摘要：針對當(dāng)前鋰動力電池的良好應(yīng)用前景，介紹了一種新型的基于雙向DC／DC同步半橋整流器的高效鋰動力電池充放電裝置。對該充放電裝置的工作原理及過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，同時對其硬件參數(shù)和軟件算法進(jìn)行了設(shè)計。最后搭建了實驗平臺，對單個200 Ah的鋰動力電池進(jìn)行了充、放電實驗。實驗結(jié)果驗證了該裝置電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方案的可行性。
關(guān)鍵詞：整流器；鋰動力電池；數(shù)字信號處理
1 引言
目前，鋰動力電池是當(dāng)前綜合性能和發(fā)展前景最好的電池，在動力汽車、軍事武器、航空航天等方面得到了越來越廣泛地應(yīng)用，但其充放電過程存在極大的能量浪費。為了減少能量浪費，必須對鋰動力電池高效充放電裝置進(jìn)行研究。在此，利用MOSFET的雙向?qū)ㄌ匦?，對基于雙向DC／DC同步半橋整流器的鋰動力電池充放電裝置進(jìn)行了研究和設(shè)計。
2 雙向DC／DC同步半橋整流器
2．1 主電路結(jié)構(gòu)框圖
圖1示出鋰電池充放電裝置所采用的雙向DC／DC同步半橋整流器的主電路結(jié)構(gòu)框圖。該功率電路拓?fù)溆蓭Ц哳l變壓器隔離的可逆半橋電路和雙電感倍流整流電路構(gòu)成。其中，連接到直流母線的可逆半橋電路由兩個全控型開關(guān)管VQ1，VQ2、分壓儲能電容C1，C2、變壓器初級T1、起平衡電容電壓作用的均壓電感L和二極管VD3，VD4組成，Ud為直流母線電壓；次級雙電感倍流整流電路則由變壓器次級T2、功率開關(guān)管VQ3，VQ4、輸出雙濾波電感L1，L2以及輸出濾波電容C3組成，其輸出連接到鋰動力電池，Uo為電池充放電電壓。其中，驅(qū)動信號由DSP TMS3 20F2808經(jīng)A／D采樣和充放電算法運算后由DSP的PWM模塊輸出，再經(jīng)隔離驅(qū)動電路放大后驅(qū)動相應(yīng)開關(guān)管。
2．2 主電路的工作原理
該雙向變換器有正向充電和反向放電兩種工作模式，這兩種模式通過DSP芯片TMS320F2808進(jìn)行控制。①正向充電模式下，VQ1，VQ2的驅(qū)動信號相位相差180°，占空比d<0．5；而VQ3，VQ4作為同步整流管工作在反向?qū)?；該狀態(tài)下，分別與VQ1，VQ2互補導(dǎo)通。該模式下能量由直流母線流向鋰動力電池，電池被充電；②反向放電模式下，VQ3，VQ4工作在正向?qū)顟B(tài)下，d>0．5，VQ1，VQ2工作在同步整流狀態(tài)下，分別與VQ3，VQ4反向互補導(dǎo)通。該模式下鋰動力電池放電，能量由電池端流向直流母線。上述整個充放電過程中，負(fù)載鋰動力電池輸出的電流均等于兩個輸出濾波電感電流IL1，IL2之和，即Ib=IL1+IL2。下面分別對這兩種工作模式的原理進(jìn)行分析。[!--empirenews.page--]
(1)正向充電模式工作原理及過程
該雙向變換器在正向充電時的一個開關(guān)周期TS內(nèi)有4種開關(guān)模態(tài)，具體分析如下：
模態(tài)1[t0～t1] 在t0時刻，VQ1，VQ4導(dǎo)通，變壓器初、次級電壓同名端均為正極性，變壓器初級電壓uT1=Ud／2，VQ2，VQ3處于關(guān)斷狀態(tài)，前者漏源極電壓由于VQ1導(dǎo)通被箝位到母線電壓，即udsVS2=Ud。兩個回路的IL1，IL2都流過VQ4，此時，L1存儲能量，IL1增大；而L2釋放能量，IL2減小。
模態(tài)2[t1～t2] 在t1時刻，VQ1，VQ2關(guān)斷，變壓器初、次級電壓為零，VQ1，VQ2的漏源級電壓均為母線電壓一半，即udsVS1=UdsVS2=Ud／2。此時使VQ3，VQ4導(dǎo)通，則二者分別對IL1，IL2進(jìn)行續(xù)流，L1，L2都向電池釋放能量，電流均減小，故輸出給電池的電流Ib亦減小。
模態(tài)3[t2～t3] 在t2時刻，VQ2導(dǎo)通，VQ1保持關(guān)斷，變壓器初、次級電壓同名端均為負(fù)極性，VQ1的漏源極電壓為母線電壓，即udsVS1= Ud，使VQ4關(guān)斷，VQ3保持開通，IL1，IL2都流經(jīng)VQ3。此時，L2存儲能量，IL2增大；而L1釋放能量，IL1減小。
模態(tài)4[t3～t4] 情況與模態(tài)2相同，不再贅述。
圖2a給出了該整流器處于正向充電模式時其主要電參量的波形圖。
(2)反向放電模式工作原理及過程
該雙向變換器在一個Ts內(nèi)亦有4種開關(guān)模態(tài)。
模態(tài)1[t0～t1] 在t0時段，VQ1，VQ4導(dǎo)通，VQ2，VQ3關(guān)斷。變壓器初、次級電壓同名端均為正極性。變壓器初級電流由同名端流出，通過反向?qū)ǖ腣Q1給C1充電。此時，IL1，IL2都流經(jīng)VQ4。L1放電，和電池一起通過變壓器向母線傳遞能量，IL1減小；另外電池也向L2放電，故IL2增大。
模態(tài)2[t1～t2] 在t1時刻，VQ1關(guān)斷，保持VQ2關(guān)斷，VQ3，VQ4導(dǎo)通，變壓器初、次級電壓為零，沒有電流流過。此時UdsVS1=UdsVS2=Ud ／2。電池通過VQ3向L1，以及通過VQ4向L2放電，L1，L2被充電，IL1，IL2都是增大的。
模態(tài)3[t2～t3]在t2時刻，VQ2導(dǎo)通，VQ1關(guān)斷，變壓器初、次級電壓同名端均為負(fù)極性，由于VQ2導(dǎo)通，VQ1的漏源極電壓為母線電壓，即UdsVS1=Ud。VQ4關(guān)斷，保持VQ3開通。此時，IL1，IL2都流經(jīng)VQ3。L2放電，和電池一起通過變壓器向母線傳遞能量，IL2減小；另外電池也向L1放電，故IL1增大。
模態(tài)4[t3～t4]情況與模態(tài)2相同，不再贅述。
圖2b給出該整流器處于反向充電模式時其主要電參量的波形圖。在上述充放電過程中，只要C1和C2電壓不相等，則L上將流過電流，直到兩電容電壓平衡為止。
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3 主電路硬件參數(shù)設(shè)計
主電路硬件參數(shù)的設(shè)計包括L1，L2、初次級開關(guān)管的選型以及隔離驅(qū)動電路的設(shè)計等。
3．1 濾波電感參數(shù)的設(shè)計
由于兩個電感完全一樣，故設(shè)計其中一個電感L1即可。開關(guān)管工作頻率fs=42 kHz，半橋開關(guān)管最大占空比D=0．4，輸出電壓5 V，電感電流為30 A，電感電流紋波取±5％，變壓器次級倍流整流管導(dǎo)通壓降與線路壓降之和△u=0．2 V，由此可得L1=(1-D)(Uo+0．2)／(fs△iL 12)=25μH。
3．2 MOSFET的選型
(1)半橋開關(guān)管的選型
設(shè)定Ud=360 V，故半橋開關(guān)管工作在高壓狀態(tài)下，其選型主要考慮耐壓，過電流能力和內(nèi)部快恢復(fù)二極管的恢復(fù)時間等。電路中VQ1，VQ2選用N溝道MOSFET管IXTP14N60P，其額定電壓為600 V，額定電流為14 A，內(nèi)部反并聯(lián)二極管恢復(fù)時間小于400 ns，完全可以滿足電路要求。
(2)變壓器次級同步整流管選型
由于變壓器次級輸出屬于低壓大電流(5 V／60 A)的工況，為減小損耗，同步整流管的導(dǎo)通電阻越小越好，同時，較短的MOSFET開通和關(guān)斷時間對提高效率也很關(guān)鍵。因此VQ3，VQ4采用低壓大電流功率開關(guān)管IXTQ200N06P，其漏源極額定電壓為600 V，額定電流為200 A，導(dǎo)通電阻低于6 mΩ，開通時間和關(guān)斷時間分別為35 ns和90 ns。
3．3 隔離驅(qū)動電路的設(shè)計
(1)半橋隔離驅(qū)動電路的設(shè)計
隔離驅(qū)動電路是控制電路與功率電路之間的信號接口。為了保證系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，同時實現(xiàn)DSP輸出的PWM信號對功率電路
開關(guān)管的有效驅(qū)動，采用帶隔離功能的懸浮自舉半橋驅(qū)動芯片SI8223作為該系統(tǒng)的隔離驅(qū)動電路主控芯片。
(2)變壓器次級倍流整流管驅(qū)動電路的設(shè)計
由于變壓器次級倍流整流管實質(zhì)為大電容負(fù)載，其驅(qū)動芯片要有較強的驅(qū)動能力，因此采用兩片大電流MOSFET驅(qū)動芯片UCC27321對其進(jìn)行驅(qū)動。該芯片具有9 A的峰值電流驅(qū)動能力，能夠快速地驅(qū)動MOSFET開關(guān)管，在10 nF的負(fù)載下，其上升時間和下降時間的典型值僅20 ns，并且有使能保護(hù)引腳，增強了系統(tǒng)可靠性。
4 充放電算法的實現(xiàn)
電池充電時采用先恒流(電流PI調(diào)節(jié))限壓，再恒壓(電壓PI調(diào)節(jié))限流的控制方法，其算法框圖如圖3所示。電池放電時采取恒流(電流PI調(diào)節(jié))限壓的控制方式，即使電池以一定電流放電，當(dāng)放電端電壓小于限定值時，停止電池放電。
5 實驗結(jié)果
實際搭建了基于雙向DC／DC同步半橋整流器的鋰電池充放電裝置的樣機，對單個200 Ah的鋰動力電池充電、放電實驗，充放電電流60 A，電壓5 V。圖4a為雙向DC／DC同步半橋整流器充放電時其4個開關(guān)管VQ1～VQ4的驅(qū)動信號upwmVQ1～upwmVQ4波形。顯然，這4路信號上升和下降速度均較快，同時，前兩者占空比完全相等，相位相差180°，upwmVQ1和upwmVQ3，upwmVQ2和upwmVQ4剛好互補導(dǎo)通，與前文的分析完全一致。圖4b為雙向DC／DC同步半橋整流器輸出到電池的充放電5 V電壓，顯然波形較平滑，紋波較小，完全能滿足鋰動力電池的充放電要求。
6 結(jié)論
介紹了一種先進(jìn)的基于雙向DC／DC同步半橋整流器的鋰動力電池充放電方案，對裝置的硬件和算法進(jìn)行了設(shè)計。最后搭建了實驗平臺，輸出電壓波形穩(wěn)定，紋波小，能夠較好地實現(xiàn)鋰動力電池的充放電要求，驗證了該裝置電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方案的可行性，為未來動力鋰電池充放電設(shè)備的進(jìn)一步研制提供了借鑒。
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