摘要： 提出一種用于鋰電池化成技術(shù)的新型雙向DC/ DC 拓撲結(jié)構(gòu)。采用兩級雙向DC/ DC 拓撲結(jié)構(gòu)， 使用半橋雙向變換器， 另使用Buckboo st 雙向變換器， 用數(shù)字信號處理器對Buckboo st 雙向變換器進行閉環(huán)控制， 能實現(xiàn)輸入電壓和輸出電壓有較大壓差的情況下進行變換。在Matlab/ Simlink 下對該拓撲結(jié)構(gòu)進行驗證。結(jié)果表明， 該變換器性能穩(wěn)定， 能有效地實現(xiàn)3 V 電池電壓和400 V 母線電壓雙向變換。

　　0  引言

　　隨著社會的發(fā)展， 能源、環(huán)保與發(fā)展的矛盾日益突出， 鋰電池的發(fā)展能有效的改善這一問題。鋰電池由于工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、無記憶效應(yīng)、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長等特點， 廣泛應(yīng)用于電動車汽車能源系統(tǒng)、航空航天電源系統(tǒng)、太陽能光伏電源系統(tǒng)， 移動通信系統(tǒng)以及移動終端設(shè)備中。雙向DC/ DC 變換器是對鋰電池充放電進行管理的重要部分， 其工作性能直接影響到鋰電池的使用效率和壽命。

　　目前， 雙向DC/ DC 變換器的拓撲結(jié)構(gòu)主要有2 種型式： 非隔離型變換器和隔離型變換器。非隔離Buckboo st變換器效率高、結(jié)構(gòu)簡單， 但沒有隔離能力，不能應(yīng)用于輸入輸出電壓壓差較大的場合。隔離式變換器有雙向推挽結(jié)構(gòu)、雙向半橋結(jié)構(gòu)和雙向全橋結(jié)構(gòu)。

　　其中， 推挽結(jié)構(gòu)效率較半橋雙向DC/ DC 結(jié)構(gòu)高， 高壓側(cè)輸入電壓大的時， 開關(guān)管承受電壓應(yīng)力大， 且變壓器繞線復(fù)雜； 半橋結(jié)構(gòu)變壓器沒有中心抽頭， 設(shè)計簡單， 低壓側(cè)電壓較低時， 由于電容分壓， 造成在升壓變換過程中升壓能力不足； 全橋結(jié)構(gòu)效率， 可以實現(xiàn)軟開關(guān)控制， 但控制電路復(fù)雜， 成本較高。本文提出一種基于采用數(shù)字控制的雙向DC/ DC 變換器， 采用兩級變換結(jié)構(gòu)， 采用固定脈沖驅(qū)動； 另采用雙閉環(huán)控制， 可以有效的在3 V 鋰電池電壓與400 V 電源電壓之間進行變換。

　　1  雙向DC/ DC主電路結(jié)構(gòu)和工作原理

　　本文采用兩級雙向DC/ DC 變換器結(jié)構(gòu)， 如圖1 所示。級采用隔離式半橋變換結(jié)構(gòu)， 利用變壓器對高壓側(cè)與低壓側(cè)進行隔離， 開關(guān)管V1 , V1 , V3 , V4 采用固定脈沖控制， 實現(xiàn)從400 V 母線電壓和20 V 中間電壓進行變換， 第二級采用非隔離式Buckboost 變換器構(gòu)成， 開關(guān)管V5 , V6 采用閉環(huán)閉環(huán)控制， 實現(xiàn)20 V 中間電壓和3 V 鋰電池電壓之間進行二次變換。

　　1. 1  降壓工作模式

　　母線側(cè)輸入電壓400 V, 經(jīng)C1 和C2 分壓， 上下橋臂輸入電壓為200 V?？刂破鲗⒐潭}沖送至T G1 和TG2 , 使開關(guān)管V1 , V2 工作在開關(guān)狀態(tài)。由V3 , V4 體內(nèi)二極管與D3、D4 構(gòu)成全波整流電路， 經(jīng)C0 濾波， 使電壓從400 V 降至20 V; 閉環(huán)控制器輸出PWM 信號，送至開關(guān)管V5 , 使V5 , D6 , L 1 , C11 構(gòu)成Buck 降壓變換器， 將電壓從20 V 降至3 V。調(diào)節(jié)輸入開關(guān)管V5 的驅(qū)動波形占空比， 可以調(diào)節(jié)輸出電壓。降壓變換時輸入電壓與輸出電壓關(guān)系式：

　　式中： N 1 變壓器高壓側(cè)匝數(shù)； N2 變壓器低壓側(cè)匝數(shù)，V400高壓側(cè)輸入電壓； D1 開關(guān)管V5 的輸入脈沖占空比。

圖1  兩級雙向DC/ DC 主電路圖

　　1. 2  升壓工作模式

　　電池側(cè)輸入3 V 電壓， 經(jīng)C11 濾波后， 送至由V6 ,D5 , L 1 , C0 構(gòu)成boost 升壓變換器， 由boo st 變換器將電壓從3 V 升至20 V, 調(diào)節(jié)送到V6 的脈沖占空比， 可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓； 由級變換器升壓至20 V 的電壓經(jīng)C3 , C4 分壓， 送至半橋變換器， 給固定脈沖至TG3和TG4 , 使開關(guān)管V3 , V4 工作在開關(guān)狀態(tài)， 經(jīng)變壓器升壓至200 V, 由V1、V2 的體內(nèi)二極管與D1、D2 以及C1 ,C2 構(gòu)成全波倍壓整流電路， 將輸出電壓穩(wěn)定在400 V。

　　升壓變換時輸入電壓與輸出電壓關(guān)系式：

　　式中： N 1 變壓器高壓側(cè)匝數(shù)； N2 變壓器低壓側(cè)匝數(shù)；Vbat ter y 電池電壓； D2 開關(guān)管V6 的輸入脈沖占空比。

　　2  數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計

　　隨著電池性能的提高， 對化成電源提出了更高的要求。要求化成電源不僅具有高， 高可靠性， 還要具有體積小、安全性高、組網(wǎng)能力強， 以及充放電響應(yīng)速度快， 過程無沖擊， 以延長電池的使用壽命， 傳統(tǒng)的模擬化成電源已經(jīng)無法滿足這些新要求。并且， 由于鋰電池生產(chǎn)工藝限制， 通常將小容量鋰電池并聯(lián)使用， 這就要求在大型化成設(shè)備中多個雙向DC/ DC 變換器并聯(lián)使用，實現(xiàn)量鋰電池的化成。為了完成對多點鋰電池的管理與監(jiān)控， 本設(shè)計的雙向DC/ DC 變換器以dsPIC30F2010 為控制器件。dsPIC30F2010 是一款只有28 個引腳的高性能16 位微處理器。它采用哈佛架構(gòu)， 有1 個16 位CPU 和1 個DSP 內(nèi)核。

　　dsPIC30F2010 的外設(shè)資源有6 個PWM 輸出通道；3 個16 位定時器/ 計數(shù)器， 可選擇將16 位定時器配對組成32 位定時器模塊； 4 路16 位捕捉輸入功能， 2 路16 位比較/ PWM 輸出； 1 個帶FIFO 緩沖區(qū)的可尋址UART 模塊； 6 路10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ A/ D） , 500 KS/ s（ 對于10 位A/ D） 轉(zhuǎn)換速率。該芯片在本設(shè)計完成對各個開關(guān)管的控制、鋰電池電流、電壓， 溫度測量、設(shè)備工況顯示， 上位機通信等功能， 結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2  硬件結(jié)構(gòu)圖

　　為了保證兩級變換器輸出電壓和電流的穩(wěn)定， 本設(shè)計采用平均電流控制。平均電流控制的原理如圖3 所示。該控制方式采用電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制，Ur 為給定基準信號， Uback 是非隔離Buckboost 變換器的輸出電壓， Ur 與Uback經(jīng)誤差器后輸出至比例積分器得到電流環(huán)的基準信號I r ; 通過電流取樣電阻得到非隔離Buckbo ost 變換器的電感電流I back , 經(jīng)比例器得到I of 。通過運算器和比例積分器后得到誤差電壓Ue , 誤差電壓Ue 與三角波T r1 比較得到PWM 波， 控制開關(guān)管V5 , V6 的導(dǎo)通或截止。

圖3  平均電流控制圖

　　在軟件設(shè)計時， 設(shè)置PWMCON1 寄存器的PMOD位置1, 使dsPIC30F2010 的PWM 為獨立工作模式； 設(shè)置PT MR 寄存器得到基準時基， 配置周期寄存器PTPER 的值， 得到需要頻率的三角波， 將AD 采樣結(jié)果送至PDC, 進行占空比設(shè)置。

　　3  仿真實驗及結(jié)果分析

　　利用Mat lab 中SIMULINK 模塊進行本設(shè)計仿真驗證， 其中， 級半橋結(jié)構(gòu)采用開環(huán)控制方式， 在第2 級非隔離Buckboost 中采用外電壓環(huán)和內(nèi)電流環(huán)控制。如圖4 所示。

圖4 整體仿真電路圖

　　在半橋變換器結(jié)構(gòu)中， 為了防止上下橋臂同時導(dǎo)通， 需要設(shè)置一定的死區(qū)時間， 讓上下橋臂交替導(dǎo)通， 開關(guān)頻率f = 50 kHz, 上下橋臂的占空比各為0. 3, 輸入電壓為400 V, 在紋波電流為10% , 紋波電壓為1% 的條件下， 計算輸出濾波電感為L 1= 25 H, 輸出濾波電容為C11= 612. 5 F, 負載電阻R5 = 0. 15  , 變壓器變比為N s / N p= 20。

　　圖5 給出了降壓時變壓器原邊副邊電壓波形和電池充電電壓與電流波形， 如圖5（ a） 所示， 在輸入電壓為400 V 的情況下， 由于原邊電容分壓使原邊繞組上電壓幅值為200 V, 副邊繞組電壓為10 V, 圖5（ b） 為輸出電壓和電流波形， 在開始啟動后經(jīng)過一個上升期， 充電電壓穩(wěn)定在3 V, 充電電流穩(wěn)定與20 A。

圖5 降壓仿真結(jié)果波形圖

　　圖6 給出了升壓時電池側(cè)放電電流與電壓波形， 母線側(cè)電流與電壓波形， 如圖6（ a） 電池放電電壓電流波形圖， 電池放電電壓為3 V, 輸出電流經(jīng)過一個周期后穩(wěn)定在20 A; 圖6（ b） 為放電時母線側(cè)電壓和電流波形，輸出電壓經(jīng)過一個周期后400 V, 電流恒定在0. 05 A。

圖6  升壓仿真結(jié)果波形圖

　　4  結(jié)語

　　本文提出兩級雙向DC/ DC 拓撲結(jié)構(gòu)， 此拓撲的電路結(jié)構(gòu)簡單， 由雙向半橋變換器和雙向Buckboost 變換器進行組合， 改善了單級半橋式雙向變換器在電壓輸入較低時變換性能差的缺點， 通過對該變換器在低壓側(cè)為3 V 時進行升壓仿真和高壓側(cè)在400 V 時進行降壓仿真， 分析結(jié)果表明， 該雙向DC/ DC 拓撲結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)大輸入與輸出電壓壓差的變換。

參考文獻:

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