陳尊杰，初 晨，金 平

（1.國(guó)網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江杭州 311608；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京 211106）

隨著能源與環(huán)境問題的日益突出，新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)[1-3]。鉛酸蓄電池因其具有工作特性平穩(wěn)、價(jià)格低廉、安全可靠等優(yōu)勢(shì)[4]，被廣泛應(yīng)用于新能源、通信等領(lǐng)域[5]，在國(guó)家電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略中占有重要地位[6]。單體蓄電池一般電壓較低且輸出功率小，實(shí)際應(yīng)用中為滿足系統(tǒng)的電壓、功率等參數(shù)要求，通常會(huì)將多節(jié)單體蓄電池串并聯(lián)以組成電池組[7-9]，而成組的蓄電池面臨的主要問題就是由單體蓄電池的一致性差異導(dǎo)致的[10]。單體電池一致性差異導(dǎo)致的一系列問題會(huì)對(duì)系統(tǒng)安全性、電池壽命以及電池利用率造成嚴(yán)重的負(fù)面影響[11]。為解決電池組在實(shí)際過程中由于一致性差異造成的不良影響，需要電池管理電路來(lái)對(duì)電池組中單體蓄電池充放電行為進(jìn)行調(diào)整控制[12-14]，以保障使用安全和電池組高效運(yùn)行。文中以電池管理單元為背景，設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)雙向DC-DC 變換器的電池管理單元，可實(shí)現(xiàn)兩側(cè)開光管的軟開關(guān)，滿足實(shí)際工程參數(shù)要求。

1 電池管理電路的原理

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

根據(jù)鉛酸蓄電池的實(shí)際參數(shù)和運(yùn)行工況，并考慮到實(shí)際可行性，確定所研究的電池充放電管理電路的結(jié)構(gòu)為如圖1 所示的兩級(jí)雙向DC-DC 變換器。原邊全橋H1、原邊電感Lrp、高頻變壓器T、原邊電容Crp、副邊電感Lrs、副邊電容Crs、副邊全橋H2構(gòu)成前級(jí)（CLLC 隔離諧振）變換器結(jié)構(gòu)，C1為母線濾波電容，輸出全橋H3、輸出濾波電感Lo、輸出濾波電容C2構(gòu)成后級(jí)（雙極性Buck/Boost）變換器，高壓側(cè)V1=48 V 直接連接到蓄電池組兩端（電池組由24 節(jié)單體鉛蓄電池串聯(lián)而成），低壓側(cè)V2=2 V 接單體蓄電池，利用蓄電池組與單體電池之間的能量差實(shí)現(xiàn)對(duì)單體電池充放電管理。

表1 該文鉛酸蓄電池的規(guī)格參數(shù)

圖1 兩級(jí)雙向DC-DC變換器

1.2 前級(jí)CLLC隔離諧振變換器的運(yùn)行原理

1.2.1 CLLC隔離諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

前級(jí)CLLC 變換器在高頻變壓器一次側(cè)和二次側(cè)分別存在一個(gè)LC 串聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)，并且將勵(lì)磁電感Lm也引入諧振網(wǎng)絡(luò)。正向運(yùn)行時(shí)，變壓器勵(lì)磁電感Lm可等效至一次側(cè)，與原邊諧振電感Lrp和原邊諧振電容Crp構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)。反向運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電感Lm則等效至二次側(cè)，與副邊諧振電感Lrs和副邊諧振電容Crs構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)。

1.2.2 變頻控制方式的運(yùn)行機(jī)理

CLLC 諧振變換器有fr1和fr2兩個(gè)諧振頻率[15]。fr1為原邊諧振電感Lrp與原邊諧振電容Crp發(fā)生諧振時(shí)的諧振頻率。而fr2為勵(lì)磁電感Lm加入LC 諧振網(wǎng)絡(luò)時(shí)的諧振頻率。諧振頻率如下式所示：

根據(jù)工作頻率fs和fr1的大小關(guān)系，CLLC 諧振變換器可以分為三種運(yùn)行情況:

1）當(dāng)fs＞fr1時(shí)，此時(shí)整流側(cè)開關(guān)管電流連續(xù)，導(dǎo)致反向恢復(fù)電壓的出現(xiàn)，使得整流側(cè)開關(guān)管處于硬關(guān)斷狀態(tài)。

2）當(dāng)fs=fr1時(shí)，此時(shí)整流側(cè)開關(guān)管電流臨界連續(xù)，電流會(huì)自然過零，整流側(cè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZCS。

3）當(dāng)fs＜fr1時(shí)，當(dāng)iLrp=iLm，原邊諧振電感Lrp、原邊諧振電容Crp和勵(lì)磁電感Lm構(gòu)成諧振回路發(fā)生諧振，此時(shí)整流側(cè)開關(guān)管電流斷續(xù)，整流側(cè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZCS。

1.2.3 移相控制方式的運(yùn)行機(jī)理

定義α為移相時(shí)間，Ts為開關(guān)周期，忽略死區(qū)時(shí)間的影響，則移相控制的占空比為：

移相控制時(shí)，逆變側(cè)的驅(qū)動(dòng)波形示意圖如圖2所示。

圖2 移相控制驅(qū)動(dòng)波形示意圖

當(dāng)CLLC 變換器采用移相控制方式時(shí)，開關(guān)頻率fs與第一諧振頻率fr1相等[16]，其主要工作波形如圖3 所示。采用移相控制方式下，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)可分為10 種工作模態(tài)，但由于[t0，t5]工作過程和[t5，t10]類似，因此只分析[t0，t5] 的工作模態(tài)，具體分析過程如下：

圖3 CLLC變換器移相控制下的驅(qū)動(dòng)波形和電流電壓波形示意圖

1）工作模態(tài)1，[t0，t1]：t0時(shí)刻，開關(guān)管S3關(guān)斷。原邊電流iLrp給電容C3充電，對(duì)C4放電，iLrp=iLm。

2）工作模態(tài)2，[t1，t2]：t1時(shí)刻，開關(guān)管S4導(dǎo)通。C3充電至Vin，C4放電至零，寄生二極管D4導(dǎo)通。

3）工作模態(tài)3，[t2，t3]：t2時(shí)刻，開關(guān)管S1關(guān)斷。iLrp給電容C1充電，給C2放電。

4）工作模態(tài)4，[t3，t4]：t3時(shí)刻，整流側(cè)D5和D8導(dǎo)通，諧振腔輸出電壓被鉗位至Vo。

5）工作模態(tài)5，[t4，t5]：t4時(shí)刻，原邊諧振電感Lrp、原邊諧振電容Crp和勵(lì)磁電感Lm一同發(fā)生諧振，iLrp=iLm，且近似保持恒定，整流側(cè)D5和D8電流自然降為零，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。

之后t5時(shí)刻，開關(guān)管S4處于零電壓關(guān)斷狀態(tài)，后續(xù)[t5，t10]時(shí)刻的工作機(jī)理與[t0，t5]時(shí)刻類似，此處不再贅述。

1.3 后級(jí)Buck/Boost變換器的運(yùn)行原理

雙向Buck/Boost 變換器可看成由單向Buck 變換器和單向Boost 變換器反并聯(lián)構(gòu)成。本設(shè)計(jì)中，當(dāng)電路正向運(yùn)行時(shí)，后級(jí)Buck/Boost 變換器工作在Buck模式；電路反向運(yùn)行時(shí)，后級(jí)Buck/Boost 變換器工作在Boost 模式。

1.3.1 正向運(yùn)行原理

設(shè)計(jì)中正向Buck 電路工作在CCM 模式，開關(guān)管S9關(guān)斷，S10導(dǎo)通，開關(guān)管S11和S12互補(bǔ)導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)管S10和S11導(dǎo)通，S9和S12關(guān)斷時(shí)，電感儲(chǔ)存能量，電感電流上升；當(dāng)開關(guān)管S10和S12導(dǎo)通，S9和S11關(guān)斷時(shí)，電感向負(fù)載傳輸能量，電感電流持續(xù)下降。該模式下電路運(yùn)行波形示意圖如圖4 所示。

圖4 Buck電路波形示意圖

1.3.2 反向運(yùn)行原理

設(shè)計(jì)中反向Boost 電路也工作在CCM 模式。電路波形與圖4 類似。開關(guān)管S9關(guān)斷，S10導(dǎo)通，開關(guān)管S11和S12互補(bǔ)導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)管S10和S12導(dǎo)通，S9和S11關(guān)斷時(shí)，電感儲(chǔ)存能量，電感電流上升；當(dāng)開關(guān)管S10和S11導(dǎo)通，S9和S12關(guān)斷時(shí)，電感向負(fù)載傳輸能量。

2 驅(qū)動(dòng)電路關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路由電平轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率放大電路構(gòu)成。電平轉(zhuǎn)換電路采用TI 公司的SN74LVC2T45 芯片，其主要功能是將主控板3.3 V的信號(hào)放大至5 V，而且有一定的抗電磁干擾能力。功率放大電路利用Avago 公司制造的HCPL-J312 型驅(qū)動(dòng)光電耦合器對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)也起到電氣隔離的作用，其最小輸出電流為2 A，有利于提高驅(qū)動(dòng)速度。并在電路末端配置反向串聯(lián)的二極管D1和D2以達(dá)到鉗位限幅的作用，防止過高的驅(qū)動(dòng)電壓損壞驅(qū)動(dòng)電路元件。驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖5 所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

3 兩級(jí)雙向DC-DC變換器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 兩級(jí)雙向DC-DC變換器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

兩級(jí)雙向DC-DC 變換器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6 所示，包括直流源、控制板、驅(qū)動(dòng)板、主功率電路、蓄電池搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2 所示。

圖6 硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

表2 實(shí)驗(yàn)中的主要參數(shù)

3.2 正向運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

正向運(yùn)行時(shí)滿載（50 A）條件下的電路電流電壓及軟開關(guān)實(shí)驗(yàn)波形如圖7 所示。

圖7 滿載時(shí)VDS1、VGS1、iLrp、I2波形

從圖中可以看出，電路工作周期為10 μs，即工作頻率為100 kHz。滿載情況下，在開關(guān)管導(dǎo)通之前其兩端電壓都已經(jīng)下降至0，即逆變側(cè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS，符合設(shè)計(jì)要求。隨著負(fù)載的減輕，諧振電流iLrp的幅值逐漸減小，并且波形更加接近三角波。

3.3 反向運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

反向運(yùn)行時(shí)滿載（3 A）條件下的電路電流電壓及軟開關(guān)實(shí)驗(yàn)波形如圖8 所示。

圖8 滿載時(shí)VDS7、VGS7、iLrs、I1波形

從圖中可以看出，電路工作周期為10 μs，即工作頻率為100 kHz。滿載情況下，逆變側(cè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS，符合設(shè)計(jì)要求。并且隨著負(fù)載的減輕諧振電流iLrs幅值逐漸減小，波形也更加接近三角波，接近勵(lì)磁電流iLrm理論波形。

由上述對(duì)實(shí)驗(yàn)波形的分析可知，所設(shè)計(jì)的兩級(jí)電路在正、反向工作時(shí)都能夠滿足工程運(yùn)行參數(shù)要求，同時(shí)在全部工況下都實(shí)現(xiàn)了整流側(cè)MOSFET的ZVS。

4 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)了一種基于兩級(jí)雙向DC-DC 變換器的電池管理電路，經(jīng)過硬件實(shí)驗(yàn)測(cè)試，理論計(jì)算與實(shí)際結(jié)論基本一致，所設(shè)計(jì)的電路能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池與直流母線之間的能量交換，完全對(duì)稱的CLLC 諧振變換器具有良好的軟開關(guān)特性和雙向一致性，證明了設(shè)計(jì)方案的可行性。