電池充放電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引言
    近年，隨著汽車(chē)的普及，NOx、COx的排量不斷增加，環(huán)境污染及地球溫暖化等問(wèn)題日益嚴(yán)峻。為此，很多國(guó)家正在積極地推行混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)及電動(dòng)汽車(chē)來(lái)取代傳統(tǒng)汽車(chē)。但更為重要的是這些新能源汽車(chē)需要高能源密度、高電壓、快速充放電等特性的能源存儲(chǔ)媒介來(lái)支持，比如鋰離子電池。電池作為實(shí)用性充放電裝置，為發(fā)揮其最大的作用，對(duì)其大容量、高精度、可靠性的要求也相應(yīng)提高。為有效發(fā)揮電池性能，本文將提供一種大容量電池充放電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)構(gòu)成
    (1)概述
    電池充放電裝置的電路構(gòu)成主要有兩種。一種由線性放大器(充電器)+阻抗負(fù)載(放電器)等組成，以下簡(jiǎn)稱(chēng)構(gòu)成1；而另一種由系統(tǒng)逆變器+雙方向變頻器(充放電器)組成，以下簡(jiǎn)稱(chēng)構(gòu)成2，先來(lái)比較一下這兩者的優(yōu)越性。
    現(xiàn)在市面上銷(xiāo)售的電池充電器一半左右都是構(gòu)成1，由于該構(gòu)成的充電器裝置有發(fā)熱現(xiàn)象，且體積較大，對(duì)于放置使用的場(chǎng)所具有一定的限制。而作為放電器工作時(shí)，如果希望能量雙向傳輸?shù)脑?，?gòu)成2是最理想的。
    這里針對(duì)構(gòu)成2，對(duì)下述兩種不同電路設(shè)計(jì)方式展開(kāi)討論。
    第一種設(shè)計(jì)方式為將電壓型系統(tǒng)聯(lián)合逆變器和雙向升壓降壓變頻器組合作為電池充放電裝置，第二種設(shè)計(jì)方式則采用大容量電源及電子負(fù)載裝置(以下簡(jiǎn)稱(chēng)APL2)。通過(guò)APL2可以任意變換電池電壓、電流，作為電源或負(fù)載，可以進(jìn)行1 0kW的輸入輸出(運(yùn)行電壓為0～200V或400V)。
    第一種設(shè)計(jì)方式中，系統(tǒng)和電網(wǎng)間的絕緣變壓器，升降壓變頻器部分的電抗器，開(kāi)關(guān)單元等的小型化方面，存在一定問(wèn)題。同時(shí)，在高頻變壓器附屬絕緣電路中，為抑制電池的脈動(dòng)電流，升降壓轉(zhuǎn)換器和電抗器必不可少。
    第二種設(shè)計(jì)方式中，即采用APL2，不需要根據(jù)電池額定容量的變更而改變電路。同時(shí)，具有通過(guò)串聯(lián)回路增大充放電電流以及小型輕量的特點(diǎn)。
    作為設(shè)計(jì)方案的一個(gè)案例，在相同額定容量1 0kVA的設(shè)計(jì)條件下，設(shè)計(jì)比較的結(jié)果是第二種設(shè)計(jì)方式的裝置體積是第一種設(shè)計(jì)方式的1／2?；谏鲜龇治霰容^，本文采用了APL2方式電池充放電裝置。
    (2)基本構(gòu)成
    本系統(tǒng)設(shè)置簡(jiǎn)單，只須通過(guò)一根光纜線就可以連接APL2和用戶的電腦。同時(shí)，使用本系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在windows系統(tǒng)下電池充放電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，如圖1所示。

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    (3)控制框圖
    圖2為APL2定電流模式運(yùn)行時(shí)的控制框圖。進(jìn)行充放電運(yùn)行時(shí)，從計(jì)算機(jī)下載下來(lái)的模式數(shù)據(jù)作為電流指令值，進(jìn)行定電流控制。在充電過(guò)程中，電池電壓達(dá)到預(yù)先設(shè)定的最大電壓值時(shí)，自動(dòng)切換到定電壓控制方式和涓流充電模式。

    由圖2看出，回路中充放電指令由接點(diǎn)電路來(lái)切換，但實(shí)際上是使用DSP由程序進(jìn)行切換，幾乎不發(fā)生切換時(shí)間延遲。APL2作為電池充放電裝置時(shí)，不需要變更任何內(nèi)部構(gòu)成，就可以直接應(yīng)用其電路特性進(jìn)行控制。

2 應(yīng)用示例
    下面介紹一種應(yīng)用APL2組成的大容量、高電壓離子電池的充放電系統(tǒng)。蓄電池單元作為充放電對(duì)象，其最大電壓為336V，充放電電流為±1 00A。圖3為該系統(tǒng)的構(gòu)成，表1為APL2的基本規(guī)格。

    本系統(tǒng)中APL2的額定電壓電流為400V／25A，為了擴(kuò)大容量，使用主從功能，最大可以并聯(lián)四臺(tái)APL2，可使充放電電流達(dá)到100A。圖4所示為0～+90A肘的充電電壓電流波形，蓄電池充電時(shí)，電流呈階躍式變化時(shí)的響應(yīng)波形；圖5所示為0～-90A時(shí)的充電壓電流波形，蓄電池放電時(shí)，電流呈階躍式變化時(shí)的響應(yīng)波形。關(guān)于蓄電池電流，先指定主機(jī)APL2的輸出端電流，而從機(jī)則跟隨主機(jī)的充放電電流指令值而變化。

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    本系統(tǒng)可在1 00A左右的電流下進(jìn)行快S速充放電控制，可用于鋰離子蓄電池的基本充放電特性試驗(yàn)。
 
3 結(jié)束語(yǔ)
    根據(jù)本設(shè)計(jì)方法，可將APL2裝置直接用于大容量電池充放電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型和輕便化，并相應(yīng)縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)日寸間。在本文中，介紹了APL2應(yīng)用于鋰離子蓄電池充放電系統(tǒng)的情況，它還可用于雙層電容器的充放電系統(tǒng)，以及HEV·EV用電機(jī)9區(qū)動(dòng)系統(tǒng)等多種電源領(lǐng)域，并具有節(jié)約空間和節(jié)省能源的特點(diǎn)。