丁　堯　　袁　杰　　沈慶宏（.南京大學(xué)金陵學(xué)院，江蘇 南京 0089；.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 0093）

一種基于混合法充電模式的混合電源均衡充電控制單元設(shè)計(jì)

丁堯1袁杰2沈慶宏2
（1.南京大學(xué)金陵學(xué)院，江蘇 南京 210089；2.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210093）

為了滿足目前電子設(shè)備對離線供電的要求，特別是分布式電源管理和大電流放電的具體目的。本文在分析研究均衡充電和超級(jí)電容的工作原理基礎(chǔ)上，提出了一種基于打斷式充電方法。通過仿真和對四節(jié)單體樣品充電，得出這種DC/DC+開關(guān)矩陣的充電方法，在對單體數(shù)目較少的分布式電源進(jìn)行充電時(shí)，可以起到均衡充電的作用。

分布式電源管理；超級(jí)電容；均衡充電；DC/DC

一、前言

隨著便攜式電子儀器設(shè)備、數(shù)字移動(dòng)終端、電動(dòng)力機(jī)車等電子技術(shù)裝備的高速發(fā)展，特別是一些負(fù)載用電子設(shè)備的投入使用，由于其具有峰值功率高但平均功率低的特點(diǎn)，因此在峰值期間，需要電源提供較大的電流輸出。廣泛使用的蓄電池具有功率密度小、充放電慢等缺點(diǎn)，如果要滿足大電流輸出的需求，需要蓄電池具有很大的容量，這會(huì)增加設(shè)備負(fù)載，同時(shí)大電流放電也會(huì)對電池的壽命產(chǎn)生影響。超級(jí)電容作為一種新型儲(chǔ)能元件，具有快速充放電、循環(huán)使用壽命長、功率密度大、工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安全無毒等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)非常適用于脈動(dòng)性負(fù)載，但其能量密度低，無法取代傳統(tǒng)蓄電池來獨(dú)立給負(fù)載進(jìn)行供電。目前常見的是將蓄電池能量密度大、超級(jí)電容功率密度大等特點(diǎn)結(jié)合，設(shè)計(jì)一種混合電源來提高電源峰值輸出功率、減少電源體積質(zhì)量投入應(yīng)用。

圖1 目前常用均衡充電方法分類

圖2 多繞組變壓器法原理圖

然而單模塊的混合電源額定電壓為3.2V，無法滿足高電壓設(shè)備的輸出需求，因此需要將這種混合電源進(jìn)行串并聯(lián)，來滿足設(shè)備的供電需求。而組合電源中單體的過度充放電則會(huì)降低電源組使用壽命，甚至可能會(huì)發(fā)生爆炸威脅設(shè)備安全。造成單體電源過度充放電的最根本原因是由于電源組內(nèi)各單體電源間的容量差異，解決這個(gè)問題的方法之一是均衡充電，目前研究主要側(cè)重于兩部分：一部分是對均衡充電電路拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)，另一部分是對均衡控制策略的研究。關(guān)于對均衡充電電路拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)，主要有電阻放電均衡法、開關(guān)電容法、開關(guān)電感法、DC/DC法、多繞組變壓器法等。目前常用的均衡法主要存在均衡時(shí)間長、缺乏普適性等問題，同時(shí)采用基于電池外壓一致性來判據(jù)均衡存在不穩(wěn)定性等因素。如何快速高效的對電源組內(nèi)單體電源均衡充電，是目前業(yè)內(nèi)研究的一個(gè)重要方向。

本項(xiàng)目從超級(jí)電容入手，以四個(gè)混合電源串聯(lián)為研究對象，基于DC/DC法，利用開關(guān)矩陣，采用多平衡充電復(fù)合設(shè)計(jì)思路，提出交叉充電設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)一種電源管理系統(tǒng)，建立相關(guān)充放電數(shù)學(xué)模型，提出一種快速充電方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

二、常用均衡充電方法介紹

如圖1所示，常用的均衡充電方法可以依據(jù)能量損耗分為能耗型和非能耗型，其中能耗型均衡是通過在電源組中各單體電源兩端分別并聯(lián)分流電阻，通過分流電阻對容量高的單體電池進(jìn)行放電，直至所有單體電池容量在同一水平。這種電路設(shè)計(jì)簡單，成本低，但分流電阻會(huì)一直處在工作狀態(tài)，將單體電源的能量以熱量的形式消耗掉，一般適用于能量充足、散熱良好的場合。本項(xiàng)目主要就非耗散型均衡電路進(jìn)行研究，常見的非能耗型均衡電路有多繞組變壓器法、開關(guān)電容法、開關(guān)矩陣串并聯(lián)轉(zhuǎn)換充電法、DC/DC法，其原理如圖2、圖3、圖4、圖5所示，上述各種方法的優(yōu)缺比較見表1。

圖3 開關(guān)電容法原理簡圖

圖4串并聯(lián)轉(zhuǎn)換充電法

常見的DC/DC有升壓型、降壓型和升降壓型三種，考慮到適用范圍，本文選取了升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器。升降壓電路原理如圖5所示，既可以作為降壓電路來使用，又可以做為升壓電路來使用，其中L為電感，D為單向?qū)ǘO管，C為電容，T為功率管，當(dāng)T的控制端輸入整脈沖電壓時(shí)，T正向?qū)?，為零時(shí)截止。功率管導(dǎo)通階段，由于D的存在，輸入電流通過T和L后返回，此時(shí)VL=Vi，電感電流逐步增大。當(dāng)?shù)絫1時(shí)刻，T斷開，輸入電壓Vi與后端斷開，L的電流經(jīng)過負(fù)載后通過D返回，同時(shí)電容C上的電流也通過負(fù)載返回負(fù)端。電感電流逐步減少，電壓反向，電感作為能量源，此時(shí)電感電壓VL=Vo。

功率管導(dǎo)通階段，電感電流：

功率管關(guān)斷階段，電感電流：

根據(jù)電流平衡原理：

其中D=t1/T為占空比。

從上述可以看出，輸入電壓與輸出電壓的比值可以通過輸入方波的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，即依據(jù)輸入電壓的變化，通過控制DC/DC電路控制端的方波輸入，實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定。

DC/DC充電法的原理如圖6所示，是利用DC/DC模塊并聯(lián)充電單體來進(jìn)行恒壓充電，當(dāng)電源單體電壓低于其額定值時(shí)進(jìn)行充電，監(jiān)測到其電壓值達(dá)到額定電壓時(shí)關(guān)閉該DC/DC模塊。該方法系統(tǒng)電源可以同時(shí)對各個(gè)電源單體進(jìn)行充電，精度高，損耗少，充電速度快，但是由于DC/DC模塊的數(shù)量與電源單體數(shù)量相等，當(dāng)電源單體串聯(lián)數(shù)量較多時(shí)，整個(gè)電路系統(tǒng)會(huì)變得非常龐大、復(fù)雜，成本也變得比較高。

圖5 升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器原理簡圖

三、一種改進(jìn)新型的均衡充電電路設(shè)計(jì)

對比上述幾種均衡充電電路，針對其優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種以FPGA為核心，基于開關(guān)矩陣和DC/DC組合的新型的均衡充電電路，這種電路僅采用一個(gè)DC/DC模塊，通過開關(guān)矩陣進(jìn)行循環(huán)充電。由于采用一個(gè)DC/DC模塊保證了均衡充電的精確性，同時(shí)電路成本也有所降低，但這種方法受開關(guān)矩陣工作限制，不適用于過多的電容充電，如果需要對多個(gè)超級(jí)電容充電，則可以將其分組采用該方法，然后組間采用并聯(lián)模式進(jìn)行均衡充電。

該系統(tǒng)原理如圖7所示，其中左側(cè)為充電模塊，右側(cè)為監(jiān)控模塊。系統(tǒng)具體工作流程如下：FPGA對DC/DC模塊進(jìn)行波形控制，變壓后輸出對各個(gè)單體電源進(jìn)行充電，充電目標(biāo)由FPGA控制開關(guān)矩陣進(jìn)行選擇。開關(guān)矩陣由SW1、SW2、SW3、SW4單刀四置開關(guān)和一個(gè)單刀開關(guān)SW5組成，充電時(shí)，首先將SW5斷開，當(dāng)四個(gè)四置開關(guān)均至1位置時(shí)，DC/DC模塊將對單體電源1進(jìn)行充電。同理可以分別對單體電源2、3、4進(jìn)行充電，充電完畢后四個(gè)四置開關(guān)斷開，SW5閉合。FPGA通過AD1實(shí)時(shí)監(jiān)控充電電流，并依據(jù)采樣值對DC/DC模塊和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。在充電過程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測電源單體電壓，監(jiān)測值通過光耦將數(shù)據(jù)耦合到AD2，采樣后送至FPGA分析，來控制開關(guān)矩陣，分別對單體電源模塊1、2、3、4充電。

圖7 一種復(fù)合式均衡充電設(shè)計(jì)原理框圖

四、針對超級(jí)電容的打斷法充電方式的改進(jìn)

傳統(tǒng)的充電方式多采用“先恒流后恒壓”的兩段式充電方式，該方法可以避免尖峰電流對單體電源和DC/DC電路的沖擊，起到保護(hù)設(shè)備的作用。第一階段采用恒流方式，單體電源電壓隨著時(shí)間的逐步升高，當(dāng)單體電源電壓達(dá)到一定值后，轉(zhuǎn)入恒壓模式，充電電流逐步降低，直至充滿。本項(xiàng)目就第一階段充電過程進(jìn)行分段處理，采用打斷方式進(jìn)行充電，既保護(hù)了單體電源中的超級(jí)電容，對充電時(shí)間也沒有明顯的影響。具體工作原理如下：FPGA通過A/D采樣系統(tǒng)電壓電流，當(dāng)電流值過大時(shí)，則 FPGA 芯片關(guān)閉 DC/DC 模塊的控制端幾個(gè)周期，此時(shí) DC/DC 模塊處于不工作狀態(tài)，則充電電流迅速下降，超級(jí)電容器單體電壓值不再上升，然后 FPGA芯片打開開關(guān)，繼續(xù)對 PWM 端進(jìn)行控制，這樣就可以維持充電電流基本恒定，當(dāng)電源單體電壓升高到一定值后，充電方式改為恒壓充電，即將DC/DC模塊PWM控制端的方波占空比固定，直至單體電源充電到額定電壓，完成對該電源單體的充電，然后切換開關(guān)位置，對下一個(gè)電源模塊充電。

根據(jù)充電方法，F(xiàn)PGA的控制流程如圖8所示，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有開關(guān)均置1的位置對超級(jí)電容器C1進(jìn)行充電控制，DC/DC電路的PWM端采用占空比D=d的波形進(jìn)行充電，當(dāng)檢測到充電電流偏大時(shí)，關(guān)閉PWM端，此時(shí)D=0，充電電流下降，當(dāng)充電電流I下降至所要求電流以下時(shí)打開PWM端的控制繼續(xù)進(jìn)行D=d的充電模式，直至超級(jí)電容器C1的電壓值已充至要求值，然后采用恒壓的方式進(jìn)行充電即D為固定值充電至其額定電壓，然后轉(zhuǎn)換開關(guān)至下一個(gè)超級(jí)電容器單體，如此輪循，最后完成對整個(gè)超級(jí)電容器組的均衡充電。

圖8 FPGA控制流程圖

圖9 間斷式充電仿真效果

五、總結(jié)與分析

本項(xiàng)目綜合幾種均衡充電方法，提出一種基于開關(guān)矩陣和DC/DC的均衡充電系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)的充電系統(tǒng)建立相關(guān)模型，充電過程中采用間斷式充電方法，保證單體電源中的超級(jí)電容工作在額定電流范圍內(nèi)，充電過程仿真如圖9所示。

項(xiàng)目以四節(jié)maxwell的BCAP0350超級(jí)電容為充電單體樣本，其額定電壓為2.7V，額定容量為350F。采用該方法充電，均衡完成后，四個(gè)電容器單體電壓值如表1所示，同組最大單體誤差為0.07V，基本達(dá)到了均衡充電目的。

從本項(xiàng)目仿真及驗(yàn)證效果來看，采用了DC/DC+開關(guān)矩陣模式，減少了直流轉(zhuǎn)換模塊，增加了開關(guān)矩陣網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)電源組中電源單體數(shù)目增加時(shí)，開關(guān)矩陣的復(fù)雜度會(huì)成本增加。本項(xiàng)目提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法可以應(yīng)用與單體數(shù)目較少的工作環(huán)境，針對單體數(shù)目較多的情況，可以采用多組并聯(lián)的方式進(jìn)行。如何平衡組內(nèi)單體充電時(shí)間與單體成組數(shù)目，是下一個(gè)階段的研究方向。

表2 充電結(jié)果測量值

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