電壓控制Buck-Boost電池充電均衡器

謝 莉，蔣 偉

（揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

隨著能源緊缺和環(huán)境污染現(xiàn)狀越來(lái)越嚴(yán)重，減少?gòu)哪茉瓷a(chǎn)到消費(fèi)各個(gè)環(huán)節(jié)中的損失和浪費(fèi)，更加有效、合理地利用能源已成為一項(xiàng)重要的國(guó)策。而電池生產(chǎn)廠商在對(duì)電池進(jìn)行充放電測(cè)試時(shí)需要耗費(fèi)相當(dāng)多的電能，為了節(jié)省廠商在這方面的生產(chǎn)成本，也為了節(jié)約能源，電池之間互相充放電的裝置已經(jīng)成為眾多公司和研究機(jī)構(gòu)的技術(shù)開發(fā)重點(diǎn)[1-3]。

本文以蓄電池為研究對(duì)象，研究了儲(chǔ)能設(shè)備的均衡充電方法。采用電壓控制的均衡方案，通過(guò)電壓環(huán)補(bǔ)償電池的端電壓，電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的均衡器能提供電荷最快移動(dòng)并能有效地收斂到零電壓差。

1 電池模型

電池種類多種多樣，但所有電池都可以用通用模型來(lái)表示[4]。通過(guò)測(cè)量電池內(nèi)部的集中參數(shù)，可以獲得電池的剩余電量（SOC）等相關(guān)信息。如圖1所示，電池通用模型由電池內(nèi)電動(dòng)勢(shì)串聯(lián)內(nèi)阻Rh+Rd以及主導(dǎo)電池動(dòng)態(tài)特性的電容Cp組成。在本模型中，將采用簡(jiǎn)單化的建模方式，即不考慮溫度和電流內(nèi)阻等的影響。

圖1 電池通用模型

根據(jù)電池的通用模型通過(guò) PSIM 建立其等效仿真模型，如圖2所示。電池的集中參數(shù)Rh、Rd和Cp可由對(duì)應(yīng)的電路元件代替，電池用一個(gè)受控電壓模型，通過(guò)電流積分得到電荷的變換量，經(jīng)過(guò)查表反饋給受控電壓源反應(yīng)電池的電壓變化。

圖2 電池仿真模型

2 垂直 Buck-Boost 均衡器

2.1 垂直 Buck-Boost 均衡器拓?fù)?/h3>

蓄電池主要有充電和放電兩種過(guò)程，其中既有化學(xué)反應(yīng)，也有電化學(xué)反應(yīng)。鑒于蓄電池的充放電特性，采用恒流、恒壓和浮充三個(gè)階段進(jìn)行充電。當(dāng)蓄電池虧電時(shí)，首先采用恒流方式充電，達(dá)到限壓值時(shí)轉(zhuǎn)入恒壓方式進(jìn)行補(bǔ)充充電，充電電流降低至浮充電流時(shí)，裝置自動(dòng)進(jìn)入浮充階段，此階段為低電壓小電流，以補(bǔ)充電池的自然放電。放電時(shí)采用恒流方式，放電電流采用 0.1 倍率制，當(dāng)端電壓小于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)停止放電。

考慮到系統(tǒng)的可靠性與成本，本設(shè)計(jì)中采用有源均衡電路，如圖3所示。電路由電池 C1和 C2，一個(gè)電感 L，兩個(gè) MOS 管 S1及 S2組成。分別通過(guò)驅(qū)動(dòng)觸發(fā)兩個(gè) MOS 管 S1和 S2，對(duì)電感 L 進(jìn)行充電，再通過(guò)電感對(duì)電壓較低的電池進(jìn)行充電，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電池間的充放電[5-8]。

圖3 垂直 Buck-Boost 均衡變換器

4 組電池平衡系統(tǒng)的應(yīng)用如圖4所示。由圖4可知，為了平衡 4 組電池，需要 6 個(gè)開關(guān)和 3 個(gè)電感。那么，一個(gè)n組電池平衡系統(tǒng)需要 2(n-1) 個(gè)開關(guān)和（n-1）個(gè)電感。通過(guò)控制各電感電流，可實(shí)現(xiàn)各電池間的相互充放電，直至電壓均衡。

圖4 電池充放電均衡系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 垂直 Buck-Boost 均衡器建模

通過(guò)分解，對(duì)只有兩組電池組成的均衡系統(tǒng)開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行分析，如圖5和圖6所示。該電路存在兩種狀態(tài)：一是 S1導(dǎo)通，S2截止；二是 S2導(dǎo)通，S1截止。用V1表示 C1兩端的電壓，V2表示 C2兩端的電壓，且參考方向均為上正下負(fù)，電感 L 兩端的電壓參考方向?yàn)樽笳邑?fù)。當(dāng) S1導(dǎo)通，S2截止時(shí)，其等效電路如圖5所示。

此時(shí)，電池 C1、內(nèi)阻 r1、S1導(dǎo)通電阻 ron、電感電阻 rL、以及電感 L 形成一閉合回路，給電池 C1進(jìn)行充電。利用電路的 KCL、KVL 公式可知：

圖5 S1 導(dǎo)通，S2 截止時(shí)等效電路

當(dāng) S2導(dǎo)通，S1截止時(shí)，其等效電路如圖6所示：

圖6 S2 導(dǎo)通，S1 截止時(shí)等效電路

此時(shí)，電池 C2、內(nèi)阻 r2、電感 L 以及 S2導(dǎo)通電阻 ron形成一閉合回路，給電感進(jìn)行充電。利用電路的 KCL、KVL 公式可知：

將公式（1）、（2）進(jìn)行線性平均化處理及拉斯變換，不難求出系統(tǒng)的電流環(huán)控制對(duì)象為占空比對(duì)電感電流的傳遞函數(shù)如下：

3 基于電壓的平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電流環(huán)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)，首先必須設(shè)計(jì)電流環(huán)。如表1所示為三種不同的負(fù)載條件，用 Matlab 對(duì)三種負(fù)載條件進(jìn)行仿真，得到經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的 PI 控制波特圖[9-10]，如圖7所示。

表1 電池負(fù)載狀態(tài)

圖7 Matlab 仿真波形

由圖7可以看出，雖然電池負(fù)載不同，但第三種情況波特圖中的頻率特性基本一致。經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的穿越頻率為 23 kHz，相位裕度為 45°，滿足控制要求。

3.2 均衡充電電壓回路設(shè)計(jì)

電壓平衡控制系統(tǒng)框圖如圖8所示，其中，Cv(s) 和Ci(s) 分別為電壓和電流控制器傳遞函數(shù)，G1(s) 為電流環(huán)控制對(duì)象，G2(s) 為電流對(duì)電壓的傳遞函數(shù)，H(s) 是傳感器反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)。

圖8 閉環(huán)控制框圖

在電壓外環(huán)中，以電池電壓差作為變量加以控制，電壓控制器產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)的雙向電流參考值。電流控制器的輸出產(chǎn)生開關(guān) S1的占空比的值。

電流反饋網(wǎng)絡(luò)采用開環(huán)霍爾傳感器 ACS714 加低通濾波器，可以求得反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：

利用 PSIM 對(duì)電壓均衡控制模式進(jìn)行仿真，電池初始電壓隨機(jī)設(shè)置為 12 V、14 V 和 15 V。仿真結(jié)果如圖9所示，電流環(huán)提供最大充電電流，當(dāng)電壓差變小，電壓控制器的輸出電流減小，最后收斂到零。

圖9 均衡充電仿真波形

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

電池充放電模塊測(cè)試如圖10 所示。其中，各系統(tǒng)組件分別為：A.輔助電源；B.散熱風(fēng)扇；C.DSP控制器；D.垂直 Buck-Boost 變換器；E.電流探頭；F.電池連接接口。均衡器樣機(jī)參數(shù)如表2所示。

圖10 均衡器樣機(jī)

表2 均衡器樣機(jī)參數(shù)表

均衡器中控制模塊采用數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC33FJ64GS606 作為底層的電流控制器。該器件外設(shè)帶有豐富的 PWM 外設(shè)，利用邊沿對(duì)齊互補(bǔ)的 PWM 模式，生成兩路 100 kHz 的 PWM?？刂破鞯?AD 外設(shè)以 10 kHz 的采樣率 10 位精度進(jìn)行兩路電流和電壓采樣并與給定參考值比較；最后將控制器以零階保持的方式進(jìn)行雙線性變換進(jìn)行離散化，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制系統(tǒng)的數(shù)字化。均衡器兩種工作狀態(tài)測(cè)得的電感電流波形如圖11 所示。從電感電流來(lái)看，本論文設(shè)計(jì)的垂直 Buck-Boost 均衡裝置實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。

圖11 電感電流波形

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了儲(chǔ)能設(shè)備的均衡充電方法。采用電壓控制的均衡方案，通過(guò)電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)，電壓環(huán)補(bǔ)償電池的端電壓。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的均衡器能提供電荷最快移動(dòng)并能有效地收斂到零電壓差。

[1] 張朝明, 劉明, 張嚴(yán).鋰離子動(dòng)力電池充電技術(shù)研究[J].魚雷技術(shù), 2007, 15(2): 22-25.

[2] Jiangyan ZHANG, Xiaohong JIAO.Adaptive coordinated control of engine speed and battery charging voltage[J].2008, 6(1): 69-73.

[3] 高婷婷.基于 MAX1758 的鋰離子電池充電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電源世界, 2008 (10): 62-65.

[4] 江國(guó)強(qiáng), 王智靈, 何淼, 等.并聯(lián)冗余 DC-DC 模塊蓄電池充電均流方法[J].電子技術(shù), 2010 (09):63-66.

[5] 李雪莉.Buck-Boost 變化器的仿真分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程, 2010, 10(27): 6648-6652.

[6] 劉樹林, 劉健, 鐘久明.Buck-Boost 變換器的能量傳輸模式及輸出紋波電壓分析[J].2007, 35(5):838-843.

[7] 于莉, 王云亮.一種 Buck-Boost 直—交變換器的新控制策略的研究[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2006,22(5): 17-20.

[8] 殷立, 王順強(qiáng).BUCK-BOOST 變換器的輸出能量分析及電感電容優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化應(yīng)用, 2012(8): 31-33.

[9] 王琉, 吳寧.PXA270 的電池充電及電量計(jì)量模塊設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2010 (09):8-10.

[10] 任海軍, 王文青, 馬亮, 王丹寧.熱電池放電穩(wěn)定性測(cè)量系統(tǒng)[J].電腦編程技巧與維護(hù), 2009 (22):12-14.