適于不同規(guī)模儲(chǔ)能電池組的模塊化雙級(jí)充電機(jī)研究*

嚴(yán)干貴，李洪波，段雙明，劉彥宇，朱微

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

0 引 言

近年來(lái)儲(chǔ)能電站的大規(guī)模建立、電動(dòng)汽車(chē)的廣泛應(yīng)用，使儲(chǔ)能電池得到大范圍的使用[1]。儲(chǔ)能電池使用不當(dāng)，必將大大縮減其使用壽命。影響其壽命長(zhǎng)短的因素有很多，其中一個(gè)重要因素便是充放電使用不當(dāng)。電池的充電過(guò)程是否合理對(duì)電池本身的影響是最大的，因此采用合理的充電方式，可以大大延長(zhǎng)電池的使用壽命[2]。

由于各類(lèi)電池容量和電壓等級(jí)存在較大的差異，所以對(duì)相應(yīng)充電機(jī)的性能要求也千差萬(wàn)別。因此在儲(chǔ)能電池的充電技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)了一場(chǎng)全新的革命，多種充電方式先后被提出：慢充、快充、三段式充電，恒壓、恒流、恒壓恒流以及脈沖充電等多種充電方式。目前較為常見(jiàn)的傳統(tǒng)線性電源充電器以及可控硅充電器的充電效率低、輸出紋波大、體積笨重，很難滿(mǎn)足不同規(guī)模類(lèi)型儲(chǔ)能電池大功率、高效率充電需求；而高頻開(kāi)關(guān)電源由于其具有高頻率、高效率、小體積，更佳的可控性以及更快的動(dòng)態(tài)相應(yīng)，使其更加適合于大型儲(chǔ)能電池的充電機(jī)設(shè)計(jì)[3]。

文獻(xiàn)[4-6]中提到利用全橋高頻逆變，經(jīng)變壓器變壓為多通道降壓輸出的充電電路，此類(lèi)充電機(jī)電路適用于高電壓大功率能量傳遞，輸出輸入之間帶隔離，但其體積較大，不適用于低電壓小容量電池或小型儀器供用電場(chǎng)合。文獻(xiàn)[7-9]設(shè)計(jì)的充電機(jī)使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為DC/DC降壓斬波通過(guò)Flyback變換器隔離升降壓變換濾波輸出的充電電路，此類(lèi)拓?fù)涫褂昧饲昂蠹?jí)的隔離，輸出電壓電流的紋波小、輸出電壓等級(jí)固定、傳輸功率較低，適用于對(duì)功率要求較低的小電流低電壓供電情況或者較為精密儀器部件供用電場(chǎng)合。

針對(duì)上述情況，提出了采用雙Buck級(jí)聯(lián)拓?fù)潆娐吩O(shè)計(jì)儲(chǔ)能電池充電機(jī)，此樣機(jī)對(duì)供電電源穩(wěn)定性要求低，輸出電壓電流紋波小，輸出電壓精準(zhǔn)度高，適應(yīng)于不同功率場(chǎng)合。文中主要介紹雙級(jí)型充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理，并制作樣機(jī)驗(yàn)證此方案的可行性。

1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

模塊化雙級(jí)充電機(jī)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。該主電路由工頻整流電路及雙級(jí)Buck變換器級(jí)聯(lián)而成。

圖1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Main circuit topology structure

電路中由全橋整流模塊D1和濾波電容C1構(gòu)成AC/DC工頻整流模塊，當(dāng)電容C1足夠大時(shí)，其輸入電壓為220 V交流時(shí)，輸出電壓為310 V直流；前級(jí)Buck降壓斬波變換器由開(kāi)關(guān)管S1、二極管D2、儲(chǔ)能電感L1以及濾波電容C2構(gòu)成，其輸入為310 V直流電壓，輸出為經(jīng)前級(jí)降壓的直流電壓；后級(jí)Buck降壓斬波變換器由開(kāi)關(guān)管S2、二極管D3、儲(chǔ)能電感L2以及濾波電容C3構(gòu)成，其輸入為經(jīng)前級(jí)降壓的直流電壓，輸出為供外界使用的精準(zhǔn)直流電壓。

此拓?fù)溆蓛杉?jí)Buck降壓變換器電路級(jí)聯(lián)而成，前級(jí)Buck變換器將經(jīng)工頻整流后的輸入電壓進(jìn)行初步調(diào)節(jié)，使其成為利于提高下級(jí)精度的更加穩(wěn)定的直流電壓，后級(jí)Buck降壓變換器將對(duì)前級(jí)輸出電壓做進(jìn)一步調(diào)節(jié)，使其具有更高的精度，更佳的穩(wěn)定性，輸出紋波更小[10]。

1.2 主電路工作原理分析

模塊化雙級(jí)充電機(jī)主電路拓?fù)錇閮苫綛uck斬波變換器級(jí)聯(lián)得到，其工作原理以基本Buck斬波變換器工作理論為基礎(chǔ)，單、雙級(jí)Buck斬波變換器理想工作電壓波形及驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 主電路拓?fù)淅硐牍ぷ麟妷翰ㄐ渭膀?qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序圖Fig.2 Main circuit topology ideal operating voltage waveform and drive signal time sequence diagram

對(duì)于單級(jí)Buck斬波變換器，其輸入電壓ui與其輸出電壓uo之間的關(guān)系如圖2(a)所示，可用式(1)表示。

(1)

式中α0為開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)占空比，其大小由開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)間ton及關(guān)斷時(shí)間toff共同決定。

對(duì)于雙級(jí)Buck斬波變換器的工作過(guò)程可分為3個(gè)階段，其輸入電壓u1與其輸出電壓u3之間的關(guān)系如圖2(b)所示。

電路第1階段(t1時(shí)刻之前)為外圍電路啟動(dòng)階段。此階段為交流輸入整流器整流以及控制電路供電啟動(dòng)，其電路工作等效電路如圖3(a)所示。在理想工況下，即整流器D1無(wú)電能損耗、濾波電容C1足夠大時(shí)，經(jīng)過(guò)此階段輸出電壓u1與輸入電源電壓u0的關(guān)系如式(2)所示。

(2)

電路第2階段(t2時(shí)刻即Ⅰ到Ⅱ的過(guò)渡時(shí)刻)為前級(jí)Buck電路作用階段。其工作階段等效電路如圖3(b)所示。此時(shí)電路利用前級(jí)Buck降壓斬波變換器對(duì)輸入直流電壓做第一步降壓調(diào)整，使輸入穩(wěn)定性較差的高電壓變換成穩(wěn)定性較高的低電壓。經(jīng)前級(jí)Buck變換器調(diào)整，此時(shí)輸出電壓u2與輸入電源電壓u1的關(guān)系如式(3)所示。

(3)

電路第3階段(t3時(shí)刻即Ⅱ到Ⅲ的過(guò)渡時(shí)刻)為后級(jí)Buck電路作用階段。其工作階段等效電路如圖3(c)所示。此時(shí)電路利用后級(jí)Buck降壓斬波變換器對(duì)前級(jí)Buck降壓變換器輸出直流電壓做進(jìn)一步降壓調(diào)整，使最終輸出電壓穩(wěn)定性更好、精度更高。經(jīng)后級(jí)Buck變換器調(diào)整后輸出電壓u3與前級(jí)Buck降壓變換器輸出直流電壓u2的關(guān)系如式(4)所示。

(4)

此時(shí)可以得出模塊化雙級(jí)變換器輸出電壓u3與輸入電源電壓u0之間的關(guān)系如下式(5)所示。

(5)

假定單、雙級(jí)Buck斬波變換器輸入輸出直流電壓大小相等，即圖中ui=u1，uo=u3。由以上分析可以得到電路中輸入開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM占空比α存在以下關(guān)系：

α1×α2=α0

(6)

由于0<α1<1且0<α2<1，那么α0<α1且α0<α2。當(dāng)輸入電壓ui與輸出電壓uo差值較大時(shí)，若僅使用單級(jí)Buck斬波變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓功能，其輸出電壓uo穩(wěn)定性及精度將大大降低，而且對(duì)輸入端電壓的穩(wěn)定性也有較高的要求。而對(duì)于雙級(jí)變換器，其輸出電壓經(jīng)過(guò)兩級(jí)電壓變換，其輸出電壓的精度及電壓穩(wěn)定性增強(qiáng)，使輸入端電壓對(duì)輸出端的干擾性降低，其綜合性能指標(biāo)大大提高。

模塊化雙級(jí)變換器的另一大特點(diǎn)便是該充電機(jī)可以串并聯(lián)使用。充電機(jī)并聯(lián)使用等效電路如圖4所示。

變換器并聯(lián)使用對(duì)于負(fù)載所接受的電壓大小不變，其目的是為增加輸出電流大小，從而增強(qiáng)電路的驅(qū)動(dòng)能力，使變換器實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的大電流供電。并聯(lián)使用的雙級(jí)變換器輸出電壓電流關(guān)系如下式(7)所示。

(7)

圖3 模塊化雙級(jí)型變換器主電路各階段性工作等效電路Fig.3 Modular dual-stage converter main circuit of the stage work equivalent circuit

圖4 雙級(jí)Buck變換器并聯(lián)運(yùn)行等效電路Fig.4 Two-stage Buck converter operates in parallel with equivalent circuit

2 雙級(jí)型變換器的控制策略分析

模塊化雙級(jí)充電機(jī)采用前級(jí)電壓檢測(cè)以及后級(jí)電流檢測(cè)共同組合的前級(jí)電壓閉環(huán)與后級(jí)電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，每個(gè)控制單元由單獨(dú)的PI跟蹤調(diào)節(jié)，各控制單元之間相互作用，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的控制[11]。

充電機(jī)啟動(dòng)后，首先檢測(cè)用戶(hù)設(shè)定的輸出電壓電流值，即設(shè)置參考電壓電流值，進(jìn)而自動(dòng)設(shè)置雙級(jí)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)PWM占空比，開(kāi)始運(yùn)行后，單片機(jī)不斷實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)充電機(jī)輸出電壓電流值，與預(yù)設(shè)值比較并判斷是否出現(xiàn)過(guò)流過(guò)壓、欠壓欠流，據(jù)此對(duì)輸出PWM占空比進(jìn)行跟蹤調(diào)節(jié)。

對(duì)于可控變換器，反饋控制回路在調(diào)節(jié)電路輸出穩(wěn)定性及輸出精度中起著重要作用，本文所提及的變換器控制回路包括電壓閉環(huán)控制和電流閉環(huán)控制，電壓、電流閉環(huán)控制框圖如圖5所示。

圖5 自動(dòng)生成PWM的電壓、電流閉環(huán)控制框圖Fig.5 PWM automatically generate the voltage and current closed-loop control block diagram

對(duì)于以上提及的電壓、電流閉環(huán)控制的PI調(diào)節(jié)基本思路為：檢測(cè)前級(jí)變換器輸出電壓及后級(jí)輸入負(fù)載電流，經(jīng)過(guò)誤差放大，產(chǎn)生反饋信息，反饋信息與用戶(hù)預(yù)設(shè)參考信息比較，將所得差值經(jīng)過(guò)比例積分調(diào)節(jié)生成調(diào)制波信號(hào)，調(diào)制波與載波進(jìn)行疊加得到控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)的PWM，進(jìn)而控制變換器輸出電壓電流，據(jù)此達(dá)到閉環(huán)控制。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建與結(jié)果分析

3.1 搭建硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證雙級(jí)型充電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性與可行性，以及對(duì)于應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的驗(yàn)證，設(shè)計(jì)并搭建了一臺(tái)容量為5 kVA、可供鉛碳電池充電的模塊化雙Buck級(jí)聯(lián)變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并對(duì)此硬件平臺(tái)做了相應(yīng)的測(cè)試。搭建的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)照片如圖6所示。

圖6 模塊化雙級(jí)充電機(jī)實(shí)物圖Fig.6 Modular two-stage charger physical map

該樣機(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)格如表1所示，樣機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示，測(cè)試用單節(jié)電池參數(shù)如表3所示。

表1 雙Buck級(jí)聯(lián)變換器設(shè)計(jì)規(guī)格Tab.1 Dual Buck cascade converter design specifications

表2 雙Buck級(jí)聯(lián)變換器電路設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Dual Buck cascade converter circuit design parameters

表3 測(cè)試用蓄電池參數(shù)Tab.3 Test battery parameters

實(shí)驗(yàn)涉及主要測(cè)試材料：國(guó)產(chǎn)閥控密封式鉛碳蓄電池120節(jié)；10 Ω，10 kW高精度可變電阻器負(fù)載1個(gè)；MDO3034示波器，六位半萬(wàn)用表，220 V交流輸入接觸式滑動(dòng)變壓器及其他測(cè)試儀器。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于充電機(jī)單級(jí)Buck工作對(duì)單節(jié)電池充電時(shí)，即充電電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示電路。

圖7 單級(jí)Buck變換器等效電路Fig.7 Unipolar Buck converter equivalent circuit

充電機(jī)單級(jí)Buck工作對(duì)單節(jié)電池充電時(shí)，其輸出電壓波形如圖8所示。

圖8 單級(jí)Buck拓?fù)涑潆姍C(jī)輸出電壓波形Fig.8 Output voltage waveform of single stage Buck topology charger

單級(jí)Buck拓?fù)涑潆姍C(jī)對(duì)單節(jié)電池充電，即電路輸入電壓ui=220 V交流，電路輸出電壓uo=2.35 V，從輸出電壓波形可以得到輸出電壓波動(dòng)Δu≈1.7 V，可得輸出電壓紋波率r為：

(8)

對(duì)于充電機(jī)單級(jí)Buck工作于恒流充電模式時(shí)，設(shè)置恒流輸出電流iR=20 A，其輸出電流波形如圖9所示。從輸出電流波形可以得到輸出電流波動(dòng)Δi≈0.23 A，可得輸出電流紋波率r為：

(9)

單級(jí)Buck拓?fù)涑潆姍C(jī)對(duì)單節(jié)電池充電時(shí)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)PWM波形如圖10所示。

圖9 單級(jí)Buck拓?fù)涑潆姍C(jī)輸出電流波形Fig.9 Output current waveform of single stage Buck topology charger

圖10 單級(jí)Buck拓?fù)涑潆姍C(jī)驅(qū)動(dòng)PWM波形Fig.10 PWM waveforms of single stage Buck topology charger drives

由圖10所示波形及公式(1)計(jì)算可得單級(jí)Buck電路對(duì)單節(jié)電池充電時(shí)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)PWM占空比α=0.758%。此時(shí)由于PWM占空比較小，所以電路輸出紋波較大，而且對(duì)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)性能要求較高，對(duì)電路參數(shù)設(shè)置要求也相應(yīng)增加。若此時(shí)對(duì)單級(jí)充電機(jī)輸出穩(wěn)定性及其精度要求增加，則整體造價(jià)將大幅上升。

采用本設(shè)計(jì)雙級(jí)Buck充電機(jī)對(duì)單節(jié)電池充電時(shí)，充電機(jī)前、后級(jí)Buck電路輸出電壓波形如圖11所示。對(duì)于前級(jí)Buck電路輸出電壓U2大小可由式(10)確定。

(10)

由于此時(shí)雙級(jí)充電機(jī)對(duì)單節(jié)電池充電即u3=2.35 V，輸入端直流等效電壓u1=310 V，由公式(10)得到前級(jí)Buck電路輸出電壓u2=27.0 V。如圖11所示雙級(jí)型充電機(jī)前、后級(jí)電路輸出電壓波形可得Δu2≈0.017 V、Δu3≈0.018 V，進(jìn)而由公式(8)可得輸出電壓紋波率r2=0.000 63、r3=0.007 6。由此可得雙級(jí)型充電機(jī)輸出電壓紋波率遠(yuǎn)小于單級(jí)輸出電壓紋波率r=0.72。

雙級(jí)Buck變換器對(duì)單節(jié)電池充電時(shí)前、后級(jí)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)PWM波形如圖12所示。由圖中所示波形及公式(1)計(jì)算可得雙級(jí)Buck電路對(duì)單節(jié)電池充電時(shí)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)PWM占空比α1=α2=8.7%。此時(shí)PWM占空比相較于單級(jí)Buck電路PWM占空比有明顯增加，因此對(duì)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)性能要求也隨之降低，對(duì)電路參數(shù)設(shè)置要求也相應(yīng)減小。

圖11 雙級(jí)Buck充電機(jī)前、后級(jí)電路輸出電壓波形Fig.11 Output voltage waveform of two-stage Buck charger early and secondary circuit

圖12 雙級(jí)Buck電路前、后級(jí)PWM波形Fig.12 Two-stage Buck charger early, secondary circuit PWM waveforms

采用雙級(jí)充電機(jī)對(duì)十節(jié)串聯(lián)電池充電時(shí)，充電機(jī)前、后級(jí)Buck電路輸出電壓波形如圖13所示。

圖13 雙級(jí)Buck充電機(jī)前、后級(jí)電路輸出電壓波形Fig.13 Output voltage waveform of two-stage Buck charger early and secondary circuit

雙級(jí)Buck充電機(jī)對(duì)十節(jié)串聯(lián)電池充電時(shí)，輸出電壓u3=23.5 V，對(duì)于前級(jí)Buck輸出電壓由公式(10)可得u2=85.35 V。如圖13所示輸出電壓波形可得Δu2≈0.31 V、Δu3≈0.13 V，進(jìn)而由公式(8)可得輸出電壓紋波率r2=0.003 6、r3=0.005 5。

雙級(jí)Buck電路對(duì)十節(jié)串聯(lián)電池充電時(shí)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)PWM波形如圖14所示。由圖中所示波形及公式(1)計(jì)算可得雙級(jí)Buck電路對(duì)十節(jié)串聯(lián)電池充電時(shí)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)PWM占空比α1=α2=27.5%。

圖14 雙級(jí)Buck電路PWM波形Fig.14 PWM waveform of two-stage Buck circuit

對(duì)于充電機(jī)雙級(jí)Buck工作于恒流充電模式時(shí)，設(shè)置恒流輸出電流iB=1 A，其輸出電流波形如圖15所示。當(dāng)雙極Buck充電機(jī)工作于恒流充電模式下，充電機(jī)控制系統(tǒng)不斷檢測(cè)后級(jí)輸出電壓大小，根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)到后級(jí)輸出電壓u3與輸入電壓u1根據(jù)公式(10)確定前級(jí)輸出電壓u2的大小。

圖15 雙級(jí)Buck拓?fù)涑潆姍C(jī)輸出電流i=1 A波形Fig.15 Two-stage Buck topology charger output current waveform i=1 A

從輸出電流波形可以得到輸出電流波動(dòng)ΔiB≈0.01 A，根據(jù)公式(9)可得輸出電流紋波率r=0.01。

對(duì)于充電機(jī)雙級(jí)Buck工作于恒流充電模式時(shí)，設(shè)置恒流輸出電流iB=20 A，其輸出電流波形如圖16所示。

從輸出電流波形可以得到輸出電流波動(dòng)ΔiB≈0.1 A，根據(jù)公式(9)可得輸出電流紋波率r=0.005。在同等輸入輸出條件下，雙極Buck充電機(jī)與單極Buck充電機(jī)輸出電流紋波率相比有明顯降低。

通過(guò)以上單級(jí)、雙級(jí)Buck變換器實(shí)驗(yàn)輸出電壓、電流波形以及開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)PWM波形可以得到：雙級(jí)變換器輸出電壓、電流更穩(wěn)定，輸出精度更高，PWM波形占空比增大。由此可得雙級(jí)Buck變換器對(duì)電池的沖擊更小、對(duì)于器件性能等級(jí)要求更低，故而增加了蓄電池的使用壽命、減少了充電機(jī)制造成本。

圖16 雙級(jí)Buck拓?fù)涑潆姍C(jī)輸出電流i=20 A波形Fig.16 Two-stage Buck topology charger output current waveform i=20 A

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了可適用于不同規(guī)?；騿喂?jié)儲(chǔ)能電池充電、可串并聯(lián)使用的雙級(jí)型模塊化充電機(jī)模型，制作了一臺(tái)可為鉛碳電池充電樣機(jī)，并對(duì)其工作原理以及控制方法做出簡(jiǎn)要分析。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了設(shè)想的正確性與可行性，得出本設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)為：充電機(jī)輸出電壓、電流紋波率小，輸出精度高，對(duì)電池沖擊小，間接增加了儲(chǔ)能電池的使用壽命；雙級(jí)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)PWM占空比相對(duì)加大，對(duì)設(shè)計(jì)器件性能要求低，硬件上更易實(shí)現(xiàn)，制造成本相對(duì)降低；充電機(jī)可串并聯(lián)使用，適用于大電流或高精度電壓輸出場(chǎng)合。該電路的設(shè)計(jì)對(duì)于大規(guī)模儲(chǔ)能電站建設(shè)以及電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展具有較大的推動(dòng)作用，對(duì)于高精度電壓輸出以及大電流輸出電源設(shè)備的設(shè)計(jì)具有引導(dǎo)和借鑒意義。