寬電壓范圍高效率高頻隔離電池充放電電路及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電池在電池化成過程中的充放電電路及其控制策略，具體設(shè)及一種寬 電壓范圍高效率高頻隔離電池的充放電電路及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著W電動(dòng)汽車為代表，大容量蓄電池已被廣泛應(yīng)用于國防、交通、工業(yè)、信息技 術(shù)等領(lǐng)域，該就對(duì)電池的性能和電池充放電技術(shù)提出了更高的要求，性能優(yōu)越的大容量蓄 電池將會(huì)迎接巨大的機(jī)遇。
[0003] 電池化成技術(shù)作為是電池制造過程中的關(guān)鍵工序程序，與電池技術(shù)是相伴而生 的。電池化成技術(shù)是將極板在化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)的作用下轉(zhuǎn)化為具有電化學(xué)特性的 正負(fù)極板的過程，該過程的關(guān)鍵技術(shù)之一是電池的充放電。由于成本和技術(shù)的限制，目前國 內(nèi)的電池化成設(shè)備主要是通過線性充電電源對(duì)電池進(jìn)行充電，而通過電阻泄放的方式對(duì)電 池進(jìn)行放電。對(duì)于規(guī)模較大的電池廠家來講，上述充放電方式的電池化成過程中消耗掉的 電能費(fèi)用可占到電池生產(chǎn)成本的20% -30%，而且由此帶來的溫升對(duì)環(huán)境的影響也不容忽 視。因此帶有能量回饋的充放電一體化電源且采用高頻隔離開關(guān)電源技術(shù)是大容量電池技 術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
[0004] 電池化成過程通常是對(duì)電池單體或并聯(lián)電池組進(jìn)行充放電，由于單體電池電壓較 低，因此需要充放電電源有較低的電壓輸出。此外，不同種類的電池充放電電壓范圍也不同 (如磯酸鐵裡動(dòng)力電池的充放電電壓范圍為2-3. 7V，鋪酸裡動(dòng)力電池為2. 5-4. 2V，鑲氨動(dòng) 力電池為0. 6-2. 8V)，因此為了滿足各種類型電池的充放電要求，電池化成設(shè)備的輸出電壓 需要滿足0. 6-4. 2V的寬電壓范圍，并且能夠高效、安全地對(duì)電池進(jìn)行充放電。
[0005] 目前常用的電池化成設(shè)備電源主要有相控式電源、線性電源和開關(guān)電源=種，其 中：
[0006] 相控式化成電源會(huì)引起電網(wǎng)電壓波形崎變，功率因數(shù)較低，諧波大，且動(dòng)態(tài)響應(yīng) 差，線性電源化成方式損耗大，效率低；較之于相控式電源和線性電源，開關(guān)電源的化成方 式因具有損耗小、體積小、效率高、功率因數(shù)高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)而被越來越多的應(yīng) 用于電池生產(chǎn)中；
[0007] 而就開關(guān)電源而言，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充放電，需要變換器能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向 流動(dòng)，同時(shí)為了確保設(shè)備的電氣安全，實(shí)際中常采用高頻隔離雙向DC/DC變換器。此類變換 器有不同電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)于低壓大電流輸出的情況，常采用半橋倍流電路作為電池充放 電電源的主電路，但是由于現(xiàn)有控制方法本身的缺陷，半橋倍流電路仍存在W下不足：
[0008] 在電池放電過程中，現(xiàn)有的充放電電路其本質(zhì)相當(dāng)于Boost升壓變換器，即通過 變壓器副邊電池電壓對(duì)電感儲(chǔ)能進(jìn)行控制，當(dāng)電池電壓較低而原邊電壓及應(yīng)比一定時(shí)，所 需升壓比相當(dāng)高，由于開關(guān)管導(dǎo)通壓降W及電感電阻等因素的影響電路將無法正常工作， 不能滿足某些類型電池的放電要求；電池放電過程中，變壓器副邊開關(guān)管關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生很 大的電壓尖峰，常需在電路中增加吸收電路用于減小該個(gè)電壓尖峰，增加了電路的損耗；而 且目前的充放電電路的主電路開關(guān)管大多處于硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)頻率較高時(shí)開關(guān)損耗大， 系統(tǒng)效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種寬電壓范圍高效率高頻隔離電池充放電電路及其控 制方法，旨在實(shí)現(xiàn)寬電壓范圍內(nèi)的電池的充放電一體化控制。
[0010] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案具體為：
[0011] 一種寬電壓范圍高效率高頻隔離電池充放電電路，包括變壓器W及變壓器的原邊 電路和副邊電路，其中：
[0012] 所述原邊電路中，第一開關(guān)管組與第二開關(guān)管組交替導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間相差半個(gè)開 關(guān)周期；
[0013] 所述副邊電路包括第=開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4、第五開關(guān)管S5和第六開關(guān)管S6 W及第=電解電容C3，所述第=開關(guān)管S3與所述第五開關(guān)管S5反相串聯(lián)，所述第四開關(guān)管 S4與所述第六開關(guān)管S6反相串聯(lián)；
[0014] 所述變壓器的副邊的第一端連接至所述第=開關(guān)管S3的源極，所述第=開關(guān)管 S3的漏極與所述第五開關(guān)管S5的漏極相連；所述變壓器的副邊的第二端連接至所述第四 開關(guān)管S4的源極，所述第四開關(guān)管管S4的漏極與所述第六開關(guān)管S6的漏極相連，所述第 五開關(guān)管S5的源極和所述第六開關(guān)管S6的源極相連直到輸出端；
[0015] 還包括第=電解電容C3,所述第=電解電容C3接于所述輸出端的正負(fù)兩端。
[0016] 在上述寬電壓范圍高效率高頻隔離電池充放電電路中，所述原邊電路可W為半橋 電路、全橋電路或者推挽電路。
[0017] 在上述寬電壓范圍高效率高頻隔離電池充放電電路中，開關(guān)管組S1-S2W及開關(guān) 管S3-S6采用金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管M0SFET。
[001引在上述寬電壓范圍高效率高頻隔離電池充放電電路中，開關(guān)管組S1-S2W及開關(guān) 管S3-S6采用絕緣柵雙極型晶體管IGBT。
[0019] -種寬電壓范圍高效率高頻隔離電池充放電控制方法，通過控制脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào) G1-G6,來控制電路在充電總期間的充電電流和放電總期間內(nèi)的放電電流iSl-iS6 ;
[0020] 其中；G1-G6分別為S1-S6的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)；S1-S2為變壓器原邊電路的開關(guān)管 組，S3-S6為變壓器副邊電路的開關(guān)管，iSl-iS6為流過S1-S6或其反并聯(lián)二極管的電流。
[0021] 在上述寬電壓范圍高效率高頻隔離電池充放電控制方法中，在所述充電總期間 內(nèi)，原邊電路的第一開關(guān)管組和第二開關(guān)管組（S1、S2)的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)（G1、G3)互補(bǔ)導(dǎo)通， 副邊電路的第二開關(guān)管和第四開關(guān)管（S2、S4)的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)（G2、G4)互補(bǔ)導(dǎo)通，副邊電 路的第五開關(guān)管和第六開關(guān)管（S5、S6)則一直導(dǎo)通；在電池充電過程中，第一開關(guān)管組和 第二開關(guān)管組為主開關(guān)管，第=開關(guān)管和第四開關(guān)管（S3、S4)為同步整流管。
[0022] 在上述寬電壓范圍高效率高頻隔離電池充放電控制方法中，在所述放電總期間 tO-tll內(nèi)，一個(gè)周期內(nèi)的G1-G2分別包括D和d兩部分，其中，D為主脈沖，d為在充電控制 方法的基礎(chǔ)上新增加的脈沖。G3與G1的D部分互補(bǔ)，G4與G2的D互補(bǔ)，G5與G2的d互 補(bǔ)，G6與G1的d互補(bǔ)，S1與S2的導(dǎo)通時(shí)間相差半個(gè)開關(guān)周期，W第一開關(guān)管組S1和第二 開關(guān)管組S2全部關(guān)斷、開關(guān)管（S3、S4、S5、S6)全部導(dǎo)通時(shí)計(jì)為to時(shí)刻，之后tl-tll分別 對(duì)應(yīng)流過開關(guān)管組（SI、S2)或者開關(guān)管（S3、S4)的電流過零或者突變的時(shí)刻；其中；
[0023] tO-tl期間，開關(guān)管（S3、S5)和（S4、S6)同時(shí)導(dǎo)通，每條支路各自流過放電電流的 一半；
[0024]tl-t2期間，開關(guān)管S2在tl時(shí)刻導(dǎo)通，開關(guān)管S5在tl時(shí)刻關(guān)斷，高頻變壓器原 邊電路中的電解電容〔2、開關(guān)管62、53、54、56)、二極管05^及漏感化構(gòu)成電流回路一， 流過開關(guān)管S3(S5)的電流下降，流過開關(guān)管S4(S6)和開關(guān)管S2的電流上升，直至t2時(shí)刻 流過開關(guān)管S3的電流線性下降到零，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷；期間，流過開關(guān)管S3(S5)和S4(S6) 的電流和不變，為放電電流大?。?br>[0025]t2-t3期間，由于開關(guān)管S5的反并聯(lián)二極