一种双向直流变换器、锂电池化成系统及控制方法技术方案

本申请属于直流变换器技术领域，具体涉及一种双向直流变换器、锂电池化成系统及控制方法。该双向直流变换器包括两个开关管，两个电感和两个电容。其可以实现双向升降压变换，允许蓄电池电压宽范围变化；功率器件少，成本低；输入输出同极性且共地，电磁干扰小，采样电路结构简单；可在全工作范围内实现两个开关管的零电压开通，具有较小的开关损耗和较高的变换效率；可以实现锂电池储能的高效回收和再次利用，降低电池化成中的能量损失和生产成本。降低电池化成中的能量损失和生产成本。降低电池化成中的能量损失和生产成本。

【技术实现步骤摘要】
一种双向直流变换器、锂电池化成系统及控制方法


[0001]本专利技术属于直流变换器
，具体涉及一种双向直流变换器、锂电池化成系统及控制方法。

技术介绍

[0002]锂电池因为体积小、容量大、工作电压高、循环寿命长和无记忆性等优点已成为目前最具发展前景的高效二次电池和发展最快的化学储能设备。根据锂电池的化学特性，其出厂前需要进行多次恒压恒流充放电，使电池的储能能力得到增强，这个过程叫做化成。现在的化成设备大多没有可靠而合理的能量回收系统，在锂电池放电时直接通过功率电阻发热消耗，发热大，能量利用率低；此外，为了降低化成车间的室温，还不得不安装、启用大功率空调设施，从而进一步增加电能消耗。因此，传统电池化成系统严重增加了电池生产成本，存在严重的能源浪费。若采用超级电容来回收锂电池放电能量，再将其用于锂电池充电，将可以提高电能的利用率，避免能源浪费，并降低电池生产成本，这对促进可再生能源利用和电动汽车发展，早日达成双碳战略目标具有重要意义。双向直流变换器是基于超级电容的锂电池化成系统中的关键技术设备，其负责锂电池组和超级电容的电压匹配和能量的双向流动控制。由于锂电池的输出电压变化范围较宽，且其使用寿命与其电流纹波大小密切相关，因此基于超级电容的锂电池化成系统中的双向直流变换器需要有较宽的电压增益范围和较小的电流纹波。目前，双向直流变换器主要分为两大类：隔离型和非隔离型。相较于前者，非隔离型双向直流变换器具有体积重量小、结构简单、成本低、效率高等诸多优势。由于具有低压侧电流连续，高、低压侧共地，且器件数量少等优点，传统Buck/Boost双向直流变换器得到了广泛应用。然而，该变换器并不能实现双向升降压。四开关升降压变换器可实现双向升压和降压，具有功率器件电压应力低、无源元件少、输入输出同极性且共地等优点。然而，其输入、输出电流均断续，功率器件数量多，成本较高。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术提供一种双向直流变换器、锂电池化成系统及控制方法，双向直流变换器只含有两个开关管，应用于锂电池化成系统可以实现双向升/降压变换和所有开关管的零电压开通(Zero Voltage Switching,ZVS)，能在全工作范围内高效运行，具有锂电池侧电流连续、器件数量少、体积小、成本低、允许锂电池电压宽范围变化等特点。
[0004]为了实现上述目的，现提出如下方案：
[0005]一种双向直流变换器包括：锂电池侧电容C
b
、第一电容C1、第一电感L1、第二电感L2、第一开关管S1、第二开关管S2；
[0006]所述锂电池侧电容C
b
的正极与第一电感L1的一端连接；
[0007]所述第一电感L1的另一端与所述第一电容C1的正极、所述第一开关管S1的漏极连接；
[0008]所述第二电感L2的一端与所述第一电容C1的负极、所述第二开关管S2的源极连接；
[0009]所述锂电池侧电容C
b
的负极与第一开关管S1的源极、第二电感L2的另一端连接；
[0010]所述锂电池侧电容C
b
的正极为锂电池侧的正极性端；
[0011]所述第二开关管S2的漏极作为超级电容侧的正极性端；
[0012]所述锂电池侧电容C
b
的负极作为锂电池侧和超级电容侧的负极性端；
[0013]进一步的，所述第一电感L1必须满足：
[0014][0015]式中，U
b
、U
dc
分别为锂电池和超级电容端电压；f
s,min
为最低开关频率；I
L1
为第一电感L1的平均电流；δ％为第一电感电流纹波率，一般取20％
‑
30％。
[0016]所述第二电感L2需要满足：
[0017][0018]其中，ΔI为电流裕度，即锂电池放电模式下第二电感电流峰值i
L2,peak
与第一电感电流谷值i
L1,val
的差，通常取2A
‑
4A，P
o,max
为最大输出功率。
[0019]本专利技术还提供了上述锂电池化成系统用双向直流变换器的控制方法，具体包括以下步骤：
[0020]S1.将所述第一电感电流采样值i
L1,f
与基准值i
L1,fef
比较，得到误差信号i
L1,e
；
[0021]S2.将所述误差信号i
L1,e
送至锂电池电流控制器，经过单向限幅环节，得到调节信号u
r
；
[0022]S3.将锂电池侧电压采样值U
b
、第一电感电流采样值i
L1,f
的平均值I
L1
和超级电容侧电压采样值U
dc
送入开关频率计算环节，得到开关频率f
s
，进而产生频率为f
s
的单极性三角载波u
c
；所述开关频率计算环节的计算公式为：
[0023]S4.将所述调节信号u
r
与单极性三角载波u
c
交截，产生PWM信号u
PWM
；
[0024]S5.将所述锂电池侧电压采样值U
b
与锂电池侧电压的上限阈值U
b,upp
送入电压比较器1，得到锂电池侧电压过压保护信号U
pro,up
；
[0025]S6.将所述锂电池侧电压采样值U
b
与锂电池侧电压的下限阈值U
b,low
送入电压比较器2，得到锂电池侧电压欠压保护信号U
pro,low
；
[0026]S7.将所述锂电池侧电压过压保护信号U
pro,up
和锂电池侧电压欠压保护信号U
pro,low
、PWM信号u
PWM
相与，得到第一开关管S1的驱动信号u
gs,S1
，将u
gs,S1
取反后作为第二开关管S2的驱动信号u
gs,S2
；
[0027]本专利技术还提供了一种锂电池化成系统，包括上述的锂电池化成系统用双向直流变换器、锂电池和超级电容，所述锂电池与所述锂电池化成系统用双向直流变换器的锂电池侧相连，所述超级电容与所述锂电池化成系统用双向直流变换器的超级电容侧相连。
[0028]本专利技术还提供了一种上述锂电池化成系统的控制方法，具体为：
[0029]通过改变所述第一电感电流基准值i
L1,fef
的极性，来设置锂电池的工作模式。当i
L1,fef
>0时，所述化成系统工作在锂电池放电模式，锂电池的能量传递给超级电容；当i
L1,fef
<0时，所述化成系统工作在锂电池充电模式，超级电容存储的能量传递给锂电池；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超级电容的锂电池化成系统用双向直流变换器，其特征在于，包括蓄电池侧电容C
b
、第一电容C1、第一电感L1、第二电感L2、第一开关管S1、第二开关管S2；所述蓄电池侧电容C
b
的正极与第一电感L1的一端连接；所述第一电感L1的另一端与所述第一电容C1的正极、所述第一开关管S1的漏极连接；所述第二电感L2的一端与所述第一电容C1的负极、所述第二开关管S2的源极连接；所述蓄电池侧电容C
b
的负极与第一开关管S1的源极、第二电感L2的另一端连接；所述蓄电池侧电容C
b
的正极为蓄电池侧的正极性端；所述第二开关管S2的漏极作为超级电容侧的正极性端；所述蓄电池侧电容C
b
的负极作为蓄电池侧和超级电容侧的负极性端。2.根据权利要求1所述的锂电池化成系统用双向直流变换器，其特征在于，所述第一电感L1满足：式中，U
b
为蓄电池侧端电压，U
dc
为超级电容侧端电压，f
s,min
为最低开关频率，I
L1
为第一电感L1的平均电流，δ％为第一电感电流纹波率；所述第二电感L2满足：式中，ΔI为电流裕度，即蓄电池放电模式下第二电感电流峰值i
L2,peak
与第一电感电流谷值i
L1,val
的差，取2A
‑
4A，P
o,max
为最大输出功率。3.一种权利要求2所述的锂电池化成系统用双向直流变换器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：S1.将所述第一电感电流采样值i
L1,f
与基准值i
L1,fef
比较，得到误差信号i
L1,e
；S2.将所述误差信号i
L1,e
送至蓄电池电流控制器，经过单向限幅环节，得到调节信号u
r
；S3.将蓄电池侧端电压采样值U
b
、第一电感电流采样值i
L1,f
的平均值I
L1
和超级电容侧端电压采样值U
dc
送入开关频率计算环节，得到开关频率f
s
，进而产生频率为f
s
的单极性三角载波u
c
；所述开关频率计算环节的计算公式为：S4.将所述调节信号u
r<...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦岭，尹小娟，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：