王 銳，李 俊，阮 會(huì)

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基于移相多重的電池充放電設(shè)備

王 銳，李 俊，阮 會(huì)

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所, 武漢 430064）

本文主要介紹了鋰電池充放電設(shè)備的應(yīng)用，分析了移相多重算法、PWM整流原理及硬件實(shí)現(xiàn)，并且首次將移相多重算法應(yīng)用于大功率電池充放電設(shè)備中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)備能夠在不增加體積和散熱面積下，系統(tǒng)容量提高一倍，等效控制頻率提高一倍，響應(yīng)速度加快，系統(tǒng)諧波和紋波降低，其噪聲也大大降低，具有很好的應(yīng)用前景。

移相多重 電池充放電設(shè)備 整流斬波

0 引言

近年來隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保越來越重視，社會(huì)對(duì)電力設(shè)備容量和質(zhì)量的需求日益增加，帶動(dòng)了新能源行業(yè)的迅猛發(fā)展。在新能源行業(yè)，電動(dòng)汽車的充電樁及各種電力電子裝置，尤其是對(duì)單體電池、動(dòng)力電池組進(jìn)行性能測(cè)試的電池充放電設(shè)備，都是影響新能源發(fā)展的非常重要和關(guān)鍵的設(shè)備。如何提高電力電子變流裝置的容量，改善其輸出性能是現(xiàn)代電力電子技術(shù)重要的發(fā)展方向之一。

本文介紹的電池充放電設(shè)備采用了先進(jìn)的電力電子器件和現(xiàn)在流行的人際界面和模塊化控制，使用了先進(jìn)的多重移相技術(shù)，各種指標(biāo)和性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，整套裝置容量最高可達(dá)240 kW,分四路可獨(dú)立和并聯(lián)運(yùn)行，每個(gè)模塊可輸出最大電壓750 V，最大電流250 A，前段采用IGBT全控整流和逆變，后段采用buck降壓電路和boost升壓電路進(jìn)行斬波，整流和斬波部分采用多重移相化技術(shù)如圖1。整流部分為兩組IGBT全控橋并聯(lián)，相位角180°，輸出部分由兩個(gè)IGBT作移相控制，相位相差半個(gè)周期，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明其性能指標(biāo)都能滿足大功率電池充放電測(cè)試的要求。

1 多重化移相方式及實(shí)現(xiàn)原理

隨著整流裝置功率的進(jìn)一步擴(kuò)大，它所產(chǎn)生的諧波、無功功率等對(duì)電網(wǎng)的干擾也隨之加大，為減輕干擾，采用多重化整流電路。PWM整流器的多重疊加法，可以使低開關(guān)頻率的SPWM整流器獲得較好的輸入電流波形，使交流輸入電流更接近于正弦波形，電流和電壓同相位，提高功率因數(shù)。由于PWM控制的整流器，容易產(chǎn)生載波及其邊頻帶的的諧波，但加大載波頻率，又會(huì)產(chǎn)生較高的開關(guān)損耗和IGBT發(fā)熱，使裝置的效率下降，多重化PWM整流電路中載波頻率無需選得很高，可以更有效地降低開關(guān)損耗和諧波含量，實(shí)現(xiàn)用較低的開關(guān)頻率等效更高的開關(guān)頻率的效果，這對(duì)由GTO和IGBT等構(gòu)成的高壓大功率裝置非常有利，所以多重化PWM整流器適合于高壓、大電流等大功率應(yīng)用場(chǎng)合。

1.1 三相電壓型二重整流電路

三相電壓型二重化整流電路的基本構(gòu)成如圖2所示，該電路由兩個(gè)三相橋式整流電路構(gòu)成，既可以作整流電路，也可以逆變輸出。輸入電壓通過變壓器T1和T2并聯(lián)。 兩個(gè)整流電路均為180°導(dǎo)通方式，工作時(shí)，整流單元II和整流單元I三角載波用同一個(gè)正弦波進(jìn)行調(diào)制。

由式(5)可知，采樣疊加后是交流輸入電流波形變成4階梯的PWM波，在輸入電流中雙重傅里葉級(jí)數(shù)中將不再含2F±1次以下的低諧波成分，只包含2F±1次以上的諧波成分，使輸入交流電流波形得到明顯改善。

1.2 PWM整流器實(shí)現(xiàn)原理

PWM整流器實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示，母線電壓控制采用PI控制器，母線控制參考電壓通過初始化直接給定，反饋采樣母線電壓的值，PI輸出經(jīng)限幅后作電流id控制環(huán)的給定，然后通過2r/2s、2s/3s變換輸出作PWM控制的參考輸入電壓信號(hào)，再經(jīng)SVPWM調(diào)制控制IGBT的占空比（CMPR值），交流電壓通過3s/2s計(jì)算電角度、電流通過3s/2s、2s/2r變換作有功電流環(huán)和無功電流環(huán)的反饋。

1.3 二重化整流器硬件的實(shí)現(xiàn)

二重化整流器控制器硬件總體結(jié)構(gòu)如圖4，控制核心為TI公司TMS320F2812DSP芯片，其晶振頻率為120 MHz，控制周期1/8ms，加上相應(yīng)的硬件電路，完成交流電壓和電流信號(hào)、直流母線的采樣、調(diào)理、A/D變換，脈沖控制信號(hào)的產(chǎn)生，放大，及控制信號(hào)的輸出。

1.4 二重化斬波

2 結(jié)論

多重化PWM整流器在某些方面要優(yōu)于提高開關(guān)頻率的單整流系統(tǒng)。在不改變開關(guān)頻率,即不增加開關(guān)損耗的情況下，通過采樣周期移相控制能有效降低網(wǎng)側(cè)電流的諧波，功率因數(shù)達(dá)到0.99，THD也達(dá)到3.3%。二重化斬波不降低開關(guān)頻率情況下，電流輸出能力提高一倍，紋波大大減低如上圖6、7。將移相多重技術(shù)應(yīng)用在我們充放電設(shè)備上將大大提高我們?cè)O(shè)備的輸出能力，并且能夠保證其性能指標(biāo)。

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Battery-Charging and Discharging Device with Carrier-shifting

Wang Rui, Li Jun, Ruan Hui

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

This paper mainly introduces a charging and discharging device of lithium batteries, and gives the carrier-shifting algorithm, PWM rectifier principle and hardware. It is the first time to apply carrier-shifting multiple algorithm to harging and discharging device of high power batteries. Experimental results show that when the capacity and heat dissipation area of the device is not increased , the system capacity is doubled while equivalent control frequency is doubled and response speed is picked up, the harmonic and ripple of the system is reduced ,and the noise is greatly reduced.

carrier-shifting; battery-charging and discharging device; equipment rectifier chopper

TM911

A

1003-4862（2015）07-0053-04

2015-03-09

王銳(1985-)，男， 工程師，碩士。專業(yè)方向：電力電子。