一种多路交错的电池脉冲充电变换器的制作方法

1.本发明涉及电池充电技术领域，具体涉及一种多路交错的电池脉冲充电变换器。


背景技术：

2.锂离子电池由于其众多优点而成为电动汽车、电网系统和大量电子产品的主要选择，为了最大限度地发挥电池的潜力，充电技术越来越成为关注的焦点之一。
3.脉冲充电首先应用于铅酸电池的容量恢复和极化消除，该方法在两个连续脉冲之间增加间隔。这种短期间隔也可以为锂离子电池带来许多好处，包括消除极化、更大的可接受电流、抑制枝晶生长、减缓容量衰减和加速离子扩散等。由于其优异的性能，脉冲充电被认为是一种很有前途的快速充电方法，同时也被作为低温环境下电池的自加热技术使用。由于脉冲电流的可控变量包括脉冲频率、幅值和占空比，充电参数的优化在所难免。
4.脉冲充电策略的诸多优点是不可否认的，但也有两固有的缺点。第一，脉冲间隔经能消除极化加速充电过程，但脉冲间隔同时也增加了充电时间，这是矛盾的。第二是在平均充电电流相同的情况下，脉冲电流的均方根大于恒定电流，因此脉冲充电的损耗会更大。因此为了进一步提高脉冲充电性能，推广其应用，对脉冲充电方法的研究有必要进一步加深。


技术实现要素：

5.有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种多路交错的电池脉冲充电变换器，目的在于消除脉冲充电中脉冲间隔对充电时间的延长，同时可以实现对脉冲幅值、频率和占空比的灵活控制。通过对脉冲幅值和频率的优化可以降低脉冲充电过程中的充电损耗，提高充电效率，增强电池使用安全性，通过脉冲占空比控制，可以实现被充电电池或电池组之间的均衡。
6.本发明通过以下技术手段解决上述问题：
7.一种多路交错的电池脉冲充电变换器，包括两级，前级为受控电流源，后级为多路脉冲控制单元，每路脉冲控制单元包括串联的脉冲控制开关和防反二极管；
8.所述受控电流源用于产生幅值可调的连续电流，完成对脉冲充电电流幅值的控制，前级受控电流源输出电流作为后级脉冲控制单元的输入；
9.所述脉冲控制开关交错导通，完成对脉冲频率和各路脉冲电流占空比的控制，用于产生多路交错的脉冲充电电流；
10.所述防反二极管与电池负载串联，当被充电电池或电池组压差较大时，用于避免被充电电池或电池组之间的直接并联，防止大的反向冲击电流。
11.进一步地，所述受控电流源是电力电子变换器或其他形式的电流源装置。
12.进一步地，所述受控电流源中，如果脉冲频率固定，通过对脉冲充电电流幅值的优化可降低充电过程中的欧姆损耗。
13.进一步地，对于电力电子变换器作为受控电流源，由于半导体开关频率远高于电池充电电流脉冲频率，该电池脉冲充电变换器能实现前后级功率解耦。
14.进一步地，该电池脉冲充电变换器能实现前后级功率解耦具体为：
15.对电池模型进行简化推导如下：
[0016][0017]
式中z
ac
为锂离子电池交流阻抗，ω为激励信号的角频率；v
ocv
为理想电压源，表示电池开路电压，r0为内阻欧姆电阻，l为寄生电感；r
ct
为电荷转移阻抗，c
dl
为电极界面的双层电容器，z
w
为离子浓度极化引起的warberg阻抗；j为虚部符号，v
b
为电池端电压，v0为内阻压降，v
l
为寄生电感压降，v
p
为双电层电容压降；
[0018]
根据交流阻抗模型，消除脉冲功率中交流分量的负面影响最有效的方法是求得最小阻抗频率f
z
‑
min
；该频率下，电池阻抗为内阻，交流阻抗为零；测量不同soc的锂离子电池阻抗谱；这些曲线与横轴的交点即为电池内阻，相应的激励频率为最小阻抗频率；随着soc的增加，内阻逐渐减小；因此，根据对锂离子电池的交流阻抗分析，可获得最优脉冲充电电流频率，即为脉冲控制开关的开关频率，一般锂离子电池的最小阻抗频率f
z
‑
min
为数khz，远低于电力电子变换器的开关频率，所以所提出的脉冲充电器能实现前级受控电流源和后面脉冲控制开关之间的功率解耦。
[0019]
进一步地，所述脉冲控制开关采用半导体功率开关器件；
[0020]
脉冲控制开关的数量至少为两个，可根据被充电电池或电池组数量调整；
[0021]
所述脉冲控制开关使所有被充电电池或电池组的脉冲电流具有交错特性，所有的脉冲控制开关不允许同时关断。
[0022]
进一步地，所述脉冲控制开关可通过调整各被充电电池或电池组充电电流的脉冲占空比快速对各被充电电池或电池组进行均衡。
[0023]
进一步地，在通过脉冲占空比调制进行各被充电电池或电池组快速均衡的过程中，为避免荷电状态估计的误差，具有相同规格的被充电电池或电池组在电池端电压接近充电截止电压前以soc作为均衡对象，被充电电池或电池组端电压接近或到达充电截止电压后，以电池端电压作为均衡对象。
[0024]
进一步地，当被充电电池或电池组之间端电压接近时，防反二极管可去除，且所有脉冲控制开关具有零电压开关特性；
[0025]
所述防反二极管开通关断频率为脉冲充电电流频率，可采用快恢复肖特基二极管。
[0026]
进一步地，对于被充电电池或电池组，要满足充电时端电压一致或接近，各被充电池或电池组在充电前可为并联运行状态，充电时通过脉冲控制开关解除并联关系。
[0027]
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
[0028]
1)、本发明可以消除脉冲间隔对充电时间的延长，缩短充电时间；
[0029]
2)、本发明实现了对脉冲充电中脉冲幅值、频率和占空比的灵活控制；
[0030]
3)、本发明能很好的实现被充电电池或电池组之间的均衡。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使
用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]
图1为本发明提出的多路交错的电池脉冲充电变换器的拓扑结构；
[0033]
图2为本发明列举的实例中采用的脉冲充电变换器的拓扑结构；
[0034]
图3为锂离子电池交流阻抗模型；
[0035]
图4为锂离子电池交流阻抗谱；
[0036]
图5为本发明列举的实例中采用的电池均衡策略；
[0037]
图6为本发明列举的实例中脉冲充电电流电压波形；
[0038]
图7为本发明列举的实例中电池端电压到达截止电压后的充电波形。
具体实施方式
[0039]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
如图1所示，本发明提供一种多路交错的电池脉冲充电变换器，包括两级，前级为受控电流源，后级为多路脉冲控制单元，每路脉冲控制单元由脉冲控制开关和防反二极管串联组成。具体如下：
[0041]
受控电流源：受控电流源可以是电力电子变换器或其他形式的电流源装置，用于产生幅值可调的连续电流，完成对脉冲充电电流幅值的灵活控制，前级受控电流源输出电流作为后级脉冲控制单元的输入；特点如下：
[0042]
1)、脉冲幅值作为脉冲电流大小的重要衡量指标，一方面可以反映瞬时充电电流，结合脉冲占空比，另一方面可以反映平均充电电流；
[0043]
2)、如果脉冲频率固定，通过对脉冲幅值的优化可以作为降低充电过程中的欧姆损耗的有效手段。
[0044]
脉冲控制开关：脉冲控制开关采用半导体功率开关器件，脉冲控制开关的数量至少为两个，可根据被充电电池或电池组数量调整。脉冲控制开关交错导通，完成对脉冲频率和各路脉冲电流占空比的灵活控制，用于产生多路交错的脉冲充电电流；特点如下：
[0045]
1)、脉冲控制开关之间互补开通，被充电电池或电池组充电电流之间的交错特性使脉冲间隔被利用，这消除了脉冲间隔对充电时间的延长。由于输入为电流源，脉冲控制开关不允许同时全部关断；
[0046]
2)、通过控制脉冲控制开关管的开关开关可以控制脉冲频率，脉冲频率可以根据电池交流阻抗特性被优化来减少充电过程中的无功损耗；
[0047]
3)、通过控制各脉冲控制开关的导通时间来分别控制对应电池或电池组脉冲充电电流的占空比，脉冲占空比也是影响平均充电电流的重要因素。脉冲控制开关可以通过调整各电池或电池组的脉冲占空比快速实现对各电池或电池组的均衡；
[0048]
4)、在通过脉冲占空比调制进行各电池或电池组快速均衡时，为避免荷电状态(soc)估计的误差，具有相同规格的电池或电池组在电池端电压接近充电截止电压前可以
以soc作为均衡对象，电池或电池组端电压接近或到达充电截止电压后，可以以电池端电压作为均衡对象；
[0049]
5)、当被充电电池或电池组之间端电压接近时，所有脉冲控制开关具有零电压开关(zvs)特性。
[0050]
防反二极管：防反二极管与脉冲控制开关、电池负载串联，当被充电电池或电池组压差较大时，用于避免电池或电池组之间的直接并联，防止大的反向冲击电流；特点如下：
[0051]
1)、当被充电电池或电池组在准备充电前端电压接近，防反二极管可以去除，提高系统充电效率；
[0052]
2)、防反二极管开通关断频率为脉冲充电电流频率，可采用快恢复肖特基二极管。
[0053]
对于所提出的电池脉冲充电变换器，被充电电池或电池组要满足充电时端电压一致或接近，各电池或电池组在充电前可以为并联运行状态，充电时通过控制开关解除并联关系。
[0054]
如图1所示，受控电流源输出电流通过脉冲控制开关s3‑
s
n
分流，分别为电池或电池组bat1‑
bat
n
充电，脉冲控制开关s3‑
s
n
交错导通，且不允许全部关断。二极管d1‑
d
n
可防止电池电流反向，避免具有大电压差的电池直接并联。对于具有相同规格的不同电池或电池组，放电时可通过受控开关k1‑
k
n
‑1并联运行。充电时可断开k1‑
k
n
‑1，采用所提出的脉冲充电拓扑进行充电。由于各组电池间端电压的一致性，此时防反二极管d1‑
d
n
可以去除。当被充电电池或电池组间电压均衡时，脉冲控制开关s3‑
s
n
具有零电压开关(zvs)特性。对于电力电子变换器作为受控电流源，由于半导体开关频率远高于电池充电电流脉冲频率，所提出的脉冲充电器能实现前后级功率解耦。
[0055]
所提出的脉冲充电变换器具有如下优点：1).利用脉冲充电电流侧交错特性，彻底消除了脉冲间隔对充电时间的延长；2).脉冲幅值可以通过受控电流源灵活调整；3).脉冲频率和占空比可通过脉冲控制开关灵活调整。4).通过脉冲占空比调制，被充电电池或电池组之间能快速实现均衡。
[0056]
实例中的锂离子电池脉冲充电变换器采用两路脉冲控制开关，在实际应用中可根据被充电电池或电池组数量进行调整。受控电源采用buck变换器，充电器拓扑如图2所示。
[0057]
针对脉冲充电器对脉冲幅值、频率和占空比的控制，详细说明如下。
[0058]
首先，作为电流源，buck变换器被用来控制电感电流i
l
，即脉冲充电电流的幅值。该过程以电感电流作为控制目标，以buck变换器开关管s1的占空比作为控制变量，其中开关管s2为同步整流管，可以采用pi控制器。其中对充电电流幅值的优化可以减少充电过程中的欧姆损耗，优化问题描述如下：
[0059][0060]
该优化问题具有充电时间约束，可以把整个充电过程按照电池soc均匀分成n段。i
i
、r
i
、t
i
分别为第i个soc阶段的电流、电池内阻和充电时间。q为电池容量，i为传统恒流充电时采用的充电电流。soc
cc
(i)是恒定电流i进行充电时，电池电压到达截止电压时电池的soc。上述参数均可通过电池测试获取。
[0061]
通过上述优化问题求得最优电流幅值后，当被充电电池迅速均衡后，脉冲充电电流占空比为0.5，此时，脉冲电流的幅值可以控制位上述优化问题最优解的两倍，并随着soc的变化对最优电流幅值进行动态调整。
[0062]
然后，通过脉冲控制开关调整脉冲频率。锂离子电池交流阻抗模型如图3所示。v
ocv
为理想电压源，表示电池开路电压(ocv)，r0为内阻欧姆电阻，l为寄生电感。采用r
ct
、c
dl
和z
w
对锂离子电池的极化进行了表征。其中r
ct
为电荷转移阻抗，c
dl
为电极界面的双层电容器，z
w
为离子浓度极化引起的warberg阻抗。基于图3，对电池模型进行简化推导如下:
[0063][0064]
式中z
ac
为锂离子电池交流阻抗，ω为激励信号的角频率。j为虚部符号，v
b
为电池端电压，v0为内阻压降，v
l
为寄生电感压降，v
p
为双电层电容压降。
[0065]
根据交流阻抗模型，消除脉冲功率中交流分量的负面影响最有效的方法是求得最小阻抗频率f
z
‑
min
。该频率下，电池阻抗为内阻，交流阻抗为零。测量的不同soc的锂离子电池阻抗谱如图4所示。这些曲线与横轴的交点即为电池内阻，相应的激励频率为最小阻抗频率。随着soc的增加，内阻逐渐减小。因此，根据对锂离子电池的交流阻抗分析，可获得最优脉冲充电电流频率，即为脉冲控制开关的开关频率，一般锂离子电池的最小阻抗频率f
z
‑
min
为数khz，远低于电力电子变换器的开关频率，所以所提出的脉冲充电器能实现前级受控电流源和后面脉冲控制开关之间的功率解耦。
[0066]
最后，是通过脉冲控制开关调整脉冲占空比来实现被充电电池或电池组之间的均衡。占空比调制的原理如图5所示。对于相同规格的被充电电池或电池组bat1和bat2，它们之间的soc差超过设定的限制s
lim
时，脉冲控制开关s3和s4以固定占空d
min
和d
max
比互补导通。其中s
lim
、d
min
和d
max
可以根据实际应用场合设置和调整，soc低的电池对应大的脉冲占空比d
max
，soc高的电池对应小的脉冲占空比d
min
。比如将s
lim
设置为0.01，d
min
和d
max
为分别设置为0.05和0.95，以保证soc快速均衡。当被充电电池或电池组之间soc的差值小于限制s
lim
时，脉冲控制开关s3和s4的占空比开始微调，微调幅度为δd，δd也可以根据实际应用场合设置和调整，比如可设置为0.02。在soc均衡后，最终脉冲控制开关s3和s4占空比均为0.5。
[0067]
在通过脉冲占空比调制进行各电池或电池组快速均衡时，为避免荷电状态(soc)估计的误差，具有相同规格的电池或电池组在电池端电压接近充电截止电压前以soc作为均衡对象，电池或电池组端电压接近或到达充电截止电压后，可以以电池端电压作为均衡对象。将荷电状态平衡转换为端电压平衡，基于占空比调整的电池端电压均衡策略和soc均衡策略一致。电池soc均衡前，脉冲充电电流电压波形如图6(a)所示，soc均衡后脉冲充电电流电压波形如图6(b)所示。
[0068]
当被充电电池或电池组端电压到充电截止电压后，电池电压被快速均衡，最终脉冲控制开关s3和s4占空比均为0.5。此时充电电池或电池组进入恒压充电模式，前级电流源输出电流逐渐减少，充电波形如图7所示。直至脉冲电流幅值下降至设定的充电截止电流，整个充电过程结束。
[0069]
本发明的多路交错的电池脉冲充电变换器通过电力电子变换器或其他装置控制充电电流的幅值，并通过两个或多个脉冲控制开关实现对脉冲频率和占空比的灵活控制。
所提出的交错脉冲策略完全消除了由脉冲间隔引起的延长的充电时间。对于多个电池组并联运行的电动汽车，当允许将这些并联电池组分成多个组同时充电时，可以应用所提出的脉冲充电变换器。
[0070]
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本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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。