第二启动开关s2闭合，软启动完成，开启电池组30的充电工作，在第二启动开关s2闭合时，由于第二电容c2的电压等于功率模块10的输出端口处的电压，可有效避免浪涌电流的产生；
45.a19：在电池组30充电过程中，控制模块12根据功率模块10中的电流采样电路i1调整加载到第三开关管q3和第四开关管q4上的pwm波(也即实现buck拓扑电流环路调整)，电流开始从电压母线流到功率模块10的输出端口的正极端，并流向切入回路的每一电芯31，然后流入调压模块11，在调压模块11中，电流依次通过正极端、第一启动开关s1、第一电感l1、第二开关管q2、负极端，然后流回到功率模块10的负极端；
46.a20：充电结束时，控制模块12关闭功率模块10中的第三开关管q3、第四开关管q4以及调压模块11中的第二开关管q2，继而关闭第一启动开关s1和第二启动开关s2，充电流程结束。
47.如图4，恒流放电工作流程包括：
48.b10：上位机下发放电命令，电芯31在切换模块控制下切入主回路，控制模块12向
调压模块11发送使得第一启动开关s1的闭合信号；
49.b11：第一启动开关s1闭合，控制模块12通过电压采集电路v3采集调压模块11中第一电容c1两端的电压，并向第一开关管q1和第二开关管q2发出pwm波，对第一电容c1进行充电，使得该第一电容c1两端的电压(也即调压模块11的端口电压)达到预设电压电压水平(buck拓扑电压环路调整)，如5v；
50.b12：此时，所有切入功率回路中的电芯31电压加上调压模块11的端口电压(5v)的总电压加载至功率模块10与电池组30连接的端口处，该总电压被电压采样电路v2所采集；
51.b13：控制模块12通过电压采样电路v2采集到功率模块10的端口处的电压后，开始向功率模块10发送软启动信号，也即向第三开关管q3和第四开关管q4发送pwm波；
52.b14：控制模块12通过电压采样电路v1采集功率模块10内第二电容c2的电压，并调整第三开关管q3和第四开关管q4上的pwm波，使得第二电容c2的电压等于功率模块10的端口处的电压(buck拓扑电压环路调整)；
53.b15：控制模块12向功率模块10发送将第三开关管q3和第四开关管q4置为低电平从而关闭的控制信号，并发出使得第二启动开关s2闭合的控制信号；
54.b16：第二启动开关s2闭合，软启动完成，开始进行放电工作，在第二启动开关s2闭合时，由于第二电容c2的电压等于功率模块10的输出端口处的电压，可有效避免浪涌电流的产生；
55.b17：控制模块12根据功率模块10中的电流采样电路i1调整加载到第三开关管q3和第四开关管q4上的pwm波(boost拓扑电流环路调整)，电流开始从功率模块10的端口的负极端流向调压模块11的负极端；
56.b18：调压模块11通过buck拓扑的第一升降压环路h1的调整，继续维持5v的端口电压，电流从正极端流出；
57.b19：电流流向所有电芯31总负极后从总正极流回功率模块10的正极端；
58.b20：电流通过功率模块10boost拓扑电流环路调整，回馈到母线电源20，电流回馈到电网，从而实现电芯31放电；
59.b21：电芯31放电结束时，控制模块12关闭功率模块10中的第三开关管q3、第四开关管q4以及调压模块11中的第一开关管q1、第二开关管q2，继而关闭第一启动开关s1和第二启动开关s2，充电流程结束。
60.综上，首先，在功率回路处于充电状态时，由于调压模块11中第一开关管q1保持关闭，第二开关管q2保持开启，此时，调压模块11串在充电主回路时仅有少量损耗(第二开关管q2的导通损耗)，且在第二开关管q2上仅有极小压降，并不影响整个充电回路正常工作。
61.其次，功率主回路处于放电状态时，调压模块11上的第一开关管q1和第二开关管q2进入恒压环路，在控制模块12的控制下，将输出端口电压保持在5v。此时调压模块11串在充电主回路时等效于一个5v电芯31，不会影响电芯31的正常放电工步。当切入的所有电芯31之和小于功率模块10最小放电电压时，恒压模块端口的电压起到抬升功率模块10端口电压的作用，不仅能让电芯31继续保持设定的电流值放电，还能将电芯31放电至零伏，从而有利于实验室设备对电芯31的特性做更广的研究。
62.再者，由于调压模块11与功率模块10共用电压母线，主回路在放电状态时，功率模块10处于boost能量回馈阶段，调压模块11处于buck能量输出阶段。因此调压模块11输出能
量可直接从功率模块10端口处获取，无需经过母线电源20，从而使得，在放电时串联调压模块11对整个系统的回馈效率影响很低。
63.另外，调压模块11端口的输出电压值可根据实际主回路的电芯31总电压做出调整。在总电芯31电压较高时可调压模块11的端口电压调低，使功率模块10的端口总电压不超过母线电源20电压，确保boost回馈电路正常工作，电芯31正常放电。在功率模块10的端口总电压接近最小放电电压时，调压模块11电压将自动调高，保证电芯31正常放电。这种调压模块11的端口电压可调整性有利于兼容电芯31充放电系统绝大多数工况。
64.以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。