（电力电子与电力传动专业论文）大功率锂离子蓄电池充放电系统的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t ：b a t t e r y i sw i d e l ya p p l i c a n ti ne v e r y p a r to fn a t i o n a le c o n o m ya ss t o r a g e e q u i p m e n t t h ee vb u sd e v e l o p sr a p i d l yn o w a d a y s ，a n db a t t e r yi st h eo n l ys o u r c eo f p u r ee vb u s t h eb a t t e r yn e e d sc h a r g ea n dd i s c h a r g ea b s o l u t e l yt oe n h a n c ei t s p e r f o r m a n c e s ，a n dt e s t si t sr e a lc a p a b i l i t ya tt h es a m et i m e t h ec h a r g ea n dd i s c h a r g e t e c h n o l o g yi sb o r nw i t hb a t t e r ya n d h a sc l o s er e l a t i o n s h i pw i t hi t t h ep e r f o r m a n c eo f c h a r g ea n dd i s c h a r g es y s t e ma f f e c t st h et e c h n o l o g ya n dl i f e s p a no fb a t t e r yd i r e c t l y i t a l s od e c i d e st h ed e g r e eo f p o l l u t i o nt ot h eg r i d s i l i c o n c o n t r o l l e dr e c t i f i e r s ( s c r ) a r ew i d e l yu s e di nb a t t e r yc h a r g ea n dd i s c h a r g e s y s t e ma tt h ep r e s e n tt i m e a sw ea l lk n o w , s c rs y s t e mh a sl o wp o w e rf a c t o ri ng r i d s i d ea n dc a u s e s s e v e r eh a r m o n i cp o l l u t i o n h o w e v e r , e l i m i n a t i n gh a r m o n i c p o l l u t i o n a n di m p r o v i n gp o w e rf a c t o ra r eav e r yi m p o r t a n tr e s e a r c ht a s ki nt h ef i e l do f p o w e r e l e c t r o n i c s an e ws o l u t i o no f b a t t e r yc h a r g ea n dd i s c h a r g es y s t e mb a s eo nv o l t a g e - s o u r c ep w mr e c t i f i e r ( v s r ) a n db i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e ri sp r e s e n t e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h es y s t e mi m p l e m e n t sb i d i r e c t i o n a lp o w e r f l o w , s i n u s o i d a lc u r r e n tc o n t r o l a n du n i tp o w e rf a c t o rc o n t r o li ng r i ds i d ea sw e l l a n di ts a v e sm u c he n e r g ya n dc a u s e l e s sp o l l u t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n sm a i nc i r c u i ta n db u i l d su pt h em o d e li nm a t l a b s i m u l i n k a f u l ls o l u t i o no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e rc o n t r o l s y s t e ma n dc o n t r o l l e rb a s eo nm c 9 s 12 d 6 4i sp r e s e n t e di nd e t a i li nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ec h a r g es t r a t e g ya d o p t sc o m b i n a t i o no fc o n s t a n tc u r r e n ta n dc o n s t a n tv o l t a g e t h e c o n t r o l l e rc o m m u n i c a t e sw i t hb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ( b m s ) t oa c q u i r et h e i n f o r m a t i o no fe a c hb a t t e r y a n dt h e nu s ei ta sc o n t r o la n d p r o t e c tv a r i a b l e t h er e s u l to f e x p e r i m e n ts h o w st h a te f f i c i e n c yi sh i g h e rt h a n8 0 ，p o w e rf a c t o ri sh i g h e rt h a n9 9 a n dt h di sl o wt h a n5 i nt h ef u l l l o a d i ts a t i s f i e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n di t v a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t yo ft h et o p o l o g y k e y w o r d s ：v s rp w m ；b i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r ；c h a r g ea n dd i s c h a r g e ； p o w e rf a c t o r c 1 a s s n o ：t m 9 2 1 5 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：秽晚彳 签字日期：矽锣年月乡日 导师签名： 步髫 签字日期：q 辉f 月f o 日 北京交通人学硕十学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：黪施净 签字吼硼年衫月。日 6 8 致谢 本论文的工作是在我的导师姜久春教授的悉心指导下完成的，姜久春教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 姜久春老师对我的关心和指导。 姜久春教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向姜久春教授表示衷心的谢意。 张维戈老师对于我的科研工作和论文都给了很大的帮助，在此表示衷心的感 谢。 在实验室工作及撰写论文期间，牛利勇、冯韬、文锋、温家鹏和李凯旋等同 学对我论文和研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 研究背景及意义 1 引言 蓄电池具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，在国民生产各部门应用 越来越广泛，如电动交通车辆、煤炭矿山、不间断电源等。随着科学技术的发展和 人们对生活质量要求的提高，环境问题和可持续发展的问题越来越受到人们的重 视。由于石油危机和能源紧缺，同时为了解决日益严重的汽车尾气排放造成的环 境污染问题，目前世界各国竞相发展电动汽车。电动汽车采用蓄电池作为动力源， 具有污染小，噪音小等优点。现在实际工程中用到的蓄电池主要有以下四种：铅酸 蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池h 1 。锂离子蓄电池与其他电池相 比，主要有以下特点： ( 1 ) 电压高：所标志的开路电压通常为3 7 0 v ，而镍氢和镍镉电池的开路电 压为1 2 0 v ； ( 2 ) 容量大硷1 ：能量高、储存能量密度大，是锂离子蓄电池的核心价值所在， 以同样输出功率而言，锂离子蓄电池的重量不但比镍氢电池轻一半，体积也小2 0 ； ( 3 ) 放电率：锂离子蓄电池的充电速度较快，仅需要1 2 小时的时间就可充 电，达到最佳状态；同时，锂离子蓄电池的漏电量极少，即使随意放置1 2 周后再 拿出来用时，_ 样能发挥电力、照常工作；锂离子蓄电池的自放电率低 0 3 7 ( 3 2 8 ) 实际上以上条件常不能满足，这表明在v s r 直流母线电容的设计中要根据实 际需要综合考虑直流电压的跟随性和抗扰性能指标要求，并充分结合计算机仿真 来辅助设计电容量。最终取电容为5 6 4 0 u f ，用1 2 个4 7 0 u f 4 5 0 v 的电解电容并联。 3 1 4 电池侧升压电感设计 双向d c d c 变换器升压模式下，升压电感的选择一般根据电流临界连续和电流 纹波要求两种情况考虑，按电流临界连续设计时，电感取值应满足下式n 引： 三( 一u 。面d ( 3 2 9 ) 按电流的纹波指标设计时，电感l 取值应满足下式： 老加棚 ( 3 - 3 。) 1 8 式中玑一电池电压； 正一双向d c d c 变换器开关频率； d 一开关管导通占空比； ，。一电池最大充放电电流； ，：一电流纹波系数。 根据实际系统参数计算，取电感为1 5 0 u h 。 3 1 5电池侧电容值的选择 电池侧电容值的选择与直流母线电容的选择类似，从满足电压环控制的跟随性 指标和满足电压抗干扰性能指标来设计，根据实际系统参数计算和仿真，取电容为 1 8 8 0 u f ，用4 个4 7 0 u f 2 0 0 v 的电解电容并联。 3 2 系统仿真 在m a t l a b s i m u l i n k 中将主电路、双闭环以及电流前馈解耦控制算法n 司、 s v p w m 合成算法，以及双向d c d c 变换器建立充放电系统的仿真模型n 们如图 3 6 。 图3 - 6 充放电系统仿真图 f i g 3 - 6c h a r g ea n dd i s c h a r g es y s t e mi ns i m u l i n k 上图中模块s u b s y s t e m 5 为双向d c d c 变换器模块，内部结构如图3 7 。在对 蓄电池充电时为b u c k 电路，当对蓄电池放电时为b o o s t 电路。 1 9 北京交通大学硕十学位论文 图3 - 7 双向d c d c 变换器仿真图 f i g 3 7b i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r i ns i m u l i n k 3 2 1 半组电池充电仿真 系统参数如下： 电网电压 三相滤波电感 直流母线电容 输出直流电压 开关频率 蓄电池恒流充电 仿真结果如下： 2 4 1 v l = l m h ( 忽略电感电阻r ) c 2 5 6 4 0 u f v d c 2 1 0 0 v f = 5 k h z i=1 0 0 a 控制p w m 整流器工作处于整流状态，控制双向d c d c 变换器工作在充 电b u c k 模式。图3 - 8 中，上面为直流母线电压波形，下面为交流侧电压、电 流波形，从图中看到交流侧和电压电流基本同相位，功率因数接近为1 。 2 0 电路叁数送让盈丕统笾真 3 2 2 整组电池充电仿真 系统参数如下： 电网电压 三相滤波电感 直流母线电容 输出直流电压 丌关频率 蒂电池恒流充电 仿真结果如下： 图3 8 ：i - - 生f i 电池充电仿真 f i g 3 8c h a r g e ri ns i m u l i n k 2 7 2 v l = l m h ( 忽略电感电阻r ) q 2 5 6 4 0 u f 216 0 v f = 5 k h z i=10 0 a 控制p w m 整流器工作处于整流状态，控制双向d c d c 变换器工作在充 电b u c k 模式。图3 9 中，上面为直流母线电压波形，下面为交流侧电压、电 流波形，从图中看到交流侧和电压电流基本同相位，功率因数接近为1 。 北京交通人学硕十学位论文 图3 - 9 整组电池充电仿真 f i g 3 - 9c h a r g e ri ns i m u l i n k 3 2 3 半组电池放电仿真 系统参数如下： 电网电压 二相滤波电感 直流母线电容 输出直流电压 开关频率 蓄电池恒流放电 仿真结果如下： e m s 24 1 v l = l m h ( 忽略电感电阻r ) c d 25 6 4 0 u f 210 0 v f = 5 k h z i=1o o a 控制p w m 整流器工作处于逆变状态，控制双向d c d c 变换器上作在放 电b o o s t 模式。图3 一1 0 中，上图部分为直流母线电压波形，下图为交流侧电 压、电流波形，从图中看到交流侧和电压电流相位相差1 8 0 。，功率因数接近 为一l 。 系统参数如下： 电网电压 三相滤波电感 直流母线电容 输出直流电压 开关频率 蓄电池恒流充电 仿真结果如下： k ，27 2 v l = l m h ( 忽略电感电阻r ) q 25 6 4 0 u f 21 6 0 v f 25 k h z i=10 0 a 首先控制p w m 整流器工作处于整流状态，控制双向d c d c 变换器工作 在充电b u c k 模式，接着控制p w m 整流器工作处于逆变状态，控制双向d c d c 变换器工作在放电b o o s t 模式，然后又控制p w m 整流器工作处于整流状态， 控制双向d c d c 变换器工作在充电b u c k 模式。图3 1 2 中，上图部分为直流 母线电压波形，下图为交流侧电压、电流波形，从图中看到充电转换为放电 时，直流母线电压升高；放电转换为充电时，直流母线电压跌落。电流在充、 放电转换半个剧期内即下一个电流过零点换向，这样可以减小电流换向时引 起的冲击。直流母线电压的升高和跌落与转换的时刻有关，转换时刻越接近 下一个过零点则直流母线电压的变化越小。仿真波形证明了在本文设计的主 主! 包蹬叁数邀让盈丕统笾真 电路参数条件下，充放电之间的转换在半个周期内可以完成电流换向。电池 侧充电 3 3 辅助电路设计 3 3 1 驱动电路设计 图3 一1 2 整组电池充电j 放电转换仿真 f i g 3 一l2c h a r g e ra n dd i s c h a r g e ri ns i m u l i n k 在电力电子系统中，设计i g b t 的驱动电路和保护电路是应用的关键。i g b t 栅极驱动电路应具备如下基本功能心们： ( 1 ) 提供足够的栅极电压来开通i g b t 并在丌通期问保持这个电压； ( 2 ) 在最初丌通阶段，提供足够的栅极驱动电流来减少开通损耗和保证i g b t 的了l ：通速度； ( 3 ) 在关断期间，提供一个反向偏置电压来提高i g b t 抗暂态d v d t 的能力 和抗e m i 噪声的能力并减少关断损耗； ( 4 ) 在i g b t 功率电路和控制电路之间提供电气隔离。对i g b t 逆变器，一 般要求的电气隔离为2 5 0 0 v 以上； ( 5 ) 在短路故障发生时，驱动电路会通过合理的栅极电压动作进行i g b t 保 护，并发出故障信号到控制系统。 专用的驱动板一般比较贵，而且一套充放电系统需要8 个驱动板。为了= 节约 成本，本文为i g b t 设计了专用驱动板。驱动板采用了单端正激变换器谐振磁复位 北京交通大学硕十学位论文 软开关驱动电源乜乜引。驱动芯片采用了安捷伦公司的h c p l 3 1 6 j 。 l 、驱动电源的设计 驱动电源采用单端正激变换器拓扑结构。一般的单端正激变换器需要加去磁 绕组，这里采用谐振磁复位软开关原理来去磁。它是利用电路中开关器件两端并 联的电容与变压器励磁电感的谐振来实现的。其拓扑结构如图3 - 1 3 所示，其中，三。 为变压器原边激磁电感，c ，为开关管q 1 两端并联的谐振电容，d 3 为开关管q 1 内部 反并联二极管。 图3 - 1 3 驱动电源拓扑结构 f i g 3 - 13t h et o p o l o g yo f d r i v ep o w e r 电源一个开关周期可分为6 个时间段描述，图3 - 1 4 为各时间段所对应的等效 电路拓扑工作模式( 图中箭头表示实际电流方向) 。另外，因为漏感厶 厶，故在 下面分析中将其忽略。 ( d ) t 3 f 4 ( b ) t l - t 2 图3 1 4 开关模态等效电路 2 6 d j nf ；l m d 一 ) ( f ) t 5 一f 6 f i g 3 1 4e q u i v a l e n tc i r c u i t sf o re a c ho p e r a t i n gm o d e ( 1 ) f o - t 1 时间段 在时刻f 0 ，开关管q 1 导通，变压器磁芯正向励磁，激磁电流正向线形增 长，变压器原边电压v 。= 。副边二极管d 1 ，d 2 导通，输入能量通过变压器和 二极管传送到输出负载。 l 警= 圪 。q 1 ) 初始条件为：( o ) = 0 可解得： ；一圪(3-32)t f l ，= 、 这个时间段的长度取决于电路的占空比控制要求。 断，这时= l 。，则这个时间长度为： 张中硅 设在时刻，开关管q 1 关 ( 2 ) t l t 2 时l f 日j 段 在时刻 ，开关管q 1 在电容e 作用下软关断。之后，副边反射电流厶和 励磁电流给e 充电，。和c 处于谐振状态。 j c 誓吨+ 万o仔3 4 ) l 三警2 一亿 初始条件： ( o ) = 0 ，屯。( 0 ) 5l i 解方程组并代入初始条件可得： f 屹2 叱c o s h ， - - - ( 3 - 3 5 ) ，r k 2 ms i n ( 优+ p ) 一嚣 式中，w 2 赤削冁触羁弘恪削冁蝴籼蹴 阳锄叫警”扛砖蚶z 2 = 序2 + c 专蚶。 当k 谐振上升到时，这一时间段结束，将屹= 带入公式可得这一时间段 北京交通大学硕七学位论文 长度： 嘲扣嘉制 “乞) = l ：= 村一专 ( 3 ) t 2 岛时阳j 段： 在时刻乞，魄= 圪，变压器原边电压为零，这时副边整流二极管d 1 ，d 2 关 断，由电容给负载提供能量，变压器原边l 与c 继续谐振，变压器原边电压为负， 么开始下降，变压器进入磁复位过程。这一时间段等效电路拓扑如图所示。在这 一时间段有： ic 誓吨 【l ，d 出i l = 圪一亿 初始条件为： i k ( o ) = 【屯，( o ) = i m 2 解方棵绸算代入初始条件可得： k = 吃+ ( m 一专) z s i n w f 屯。= ( 一万1 0 ) c 。s 们 当屹谐振上升到最大值。时， 得这个时间段的持续时间： h 中1 w s i n 叫学1 w 一么 且t 。( 乃) = 0 这个时间段结束。将屹= k 带入上式，可 ( 4 ) t 3 f 4 时间段： 在时刻如，= 。之后，电容e 开始放电，励磁电流t 。开始反向，e 与。 继续谐振，这一时间段等效电路拓扑如图所示。在这一时间段有g 2 8 lc 誓吒 【l 。d 出i v n = 一亿 初始条件有： i ( o ) = 【k ( o ) = 0 解方程并代入初始条件： i 比= v l n + ( 一圪) c o s w t 【t 。= 一厶ms i n w t 其中驴学， 当在时刻谐振下降到时，这个时间段结束。将屹= 圪带入可得这个时 间长度： 瓦= f 4 一岛= 毛 而且： 五。( ) = 一l ： ( 5 ) t 4 f 5 时间段： 在时刻，下降到，变压器原边电压上升为零。之后，整流二极管d 1 ， 。2 导通，副边反射电流每及激磁电流继续使e 放电。这个时间段对应的等效 电路拓扑如图所示。这一时间段有： lc 鲁= 呜 【l 。d 班i r m = 一屹 初始条件： i k ( o ) = 圪 【t 。( o ) = 一l ： 懈方稗# 代入初始条件得： 北京交通大学硕士学位论文 当在岛时刻谐振到零时，这一时间段结束。代入上式可得这个时间长度： 巧：f s 一：三s i n - ! ( 3 4 8 ) w ( l ：一努) z (z)：叫五(i骊io z v m 2 一每( z ) 2 叫么一 ( 6 ) t 5 t 6 时间段： 在时刻岛，下降到零，开关管q 1 的反并联二极管d 1 导通，将屹箝位在 零值。之后，电感电流。在输入电压圪的作用下线性变化。对应电路等效拓扑如 图所示，在这个时间段有： l 。d 以i l = 吃 初始条件：t 。( o ) = o ( f 5 ) 解方程并代入初始条件得： 屯。：拿f + 啪，) 2 芒h o s ) 当在数值上下降到等于l ，即t 。一i 。n ，二极管d 3 中电流为零，这 个时间结束。从气时刻将开始下一个周期。这个时间段，开关管q 1 可在零电压下 完成导通过程。由式可得这个时间段长度： 张中每扛一争謦) 2 仔5 2 ， 为了实现谐振磁复位及开关管的零电压零电流导通，必须对系统的参数进行 合理的设计和优化。 由工作模式, - ip a 看出电容两端电压波形为对称的。设开关管关断时间为乃矿， 如果要实现软开关则要满足： 五+ 互+ 五2 ( 3 5 3 ) 临界状态为： 互+ 7 2 + 毛= 艺矿2 ( 3 - 5 4 ) 这样可以设定互、瓦、互 3 0 们 厶一 证 一 s 哼 z m l s 厶一 一 ，一r 一：厶一 l 一 ( 2 一 l o = = k “ 降讽薏 卜2 扣1 嘉2 别 b 2 学 o = t a i l 一- 坠厶! 姿 矿 屯。c 岛，= 厶：= 厶肘一专= j 薹= ；丽一s o 已知圪、圪，、圪：，设定电源功率后输出电流厶为已知，选定开关管并联电 容值，自己设定不互、互，及开关管两端最高电压，将其代入方程中解出l 。、 输入电压： 输出电压： 激磁电感： 谐振电容： z = f 玉， 、g 可最后求得己。 圪= 1 5 v v o i = 1 5 v ，v 0 2 = 1 0 v 厶= o 3 3 m h j z j 。i ? 妨：巍盘。i 。i 亩i 。2 1 蝴- 0 7 z e 海，j 嗥飞咯t 嗡 图3 1 5 驱动电源开关管脉冲和电压波形 f i g 3 1 5t h ew a v e f o r mo f v o l t a g ea n dp u l s e 图3 1 5 为驱动电源功率开关管q 1 两端电压波形和脉冲波形，其中c h l 为 3 l 北京交通大学硕七学位论文 q 1 两端电压波形，c h 2 为脉冲波形，c h l 每格代表2 0 v ，c h 2 每格代表5 v 。可 见波形与理论分析相同，实现了q 1 在零电压零电流导通，零电压关断，以及谐振 磁复位。这种利用开关器件并联电容与变压器励磁电感的自激振荡实现磁复位，无 需外加辅助电路，所需的器件少，磁能循环利用、效率高。开关管q 1 在零电压零电 流下开通，零电压下关断，减小了开关损耗，很适合应用于i g b t 驱动电源。 2 、驱动电路 目前实际产品应用中有各种典型的驱动电路，例如：安捷伦公司的h c p l - 3 1 6 j 作为i g b t 驱动电路，因其驱动可靠，价格低廉，被广泛地应用于n 沟道大功率i g b t 驱动领域。它采用双电源驱动结构，内部集成有过电流保护电路并有2 a 的栅极驱 动能力。它具有两个输入端，用户可以根据需要配置。图3 1 6 是h c p l 3 1 6 j 实际应 用电路图啦引。 图3 1 6h c p l - 3 1 6 j 应用电路原理图 f i g 3 - 1 6t h es c h e m a t i co f h c p l - 3 1 6 j h c p l 一3 1 6 j 的短路保护原理是：当发生短路或过载的时候，管子c e 两端的电 压上升。当h c p l 3 1 6 j 检测到c e 电压超过阀值，会立即降低栅极电压进行软关 断，同时发出过流保护信号并保持，直到c p u 发出复位信号才能恢复。它的过流 保护信号是o c 门结构，几个保护信号可以直接线或，任何一个过流，所有的都会 保护。在i g b t 关断时，过流检测电路不使能，防止产生假故障信号。h c p l 3 1 6 j 有+ 和一两个驱动信号输入端，把同一桥臂的两个开关管的脉冲信号交叉接入 可以实现信号互锁功能，保证即使脉冲出现问题，两个开关管也不能同时导通。 3 3 2 吸收电路设计 图3 - 1 7 中示出了3 种通用的i g b t 吸收电路心引。吸收电路a 是由一个无感电 容并联在正负母线之间。在小功率设计时，这种吸收电路对抑制电压瞬变有很好 的作用，而且只用一个电容组成，成本很低。但随着功率等级的加大，这种吸收 3 2 电路可能会和母线的寄生电感做减幅振荡。吸收电路b 使用快恢复二极管解决了 a 在大功率应用中得振荡问题。这个二极管可以箝位瞬变电压，从而抑制振荡的 发生。缓冲电路b 的时间常数，应该设为开关周期得三分之一，既f = 1 3 t 。对 于大功率级别的i g b t ，回路电感太大，b 型电路无法有效的抑制电压瞬变。所以 在大电流应用中，常用到缓冲电路c 。这种吸收回路类似于b 型，只是具有较小 的回路电感。因为这种电路的直接联接在每个i g b t 的集电极和发射极。在功率非 常大的应用场合使用一个a 型吸收电路和一个c 型吸收电路的组合，这主要是抑 制主吸收电路的寄生振荡。 实验中p w m 整流器使用了a 型吸收回路，每个i g b t 的正负端子上并联 0 4 7 u f 1 2 0 0 v 的无感电容。双向d c d c 变换器采用了r c d 构成的b 型吸收回路。 电容用了0 4 7 u f 1 2 0 0 v 的无感电容，二极管采用6 0 a 1 2 0 0 v 的快恢复二极管，电 阻选择了3 0 d 5 0 w 的金属电阻。 jk ， 0 jk 2 _ j abc 图3 - 1 7 通用吸收电路 f i g 3 - 17c i r c u i to fs n u b b e r 3 3 北京交通人学硕+ 学位论文 4 控制系统硬件设计 控制系统本文主要设计了双向d c d c 变换器控制板和控制器。它们都采用 f r e e s c a l e 推出的h c s l 2 系列1 6 位单片机，型号为m c 9 s 1 2 d 6 4 犯射。它支持背景调 试模式和大容量存储器扩展，内部除中央处理单元c p u l 2 外，不仅集成f l a s h ， e e p r o m 及r a m 存储器，而且还集成c a n ，b d l c ，s c i ，s p i ，h s i o 等多种接口， 功能丰富，速度高、功耗低、性价比高、系统设计简单。f l a s h 存储器具有快速 编程能力、灵活的保护与安全机制，而且擦除和写入无需外部加高电压。以 m c 9 s 1 2 d 6 4 为核心的单片机系统包括晶振电路和复位电路等。m c 9 s 1 2 d 6 4 有两 路c a n 和r s 4 8 5 ，都分别扩展了隔离的接口。c a n 接口是为以后要研究的充放 电系统远程监控网络预留的。 4 1 双向d c d c 变换器控制板硬件设计 4 1 1 检测电路设计 充放电系统在运行过程中需要检测多个模拟量和开关量。双向d c d c 变换器 需要检测的模拟量主要包括：直流母线电压，电池侧电压和输出电流。充放电系 统检测直流母线电压主要是为了在母线电压过低和过高，系统无法正常工作时产 生欠压保护信号和过压保护信号，停止充放电系统运行。采集电池侧电压是为了 得到电压反馈信号和输出过压保护信号。采集输出电流是为了得到电流反馈信号 和输出过流保护信号。为了保证主电路与控制电路之间的电气隔离，这里检测电 压、电流分别使用了霍尔电压传感器和电流传感器。 1 、电压检测电路设计 充放电系统使用的霍尔电压传感器是南京中旭公司的h n v 0 2 5 a 。它是利用霍 尔磁平衡原理的传感器，能够测量直流、交流以及各种波形的电压，并且在电气 上是高度绝缘的。它的主要参数有： ( 1 ) 电源电压1 5 v ( 5 ) ( 2 ) 额定输入电流1 0 m a ( 3 ) 次级额定电流2 5 m a ( 4 ) 响应时间 4 0 脚 ( 5 ) 绝缘电压4 5 k v 5 0 h z 1 r a i n 电压传感器使用非常方便，只需要在电压传感器的原边按照额定输入电流 选取合适的采样电阻，就能把被测的电压信号转换成了电流信号。传感器的次 级使用一个采样电阻，再把电流信号转换成低电压信号给检测电路。图4 - 1 是 整个采样电路的原理图。我们以直流母线电压最高= 2 4 0 v 来计算采样电阻， 电压传感器的额定输入电流i 伽- 1 0 m a ，所以我们可以计算需要的采样电阻的 阻值，和电阻上消耗的功率。 r = i i n2 2 4 舰 ( 4 一1 ) 尸= x 1 # i 。2 4 w ( 4 2 ) 我们在这里使用了4 只2 4 k 1 w 的绕线电阻2 并2 串，每只电阻消耗的功率 为0 6 w 。 图4 一l 电压测量电路原理图 f i g 4 1t h es c h e m a t i co fv o l t a g em e a s u r e m e n t 传感器的次级输出侧用1 只2 0 0 f 2 1 w 的电阻将电流信号再转换成电压信号， 最大输出2 5 m a 将得到5 v 的电压信号。运算放大器l m 2 5 8 当作电压跟随器使用， 输出电压与输入电压同相，利用其输入阻抗高、输出阻抗低的特性作为缓冲电路。 电压信号从电压跟随器输出之后再经过一个滤波环节送到后面的电路。被测电压 与采样电路输出的电压信号之间的关系为2 4 0 v ：5 v 。 电池侧电压的检测电路与直流母线电压检测电路类似，仅需原边采样电阻选 取不同阻值。被测电压与采样电路输出的电压信号之间的关系为1 0 0 v ：5 v 。 2 、电流检测电路设计 充放电系统选用的霍尔电流传感器是南京中旭公司的h n c 2 0 0 u s 系列，它是 利用霍尔原理的电流传感器。能在电隔离的条件下测量直流、交流、脉冲以及各 种不规则波形的电流。这种电流传感器具有良好的线性精度，抗干扰能力强，频 3 5 北京交通大学硕+ 学位论文 带宽等优点。主要参数如下： ( 1 ) 电源电压1 5 v ( 5 ) ( 2 ) 额定输入电流1 0 0 a d c ( 3 ) 次级额定电流5 0 m a ( 4 ) 响应时间 万大于2 5 ”1 ”“删1 s 1 2 0 c n t 清零 ， 更新主界面 i l i s s 0 0 c n t 清零 、 给电池管理发 模式转换l匣。r k s 谢t c h c ， 送读电池数据 r 返回、 图5 - 4 时间计算子程序流程图 f i g 5 _ 4t h ef l o wc h a r to f t i m ec a l c u l a t i o n 5 2 3 模式转换子程序框图 图5 - 5 模式转换子程序流程图 f i g 5 - 5t h ef l o wc h a r to f w o r ks w i t c h 4 9 北京交通大学硕士学位论文 5 2 4 人机交互界面设计 前面已经提到充放电系统的人机交互接口是通过按键操作和液晶显示实现 的。按键操作力求简洁，用8 个键可以实现全部的操作功能。按键的操作是模仿 鼠标的操作，通过上、下、左、右4 个按键控制屏幕上光标的移动，确定要修改 设置量的哪一位，再通过加、减来改变这一位数字的值。数字将在它可能出现的 最小值和最大值之间循环。在完成一项参数的设置之后用确认键确定对参数的设 置，退出这项参数的设置。充放电系统的启动和停机指令也是通过启动键和停止 键来完成。 充放电系统的界面分为开机晃面，充电机、放电机选择界面，运行参数设置 界面，校准界面和运行界面。下面以充电机运行参数设置界面为例来说明界面的 设计。它共有两页，分别如图5 - 6 ( a ) 、( b ) 所示。运行参数设置界面上显示的参数 初始值来自上一次设置保存成功的数据。 电池节数 充电电流 单体电压 停止电流 l6 lo o 4 2 0 lo ( a ) ( b ) 图5 - 6 运行参数设置界面 f i g 5 6c o n t r o lp a r a m e t e rs e ti n t e r f a c e 充电机运行参数设置界面可以设置的参数有5 项，分别是“电池节数”、“充 电电流”、“单体电压”、“停止电流 和“充电时间 。 ( 1 ) “电池节数”：电池组中电池的数目，整组电池是1 6 节，半组电池是8 节，所以这个参数只能设置成1 6 或8 ，其他的数都会提示设置错误。这个参数与 电池管理系统通讯得到的电池节数相比较，如果两个不一致，也会提示电池节数 设置出错并且禁止启动。 5 0 ( 2 ) “充电电流”：充电过程中电流给定即允许充电电流的最大值。最大可设 置为1 0 0 a ，最小单位是1 a ，所以电流设置范围为1 a 1 0 0 a 。在电池电压没有达 到给定电压前，一直以此参数恒流充电。 ( 3 ) “单体电压”：单节电池的充电限制电压，和“电池节数”配合使用。比 如要对1 6 节的整组电池充电，“单体最高电压”设为4 2 0 v ，则充放电系统给定电 压等于1 6 x 4 2 0 ，为6 7 2 v 。最大可设置为4 3 0 v ，最小单位是0 0 1 v ，电压给定最 小单位是0 1 v 。 ( 4 ) “停止电流”：当电池电压达到给定电压即进入恒压充电时，充电电流逐 渐减4 , n c l 毛于此设定值后，自动停机。最小单位为l a 。 ( 5 ) “充电时间 指当充电机充电时间累计到设定好的时间后，充放电系统 自动停机，最小单位1 分钟，最大可设9 9 9 分钟。 此外还有清除电量、保存数据和返回上级。清除电量是清除上一次充电累计 的电量，电量重新从零开始累计。每组电池测试前需要清零充电累计电量，重新 开始累计这组电池的容量。保存数据是保存修改后的数据，若参数设置超出系统 限定的范围会提示哪项参数设置错误，然后返回参数设置界面可以重新设置。若 参数设置正确，参数会存入存储器，如果存储参数也正确，下次开机会直接显示 本次存储的参数。返回上级是返回到充电机、放电机选择界面，这样如果想更改 选择的话可以按确定键返回到充电机、放电机选择界面重新选择。 5 l 北京交通人学硕 ：学侮论文 6 充放电系统实验 充放电系统调试时用t e k t r o n i x 公司的t p s 2 0 1 4 示波器采集电压电流波形，系 统性能参数测试采用y o k o g a w a ( 横河) 的p z 4 0 0 0 型功率分析仪采集数据，主 要测试包括系统效率、功率因数以及谐波含量。如图6 1 为样机测试时的照片， 正面是本文研制的充放电系统，前面凳子上是y o k o g a w a 的p z 4 0 0 0 型功率分 析仪，左侧是整组中信国安盟同利公司生产的用于电动汽车的锰酸锂离子蓄电池 箱。测试时，输入三相进线和f 的输出线分别穿过功率分析仪的电流模块。输入 三相电压和电池电压分别接在功率分析仪的电压通道。 6 1 电池充放电实验 6 1 1电池充电实验 图6 1 系统测试照片 f i g 6 1p h o t o g r a p ho fs y s t e mt e s t l 、半组电池充电实验 半组电池充电时接触器s 吸合，曼断，r ，图6 - 2 为半组电池1 0 0 a 恒流充电 时，交流侧电压、电流和直流母线电压波形。其中c h l 为变压器输出电压，c h 3 为电网侧电流，c h 2 为直流母线电压。c h l 每格代表5 0 v ，c h 2 每格代表5 0 a ， c h 3 每格代表5 0 v 。波形可以看出：电压和电流基本同相位，直流母线电压很稳 定。 善黟，5 朗黪z 。赫磊幺二：力j ，易琵一扣强一瞬1 明彰苏，。努嬲鲷 图6 2 半组充电交流侧电压、电流和直流母线电压波形 f i g 6 2w a v e f o r m so f a cc u r r e n t ，a cv o l t a g ea n dd cv o l t a g e 2 、整组电池充电实验 整组电池充电时接触器是吸合，s 断开，图6 - 3 为整组电池1 0 0 a 恒流充电 时，交流侧电压、电流和直流母线电压波形。其中c h l 为变压器输出电压，c h 3 为电网侧电流，c h 2 为直流母线电压。c h l 每格代表5 0 v ，c h 2 每格代表1 0 0 a ， c h 3 每格代表5 0 v 。波形可以看出：电压和电流基本同相位，直流母线电压很稳 定。 c 露一靳删冬一0 ：，i ，、工一一孓 i “o 加明争：，。韵薏2 嚣翦 图6 - 3 整组充电交流侧电压、电流和直流母线电压波形 f i g 6 3w a v e f o r m so f a cc u r r e n t ，a cv o l t a g ea n dd cv o l t a g e 图6 - 4 为整组电池1 0 0 a 恒流充电时，直流侧开关管脉冲，开关管两端电压和 输出电流波形。其中c h 3 为直流侧开关管脉冲，c h 2 为开关管两端电压，c h 4 为 5 3 北京交通大学硕十学位论文 输出电流。c h 2 每格代表1 0 0 v ，c h 3 每格代表1 0 v ，c h 4 每格代表2 0 a 。波形可 以看出：开关管脉冲占空比基本不变，输出直流电流平稳。 图6 - 4 整组充电直流侧开关管脉冲、开关管两端电压和输出电流波形 f i g 6 - 4w a v e f o r m so fp u l s e v o l t a g ea n d d cc u r r e n t 6 1 2 电池放电实验 1 、半组电池放电实验 半组电池放电时接触器墨吸合，最断开，图6 5 为半组电池1 0 0 a 恒流放电 时，交流侧电压、电流和直流母线电压波形。其中c h l 为变压器输出电压，c h 3 为电网侧电流，c h 2 为直流母线电压。c h l 每格代表5 0 v ，c h 2 每格代表5 0 a ， c h 3 每格代表5 0 v 。波形可以看出：电压和电流相位基本相反，直流母线电压很 稳定。 飘孵 、。，蝴- 0 1 甜溺，褊耢翱 图6 - 5 半组放电交流侧电压、电流和直流母线电压波形 f i g 6 5w a v e f o r m so f a cc u r r e n t ，a cv o l t a g ea n dd cv o l t a g e 2 、整组电池放电实验 整组电池放电时接触器最吸合，s 断开，图6 6 为整组电池1 0 0 a 恒流放电 5 4 时，交流侧电压、电流和直流母线电压波形。其中c h l 为变压器输出电压，c h 3 为电网侧电流，c h 2 为直流母线电压。c h l 每格代表5 0 v ，c h 2 每格代表5 0 a ， c h 3 每格代表5 0 v 。波形可以看出：电压和电流相位基本相反，直