CN206164198U - 锂电池功率变换单元 - Google Patents

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Abstract

一种锂电池功率变换单元包括锂电池组、功率变换器、充电电感电流环、放电电感电流环、电池电压环和直流母线电压环。在锂电池功率变换单元工作在充电模式下时，电池电压环与充电电感电流环连接，并且充电电感电流环输出控制信号至功率变换器，以使得锂电池组被充电。在锂电池功率变换单元工作在电压源模式下时，直流母线电压环与放电电感电流环连接，并且放电电感电流环输出控制信号至功率变换器，以使得锂电池组放电。在锂电池功率变换单元工作在电流源模式下时，恒定电流值被输入至放电电感电流环，并且放电电感电流环输出控制信号至功率变换器，以使得锂电池组放电。

Description

锂电池功率变换单元
技术领域
本实用新型涉及超级UPS领域，尤其涉及一种用于超级UPS***的锂电池功率变换单元。
背景技术
随着通信、互联网以及工业等场合用电可靠性的要求的不断提升，对不间断电源的可靠性、安全性的要求也随之提高。为了进一步提升不间断电源的供电可靠性，超级不间断电源(Super UPS或超级UPS)的概念随之产生。超级不间断电源中除了市电(Grid)之外，还增加了燃料电池(FC)、燃气轮机(GT)、锂电池(LB)、超级电容(SC)和光伏(PV)等互相独立的能源以增加***备电的冗余，提高供电的可靠性。
在超级UPS***运行中，锂电池功率变换单元除作为后备储能单元外，还在不同能源切换的间隙中起着维持直流母线恒定、保证负载供电不间断的作用。同时，锂电池功率变换单元还要对电池的充、放电进行管理。由于锂电池对电压和电流都较为敏感，过充或过放都会对电池造成不可恢复的损伤。因此锂电池功率变换单元需要精确的充放电控制策略。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种用于超级UPS***中的锂电池功率变换单元，该锂电池功率变换单元通过采用合理的模式管理方案来在超级UPS***出现不同的事件下工作于不同的模式以实现不同的功能，从而实现在超级UPS***的电网出现故障，其它能源单元转换供电的时候能够配合操作以维持超级UPS***的直流母线电压恒定、保证负载侧的供电稳定。并且，该锂电池功率变换单元还能够实现对锂电池的合理的充、放电管理，从而能够避免对锂电池进行过充或过放而导致的不可恢复的损伤，延长锂电池的使用寿命。
为实现此目的，本实用新型提供一种锂电池功率变换单元，用于超级UPS***，包括：锂电池组，包括串联连接的第一锂电池和第二锂电池；以及功率变换器，包括第一功率变换器和第二功率变换器，第一功率变换器包括第一输入电容、第一电感器、第一晶体管、第二晶体管、第一输出电容，第一输入电容与第一锂电池并联，第一电感器的一端连接第一锂电池的正极，另一端连接第一晶体管的集电极和第二晶体管的发射极，第一晶体管的发射极连接第一锂电池的负极，第一输出电容的一端连接第二晶体管的集电极，另一端连接第一晶体管的发射极，第二功率变换器包括第二输入电容、第二电感器、第三晶体管、第四晶体管、第二输出电容，第二输入电容与第二锂电池并联，第二电感器的一端连接第二锂电池的负极，另一端连接第三晶体管的发射极和第四晶体管的集电极，第三晶体管的集电极连接第二锂电池的正极，第二输出电容的一端连接第四晶体管的发射极，另一端连接第三晶体管的集电极，在所述超级UPS***中，第一晶体管的发射极连接第二直流母线端，第二晶体管的集电极连接第一直流母线端，第三晶体管的集电极连接第二直流母线端，第四晶体管的发射极连接第三直流母线端，并且第一晶体管的门极输入第一控制信号，第二晶体管的门极输入第二控制信号，第三晶体管的门极输入第三控制信号，第四晶体管的门极输入第四控制信号。
进一步，根据如上所述的锂电池功率变换单元，进一步包括：充电电感电流环，包括电感电流输入端，输入流过第一电感器或第二电感器的电流，充电电流参考值输入端，输入充电电流参考值，和控制信号输出端，输出所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、以及所述第四控制信号，以及电池电压环，包括电池电压输入端，输入第一锂电池或第二锂电池的电池电压，电池电压参考值输入端，输入电池电压参考值，和充电电流输出端，输出充电电流，在锂电池功率变换单元在所述超级UPS***中工作于充电模式下时，所述充电电流输出端与所述充电电流参考值输入端连接，并且在所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、所述第四控制信号的控制下，所述锂电池组被充电。
进一步，根据如上所述的锂电池功率变换单元，进一步包括：放电电感电流环，包括
电感电流输入端，输入流过第一电感器或第二电感器的电流，放电电流参考值输入端，输入放电电流参考值，和控制信号输出端，输出所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、以及所述第四控制信号，以及直流母线电压环，包括母线电压输入端，输入第一直流母线端与第二直流母线端之间的电压或第二直流母线端与第三直流母线端之间的电压，母线电压参考值输入端，输入母线电压参考值，和放电电流输出端，输出放电电流，在锂电池功率变换单元在所述超级UPS***中工作于电压源模式下时，所述放电电流输出端与所述放电电流参考值输入端连接，并且在所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、所述第四控制信号的控制下，所述锂电池组放电。
进一步，根据如上所述的锂电池功率变换单元，在锂电池功率变换单元在所述超级UPS***中工作于电流源模式下时，所述放电电流参考值输入端输入恒定电流值，并且在所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、所述第四控制信号的控制下，所述锂电池组放电。
进一步，根据如上所述的锂电池功率变换单元，进一步包括：上位机；和模式选择部，其中，模式选择部在接收到上位机输出的充电模式指令后，使得所述充电电流输出端与所述充电电流参考值输入端连接。
进一步，根据如上所述的锂电池功率变换单元，进一步包括：上位机；和模式选择部，其中，模式选择部在接收到上位机输出的电压源模式指令后，使得所述放电电流输出端与所述放电电流参考值输入端连接。
进一步，根据如上所述的锂电池功率变换单元，进一步包括：上位机，其中，上位机输出所述恒定电流值至所述放电电流参考值输入端。
进一步，根据如上所述的锂电池功率变换单元，所述锂电池组被充电的过程包括：恒流充电阶段，在该阶段，电池电压环饱和，所述充电电流输出端输出限幅电流值作为所述充电电流，直至第一锂电池或者第二锂电池的电池电压从低于电池电压参考值到达退饱和电压为止；恒压充电阶段，在该阶段，电池电压环退出饱和状态，所述锂电池组以恒压方式被充电，充电电流输出端输出由电池电压环计算得到的电流值作为所述充电电流，直至所述充电电流小于充电截止电流；以及充电终止阶段，在该阶段，充电电流输出端输出的所述充电电流为0，第一锂电池和第二锂电池的电池电压分别回落至静置电压。
进一步，根据如上所述的锂电池功率变换单元，所述锂电池组放电的过程包括：恒流放电阶段，在该阶段，所述放电电流参考值输入端输入的恒定电流值不为零，所述锂电池组恒流放电直至第一锂电池和第二锂电池的电池电压低于放电截止电压，以及放电结束阶段，在该阶段，所述放电电流参考值输入端输入的恒定电流值为零，第一锂电池和第二锂电池的电池电压回升至静置电压。
进一步，根据如上所述的锂电池功率变换单元，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管分别为绝缘栅双极型晶体管，并且所述第一控制信号与所述第三控制信号同相，所述第二控制信号与所述第四控制信号同相，所述第一控制信号与所述第二控制信号反相，所述第三控制信号与所述第四控制信号反相。
本实用新型所提供的用于超级UPS***中的锂电池功率变换单元通过采用合理的模式管理方案，在超级UPS***出现不同的事件下工作于不同的模式以实现不同的功能，从而能够实现在超级UPS***的电网出现故障，其它能源单元转换供电的时候能够配合操作以维持超级UPS***的直流母线电压恒定，保证负载侧的供电稳定。并且，本实用新型所提供的锂电池功率变换单元还能够实现对锂电池的合理的充、放电管理，从而能够避免对锂电池进行过充或过放而导致的不可恢复的损伤，延长锂电池的使用寿命。
附图说明
图1为根据本实用新型实施例的锂电池功率变换单元的模式管理状态图；
图2为根据本实用新型实施例的用于超级UPS***的锂电池功率变换单元的控制框图；
图3(a)显示锂电池功率变换单元在超级UPS***中工作于充电模式下时，其中的电流流向示意图，图3(b)显示锂电池功率变换单元在超级UPS***中工作于电压源模式下时，其中的电流流向示意图，图3(c)显示锂电池功率变换单元在超级UPS***中工作于电流源模式下时，其中的电流流向示意图；
图4为本实用新型实施例的锂电池功率变换单元的充电管理过程的示意图；
图5为本实用新型实施例的锂电池功率变换单元工作于电流源模式下的放电管理过程的示意图；以及
图6为本实用新型实施例的锂电池功率变换单元从待机模式切换至充电模式的波形示意图；
图7(a)为涉及本实用新型实施例的锂电池功率变换单元从充电模式切换至电压源模式的波形示意图；
图7(b)为涉及本实用新型实施例的锂电池功率变换单元从待机模式切换至电压源模式的波形示意图；
图8(a)为涉及本实用新型实施例的锂电池功率变换单元在其它能源单元控制母线时，从充电模式切换至电流源模式的波形示意图；以及
图8(b)为涉及本实用新型实施例的锂电池功率变换单元从电流源模式切换至充电模式的波形示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本实用新型的内容，以下结合附图，通过具体实施方式的说明，对本实用新型进行更加深入而具体的介绍。
根据本实用新型的锂电池功率变换单元能够采用合理的模式管理方案，以在超级UPS***出现不同的事件下工作于不同的模式来实现不同的功能。图1为根据本实用新型实施例的锂电池功率变换单元的模式管理状态图。相应地，表1为对应于图1中的模式转换的事件表。
表1
序号 事件内容
事件1 电网掉电或网侧整流器故障
事件2 电网正常且电池未充满电
事件3 燃气或燃料电池发电单元能量小于负载能量
事件4 光伏发电大于负载所需能量或者发电功率过剩
参见图1和表1，本实用新型中，锂电池功率变换单元模式管理的策略如下：在电网正常且锂电池未充满电(对应事件2)时，锂电池功率变换单元工作为充电模式以对锂电池进行充电；在***中电网故障(电网掉电或电网侧整流器故障)(对应事件1)时，外部两种能源进行切换的间隙，如电网切换到燃料电池、电网切换到燃气发电，一般需要几秒到数十秒，这时需要锂电池功率变换单元工作为电压源模式紧急放电并支撑直流母线，直至两种能源完成切换。当光伏发电能量多于负载需求或者发电功率过剩(对应事件4)，并且锂电池未充满电时，锂电池功率变换单元工作于充电模式来对锂电池进行充电以实现最长的备电时间；当燃气、燃料电池发电功率小于负载所需功率(对应事件3)时，锂电池功率变换单元工作为电流源模式，使得锂电池放电，补充输出的功率缺口以维持负载供电稳定。此外，在锂电池功率变换单元不需要处于上述三种模式下以实现相应的功能时，在接收到待机指令的情况下，锂电池功率变换单元将处于待机状态。
图2显示根据本实用新型实施例的用于超级UPS***的锂电池功率变换单元的控制框图。
如图2所示，实施例所提供的锂电池功率变换单元包括锂电池组21和功率变换器22。
锂电池组21由两台规格参数一致的锂电池串联得到，图2中以等效电动势v1、电池内阻r1来表示其中一个锂电池，以等效电动势v2、电池内阻r1来表示另外一个锂电池。以下分别称与(v1，r1)对应的锂电池为第一锂电池，和与(v2，r1)对应的锂电池为第二锂电池。
功率变换器22采用两个独立控制且主电路参数一致的Buck/Boost拓扑并联得到的双向DC/DC变换器，以下将每一个单Buck/Boost分别称为第一功率变换器和第二功率变换器，其中第一功率变换器与第一锂电池对应，第二功率变换器与第二锂电池对应。
如图2所示，第一功率变换器包括第一输入电容Ca1、第一电感器Lb1、第一晶体管221、第二晶体管222、第一输出电容Cb1。第二功率变换器包括第二输入电容Ca2、第二电感器Lb2、第三晶体管223、第四晶体管224、第二输出电容Cb2。其中，Ca1＝Ca2＝Ca，Cb1＝Cb2＝Cb，Lb1＝Lb2＝Lb。实施例中，第一晶体管221、第二晶体管222、第三晶体管223、第四晶体管224分别采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
第一输入电容Ca1与第一锂电池并联，第一电感器Lb1的一端连接第一锂电池的正极，另一端连接第一晶体管221的集电极和第二晶体管222的发射极，第一晶体管221的发射极连接第一锂电池的负极，第一输出电容Cb1的一端连接第二晶体管222的集电极，另一端连接第一晶体管221的发射极。
第二输入电容Ca2与第二锂电池并联，第二电感器Lb2的一端连接第二锂电池的负极，另一端连接第三晶体管223的发射极和第四晶体管224的集电极，第三晶体管223的集电极连接第二锂电池的正极，第二输出电容Cb2的一端连接第四晶体管224的发射极，另一端连接第三晶体管223的集电极。
在超级UPS***中，第一晶体管221的发射极与直流母线的第二直流母线端(O端)连接，第二晶体管222的集电极与直流母线的第一直流母线端(P端)连接，第三晶体管223的集电极与直流母线的第二直流母线端(O端)连接，第四晶体管224的发射极与直流母线的第三直流母线端(N端)连接。第一晶体管221的门极输入第一控制信号g1，第二晶体管222的门极输入第二控制信号g2，第三晶体管223的门极输入第三控制信号g3，第四晶体管224的门极输入第四控制信号g4。实施例中，第一控制信号g1与第三控制信号g3同相，第二控制信号g2与第四控制信号g4同相，第一控制信号g1与第二控制信号g2互补(反相)，第三控制信号g3与第四控制信号g4互补(反相)。
如图2所示，实施例中，锂电池功率变换单元进一步包括充电电感电流环23和放电电感电流环24。其中，充电电感电流环23用于在锂电池功率变换单元工作于充电模式下时输出第一控制信号g1、第二控制信号g2、第三控制信号g3、以及第四控制信号g4；放电电感电流环24用于在锂电池功率变换单元工作于电压源模式或电流源模式下时输出第一控制信号g1、第二控制信号g2、第三控制信号g3、以及第四控制信号g4。实施例中，充电电感电流环23与放电电感电流环24的主要区别在于充电、放电的控制环路不同，但是基本硬件结构相同，因此在图2中仅示出一套硬件结构来表示充电电感电流环23和放电电感电流环24。
充电电感电流环23包括电感电流输入端231、充电电流参考值输入端232、以及控制信号输出端233。电感电流输入端231输入流过第一电感器Lb1或者第二电感器Lb2的电流iL1或iL2。这里，电感电流输入端231输入的电流iL1或iL2是充电电感电流环23采样得到的流过第一电感器Lb1或者第二电感器Lb2的电流的实际反馈值。充电电流参考值输入端232输入充电电流参考值iLref1。电流iL1或iL2与充电电流参考值iLref1进行差分运算后的信号被送入与充电控制对应的PI(比例积分)电路，经过PI电路运算后的信号再经过相应的PWM(脉冲宽度调制)电路等相关运算后得到相应的控制信号(第一控制信号g1、第二控制信号g2、第三控制信号g3、以及第四控制信号g4)，从控制信号输出端233输出。实施例中，经过PWM电路运算后获得0～5V的PWM信号后经过驱动板转换为-9V～15V的控制信号。第一控制信号g1与第三控制信号g3相同，第二控制信号g2与第四控制信号g4相同，并且第一控制信号g1与第二控制信号g2反相(互补)。
放电电感电流环24包括电感电流输入端241、放电电流参考值输入端242、以及控制信号输出端243。电感电流输入端241输入流过第一电感器Lb1或者第二电感器Lb2的电流iL1或iL2。同样，电感电流输入端241输入的电流iL1或iL2是放电电感电流环24采样得到的流过第一电感器Lb1或者第二电感器Lb2的电流的实际反馈值。放电电流参考值输入端242输入放电电流参考值iLref2。电流iL1或iL2与放电电流参考值iLref2进行差分运算后的信号被送入与放电控制对应的PI(比例积分)电路，经过PI电路运算后的信号再经过相应的PWM(脉冲宽度调制)电路等相关运算后得到相应的控制信号(第一控制信号g1、第二控制信号g2、第三控制信号g3、以及第四控制信号g4)，从控制信号输出端243输出。同样，实施例中，经过PWM电路运算后获得0～5V的PWM信号后经过驱动板转换为-9V～15V的控制信号。第一控制信号g1与第三控制信号g3相同，第二控制信号g2与第四控制信号g4相同，并且一控制信号g1与第二控制信号g2反相(互补)。
实施例中，流过第一电感器Lb1的电流iL1与流过第二电感器Lb2的电流iL2相等(iL1＝iL21＝iL)，并且当第一电感器Lb1中电流iL1的流向如图中箭头所示从左到右(对应第二电感器Lb2中电流iL2的流向如图中箭头所示从右到左)时，电流iL1(电流iL2)的值为正，相反则电流iL1(电流iL2)的值为负。实施例中，通过充电电感电流环23，在相应的第一控制信号g1、第二控制信号g2、第三控制信号g3、以及第四控制信号g4的控制下，可以使得流过第一电感器Lb1的电流iL1和流过第二电感器Lb2的电流iL2控制为与充电电流参考值iLref1相等；通过放电电感电流环24，在相应的第一控制信号g1、第二控制信号g2、第三控制信号g3、以及第四控制信号g4的控制下，可以使得流过第一电感器Lb1的电流iL1和流过第二电感器Lb2的电流iL2控制为与放电电流参考值iLref2相等。因此，充电电流参考值iLref1与放电电流参考值iLref2的正负号决定流过第一电感器Lb1的电流iL1与流过第二电感器Lb2的电流iL2的正负号，也即，决定了锂电池组21的充放电。
实施例中，锂电池功率变换单元进一步包括电池电压环25，电池电压环25包括电池电压输入端251、电池电压参考值输入端252、充电电流输出端253。电池电压输入端251输入第一锂电池的电池电压vbat1或第二锂电池的电池电压vbat2。这里，电池电压输入端251输入的电池电压vbat1或vbat2是电池电压环25采样得到的第一锂电池的电池电压或第二锂电池的电池电压的实际反馈值。电池电压参考值输入端252输入电池电压参考值vbat_ref。电池电压vbat1或vbat2与电池电压参考值vbat_ref进行差分运算后的信号被送入PI(比例积分)电路进行运算得到充电电流iL.char(符号为负)，从充电电流输出端253输出。实施例中，电池电压vbat1＝vbat21＝vbat。在锂电池功率变换单元在超级UPS***中工作于充电模式下时，充电电流输出端253被控制与充电电流参考值输入端232连接，此时在相应的第一控制信号g1、第二控制信号g2、第三控制信号g3、以及第四控制信号g4的控制下，锂电池功率变换单元中将产生如图3(a)中的粗箭头所示的电流流向，此时，电流从直流母线流向锂电池组21，锂电池组21被充电。
如图2所示，实施例中，锂电池功率变换单元进一步包括上位机27和模式选择部28。当锂电池功率变换单元需要工作于充电模式下时，上位机27向模式选择部28输出充电模式指令，模式选择部28在接收到来自上位机27的充电模式指令时，使得充电电流输出端253与充电电流参考值输入端232连接。
实施例中，锂电池功率变换单元进一步包括直流母线电压环26。直流母线电压环26包括母线电压输入端261、母线电压参考值输入端262、放电电流输出端263。母线电压输入端261输入第一直流母线端与第二直流母线端之间的电压vbus1或第二直流母线端与第三直流母线端之间的电压vbus2。这里，母线电压输入端261输入的电压vbus1或vbus2是直流母线电压环26采样得到的第一直流母线端与第二直流母线端之间的电压或第二直流母线端与第三直流母线端之间的电压的实际反馈值。母线电压参考值输入端262输入母线电压参考值vbus_ref。电压vbus1或vbus2与母线电压参考值vbus_ref进行差分运算后的信号被送入PI(比例积分)电路进行运算得到放电电流iL.bus(符号为正)，从放电电流输出端263输出。实施例中，电压vbus1＝vbus2＝vbus。在锂电池功率变换单元在超级UPS***中工作于电压源模式下时，放电电流输出端263被控制与放电电流参考值输入端242连接，此时在相应的第一控制信号g1、第二控制信号g2、第三控制信号g3、以及第四控制信号g4的控制下，锂电池功率变换单元中将产生如图3(b)中的粗箭头所示的电流流向，此时，电流从锂电池组21流向直流母线，锂电池组21放电。
实施例中，当锂电池功率变换单元需要工作于电压源模式下时，上位机27向模式选择部28输出电压源模式指令，模式选择部28在接收到来自上位机27的电压源模式指令时，使得放电电流输出端263与母线电压参考值输入端262连接。
进一步，实施例中，在锂电池功率变换单元在所述超级UPS***中工作于电流源模式下时，放电电流参考值输入端242输入恒定电流值iL.disc(符号为正)，此时在相应的第一控制信号g1、第二控制信号g2、第三控制信号g3、以及第四控制信号g4的控制下，锂电池功率变换单元中将产生如图3(c)中的粗箭头所示的电流流向，此时，电流从锂电池组21流向直流母线，锂电池组21放电。实施例中，由上位机27输出恒定电流值iL.disc至放电电流参考值输入端242。
此外，如之前所述的，由于锂电池的特殊性，需要在锂电池功率变换单元运行过程中对锂电池进行合理的充、放电管理，以避免对锂电池进行过充或过放而导致的不可恢复的损伤，延长锂电池的使用寿命。以下描述根据本实用新型实施例的电池充电管理和电池放电管理。表2显示的是锂电池的技术参数。
表2
(1)电池充电管理
在锂电池功率变换单元处于充电模式下，锂电池组21被充电。图4为本实用新型实施例的锂电池功率变换单元的充电管理过程的示意图。如图4所示，实施例中，被充电过程分为：恒流充电、恒压充电、充电终止三个阶段。
[0,t1]阶段，为恒流充电阶段。此时电池电压vbat远低于电池电压参考值vbat_ref，电池电压环25饱和，充电电流输出端253输出限幅电流值ic_max作为充电电流iL.char，此时充电电流参考值iLref1设定为ic_max。随着充电的进行，第一锂电池和第二锂电池两端的电压渐渐上升，当达到退饱和电压vbat.drop时，恒流充电阶段结束。
[t1,t2]阶段，为恒压充电阶段。此时电池电压vbat接近电池电压参考值vbat_ref，电池电压环25退出饱和状态，锂电池组21以恒压方式被充电，充电电流输出端253输出由电池电压环25计算得到的电流值iL.char作为充电电流参考值iLref1。在t2时刻，当电流值iL.char小于充电截止电流ic.end时，恒压充电阶段结束。
t>t2阶段，为充电终止阶段。充电电流输出端253输出的充电电流为0，第一锂电池和第二锂电池的电池电压vbat分别回落至静置电压vbat_OC。此时功率变换器22停止工作。
根据表2的电池技术参数，电池电压参考值vbat_ref设置为vchar(450V)，充电截止电流ic.end设置为ichar.end(4.65A)，限幅电流值ic_max在电池运行电流0.5C(23.25A)内。由于充电截止电压vchar.pro为455V，因此需要电压控制精度在5V以内，以防电池恒压充电时电压达到充电截止电压。同时，为了防止电池充电过满或过少，需要电流控制精度在1A以内。
(2)电池放电管理
以下以电流源放电为例来描述根据本实用新型实施例的锂电池功率变换单元的放电管理。在锂电池功率变换单元处于电流源模式下，锂电池组21放电。图5为本实用新型实施例的锂电池功率变换单元工作于电流源模式下的放电管理过程的示意图，其中放电的过程包括：
[0,t1]阶段，为恒流放电阶段。此时，上位机27输出不为零的恒定电流值iL.disc作为放电电流参考值iLref2。恒流放电过程中，电池电压vbat不断减小，在t1时刻，当第一锂电池和第二锂电池的电池电压vbat低于放电截止电压vbat_disc时，恒流放电结束。
t>t1阶段，为放电结束阶段。此时，放电电流参考值输入端242输入的放电电流参考值iLref2为零，第一锂电池和第二锂电池的电池电压vbat回升至静置电压vbat_OC。
根据表2的电池技术参数，放电截止电压vbat_disc设置为vdisc.end(392V)，恒定电流值iL.disc在电池运行电流0.5C(23.25A)内。为了防止控制精度不够而导致的电池过放，同样需要电压控制精度小于5V。
实施例中，由于图2所示的PI环路为无差控制***，所以引起电池电压、电流控制误差的主要原因是采样误差。通过选择适当的电流采样元器件指标参数和适当的电压采样元器件指标参数，可以在电池运行电压范围392V～450V内实现5V的电压控制精度，在电池运行电流0.5C(23.25A)范围内实现1A的电流控制精度，从而满足控制精度要求。
接下来，将描述基于本实用新型实施例的锂电池功率变换单元的模式管理方案的实验结果，以验证本实用新型实施例所提供的锂电池功率变换单元的模式管理方案的可行性。
(1)电网正常情况
当电网正常、锂电池未充满时，锂电池功率变换单元需要切换至充电模式来对锂电池充电以保证锂电池最长的备电时间。图6为本实用新型实施例的锂电池功率变换单元从待机模式切换至充电模式的波形示意图。在t1时刻前，电网通过整流逆变后提供负载所需功率，此时电网侧整流器的a相电流峰-峰值Igrid＝17.5A，直流母线电压vbus＝750V。在t1时刻的切换瞬间，电网侧整流a相电流电流峰-峰值变为Igrid＝32.1A，多余的功率用于提供电池0.2C(iL＝-9.3A)充电所需能量。由图6可见，锂电池功率变换单元的模式转换过程中，锂电池功率变换单元电感电流iL没有冲击。
(2)电网故障情况
在电网故障情况时，锂电池功率变换单元需要紧急从待机或充电模式转为电压源放电模式。图7(a)为涉及本实用新型实施例的锂电池功率变换单元从充电模式切换至电压源模式的波形示意图。由图可知，在t1时刻前，电网正常且提供负载和锂电池按0.2C(iL＝9.3A)恒流充电所需的功率(负载功率Pload＝4kW)，此时网侧a相电流的峰-峰值Igrid＝32.9A；在t1时刻，电网突然掉电，锂电池功率变换单元紧急从充电转为电压源模式支撑直流母线电压，锂电池功率变换单元的电感电流平均值为iL＝10.1A用以维持直流母线稳定，切换过程中电感电流超调Δi＝5.3A。
图7(b)为涉及本实用新型实施例的锂电池功率变换单元从待机模式切换至电压源模式的波形示意图。如图可知，在t1时刻前，电网正常且提供负载功率(Pload＝10kW)，电网侧a相电流的峰-峰值Igrid＝46.5A；在t1时刻，电网突然掉电，锂电池功率变换单元紧急从待机模式转为电压源模式支撑直流母线电压，此时锂电池功率变换单元的电感电流平均值为iL＝26.1A，切换过程中电感电流超调Δi＝6.1A。
由上述图中可见，锂电池功率变换单元在充电和待机状态下均很好的实现了直流母线紧急支撑的作用，符合设计的要求。
2.1.3其它能源单元控制母线情况
在其它能源单元控制直流母线时，当发电能量多于负载所需能量或发电功率大于负载所需功率时，锂电池功率变换单元工作于充电模式来对锂电池充电以实现最长的备电时间；当发电能量小于负载所需能量时，锂电池功率变换单元工作于电流源模式进行放电，用以维持负载供电稳定。
图8(a)为涉及本实用新型实施例的锂电池功率变换单元在其它能源单元控制母线时，从充电模式切换至电流源模式的波形示意图。在t1时刻前，锂电池进行0.2C(iL＝-9.3A)充电，在t1时刻，锂电池功率变换单元切换至电流模式并输出上位机给定的iL＝10A(4kW)电流，以弥补功率缺口。
图8(b)为涉及本实用新型实施例的锂电池功率变换单元在其它能源单元控制母线时，从电流源模式切换至充电模式的波形示意图。在t1时刻前，锂电池模块功率变换单元工作在电流源模式并输出上位机指定的iL＝10A电流，在t1时刻，当负载功率减小/发电功率增加或发电能量过剩时，锂电池功率变换单元由电流源模式切换至充电模式，按0.2C(iL＝-9.3A)进行充电，以实现锂电池最长的备电时间。
由上述图中可见，锂电池功率变换单元在电流源模式和充电模式切换过程中的电感电流尖峰均较小，符合设计的安全要求。
综上所述，本实用新型所提供的能够用于超级UPS***的锂电池功率变换单元通过采用合理的模式管理方案在超级UPS***出现不同的事件下工作于不同的模式以实现不同的功能，从而能够实现在超级UPS***的电网出现故障，其它能源单元转换供电的时候能够配合操作以维持超级UPS***的直流母线电压恒定，保证负载侧的供电稳定。并且，本实用新型所提供的锂电池功率变换单元还能够实现对锂电池的合理的充、放电管理，从而能够避免对锂电池进行过充或过放而导致的不可恢复的损伤，延长锂电池的使用寿命。
最后需要说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例所述技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种锂电池功率变换单元，用于超级UPS***，其特征在于，包括：
锂电池组，包括串联连接的第一锂电池和第二锂电池；以及
功率变换器，包括第一功率变换器和第二功率变换器，
第一功率变换器包括第一输入电容、第一电感器、第一晶体管、第二晶体管、第一输出电容，第一输入电容与第一锂电池并联，第一电感器的一端连接第一锂电池的正极，另一端连接第一晶体管的集电极和第二晶体管的发射极，第一晶体管的发射极连接第一锂电池的负极，第一输出电容的一端连接第二晶体管的集电极，另一端连接第一晶体管的发射极，
第二功率变换器包括第二输入电容、第二电感器、第三晶体管、第四晶体管、第二输出电容，第二输入电容与第二锂电池并联，第二电感器的一端连接第二锂电池的负极，另一端连接第三晶体管的发射极和第四晶体管的集电极，第三晶体管的集电极连接第二锂电池的正极，第二输出电容的一端连接第四晶体管的发射极，另一端连接第三晶体管的集电极，
在所述超级UPS***中，第一晶体管的发射极连接第二直流母线端，第二晶体管的集电极连接第一直流母线端，第三晶体管的集电极连接第二直流母线端，第四晶体管的发射极连接第三直流母线端，并且
第一晶体管的门极输入第一控制信号，第二晶体管的门极输入第二控制信号，第三晶体管的门极输入第三控制信号，第四晶体管的门极输入第四控制信号。
2.如权利要求1所述的锂电池功率变换单元，其特征在于，进一步包括：
充电电感电流环，包括
电感电流输入端，输入流过第一电感器或第二电感器的电流，
充电电流参考值输入端，输入充电电流参考值，和
控制信号输出端，输出所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、以及所述第四控制信号，以及
电池电压环，包括
电池电压输入端，输入第一锂电池或第二锂电池的电池电压，
电池电压参考值输入端，输入电池电压参考值，和
充电电流输出端，输出充电电流，
在锂电池功率变换单元在所述超级UPS***中工作于充电模式下时，所述充电电流输出端与所述充电电流参考值输入端连接，并且
在所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、所述第四控制信号的控制下，所述锂电池组被充电。
3.如权利要求1所述的锂电池功率变换单元，其特征在于，进一步包括：
放电电感电流环，包括
电感电流输入端，输入流过第一电感器或第二电感器的电流，
放电电流参考值输入端，输入放电电流参考值，和
控制信号输出端，输出所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、以及所述第四控制信号，以及
直流母线电压环，包括
母线电压输入端，输入第一直流母线端与第二直流母线端之间的电压或第二直流母线端与第三直流母线端之间的电压，
母线电压参考值输入端，输入母线电压参考值，和
放电电流输出端，输出放电电流，
在锂电池功率变换单元在所述超级UPS***中工作于电压源模式下时，所述放电电流输出端与所述放电电流参考值输入端连接，并且
在所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、所述第四控制信号的控制下，所述锂电池组放电。
4.如权利要求3所述的锂电池功率变换单元，其特征在于，
在锂电池功率变换单元在所述超级UPS***中工作于电流源模式下时，所述放电电流参考值输入端输入恒定电流值，并且
在所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、所述第四控制信号的控制下，所述锂电池组放电。
5.如权利要求2所述的锂电池功率变换单元，其特征在于，进一步包括：
上位机；和
模式选择部，其中，模式选择部在接收到上位机输出的充电模式指令后，使得所述充电电流输出端与所述充电电流参考值输入端连接。
6.如权利要求3所述的锂电池功率变换单元，其特征在于，进一步包括：
上位机；和
模式选择部，其中，模式选择部在接收到上位机输出的电压源模式指令后，使得所述放电电流输出端与所述放电电流参考值输入端连接。
7.如权利要求4所述的锂电池功率变换单元，其特征在于，进一步包括：
上位机，其中，
上位机输出所述恒定电流值至所述放电电流参考值输入端。
8.如权利要求2或5所述的锂电池功率变换单元，其特征在于，
所述锂电池组被充电的过程包括：
恒流充电阶段，在该阶段，电池电压环饱和，所述充电电流输出端输出限幅电流值作为所述充电电流，直至第一锂电池或者第二锂电池的电池电压从低于电池电压参考值到达退饱和电压为止；
恒压充电阶段，在该阶段，电池电压环退出饱和状态，所述锂电池组以恒压方式被充电，充电电流输出端输出由电池电压环计算得到的电流值作为所述充电电流，直至所述充电电流小于充电截止电流；以及
充电终止阶段，在该阶段，充电电流输出端输出的所述充电电流为0，第一锂电池和第二锂电池的电池电压分别回落至静置电压。
9.如权利要求4或7所述的锂电池功率变换单元，其特征在于，
所述锂电池组放电的过程包括：恒流放电阶段，在该阶段，所述放电电流参考值输入端输入的恒定电流值不为零，所述锂电池组恒流放电直至第一锂电池和第二锂电池的电池电压低于放电截止电压，以及
放电结束阶段，在该阶段，所述放电电流参考值输入端输入的恒定电流值为零，第一锂电池和第二锂电池的电池电压回升至静置电压。
10.如权利要求1所述的锂电池功率变换单元，其特征在于，
所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管分别为绝缘栅双极型晶体管，并且
所述第一控制信号与所述第三控制信号同相，所述第二控制信号与所述第四控制信号同相，所述第一控制信号与所述第二控制信号反相，所述第三控制信号与所述第四控制信号反相。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112994458A (zh) * 2021-03-26 2021-06-18 潍柴动力股份有限公司 Dc/dc变换器及其控制方法、燃料电池***

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