一种基于不对称CLLC拓扑的电池充电器系统及控制方法

本发明涉及电池充电器，具体涉及一种基于不对称cllc拓扑的电池充电器系统及控制方法。

背景技术：

1、近年来，以风能、太阳能为代表的可再生能源蓬勃发展，大量的分布式可再生装置并入电网。但这些新能源发电装置往往具有间歇性、随机性和不可控性，给电网的运维带来了很大挑战。凭借电力电子装置的快速调节能力，储能系统成为解决新能源功率波动问题的有效手段。目前的储能系统多采用磷酸铁锂电池，其应用最广泛的充电过程是三段式充电，可分为预充电阶段、大功率恒流充电阶段、后期恒压充电阶段。当电池过度放电或长时间处于低电压馈电状态时，变换器需要提供较低的电压和电流进行预充电；恒流充电阶段需要大功率充电；恒压充电阶段是在电池充电后期，在电池电压接近额定电压时提供较小的充电电流。现有的储能电池充电器一般采用非隔离拓扑结构，具有安全隐患；而部分采用的隔离拓扑的输出增益范围一般不大，难以适应储能电池充电过程中功率、电压、电流变化较大的工作场景。

技术实现思路

1、针对现有技术不足，本发明提出了一种基于不对称cllc拓扑的电池充电器系统及控制方法，主电路回路由两路结构相同的双全桥不对称cllc谐振变换器并联而成，并采用交错并联的控制方式提升输出功率，增加功率密度。该电路拓扑存在三种工作模式，半桥模式、全桥模式、全桥交错并联模式分别对应储能电池充电过程中的预充电、后期恒压充电、大功率恒流充电阶段。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：

3、一种基于不对称cllc拓扑的电池充电器系统，其特征是，系统包括主电路回路、输入电容、输出电容、等效负载、电压采样模块、电流采样模块、现场控制器模块。

4、输入电容并联于主电路回路输入端，输出电容和等效负载一起并联于主电路回路的输出端；

5、电压采样模块由分压电阻和差分运放电路构成，用于采集等效负载两侧的电压；

6、电流采样模块由采样电阻和差分运放电路构成，用于采集流经等效负载的电流；

7、现场控制器模块包括adc采样模块、pi控制器、pwm生成器；adc采样模块分别将电压采样模块、电流采样模块输出的电压、电流模拟信号转换为数字信号，传输给pi控制器，pi控制器通过计算、判断，输出所需的控制环路参数给pwm生成器；pwm生成器通过接收控制环路参数，生成pwm信号作为输出，供给主电路回路。

8、进一步地，所述的主电路回路由两路完全相同的双全桥不对称cllc谐振变换器并联构成，每路双全桥不对称cllc谐振变换器都由原边和副边的两组全桥结构、中间的谐振槽组成；

9、四组所述全桥结构相同，且均由n型mosfet开关管组成，开关管s1～s4为一组，开关管s5～s8为一组、开关管s9～s12为一组、开关管s13～s16为一组；以s1～s4为例，其中s1和s3串联形成一组桥臂，s2和s4串联形成另一组桥臂，使s1和s2的集电极相连，s3和s4的发射极相连，最终形成两路桥臂并联的全桥结构；s5～s8、s9～s12、s13～s16连接关系同上s1～s4；

10、所述谐振槽的组成是原边谐振电容、谐振电感和存在等效励磁电感的变压器串联，同时变压器的副边串联另一个谐振电容。

11、进一步地，本发明还提供一种基于不对称cllc拓扑的电池充电器控制方法，所述方法包括以下步骤：

12、步骤1，输出电压、电流采样模块采集电压电流模拟信号，传输给现场控制器模块；

13、步骤2，现场控制器中的adc采样模块将接收到的电压电流模拟信号转换为数字信号，再传输给pi控制器；

14、步骤3，pi控制器通过计算，判断应进行的三种工作模式，输出所需的控制环路参数给pwm生成器；

15、步骤4，pwm生成器通过接收控制环路参数，生成16路pwm信号作为输出，供给两路双全桥不对称cllc谐振变换器中的16个mosfet开关管，控制其开通和关断状态。

16、进一步地，所述步骤3的三种工作模式，分别为半桥模式、全桥模式、全桥交错并联模式，当储能电池进入预充电阶段时采用半桥模式，当储能电池进入后期恒压充电阶段时采用全桥模式，当储能电池进入大功率恒流充电阶段时采用全桥交错并联模式。

17、进一步地，形成半桥模式时，使s3保持闭合，s1、s9～s16保持断开，s2、s4、s5～s8按pfm调制方法结合pi控制器生成的控制环路参数工作；

18、形成全桥模式时，s9～s16保持断开，s1～s8按ppfm调制方法结合pi控制器生成的控制环路参数工作；

19、形成全桥交错并联模式时，s1～s16均按pfm调制方法结合pi控制器生成的控制环路参数工作，同时s1～s8的与s9～s16的开通时间存在交错角a。

20、进一步地，采用基波分析法对三种工作模式进行分析，三种工作模式下，主电路回路的等效电路存在差异，半桥模式下，谐振腔的输入电压是全桥模式的一半，因此输出增益也为全桥模式的一半；全桥交错并联模式下，由于两路不对称cllc是一致的，将正向运行时的该储能电池充电系统的增益表达式统一简化如下：

21、

22、其中m是电压增益，定义为输出电压与输入电压之比；ln是电感系数，定义为励磁电感与谐振电感之比；cn是电容系数，定义为等效的二次侧谐振电容与一次侧谐振电容之比；fn是归一化谐振频率，定义为开关频率与谐振频率之比；q(r,t)是品质因数与谐振腔内谐振电感lr1、谐振电容cr1、并联系数t、等效负载r有关；s是半全桥切换系数(半桥模式：s＝1/2，t＝1；全桥模式：s＝1，t＝1；全桥交错并联模式：s＝1，t＝2)；j是虚部。

23、通过分析可知，统一的增益表达式与多个参数有关，其中电感系数ln与电容系数cn在变换器设计完成后无法改变，而品质因数q(r,t)中等效负载r会随着电池充电不同阶段而变化。传统的脉冲频率调制策略下，当q(r,t)较小时，开关频率fs必须大幅远离谐振频率，导致较大的系统误差，同时变压器的副边容易出现功率环流。因此在增益公式中增加s、t两个变量(即在实际应用中采用三种工作模式)用以弥补开关频率fs在调节增益能力上的不足，使充电器满足储能电池充电过程中功率、电压、电流变化较大的工作场景。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

25、1)本发明采用了不对称cllc谐振变换器，在输入输出之间制造隔离，提升储能电池充电器的安全性，变换器能在全负载范围内实现开关管的软开关，提升充电器系统的效率；同时充电器可以运行在反向模式，可以对储能电池的放电过程进行控制，降低了储能电池运营的成本。

26、2)本发明采用拓扑复用和交错并联的控制方法，采用三种工作模式分别对应储能电池充电过程中的三段式充电过程，通过拓扑复用和交错并联的方法减小储能元件的尺寸，增加了充电器的功率密度；同时三种工作模式有效解决了储能电池充电过程中功率、电压、电流变化较大的问题。

技术特征：

1.一种基于不对称cllc拓扑的电池充电器系统，其特征在于，包括主电路回路、输入电容、输出电容、等效负载、电压采样模块、电流采样模块、现场控制器模块；

2.根据权利要求1所述的一种基于不对称cllc拓扑的电池充电器系统，其特征在于，所述主电路回路由两路完全相同的双全桥不对称cllc谐振变换器并联构成，每路双全桥不对称cllc谐振变换器都由原边和副边的两组全桥结构、中间的谐振槽组成；

3.一种基于不对称cllc拓扑的电池充电器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种基于不对称cllc拓扑的电池充电器控制方法，其特征在于，所述步骤3的三种工作模式，分别为半桥模式、全桥模式、全桥交错并联模式，当储能电池进入预充电阶段时采用半桥模式，当储能电池进入后期恒压充电阶段时采用全桥模式，当储能电池进入大功率恒流充电阶段时采用全桥交错并联模式。

5.根据权利要求4所述的一种基于不对称cllc拓扑的电池充电器控制方法，其特征在于，所述三种工作模式的具体实现方法如下:

6.根据权利要求5所述的一种基于不对称cllc拓扑的电池充电器控制方法，其特征在于，所述pfm调制方法的控制机理是基波分析法下的主电路回路的正向运行增益公式：

技术总结
本发明公开一种基于不对称CLLC拓扑的电池充电器系统及控制方法，系统包括主电路回路、输入电容C<subgt;bus</subgt;、输出电容C<subgt;batt</subgt;、等效负载R<subgt;batt</subgt;、电压采样模块、电流采样模块、现场控制器模块，主电路回路由两路结构相同的双全桥不对称CLLC谐振变换器并联而成，并采用交错并联的控制方式提升输出功率，该电池充电器存在三种工作模式，半桥模式、全桥模式、全桥交错并联模式分别对应电池充电过程中的预充电、后期恒压充电、大功率恒流充电阶段。本发明使电池充电器输入输出之间存在隔离，提升了电安全性和功率密度，采用的三种工作模式有效解决了电池充电过程中功率、电压、电流变化较大的问题。

技术研发人员：潘国兵,章浩飞,夏嵩迪,欧阳静,秦杨
受保护的技术使用者：浙江工业大学台州研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17