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        動力電池檢測用雙向DC/DC 變換器設(shè)計

        2024-04-20 17:09:52賈超蔣曉明
        電子制作 2024年7期
        關(guān)鍵詞:恒流動力電池充放電

        賈超,蔣曉明

        (1.五邑大學智能制造學部,廣東江門,529020; 2.廣東省科學院智能制造研究所,廣東廣州,510070)

        0 引言

        隨著我國“2030 年實現(xiàn)碳達峰、2060 年實現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略目標提出,新能源汽車市場迎來爆發(fā)式增長,鋰離子動力電池以其高功率和高能量密度等優(yōu)勢成為電動汽車最為廣泛的動力源[1]。與此同時,對電池檢測設(shè)備的技術(shù)要求也越來越高。電池檢測設(shè)備指通過控制下的充放電,對電池或電池材料的電化學性能進行記錄、測試分析的設(shè)備,也稱為化成設(shè)備。在動力電池的化成生產(chǎn)過程中,對電源模塊輸出的電流和電壓精度有著非常高的要求[2],且功率需求也日益增大。當單個電源模塊無法滿足系統(tǒng)功率需求時,可采用多模塊并聯(lián)運行[3]方式,以提高系統(tǒng)的功率、效率以及可靠性。

        在實際系統(tǒng)中,由于各模塊的阻抗特性存在差異,將引起變換器各通道電流不均衡,造成各模塊負荷工作不一致,從而影響系統(tǒng)的可靠性[4]。因此,為了保證多模塊并聯(lián)變換器的高效穩(wěn)定運行,各通道電流均衡控制顯得極為重要。目前并聯(lián)型電路的電流均衡控制策略主要分為兩大類:輸出阻抗法和有源均流法[5~6]。

        輸出阻抗法旨在調(diào)節(jié)并聯(lián)電路的輸出阻抗,達到近似均流的目的[7~8],該實現(xiàn)方式較為容易。但由于該均流方式主要依賴于調(diào)節(jié)輸出阻抗來實現(xiàn)均流,導致其負載調(diào)節(jié)能力有所降低[9];且隨著輸出電流的逐漸增加,其輸出電壓也會下降,因此該均流控制方法不適用于高性能、高功率的應(yīng)用場合。

        有源均流法在并聯(lián)型電路中,通過對各模塊電流檢測并對其不平衡進行補償[10~11]以實現(xiàn)電流的均衡,可分為平均電流均流法、主從均流法和最大自動均流法。其中,主從均流法是將主相的電感電流被測量作為參考值,而從相的電感電流通過調(diào)節(jié)輸出后跟隨主相電感電流進行調(diào)節(jié),使得各相的電流保持均衡。然而,這種方式均流性能過度依賴主相,一旦主模塊出現(xiàn)故障,整體電源系統(tǒng)將無法正常工作。

        隨著數(shù)字控制技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)字均流技術(shù)[12~13]在并聯(lián)型變換器中的應(yīng)用越來越受到研究人員的關(guān)注和重視,且已經(jīng)取得了較為豐富的研究成果。綜上分析,本文設(shè)計了基于TMS320F28075 控制的多模塊并聯(lián)雙向DC/DC 變換器,選取軟件數(shù)字控制方式,對各通道輸出電流獨立采樣檢測,反饋至DSP 控制系統(tǒng)調(diào)節(jié),采用PI 雙閉環(huán)控制算法,實現(xiàn)了恒流、恒壓、恒流恒壓三種工作模式,其輸出電壓電流能夠穩(wěn)定輸出。

        1 系統(tǒng)設(shè)計方案

        如圖1 所示,動力電池檢測系統(tǒng)主要由雙向AC/DC 變換器、雙向DC/DC 電路、驅(qū)動電路、DSP 控制電路、人機交互界面以及動力電池等部分組成。

        圖1 動力電池檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        系統(tǒng)工作時,由人機交互界面下發(fā)充放電指令:充電模式下,380V 交流電經(jīng)AC/DC 變換器整流轉(zhuǎn)化為15V 直流電,DC/DC 變換器處于Buck 降壓狀態(tài),15V 直流電經(jīng)轉(zhuǎn)換對動力電池充電;放電模式下,該變換器處于Boost 升壓狀態(tài),電池內(nèi)部電能經(jīng)DC/DC 變換器升壓后,再經(jīng)雙向AC/DC 變換器逆變?yōu)?80V 交流電,實現(xiàn)能量向電網(wǎng)的反饋。

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

        2.1 功率單元設(shè)計

        本文設(shè)計的雙向DC/DC 變換器以非隔離型的Buck/Boost 拓撲為核心電路,采用四通道并聯(lián)方式滿足大功率需求,拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中,Vdc為變換器輸入端電壓,Vbat為電池側(cè)端電壓;L1~L4分別為變換器各支路儲能電感;電阻R1、R2、R3、R4分別為各通道電流采樣電阻;Ci、Co1、Co2、Co3和Co4濾波電容。

        圖2 多模塊并聯(lián)雙向DC/DC 變換器拓撲

        為降低動態(tài)損耗,提高能量轉(zhuǎn)換效率,單模塊Buck/Boost 電路采用同步整流方式,使用低導通損耗的MOSFET管取代傳統(tǒng)電路中二極管作為整流管。其次采用交錯驅(qū)動方式,以減小電流紋波,各模塊開關(guān)頻率和占空比相同,模塊間驅(qū)動信號依次交錯90°[14]。

        2.2 采樣電路設(shè)計

        動力電池檢測過程中最重要的兩項指標為電壓和電流,在檢測系統(tǒng)中對電流、電壓的精度有著很高的要求,所以設(shè)計好的電壓、電流采樣電路是非常重要的。

        2.2.1 電壓采樣電路設(shè)計

        如圖3 所示,電壓采樣電路選用四階巴特沃斯低通濾波電路設(shè)計結(jié)構(gòu),利用精密運放和精密電阻的優(yōu)勢,實現(xiàn)了高精度信號采集和濾波處理,為系統(tǒng)提供了可靠的信號質(zhì)量和穩(wěn)定性。

        圖3 電壓采樣電路

        2.2.2 電流采樣電路設(shè)計

        檢測系統(tǒng)對動力電池進行充放電時,其電流較大,若采用串聯(lián)電阻進行電流采樣,損耗過高。為了能夠精確無損檢測恒流工作時電流,如圖4 所示,本設(shè)計電流采樣選擇矩陣光電CF300PC-VCT 霍爾電流傳感器,滿足樣機在實際使用中檢測電流范圍為-180A~180A 的要求。

        圖4 CF300PC-VCT 霍爾電流傳感器

        如圖5 所示,電流采樣電路類似于電壓采樣電路,將霍爾采樣到的電流信號經(jīng)過高精密電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號[15],通過濾波電路輸入到ADC 模塊中。

        圖5 電流采樣電路

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        3.1 控制系統(tǒng)框架

        本設(shè)計采用TI 的TMS320F28075 作為控制芯片,其運算能力強,處理速度快,具有24 路PWM 通道,其中16路通道為高分辨率PWM(HRPWM)。如圖6 所示,本設(shè)計采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制,且每條支路電流內(nèi)環(huán)相互獨立工作,以實現(xiàn)各模塊電流均衡,均為PI 調(diào)節(jié)。其中,Uref、Iref分別為電壓電流給定值,Uo、Io1~ Io4分為采樣值。在系統(tǒng)恒流運行模式下,電流環(huán)起到調(diào)節(jié)作用,通過監(jiān)測輸出電流并進行反饋控制,以確保電流穩(wěn)定輸出,此時,電壓環(huán)起到了過壓關(guān)斷保護作用;在恒壓工作模式下,電壓環(huán)起到調(diào)節(jié)作用,通過監(jiān)測輸出電壓進行反饋控制,此時電流環(huán)則承擔過流關(guān)斷作用。

        圖6 系統(tǒng)雙閉環(huán)控制框圖

        3.2 充放電控制策略

        動力電池檢測過程主要包含充電和放電兩個環(huán)節(jié),常規(guī)充放電策略有恒流充電法、恒壓充電法以及恒流放電法[16]:(1)恒流充電法指在電池充電全過程中充電電流恒定不變,電壓逐漸升高,當電池電壓升高到設(shè)定值,充電停止;(2)恒壓充電法指在電池充電全過程中充電電壓恒定不變,充電瞬間電壓迅速達到設(shè)定值,此時電流值處于峰值狀態(tài),隨后電流逐漸降低,達到設(shè)定值后,充電停止;(3)恒流放電法指在電池放電全過程中放電電流恒定不變,電壓逐漸減小,當電池電壓達到保護值時,放電停止。根據(jù)上述過程,具體的程序設(shè)計流程如圖7 所示。

        圖7 充放電控制策略流程圖

        4 實驗測試

        為驗證所設(shè)計電源模塊工作效率以及在不同工作模式下輸出精度和穩(wěn)定性,搭建了如圖8 所示平臺。

        圖8 實驗測試平臺

        4.1 恒流充電模式系統(tǒng)效率測試

        將變換器輸出通道輸出連接至電子負載,負載設(shè)置為CV 模式,根據(jù)常規(guī)單體動力電池2.5V~4.2V 工作電壓需求,負載測試電壓值分別設(shè)定為3V、4V 和4.5V,負載電流測試范圍為18~180A。變換器轉(zhuǎn)換效率如圖9 所示,對比發(fā)現(xiàn),負載電流為72A 時峰值效率最高可達88.5%。

        圖9 恒流充電模式轉(zhuǎn)化效率

        4.2 充放電電流電壓精度測試

        首先測試電源模塊恒流模式狀態(tài)下不同設(shè)定值的輸出電流精度,在輸出端和電池負載之間串入1mΩ 高精密分流器,采用的德科技34465A 六位半萬用表檢測分流器兩端電壓值獲取對應(yīng)恒流輸出設(shè)定值的實際電流值。測試結(jié)果如表1 所示,在恒流模式工作狀態(tài)下,電源模塊能保證在0~±180A 之間高精度電流輸出,其充放電精度可控制在0.005% F.S 以內(nèi)。

        表1 恒流模式電流控制精度

        此外,將模塊輸出端連接電子負載,下發(fā)恒壓工作指令,用萬用表直接檢測負載端電壓值,數(shù)據(jù)如表2 所示,其精度滿足行業(yè)±0.05% F.S 以內(nèi)要求。

        表2 恒壓模式電壓控制精度

        5 結(jié)語

        本文基于Buck/Boost 拓撲結(jié)構(gòu),采用多模塊并聯(lián)方式,設(shè)計了可對動力電池的充電以及能量回饋功能的雙向DC/DC 變換器。實驗結(jié)果表明該變換器電流調(diào)節(jié)范圍大,可滿足0~±180A 充放電控制;采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式,能夠?qū)崿F(xiàn)變換器穩(wěn)定輸出;電流采樣選用CF300PC-VCT 霍爾電流傳感器,其輸出精度最高可達0.001% F.S,符合當前大功率電池化成設(shè)備的技術(shù)要求,具有一定的市場應(yīng)用價值。

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