宽电压范围高效率高频隔离电池充放电电路及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电池在电池化成过程中的充放电电路及其控制策略，具体设及一种宽 电压范围高效率高频隔离电池的充放电电路及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着W电动汽车为代表，大容量蓄电池已被广泛应用于国防、交通、工业、信息技 术等领域，该就对电池的性能和电池充放电技术提出了更高的要求，性能优越的大容量蓄 电池将会迎接巨大的机遇。
[0003] 电池化成技术作为是电池制造过程中的关键工序程序，与电池技术是相伴而生 的。电池化成技术是将极板在化学反应和电化学反应的作用下转化为具有电化学特性的 正负极板的过程，该过程的关键技术之一是电池的充放电。由于成本和技术的限制，目前国 内的电池化成设备主要是通过线性充电电源对电池进行充电，而通过电阻泄放的方式对电 池进行放电。对于规模较大的电池厂家来讲，上述充放电方式的电池化成过程中消耗掉的 电能费用可占到电池生产成本的20% -30%，而且由此带来的温升对环境的影响也不容忽 视。因此带有能量回馈的充放电一体化电源且采用高频隔离开关电源技术是大容量电池技 术发展的必然趋势。
[0004] 电池化成过程通常是对电池单体或并联电池组进行充放电，由于单体电池电压较 低，因此需要充放电电源有较低的电压输出。此外，不同种类的电池充放电电压范围也不同 (如磯酸铁裡动力电池的充放电电压范围为2-3. 7V，铺酸裡动力电池为2. 5-4. 2V，镶氨动 力电池为0. 6-2. 8V)，因此为了满足各种类型电池的充放电要求，电池化成设备的输出电压 需要满足0. 6-4. 2V的宽电压范围，并且能够高效、安全地对电池进行充放电。
[0005] 目前常用的电池化成设备电源主要有相控式电源、线性电源和开关电源=种，其 中：
[0006] 相控式化成电源会引起电网电压波形崎变，功率因数较低，谐波大，且动态响应 差，线性电源化成方式损耗大，效率低；较之于相控式电源和线性电源，开关电源的化成方 式因具有损耗小、体积小、效率高、功率因数高、动态响应速度快等优点而被越来越多的应 用于电池生产中；
[0007] 而就开关电源而言，为了实现对电池的充放电，需要变换器能够实现能量的双向 流动，同时为了确保设备的电气安全，实际中常采用高频隔离双向DC/DC变换器。此类变换 器有不同电路拓扑结构，对于低压大电流输出的情况，常采用半桥倍流电路作为电池充放 电电源的主电路，但是由于现有控制方法本身的缺陷，半桥倍流电路仍存在W下不足：
[0008] 在电池放电过程中，现有的充放电电路其本质相当于Boost升压变换器，即通过 变压器副边电池电压对电感储能进行控制，当电池电压较低而原边电压及应比一定时，所 需升压比相当高，由于开关管导通压降W及电感电阻等因素的影响电路将无法正常工作， 不能满足某些类型电池的放电要求；电池放电过程中，变压器副边开关管关断时会产生很 大的电压尖峰，常需在电路中增加吸收电路用于减小该个电压尖峰，增加了电路的损耗；而 且目前的充放电电路的主电路开关管大多处于硬开关状态，开关频率较高时开关损耗大， 系统效率较低。
【发明内容】
[0009] 有鉴于此，本发明提供了一种宽电压范围高效率高频隔离电池充放电电路及其控 制方法，旨在实现宽电压范围内的电池的充放电一体化控制。
[0010] 本发明采用的技术方案具体为：
[0011] 一种宽电压范围高效率高频隔离电池充放电电路，包括变压器W及变压器的原边 电路和副边电路，其中：
[0012] 所述原边电路中，第一开关管组与第二开关管组交替导通，导通时间相差半个开 关周期；
[0013] 所述副边电路包括第=开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6 W及第=电解电容C3，所述第=开关管S3与所述第五开关管S5反相串联，所述第四开关管 S4与所述第六开关管S6反相串联；
[0014] 所述变压器的副边的第一端连接至所述第=开关管S3的源极，所述第=开关管 S3的漏极与所述第五开关管S5的漏极相连；所述变压器的副边的第二端连接至所述第四 开关管S4的源极，所述第四开关管管S4的漏极与所述第六开关管S6的漏极相连，所述第 五开关管S5的源极和所述第六开关管S6的源极相连直到输出端；
[0015] 还包括第=电解电容C3,所述第=电解电容C3接于所述输出端的正负两端。
[0016] 在上述宽电压范围高效率高频隔离电池充放电电路中，所述原边电路可W为半桥 电路、全桥电路或者推挽电路。
[0017] 在上述宽电压范围高效率高频隔离电池充放电电路中，开关管组S1-S2W及开关 管S3-S6采用金属-氧化物半导体场效应晶体管M0SFET。
[001引在上述宽电压范围高效率高频隔离电池充放电电路中，开关管组S1-S2W及开关 管S3-S6采用绝缘栅双极型晶体管IGBT。
[0019] -种宽电压范围高效率高频隔离电池充放电控制方法，通过控制脉冲驱动信号 G1-G6,来控制电路在充电总期间的充电电流和放电总期间内的放电电流iSl-iS6 ;
[0020] 其中；G1-G6分别为S1-S6的脉冲驱动信号；S1-S2为变压器原边电路的开关管 组，S3-S6为变压器副边电路的开关管，iSl-iS6为流过S1-S6或其反并联二极管的电流。
[0021] 在上述宽电压范围高效率高频隔离电池充放电控制方法中，在所述充电总期间 内，原边电路的第一开关管组和第二开关管组（S1、S2)的脉冲驱动信号（G1、G3)互补导通， 副边电路的第二开关管和第四开关管（S2、S4)的脉冲驱动信号（G2、G4)互补导通，副边电 路的第五开关管和第六开关管（S5、S6)则一直导通；在电池充电过程中，第一开关管组和 第二开关管组为主开关管，第=开关管和第四开关管（S3、S4)为同步整流管。
[0022] 在上述宽电压范围高效率高频隔离电池充放电控制方法中，在所述放电总期间 tO-tll内，一个周期内的G1-G2分别包括D和d两部分，其中，D为主脉冲，d为在充电控制 方法的基础上新增加的脉冲。G3与G1的D部分互补，G4与G2的D互补，G5与G2的d互 补，G6与G1的d互补，S1与S2的导通时间相差半个开关周期，W第一开关管组S1和第二 开关管组S2全部关断、开关管（S3、S4、S5、S6)全部导通时计为to时刻，之后tl-tll分别 对应流过开关管组（SI、S2)或者开关管（S3、S4)的电流过零或者突变的时刻；其中；
[0023] tO-tl期间，开关管（S3、S5)和（S4、S6)同时导通，每条支路各自流过放电电流的 一半；
[0024]tl-t2期间，开关管S2在tl时刻导通，开关管S5在tl时刻关断，高频变压器原 边电路中的电解电容〔2、开关管62、53、54、56)、二极管05^及漏感化构成电流回路一， 流过开关管S3(S5)的电流下降，流过开关管S4(S6)和开关管S2的电流上升，直至t2时刻 流过开关管S3的电流线性下降到零，实现零电流关断；期间，流过开关管S3(S5)和S4(S6) 的电流和不变，为放电电流大小；
[0025]t2-t3期间，由于开关管S5的反并联二极