基于高频电力电子变压器的主动均衡拓扑及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于高频电力电子变压器的主动均衡拓扑及方法，包括低压直流母线单元、一次侧逆变全桥、一次侧谐振电路、多绕组高频变压器T、二次侧整流电路、二次侧BUCK‑BOOST电路、二次侧滤波电路和蓄电池储能单元；蓄电池储能单元包括N个相串联的蓄电池单体；多绕组高频变压器T包括一个或N个一次侧绕组和N个二次侧绕组；一次侧电路均由低压直流母线单元、一次侧逆变全桥、一次侧谐振电路和一次侧绕组依次串联形成；二次侧电路均包括依次相串联的二次侧绕组、二次侧整流电路、二次侧BUCK‑BOOST电路、二次侧滤波电路和一个蓄电池单体。本发明专利技术能快速对多节串联蓄电池单体进行正向充电、反向充电修复以及均衡，也可将电池储能单元的能量馈入直流母线。

【技术实现步骤摘要】
基于高频电力电子变压器的主动均衡拓扑及方法
本专利技术涉及电池均衡领域，特别是一种基于高频电力电子变压器的主动均衡拓扑。
技术介绍
电池均衡是利用电力电子技术，使锂离子电池单体电压或电池组电压偏差保持在预期的范围内，从而保证每个单体电池在正常的使用时保持相同状态，以避免过充、过放发生的一种技术。分为主动均衡和被动均衡两大类。其中，主动均衡能够使电池被分流的能量通过转递能够再次被存储利用。目前市场上的动力电池以铅酸电池、镍氢电池、燃料电池、锂离子电池为主。其中动力锂电池凭其能量密度大、输出电压高、功率大，自放电小、循环性能优越，充电效率高、可快速充放电，工作温度范围宽，不含有毒有害物质等优越性能逐渐成为新能源车辆的主要动力源。由于单体电池电压较小且输出功率低，实际应用中电动乘用车、电动大巴往往将成百上千节锂离子电池串、并联起来构成电池组以满足车辆对电压、容量、功率的需求，而成组的动力电池面临的主要问题是电池组一致性差异。而由电池组一致性差异导致的电池不均衡问题会对系统安全性、电池寿命以及电池利用率造成严重的负面影响。其主要危害如下：(1)在系统安全性方面，由于电池不均衡，出现电池过充，电压过高的问题，若锂电池单体电压超过4.5V，会造成热失控，损害寿命，严重时甚至可能起火爆炸。(2)在电池寿命方面，电池不均衡导致的过放会造成电池寿命衰减问题，锂电池在过放情况下，其内部碳材料结构会遭到破坏，从而损害电池寿命。(3)在电池利用率方面，由于“短板效应”，串联成组的电池中单体电池容量实际利用率并不相同，为保护特性差单体不被过充过放，电池组会在该单体充满或放完电量后，提前截止工作，电池组的实际可用容量由特性最差的单体决定。因此，存在组内特性好的单体容量利用率低的问题，大大降低了电池组容量的实际利用率。为解决电池组在充放电过程中由于一致性差异造成的各种不良影响，需要电池均衡技术调整限制电池组的行为，以保障使用安全。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于高频电力电子变压器的主动均衡拓扑，该基于高频电力电子变压器的主动均衡拓扑能对电池组中各个蓄电池单体进行主动均衡，提高蓄电池充电效率并对其进行修复。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于高频电力电子变压器的主动均衡拓扑，包括低压直流母线单元、一次侧逆变全桥、一次侧谐振电路、多绕组高频变压器T、二次侧整流电路、二次侧BUCK-BOOST电路、二次侧滤波电路和蓄电池储能单元。蓄电池储能单元包括N个相串联的蓄电池单体，其中，N为不小于2的自然数。多绕组高频变压器T包括一个或N个一次侧绕组和N个二次侧绕组。在多绕组高频变压器T的一次侧具有一个或N个一次侧电路，在多绕组高频变压器T的二次侧具有N个二次侧电路。每个一次侧电路均由低压直流母线单元、一次侧逆变全桥、一次侧谐振电路和一次侧绕组依次串联形成。每个二次侧电路均包括依次相串联的二次侧绕组、二次侧整流电路、二次侧BUCK-BOOST电路、二次侧滤波电路和一个蓄电池单体。低压直流母线单元输出或馈入的电压和电流分别为48V、3A。二次侧整流电路直流侧的电压和电流分别为6V、25A。二次侧BUCK-BOOST电路交流侧的电压和电流分别为2.5V、50A或-2.5V、50A。每个蓄电池单体均具有三种工作模式，分别为：正向充电、反向充电以及放电。正向充电的具体工作过程为：低压直流母线单元输出48V、3A的电压和电流，经一次侧逆变全桥逆变为交流，并通过多绕组高频变压器T形成两侧的隔离，一次侧逆变全桥的控制信号超前于对应二次侧电路中二次侧整流电路的控制信号，保证功率能够正向传输。经过二次侧整流电路后变为6V、25A的直流电。6V、25A直流电通过二次侧BUCK-BOOST电路斩波为2.5V，50A的直流电并滤波后完成对蓄电池单体的正向充电。反向充电的具体工作过程为：低压直流母线单元输出48V、3A的电压和电流，经一次侧逆变全桥逆变为交流，并通过多绕组高频变压器T形成两侧的隔离，一次侧逆变全桥的控制信号超前于对应二次侧电路中二次侧整流电路的控制信号，保证功率能够正向传输。经过二次侧整流电路后变为6V、25A的直流电。6V、25A直流电通过二次侧BUCK-BOOST电路斩波为-2.5V，50A的直流电并滤波后完成对蓄电池单体的负压反向充电，以达到蓄电池单体修复的目的。放电的具体工作过程为：蓄电池单体以2.5V，50A的直流电进行放电，经滤波并通过对应的二次侧BUCK-BOOST电路斩波为6V、25A的直流电，接着由二次侧整流电路将6V、25A直流电转换为交流电送入多绕组高频变压器T，再经次侧逆变全桥同步整流为48V，3A的直流电馈入直流电网，为保证功率能够反向传输，应控制二次侧整流电路的控制信号超前于一次侧逆变全桥的控制信号。一次侧谐振电路包括相互串联的谐振电感Lr和谐振电容Cr。二次侧整流电路包括二次侧可控全桥和并联在二次侧可控全桥直流侧的二次侧稳压电容。二次侧BUCK-BOOST电路为可控制电压极性全桥。二次侧滤波电路包括滤波电感Lo和滤波电容Co。其中，滤波电感Lo串联在二次侧BUCK-BOOST电路的交流侧和蓄电池单体之间，滤波电容Co并联在蓄电池单体正负极之间。一种基于高频电力电子变压器的主动均衡方法，包括如下步骤。步骤1，蓄电池单体不均衡状态判断，具体包括如下步骤：步骤11，计算蓄电池单体的荷电状态SOC：通过监测蓄电池单体的电流、电压、温度参数，利用扩展卡尔曼滤波法估算每节蓄电池单体的荷电状态SOC以及N节蓄电池单体的荷电状态均值SOC。步骤12，计算蓄电池单体的健康状态SOH：利用扩展卡尔曼滤波法估算蓄电池单体的健康状态SOH。步骤13，电池主动均衡电路工作状态分类：电池主动均衡电路工作状态包括正向充电工作状态、反向充电工作状态以及放电工作状态。步骤14，蓄电池单体不均衡状态判断：计算当前待判定蓄电池单体的荷电状态SOC与N节蓄电池单体荷电状态均值SOC的差值H，并将计算的差值H与设定阈值进行比较，从而确定是否需要对当前待判定蓄电池单体进行充放电状态的主动均衡。步骤15，蓄电池单体健康状态判断：将步骤12计算的蓄电池单体健康状态SOH与设定健康阈值进行比较，若超过设定健康阈值，则进入反向充电状态对电池进行修复。步骤2，均衡：包括正向充电均衡、反向充电均衡和放电均衡。步骤21、正向充电均衡：在正向充电均衡时，根据步骤14计算的差值H，控制N个二次侧整流电路中开关管的移相角，从而将能量不均匀地分配给N个二次侧电路，具体分配方法为：A、若某节蓄电池单体中计算的差值H为正，则要增大该节蓄电池单体支路中二次侧整流电路移相角以降低其充电功率，且移相角大小与该差值正相关。B、若某节蓄电池单体中计算的差值H为负，则要减小该节蓄电池单体支路中二次侧整流电路移相角以增大其充电功本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高频电力电子变压器的主动均衡拓扑，其特征在于：包括低压直流母线单元、一次侧逆变全桥、一次侧谐振电路、多绕组高频变压器T、二次侧整流电路、二次侧BUCK-BOOST电路、二次侧滤波电路和蓄电池储能单元；/n蓄电池储能单元包括N个相串联的蓄电池单体，其中，N为不小于2的自然数；/n多绕组高频变压器T包括一个或N个一次侧绕组和N个二次侧绕组；在多绕组高频变压器T的一次侧具有一个或N个一次侧电路，在多绕组高频变压器T的二次侧具有N个二次侧电路；/n每个一次侧电路均由低压直流母线单元、一次侧逆变全桥、一次侧谐振电路和一次侧绕组依次串联形成；/n每个二次侧电路均包括依次相串联的二次侧绕组、二次侧整流电路、二次侧BUCK-BOOST电路、二次侧滤波电路和一个蓄电池单体。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于高频电力电子变压器的主动均衡拓扑，其特征在于：包括低压直流母线单元、一次侧逆变全桥、一次侧谐振电路、多绕组高频变压器T、二次侧整流电路、二次侧BUCK-BOOST电路、二次侧滤波电路和蓄电池储能单元；
蓄电池储能单元包括N个相串联的蓄电池单体，其中，N为不小于2的自然数；
多绕组高频变压器T包括一个或N个一次侧绕组和N个二次侧绕组；在多绕组高频变压器T的一次侧具有一个或N个一次侧电路，在多绕组高频变压器T的二次侧具有N个二次侧电路；
每个一次侧电路均由低压直流母线单元、一次侧逆变全桥、一次侧谐振电路和一次侧绕组依次串联形成；
每个二次侧电路均包括依次相串联的二次侧绕组、二次侧整流电路、二次侧BUCK-BOOST电路、二次侧滤波电路和一个蓄电池单体。


2.根据权利要求1所述的基于高频电力电子变压器的主动均衡拓扑，其特征在于：低压直流母线单元输出或馈入的电压和电流分别为48V、3A；二次侧整流电路直流侧的电压和电流分别为6V、25A；二次侧BUCK-BOOST电路交流侧的电压和电流分别为2.5V、50A或-2.5V、50A。


3.根据权利要求2所述的基于高频电力电子变压器的主动均衡拓扑，其特征在于：每个蓄电池单体均具有三种工作模式，分别为：正向充电、反向充电以及放电；
正向充电的具体工作过程为：低压直流母线单元输出48V、3A的电压和电流，经一次侧逆变全桥逆变为交流，并通过多绕组高频变压器T形成两侧的隔离，一次侧逆变全桥的控制信号超前于对应二次侧电路中二次侧整流电路的控制信号，保证功率能够正向传输；经过二次侧整流电路后变为6V、25A的直流电；6V、25A直流电通过二次侧BUCK-BOOST电路斩波为2.5V，50A的直流电并滤波后完成对蓄电池单体的正向充电；
反向充电的具体工作过程为：低压直流母线单元输出48V、3A的电压和电流，经一次侧逆变全桥逆变为交流，并通过多绕组高频变压器T形成两侧的隔离，一次侧逆变全桥的控制信号超前于对应二次侧电路中二次侧整流电路的控制信号，保证功率能够正向传输；经过二次侧整流电路后变为6V、25A的直流电；6V、25A直流电通过二次侧BUCK-BOOST电路斩波为-2.5V，50A的直流电并滤波后完成对蓄电池单体的负压反向充电，以达到蓄电池单体修复的目的；
放电的具体工作过程为：蓄电池单体以2.5V，50A的直流电进行放电，经滤波并通过对应的二次侧BUCK-BOOST电路斩波为6V、25A的直流电，接着由二次侧整流电路将6V、25A直流电转换为交流电送入多绕组高频变压器T，再经次侧逆变全桥同步整流为48V，3A的直流电馈入直流电网，为保证功率能够反向传输，应控制二次侧整流电路的控制信号超前于一次侧逆变全桥的控制信号。


4.根据权利要求1所述的基于高频电力电子变压器的主动均衡拓扑，其特征在于：一次侧谐振电路包括相互串联的谐振电感Lr和谐振电容Cr。


5.根据权利要求1所述的基于高频电力电子变压器的主动均衡拓扑，其特征在于：二次侧整流电路包括二次侧可控全桥和并联在二次侧可控全桥直流侧的二次侧稳压电容。


6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：金平，窦卓慧，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32