CN116317536B - 一种高压无超调直流电源 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电变量调节领域，涉及一种高压无超调直流电源，高压全桥整流电路输出侧串联电阻R1并联电容C1，固定占空比电路电性连接DC‑AC电路，峰值电流控制电路电性连接隔离驱动电路、与门逻辑电路和BUCK电路，隔离驱动电路电性连接BUCK电路，与门逻辑电路电性连接电流环PI控制电路和电压环PID控制电路，电流环PI控制电路电性连接电流隔离采样电路，电流隔离采样电路输出侧并联电阻R1，电压环PID控制电路电性连接积分电容放电电路和电压隔离采样电路，电压隔离采样电路输出侧并联电容C1，单片机与电流环PI控制电路和电压环PID控制电路电性连接。本发明输出的直流高压电压无超调，纹波小，带载能力强。

Description

一种高压无超调直流电源
技术领域
本发明属于电变量调节技术领域，具体涉及一种高压无超调直流电源。
背景技术
随着新能源的推广，锂离子电池的应用越来越广泛。在构造上，锂离子电池的正负极之间，以及各电极与外壳之间，都需要保持绝缘状态。在锂离子电池生产工序中，如果有金属异物混入或者是隔膜受损破坏等，会引起绝缘电阻（电极与电极之间，电极与外壳之间）变低，如果无法保持绝缘状态，则会有导致电池寿命降低或者起火事故的风险。
为了满足电动汽车行业的需求，对于电动汽车所搭载的锂离子电池而言，需要锂离子电池满足高能量密度，能进行大电流充电，寿命长，安全不起火等性能，为了实现这些特性，需要在电池制造过程的各个工序中对锂离子电池进行性能检测，锂离子电池的性能检测过程中，需要使用高压直流电源。目前常规的直流高压的实现方式，是通过单相逆变输出的正弦交流电压通过工频升压变压器，然后再经过半波整流输出直流高压电压。
现有的产生直流高压的方式是工频（50Hz/60Hz）或者低频（300Hz/600Hz）正弦电压信号经过半波整流输出直流电压，此种方式输出的直流电压会叠加同样频率的交流脉动信号，由此可知此种方式输出的直流电压的纹波大。当在负载比较重的情况下，此种产生直流高压的方式是由工频或低频信号经半波整流产生，半波整流的滤波电容上消耗的电流大于补充的电流，输出电压会产生很大的负载效应，会导致输出电压波动，输出电压的峰值变大。由此可知，在此种方式下测试锂离子电池容性负载时，容易会出现测量结果不准确，重复性差等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种高压无超调直流电源，可以用于锂离子电池在注液前进行的绝缘电阻测试和微短路测试。本发明所采用的技术方案如下：
一种高压无超调直流电源，包括依次电性连接的开关电源、BUCK电路、DC-AC电路、高频升压变压器和高压全桥整流电路，高压全桥整流电路的输出侧串联连接电阻R1之后并联连接电容C1，固定占空比电路电性连接DC-AC电路，峰值电流控制电路分别电性连接隔离驱动电路、与门逻辑电路和BUCK电路，隔离驱动电路电性连接BUCK电路，与门逻辑电路分别电性连接电流环PI控制电路和电压环PID控制电路，电流环PI控制电路电性连接电流隔离采样电路，电流隔离采样电路的输出侧并联连接电阻R1，电压环PID控制电路分别电性连接积分电容放电电路和电压隔离采样电路，电压隔离采样电路的输出侧并联连接电容C1，单片机分别与电流环PI控制电路和电压环PID控制电路电性连接；
所述的积分电容放电电路包括运算放大器U1、U2和U3，运算放大器U2和U3组成高输入阻抗差分采样电路，将积分电容C65的电压采集到运算放大器U1的同向输入端，将C65期望的稳态值Kx+b输入到运算放大器的反向输入端，U1的输出端经控制开关K分别与单片机和电压环PID控制电路电性连接。
优选的，积分电容放电电路的结构为：电阻R3电性连接U1的反向输入端，电阻R2分别电性连接U1的反向输入端和输出端，电阻R4和电阻R5分别电性连接U1的同向输入端，U3的输出端电性连接R4；积分电容C65两端分别电性连接电阻R8和电阻R11，电阻R8电性连接U2的同向输入端，电阻R7电性连接U2的反向输入端，电阻R6分别电性连接U2的反向输入端和输出端，U2的输出端电性连接电阻R10，R10电性连接U3的反向输入端，电阻R9分别电性连接U3的反向输入端和输出端。
优选的，所述的DC-AC电路采用半桥型DC-AC电路或者全桥型DC-AC电路。
优选的，单片机采用STM32F407单片机，峰值电流控制电路采用电流模式PWM控制芯片UC3843。
本发明的优点如下：
输出的直流高压电压无超调，纹波小，带载能力强。输出的电压分辨率高，可达1V分辨率。具体如下：
本发明中针对现有输出高压电压存在交流纹波大的问题，创新提出了高压直流电源的高压产生方式，配置高压源产生的开关频率为100KHz，这样高压输出滤波之后的直流高压纹波小。
为了解决输出带载引起的输出电压波动，先通过电流环恒流充电至设定电压，再进入电压环恒压阶段。分别设置两个环路的调节比例参数，可以加快***的动态响应。从控制方式的角度分析，采用基于峰值电流的控制方式，可以逐周期快速调节PWM波，可以快速的响应***参数的变化。
为了实现1V的高分辨率，采用单片机输出设定电压值，输入至电压环的运算放大器的同向输入端，高压输出的采样电压输入至电压环的运算放大器的反向输入端，然后经过运算放大器进行比例-积分（PI）控制，将输出值输入至峰值电流控制电路进行基于峰值电流的控制方式输出PWM去精细调节BUCK电路的输出电压，进而调节直流高压电压的输出。
为了实现电压输出无超调，在电流环转电压环之前，增加积分电容放电电路实现控制逻辑，将电压环的积分电容电压精准泄放到期望的稳态值。
附图说明
图1是本发明实施例一的高压无超调直流电源的结构原理示意图；
图2是本发明实施例一的积分电容放电电路的结构原理示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一
如图1所示，是本发明实施例一的高压无超调直流电源的结构原理示意图。一种高压无超调直流电源，主要包括主回路、电流环（CC环）和电压环（CV环）。
主回路：依次电性连接的开关电源、BUCK电路、半桥型DC-AC电路、高频升压变压器和高压全桥整流电路，高压全桥整流电路的输出侧串联连接电阻R1之后并联连接电容C1，固定占空比电路电性连接半桥型DC-AC电路，构成了高压无超调直流电源的主回路。市电经过开关电源输出24V母线，开关电源可以采用明纬IRM-90-24开关电源。开关电源输出的电压再经过BUCK电路进行调压，可以输出0~24V电压，此电压再经过半桥型DC-AC电路完成半桥斩波，输出0~12V的高频（100KHz）的PWM至高频升压变压器（10V:1000V），再经过高压全桥整流电路完成高频整流滤波，最后输出直流高压电压（实际需求电压范围常为25V~1000V）。电阻R1的作用是采集输出电流，作为恒流环控制用的反馈电流。电容C1的作用是对输出电压滤波用。
控制部分：分为电流环和电压环。电路结构为：峰值电流控制电路分别电性连接隔离驱动电路、与门逻辑电路和BUCK电路，隔离驱动电路电性连接BUCK电路，与门逻辑电路分别电性连接电流环PI控制电路和电压环PID控制电路，电流环PI控制电路电性连接电流隔离采样电路，电流隔离采样电路的输出侧并联连接电阻R1，电压环PID控制电路分别电性连接积分电容放电电路和电压隔离采样电路，电压隔离采样电路的输出侧并联连接电容C1，单片机分别与电流环PI控制电路和电压环PID控制电路电性连接，单片机用于输出电流设定值和电压设定值，单片机采用STM32F407单片机。峰值电流控制电路采用电流模式PWM控制芯片UC3843。
CC环：先采集主回路中的电流，经过电流隔离采样电路输入至CC环的电流环PI控制电路中的运算放大器，进行PI调节。
CV环：采集输出的高压直流电压，经过电压隔离采样电路输入至CV环的电压环PID控制电路中的运算放大器，进行PID调节。
CC环和CV环通过与门逻辑电路进行逻辑与门运算，输出至峰值电流控制电路中的电流模式PWM控制芯片UC3843的第一引脚，峰值电流控制电路从BUCK电路进行峰值电流采样，完成基于峰值电流控制的方式，输出PWM波，PWM波再经过隔离驱动电路去驱动BUCK电路的MOS管。
半桥型DC-AC电路的控制采用开环控制，固定占空比电路采用电压型PWM控制芯片KA3525A，通过配置KA3525A***电路设置固定占空比输出，通过固定占空比电路配置为固定占空比的PWM去驱动半桥型DC-AC电路的MOS管。
为了使输出的高压直流电压无超调，本发明实施例中增加了积分电容放电电路，用于给电压环中的积分电容C65精准放电，如图2所示，是本发明实施例一的积分电容放电电路的结构原理示意图。积分电容放电电路的结构描述如下：包括运算放大器U1、U2和U3，运算放大器U2和U3组成高输入阻抗差分采样电路，电阻R3电性连接U1的反向输入端，电阻R2分别电性连接U1的反向输入端和输出端，电阻R4和电阻R5分别电性连接U1的同向输入端，U3的输出端电性连接R4；积分电容C65两端分别电性连接电阻R8和电阻R11，电阻R8电性连接U2的同向输入端，电阻R7电性连接U2的反向输入端，电阻R6分别电性连接U2的反向输入端和输出端，U2的输出端电性连接电阻R10，R10电性连接U3的反向输入端，电阻R9分别电性连接U3的反向输入端和输出端，电阻R11电性连接U3的同向输入端，U1的输出端经控制开关K分别与单片机和电压环PID控制电路电性连接。
脉冲是单片机输出的500uS的脉冲；逻辑是指控制开关的逻辑：即当输出电压达到设定值95%时，单片机中断输出500uS脉冲；控制开关K是一个电子开关，受单片机引脚控制，作用是将运算放大器U1的输出作用到运算放大器U4的反向输入端，用于给C65进行放电。
积分电容放电电路的工作原理描述如下：通过运算放大器U2和U3组成的高输入阻抗的差分采样电路，将积分电容C65的电压Uc65采集到运算放大器U1的同向输入端，将C65期望的稳态值Kx+b输入到运算放大器的反向输入端。运算放大器U1是将Uc65和Kx+b做一个差分比例运算。等到输出的反馈电压Uf达到电压设定值Ug的95%时，单片机输出一个500uS的脉冲，控制开关K闭合，此时运算放大器U1的输出通过电阻R12作用到运算放大器U4的反向输入端。在此过程中实现对C65的电压释放到期望值kx+b。
C65是电压环PID控制电路中的积分电容，Ug是电压环PID控制电路的给定值，Uf是电压环PID控制电路的反馈值，Upid是电压环PID控制电路的输出值，同理，Ig是电流环PI控制电路的给定值，If为电流环PI控制电路的反馈值，Ipi为电流环PI控制电路的输出值。Vic为峰值电流控制电路的输入。在电流环进入电压环之前，由于Uf<Ug，电压环PID控制电路会将Upid正向积分控制输出最高值，一般约为运算放大器的供电电源电压，当控制环路从电流环切入电压环控制后，此时Uf>Ug，电压环PID控制电路会将Upid反向积分控制输出从最高值达到稳态值。在此过程中输出的高压直流电压将产生超调。
本发明的重点在于增加了给电压环PID控制电路中的积分电容C65精准放电的电路，其工作原理是：当输出电压达到设定值的95%时，由单片机产生一个500uS的脉冲，在此期间内将积分电容C65的电压先泄放到期望的稳态值上。具体实现原理，先将积分电容C65进行高输入阻抗的差分采样，得到采集电压Uc65，然后与期望的电压环的稳态值kx+b做一比例环节的控制，最后通过控制逻辑反馈至电压环PID控制电路的反向输入端，即可实现在电流环切入电压环之前，先将电压环输出的Upid控制到期望的稳态值上，这样当电流环切入电压环时，电压环会在期望的稳态值上进行输出，使得高压直流电压输出不产生超调。
本发明的关键点：
①本发明改进了高频开关直流高压电源产生的拓扑及控制方式：市电经开关电源产生直流母线，经过BCUK电路调压，再经过半桥逆变，经过高频升压器隔离升压，再经过全桥整流滤波输出直流高压电压。BUCK电路采用基于峰值电流的控制方式，半桥逆变采用开环定占空比控制。
②本发明改进了电流环和电压环自动切换控制方式：对于测试大容量注液前电芯（容性负载）时，如果不加恒流措施的话，给电容施加一个恒压源，会出现一个瞬间很大的电流，会损伤电芯，因此本发明中为了避免此种情况，增加了电流环，先恒流给负载充电，充电至设定电压后，再自动切换至电压环，在恒压阶段进行绝缘电阻测试。
为了加快***的动态响应速度，在电流环PI控制电路中设置了二极管D2，在电压环PID控制电路中设置了二极管D1，如图2所示位置。二极管D1和D2采用RLS4148二极管。
③本发明改进了输出电压无超调的控制电路及控制逻辑：在电流环作用期间，电压环由于反馈电压未达到设定值，电压环PID控制电路会将输出电压调节至最大，当电流环切入电压环时，电压环的积分电容的电压将进行反向积分，将电压环的输出从最大值调节至正确的PID输出值，在此期间，输出电压将产生超调。因此为了解决这个问题，增加了电压环积分电容精准放电电路，控制逻辑是当输出电压达到设定值的95%时，由单片机产生一个500uS的脉冲，在此期间内将积分电容的电压先泄放到期望的稳态值。这样当电流环切入电压环时，这样输出电压不超调。
实施例二
对于实施例一中的主回路部分，根据高压无超调直流电源功率大小的不同，可以将其中的半桥型DC-AC电路更换为全桥型DC-AC电路。小功率的高压无超调直流电源采用半桥型DC-AC电路，大功率的高压无超调直流电源采用全桥型DC-AC电路。
本发明实施例中，未详细描述的技术特征均为现有技术或者常规技术手段，在此不再赘述。
最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高压无超调直流电源，其特征在于，包括依次电性连接的开关电源、BUCK电路、DC-AC电路、高频升压变压器和高压全桥整流电路，高压全桥整流电路的输出侧串联连接电阻R1之后并联连接电容C1，固定占空比电路电性连接DC-AC电路，峰值电流控制电路分别电性连接隔离驱动电路、与门逻辑电路和BUCK电路，隔离驱动电路电性连接BUCK电路，与门逻辑电路分别电性连接电流环PI控制电路和电压环PID控制电路，电流环PI控制电路电性连接电流隔离采样电路，电流隔离采样电路的输出侧并联连接电阻R1，电压环PID控制电路分别电性连接积分电容放电电路和电压隔离采样电路，电压隔离采样电路的输出侧并联连接电容C1，单片机分别与电流环PI控制电路和电压环PID控制电路电性连接；
所述的积分电容放电电路包括运算放大器U1、U2和U3，运算放大器U2和U3组成高输入阻抗差分采样电路，将积分电容C65的电压采集到运算放大器U1的同向输入端，U1的输出端经控制开关K分别与单片机和电压环PID控制电路电性连接，等到输出的反馈电压Uf达到电压设定值Ug的95%时，单片机输出一个500uS的脉冲，控制开关K闭合，此时运算放大器U1的输出通过电阻R12作用到运算放大器U4的反向输入端，实现对C65的电压释放到期望的稳态值kx+b，将C65期望的稳态值Kx+b输入到运算放大器U1的反向输入端。
2.根据权利要求1所述的一种高压无超调直流电源，其特征在于，积分电容放电电路的结构为：电阻R3电性连接U1的反向输入端，电阻R2分别电性连接U1的反向输入端和输出端，电阻R4和电阻R5分别电性连接U1的同向输入端，U3的输出端电性连接R4；积分电容C65两端分别电性连接电阻R8和电阻R11，电阻R8电性连接U2的同向输入端，电阻R7电性连接U2的反向输入端，电阻R6分别电性连接U2的反向输入端和输出端，U2的输出端电性连接电阻R10，R10电性连接U3的反向输入端，电阻R9分别电性连接U3的反向输入端和输出端。
3.根据权利要求1所述的一种高压无超调直流电源，其特征在于，所述的DC-AC电路采用半桥型DC-AC电路或者全桥型DC-AC电路。
4.根据权利要求1所述的一种高压无超调直流电源，其特征在于，单片机采用STM32F407单片机，峰值电流控制电路采用电流模式PWM控制芯片UC3843。
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