大容量電池多模塊并聯(lián)型化成電源的設(shè)計(jì)

楊占錄， 王宗亮， 劉吉軍(海軍潛艇學(xué)院 動力系，山東 青島　266199)

0　引　言

大容量鉛酸蓄電池在工業(yè)生產(chǎn)及潛艇上廣泛使用，化成是其生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，即以規(guī)定的電流循環(huán)進(jìn)行充電-靜置-充電-放電。目前該環(huán)節(jié)一般采用高頻開關(guān)電源，經(jīng)過AC/DC、DC/AC、AC/DC三級功率變換和兩次濾波，環(huán)節(jié)多、效率低，特別是在小電流浮充階段，存在電流紋波大、控制精度低、電源效率偏低的問題[1]。

針對上述問題，設(shè)計(jì)了一款多個DC變換模塊并聯(lián)運(yùn)行的化成電源。以10 kW/25 A的DC/DC為基本功率單元，每個單元能夠單獨(dú)運(yùn)行，8個功率單元為一組，能以1、2、4或8個功率單元并聯(lián)輸出的方式對不同充電階段和不同功率等級的蓄電池進(jìn)行充放電。單個功率模塊結(jié)構(gòu)簡單可靠，模塊組合運(yùn)行方式靈活，克服了一體化結(jié)構(gòu)只有一組濾波參數(shù)的限制，在很寬的輸出電流范圍內(nèi)保證了電流品質(zhì)[2]。

化成電源可設(shè)置化成工藝流程及參數(shù)，具有恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、恒流限壓放電、循環(huán)、靜置等工作方式，具有定時間、定電壓、定安時等多種轉(zhuǎn)換階段的方式；具有多種電氣保護(hù)及掉電數(shù)據(jù)保存、來電自動恢復(fù)等功能；實(shí)現(xiàn)了多臺電源的網(wǎng)絡(luò)化控制和數(shù)據(jù)處理。

1　電池化成電源的拓?fù)湓O(shè)計(jì)

1.1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電池化成系統(tǒng)以500 kW為一單元，每個單元由一個500 kVA隔離變壓器、一臺500 kW的AC/DC及6組48個10 kW/25 A的DC/DC組成。AC/DC與DC/DC在直流母線處匯流，系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。多組500 kW化成系統(tǒng)的直流母線可直接并聯(lián)拓展。

圖1　化成電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

化成電源采用集中式整流和逆變，分布式控制蓄電池充放電，按照AC-DC-DC和DC-DC-AC的關(guān)系進(jìn)行能量變換，通過整流逆變技術(shù)和直流變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能的雙向流動[3]。

三相市電經(jīng)AC/DC柜PWM全控整流變換成直流電源，再由DC/DC柜對蓄電池進(jìn)行電流可控的充電；蓄電池放電時，DC/DC柜工作在第二象限，AC/DC柜工作在有源逆變狀態(tài)。控制管理模塊通過網(wǎng)絡(luò)控制器接收DC/DC柜的各單元的工作參數(shù)，分析計(jì)算后，決定各單元的工作狀態(tài)，并將控制信息發(fā)送給控制器[4]。

1.2　主回路拓?fù)?/h3>

化成電源系統(tǒng)包括AC/DC柜、DC/DC柜、人機(jī)界面、蓄電池組四部分，如圖2所示。

圖2　化成電源的主回路拓?fù)?/p>

AC/DC柜是化成電源系統(tǒng)的電力變換部分，主要功能有：將三相交流電壓整流為500 V直流電，供給DC/DC柜實(shí)現(xiàn)蓄電池充電；將蓄電池放電時的電壓逆變?yōu)?80 V交流電，實(shí)現(xiàn)能量向電網(wǎng)的回饋。

雙向DC/DC柜是實(shí)現(xiàn)蓄電池化成過程中電能雙向流動的主要部分，主要功能有：接收、保存并執(zhí)行控制工藝，根據(jù)時間、電流、電壓等轉(zhuǎn)換條件實(shí)現(xiàn)多個充放電各階段的自動切換；就地界面實(shí)時顯示各種檢測數(shù)據(jù)以及工作模式，可以對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改，給定啟停、復(fù)位等命令，能反映故障信息；充放電過程中，若主回路突然斷電導(dǎo)致系統(tǒng)沒有正常結(jié)束，當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)供電啟動后，自動調(diào)出工藝參數(shù)，并從斷電處繼續(xù)運(yùn)行。

人機(jī)界面除了實(shí)時監(jiān)控功能外，還可針對不同故障信息實(shí)施自動控制。

1.3　AC/DC及DC-DC功率單元拓?fù)?/h3>

AC/DC單元是采用IGBT的常規(guī)雙向變流器，是廠內(nèi)直流供電系統(tǒng)，主電路拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3　AC-DC功率單元主回路

以IPM為主開關(guān)器件組成的雙向DC/DC電路對蓄電池進(jìn)行充放電[5]，主電路拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4　DC-DC功率單元主回路

Udc1側(cè)接電池，Udc2側(cè)接直流母線，充電時VT2管關(guān)斷，VT1工作在PWM狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流充電；放電時VT1關(guān)斷，VT2工作在PWM狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)恒流放電或維持直流母線電壓在500 V。充放電模式切換通過本機(jī)操作或遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)，充放電切換時間小于10 ms。

1.4　裝置的硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)主回路中元器件參數(shù)時，按照以下關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行：(1)輸入電壓：U1L=380 VAC，直流母線電壓500 V；(2)輸出電壓：U0=0～400 V可調(diào)；(3)輸出電流：Io=2～25 A可調(diào)(單模塊)；(4)開關(guān)頻率：fs=20 kHz；(5)紋波：≤1%；(6)控制精度：0.5%；(7)充放電切換時間：≤10 ms。

根據(jù)直流電源要求，AC-DC主回路拓?fù)渲腥匦烷_關(guān)IGBT的電壓電流均考慮兩倍裕量，選英飛凌FF450R12ME4，驅(qū)動為2SP0115T2CO-12。

并聯(lián)型化成電源的創(chuàng)新點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是系統(tǒng)中的DC-DC功率單元，其主回路設(shè)計(jì)如下：

1)IPM模塊

主開關(guān)管使用高度集成、高可靠的IPM，有效縮小模塊體積，電壓電流均考慮兩倍裕量，選富士IPM(三相全橋)，型號7MBP50VDA120-50，1 200 V/50 A。

2)電感L計(jì)算

當(dāng)充電電流為2 A時，算得電感L=0.65 mH，取L=1 mH，電流按額定電流的1.2倍，即30 A設(shè)計(jì)。

3)電容C1計(jì)算

取電壓紋波為2%，算得電容C1=55 μF，取C1=110 μF/500 V(薄膜電容)。由于C2包含在AC/DC中，DC/DC側(cè)不接該電容。

4)散熱設(shè)計(jì)

IPM飽和導(dǎo)通壓降2.2 V，F(xiàn)WD飽和導(dǎo)通壓降2.6 V，最大電流30 A，按占空比為10%設(shè)計(jì)，則通態(tài)損耗為：P1=2.2×30×0.1+2.6×30×0.9=76.8 W。

Tj=125 ℃時的開關(guān)損耗(毫焦/每脈沖)：開通損耗能量Eon=3 mJ，關(guān)斷損耗能量Eoff=5 mJ，反向恢復(fù)損耗Err=2 mJ；

P2=fs×(Eon+Eoff+Err)=20×(3+5+2)=200 W。

總損耗：P=P1+P2=276.8 W。

因此總耗散功率按300 W設(shè)計(jì)，采用加棱齒的鋁散熱器并采用軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。散熱器尺寸180 mm×230 mm×100 mm，滿足化成工序連續(xù)工作時間長、可靠性要求高的散熱要求。

5)電壓、電流傳感器

采用PCB板安裝方式的LAM電流型傳感器，量程是分別是600 V和25 A，精度0.5%，抗干擾能力強(qiáng)，采樣頻率每周波256個點(diǎn)，保證采樣精度、反饋準(zhǔn)確。

6)電容組并聯(lián)及開關(guān)器件連接

采用容性層疊功率母排，消除諧振，降低溫升。

2　控制回路設(shè)計(jì)

2.1　控制回路的硬件設(shè)計(jì)

考慮到各功率單元的并聯(lián)運(yùn)行，采用統(tǒng)一的控制器對8路功率單元進(jìn)行集中控制，8個功率單元的電壓、電流輸出量都采集到一個控制單元，控制芯片根據(jù)不同的運(yùn)行模式采用不同的閉環(huán)控制策略?？刂破髦辽侔?7路AD輸入，16路PWM輸出。一個485接口與監(jiān)控系統(tǒng)通信，一個232接口與LCD通信。就地控制系統(tǒng)設(shè)有時鐘芯片，化成工序按時鐘自動運(yùn)行[6-7]。

PI環(huán)分類：設(shè)有8個功率單元電流環(huán)實(shí)現(xiàn)定電流控制，8路輸出時需8個電壓環(huán)實(shí)現(xiàn)定電壓控制。同理，4路、2路、1路輸出時分別需4個、2個、1個電壓環(huán)，總計(jì)23個PI環(huán)[8]。開關(guān)頻率20 kHz，控制回路拓?fù)淙鐖D5所示。

圖5　控制回路拓?fù)?/p>

控制核心采用DSP28335，它是TI的高速32-bit CPU，具有一個浮點(diǎn)內(nèi)核，工作速度可達(dá)150 MIPS，具有256 k×16 bit的Flash存儲器， 2路UART串行接口，1路CAN接口，16路PWM輸出，3個32位的定時器，6個事件捕獲輸入端口。具有精度高、成本低、功耗小、外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)及程序存儲量大和AD轉(zhuǎn)換快精確高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2　控制方法及控制流程

采用電壓電流雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)，如圖6所示，調(diào)節(jié)器均為PI。加入電流內(nèi)環(huán)后，不僅可以對輸出電流加以限制，并且可以提高輸出的動態(tài)響應(yīng)，有利于減小輸出電壓紋波[9]。

在蓄電池的恒流充電階段，電壓環(huán)PI不起作用，當(dāng)進(jìn)入恒壓充電階段，電流環(huán)與電壓環(huán)同時工作，此時的控制器為雙環(huán)結(jié)構(gòu)。這種控制方式使得輸出電壓、輸出電流均限制在給定范圍內(nèi)，具體的工作方式由蓄電池電量決定[10]，控制流程如圖7所示。

圖6　充放電控制框圖

圖7　控制流程圖

3　化成電源電氣布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)最后做化成電源的電氣布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。柜門裝液晶屏，電源內(nèi)部正面和背面如圖8所示，柜體尺寸600 mm×800 mm×1 600 mm，正面輸入背面輸出，功率模塊有底托，采用抽屜式結(jié)構(gòu)。每個功率單元用三個風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)，即使某個風(fēng)扇發(fā)生故障，冗余的冷卻系統(tǒng)仍能夠確保功率單元滿載工作，保證電源的穩(wěn)定性、可靠性。

4　結(jié)束語

應(yīng)用BUCK-BOOST變換技術(shù)，研制了一款多模塊并聯(lián)型的化成電源，完成了電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主電路及控制回路拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)并對關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，完成了電氣布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，介紹了控制流程。實(shí)際應(yīng)用表明主回路設(shè)計(jì)合理，采用的多模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)既簡單可靠又能保證大電流輸出，靈活的組合方式保證在任意電流輸出時電流品質(zhì)高，電源效率高。在單個模塊出現(xiàn)故障的情況下可在線更換，保證系統(tǒng)正常連續(xù)運(yùn)行。經(jīng)相關(guān)技術(shù)部門鑒定，該技術(shù)具有良好的推廣應(yīng)用前景。

圖8　化成電源結(jié)構(gòu)圖

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