動力電池檢測用雙向DC/DC 變換器設(shè)計

賈超，蔣曉明

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

0 引言

隨著我國“2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)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(xué)性能進(jìn)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(dāng)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(yùn)行[3]方式，以提高系統(tǒng)的功率、效率以及可靠性。

在實(shí)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(fù)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(yùn)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(dá)到近似均流的目的[7~8]，該實(shí)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(shí)現(xiàn)均流，導(dǎo)致其負(fù)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(jìn)行補(bǔ)償[10~11]以實(shí)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(jìn)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(dú)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(shí)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(jī)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(jī)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(shí)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?fù)錇楹诵碾娐?，采用四通道并?lián)方式滿足大功率需求，拓?fù)浣Y(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?fù)?/p>

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(dǎo)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(xiàng)指標(biāo)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(yùn)放和精密電阻的優(yōu)勢，實(shí)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(jìn)行充放電時，其電流較大，若采用串聯(lián)電阻進(jìn)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(jī)在實(shí)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(yùn)算能力強(qiáng)，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(dú)立工作，以實(shí)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(yùn)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(jìn)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(hù)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(jìn)行反饋控制，此時電流環(huán)則承擔(dān)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(dāng)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(dá)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(dá)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(dāng)電池電壓達(dá)到保護(hù)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(shí)驗(yàn)測試

為驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(fù)載，負(fù)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(fù)載測試電壓值分別設(shè)定為3V、4V 和4.5V，負(fù)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(fù)載電流為72A 時峰值效率最高可達(dá)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(fù)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(shí)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(fù)載，下發(fā)恒壓工作指令，用萬用表直接檢測負(fù)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?fù)浣Y(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(shí)驗(yàn)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(dá)0.001% F.S，符合當(dāng)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。