（电气工程专业论文）大容量锂离子电池化成设备监控系统的研究.pdf

炒 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 签字日期和 一名：了玖印乡 签字日期：砂p 年l f 月f ，日 i r 中图分类号：t m 9 2 1 5 u d c ：6 2 1 3 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 大容量锂离子电池化成设备监控系统的研究 r e s e a r c ho nm o n i t o r i n gs y s t e mo fh i g h - - c a p a c i t yl i - - i o nb a t t e r y f o r m a t i o ne q u i p m e n t 作者姓名：刘峥 导师姓名：张维戈 学位类别：工学 学科专业：电气工程 学号：0 8 1 2 2 0 8 6 职称：副教授 学位级别：硕士 研究方向：新能源应用 北京交通大学 2 0 10 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师张维戈副教授的悉心指导下完成的，张维戈副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给予我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两 年多来张维戈老师对我的关心和指导。 姜久春教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 李景新、王健强和黄勤河三位老师们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我很大的关心和帮助，在此向三位老师们表示衷心的谢 意。 在实验室工作及撰写论文期间，李晶、吴智强、谢晨等同学对我论文中的监 控系统软硬件设计研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的亲人们，尤其是我的奶奶和姥姥，她们的理解和支持使我能 够在学校专心完成我的学业。 】r i 【 中文摘要 摘要：在大容量动力型电池生产过程中必须要经过化成工序，即在生产过程中对 电池进行多次充放电才能完成整个电池的生产。目前国内电池化成设备因为技术 和成本因素，多采用将电池内部能量通过电阻放电方式消耗，造成极大的能源消 耗。为此，实验室提出了开发高效率电池化成设备的课题并给出相应课题方案。 本文针对电池化成设备中高精度电池充放电电量计量、有效运行控制和数据记录 及充放电能量流动控制等技术难点，分析了充电模块、放电模块和单相p w m 整流 器的电路拓扑及工作原理，在此基础上以f r e e s c a l e 公司生产的单片机m c 9 s 1 2 d 6 4 为核心控制芯片，根据锂离子电池的接受特性和充放电原理，开发出适用于大功 率动力型电池化成设备的控制模块。此外，为了有效地控制系统运行及实时监测 电池状态，还设计了以c a n 通信网络为基础的集中式计算机监控系统界面。实验 结果验证了该电池化成设备充放电控制方案的可行性和上位机监控系统的可靠 性，且电量计量精度达到1 以内，整机较现有设备实际节能高于2 0 。 关键词：动力型电池、电池化成、充放电控制、电量计量、c a n 总线 分类号：6 2 1 3 卜-rl_， a b s t r a c t a b s t r a c t ：i ti so n en e c e s s a r yp r o c e d u r et of o r m a th i 曲一c a p a c i t yp o w e rb a t t e r yi n p r o d u c t i o np r o c e s s t oc o m p l e t et h ee n t i r eb a t t e r yp r o d u c t i o n , e v e r yb a t t e r ys h o u l db e c h a r g e da n dd i s c h a r g e ds e v e r a lt i m e s t h e yc a l lt h i sw h o l ep r o c e s s ，b a t t e r yf o r m a t i o n d u et ot e c h n i c a la n dc o s tf a c t o r s ，m o s to fd o m e s t i cb a t t e r yf o r m a t i o ne q u i p m e n t s c o n s u m ee n e r g yt h r o u g ht h er e s i s t a n c ew h e nt h e ya l ed i s c h a r g i n g ，i tc a u s e sag r e a to f w a s t e t ot h i se n d , m yl a b o r a t o r ym a d eah i g h - e f f i c i e n c yb a t t e r yf o r m a t i o ne q u i p m e n t d e v e l o p m e n ti s s u ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gs u b j e c tp r o g r a m st od e a l 、航t hi t i nt h i sp a p e r , f o rt h e t e c h n i c a ld i f f i c u l t i e ss u c ha sh i g h - p r e c i s i o nm e a s u r e m e n to fc h a r g i n ga n d d i s c h a r g i n gp o w e r , e f f e c t i v ec o n t r o lo p e r a t i o na n dd a t ar e c o r d ，p o w e rf l o wc o n t r o lo f c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g ，i ta n a l y z e st h ec i r c u i tt o p o l o g i e sa n dp r i n c i p l e so fc h a r g i n g m o d u l e ，d i s c h a r g i n gm o d u l ea n dt h es i n g l e p h a s ep w mr e c t i f i e r o nt h i sb a s i s ，i t a p p l i e sf r e e s c a l e sm c u m c 9 s 12 d 6 4a sc o r ec o n t r o lc h i pa n dd e v e l o p sab r a n dn e w c o n t r o lm o d u l ef o rh i 曲一c a p a c i t yp o w e rb a t t e r yf o r m a t i o ne q u i p m e n t s ，i nl i n ew i t h a c c e p t e df e a t u r e so fl i i o nb a t t e r ya n di t sc h a r a c t e r i s t i c so fc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g m o r e o v e r ，i no r d e rt oc o n t r o ls y s t e mo p e r a t i o na n dm o n i t o rr e a l t i m eb a t t e r ys t a t u s e f f e c t i v e l y , i ta l s od e v e l o p sac e n t r a l i z e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi n t e r f a c eb a s e do n c a nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k f i n a l l y , e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h ef e a s i b i l i t yo f b a r e r yc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gc o n t r o lt a c t i c sa n dt h er e l i a b i l i t yo fc e n t r a l i z e d c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi n t e r f a c e o t h e rt h a nt h ee x i s t i n ge q u i p m e n t sn o w , t h i s n e w l y - d e v e l o p e de q u i p m e n ta c t u a l l yc a ns a v ee n e r g ym o r et h a n2 0 ，a n di t sp o w e r m e a s u r e m e n ta c c u r a c yc a l lr e a c ht ow i t h i nl k e y w o r d s ：h i 曲- c a p a c i t yp o w e rb a t t e r y , b a k e r yf o r m a t i o n , c h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n gc o n t r o l ，p o w e rm e a s u r e m e n t , c a nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k c l a s s n o ：6 2 1 3 r 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t i v 1弓l 言1 1 1电池化成设备领域国内外研究发展现状和趋势1 1 2本文的研究目的及意义2 1 3新型电池化成设备整体方案的提出。2 1 3 1 系统整体结构图2 1 3 2 系统组成3 1 4本论文的主要工作5 2充电模块、放电模块和单相p w m 整流器的简要分析。6 2 1充电模块的简要分析6 2 2放电模块的简要分析7 2 3单相p w m 整流器的简要分析9 3电池化成中的充放电控制策略研究1 1 4控制模块的分析与设计1 4 4 1c p u l 2 内存空间分配1 5 4 1 1 基本内存空间分配1 5 4 1 2 内存空间的扩展16 4 2以f r e e s c a l em c 9 s 1 2 d 6 4 为核心的单片机系统。1 7 4 2 1m c 9 s 1 2 d 6 4 型1 6 位单片机简介1 7 4 2 2 晶振电路设计18 4 2 3 复位电路设计1 9 4 2 4 扩展e e p r o m 电路设计19 4 3c a n 总线数据通讯接口设计2 0 4 44 8 5 总线数据通讯接口设计2 2 4 5电量( a h ) 计量电路设计2 6 4 5 1 计量基本原理。2 6 4 5 2 硬件设计接线图2 7 4 6 p w m 信号给定电路设计。3 0 5 电池化成控制模块的软件设计3 1 5 1主程序的设计3 l 5 2各功能模块子程序设计3 3 5 2 1 命令处理。3 3 5 2 2 定时处理3 5 5 2 3 运行参数及工作状态处理3 7 5 2 4 控制输出4 0 5 2 5 故障处理。4 3 5 2 6 更新显示4 4 5 2 7c a n 通讯处理4 5 6上位机监控p c 人机界面程序设计4 8 6 1上位机软件结构4 8 6 2上位机软件功能设计和实现4 9 7系统调试及实验结果分析5 2 7 1芯片校准5 2 7 1 1c s 5 4 6 0 a 校准5 2 7 1 2c p u 内部a d 和d a 通道( p w m ) 校准5 4 7 2大容量锂离子电池化成设备实验平台搭建5 5 7 2 1 整机实验平台5 5 7 2 2 控制模块5 7 7 3整机调试及实验结果分析5 7 8总结与展望6 0 8 1课题总结6 0 8 2课题展望6 0 参考文献6 2 附录a 6 4 作者简历6 6 独创性声明6 7 学位论文数据集6 8 1 引言 目前小容量锂离子电池已经在移动电子设备中得到广泛应用。随着全球范围 内能源危机的加剧和锂离子电池技术水平、使用寿命的提高，大容量锂离子电池 得到各电池生产厂商的重视，已经有部分产品作为重要的动力来源应用于电动工 具、电动汽车等领域。近些年，国内外主要的锂离子电池厂家都投入大量人力和 物力在原有小容量锂离子电池基础上开发大容量的动力型电池。据相关合作的电 池厂家介绍，今后三年国内各电池厂家投入大容量动力电池的研发资金大约有数 百亿。另据预测到2 0 2 0 年，中国车用动力电池市场规模将达到数千亿元人民币， 储能电池的市场规模预期会更大，大容量动力电池将会有巨大的市场前景。这对 电池产业化批量生产的能力及电池的产品质量提出了更高的要求，电池化成技术 是与电池相伴而生的，与电池的发展和应用有着密切的关系。 1 1 电池化成设备领域国内外研究发展现状和趋势 目前我国已经成为小容量锂离子电池的最大生产国，国内排名前3 位的锂离 子电池生产商每年的产值均已达到2 5 亿元人民币，而这些企业所使用的电池化成 设备都是利用电网通过充电设备对电池进行充电，通过放电电路使电池对电阻放 电。根据国内外惯例，每个电池从生产到出厂至少要进行三次充电和两次放电。 由于目前大规模生产的锂离子电池主要集中在1 a h 以下，而1 a h 的锂离子电池价 格大约在1 1 4 美元范围内，使电池化成设备的成本也必须限制在一个合适的范围 内，因此国内外的电池化成设备应用的技术主要以低成本技术为主，设备工艺较 为简单，存在主要的问题就是电池化成过程中大量的能量浪费现象。 目前高效率的电池充放电技术主要集中在价格较高、应用数量较少的电池测 试设备中。在电池测试设备中可高效率的对电池充电，同时能将电池的放电能量 回收到电网中，避免了电池放电能量消耗在电阻上。但电池测试设备所采用的技 术主要是针对小容量电池的测试工作，不适用大规模的电池化成过程，同时电池 测试设备技术复杂、成本过高，不适于大规模推广。 今后，随着大容量锂离子电池的推广，电池化成设备必须借鉴电池测试设备 的关键技术，将电池放电能量回收，同时也必须研发新技术使之适用于大规模应 用。 1 2 本文的研究目的及意义 在电池生产过程中必须要经过电池化成工序，即在电池生产过程中需要对电 池进行多次充放电才能完成整个电池的生产。目前由于技术和成本因素，国内的 电池化成绝大部分还在沿用小容量电池的设备，充电设备效率和网侧功率因数较 低，放电时采用将电池内部能量通过电阻放电的方式消耗，造成极大的能源浪费。 据估算，电池化成消耗的电能费用可占到生产成本的2 0 3 0 ，尤其在大容量化 的趋势下，能量浪费则更加明显。同时，单体电池化成过程的数据由人工手动完 成，不易形成系统化的数据，电池的性能只能粗略估计，不能形成合理的客观评 价，对电池的串联成组使用带来潜在的性能和寿命隐患。 对于小容量的锂离子电池因为电池单体的成本较低，而高效率的电池化成设 备成本相对较高，使高效率的电池化成设备没有实际的应用价值，这方面的研究 也很少。但随着各电池厂家进入大容量的锂离子动力电池领域，使高效率的电池 化成设备应用成为可能，因为单体大容量锂离子动力电池本身价值很高，充放电 过程中会消耗大量能量。大容量锂离子电池生产数量越大，电池化成过程造成的 能量浪费问题就会表现得越明显。必须在大容量锂离子电池大规模应用的前期对 高效率的电池化成设备进行研究，为大容量锂离子电池大规模应用提供必需的生 产设备，既为生产厂家节电节能，也符合国家节能减排的要求。这对电池生产厂 家和全社会都是有利的，所以新型高效的电池化成设备具有非常好的推广应用价 值和市场前景，对它的研究是非常有意义的。 1 3 新型电池化成设备整体方案的提出 1 3 1 系统整体结构图 系统的整体结构如图1 1 所示。其中每个充放电及控制模块均对应于一个电池 单体。单只电池充电时由电网提供能量，经p w m 整流器和充电模块为电池进行恒 流充电；放电时将电池的能量经放电模块和p w m 整流器反馈回电网。上位机监控 p c 通过网络对多点的电池化成情况进行实时监控。 上述电池化成设备系统更重要的优势在于多只电池可同时进行化成，其中部 分电池充电，部分电池放电。为此设计了一条直流母线，用于连接p w m 整流器和 多个充放电模块。这样能量就可以通过直流母线在不同电池单体的充放电模块之 间流动，避免每个放电模块单独设计向电网回馈能量的电路，可提高整个设备的 效率，同时降低设备成本。此外，在控制系统的控制下，采用能量平衡的控制策 2 略，通过控制不同充放电模块的工作时间，尽可能使充电能量等于放电能量，大 部分能量只在直流母线和充放电模块之间流动不经过电网，p w m 整流器从电网吸 收能量或向电网释放能量来平衡充放电的能量差，可进一步提高效率。当然有可 能为满足生产需求，所有的充放电模块同时工作在充电状态或放电状态，此时 p w m 整流器从电网吸收或释放全部能量，通过直流母线为每个充电模块提供能量 或通过直流母线为每个放电模块提供能量释放的通道。 a c2 2 0 v 电网 1 3 2 系统组成 监控网络 图卜1 系统整体结构图 f i g 1 - ld i a g r a mo f o v e r a us y s t e ms t r u c t u r e 整个系统主要由三部分组成：单相不隔离p w m 整流器、充放电及其控制模块 和集中式计算机监控系统。 一、单相不隔离p w m 整流器系统 直流母线的电压选定为3 5 0 v ，主要目的是简化整流器设计，此直流母线条件 下可采用不隔离的p w m 整流器设计，满足功率因数和谐波的要求。另外高电压直 流母线设计对于大量充放电模块同时并联在直流母线上很重要，直流母线电压越 高线路损耗越小，但也不宜太高，否则会带来选择电力电子器件的困难和充放电 模块升压比或降压比太大的问题。 二、集中式计算机监控系统 集中式计算机监控系统设计主要是针对电池化成工艺要求，在电池化成过程 3 中需要利用少量人员监控大量的化成电池，为提高效率和降低劳动强度必须采用 集中式的管理和监控。在电池化成中电池充电或放电a h 数据非常关键，是鉴别 电池好坏和电池分组筛选的依据，必须通过计算机系统建立数据库来存储这些数 据。控制系统和充放电模块以及p w m 整流器之间采用c a n 通信网络，主要目的 是利用c a n 通讯网络的多主特性，充放电模块可方便的接入控制系统或脱离控制 系统，无需复杂和繁琐的巡检方式，为系统配置的灵活性和实时性带来很大的好 处。目前，c a n 网络已经得到广泛应用，支持c a n 通信接口的c p u 有很多，在 系统内增加c a n 通信网络不会大量增加系统的成本。 三、充放电及控制模块 充放电及控制模块结构如图1 2 所示。包括充电模块、放电模块、a h 计量模 块以及c p u 系统，其中a h 计量模块和c p u 系统统称为控制模块。c p u 系统是 整个模块的核心，一方面与上位机通讯完成接收指令和传输必要的测量和故障数 据信息；另一方面根据指令控制电池的充放电切换、电流的大小以及电量( a h ) 的计量。因此，微处理器选用f r e e s c a l e 公司2 0 0 5 年推出的m c 9 s 1 2 系列1 6 位 m c i 卜_ m c 9 s 1 2 d 6 4 ，其内部除中央处理单元c p u l 2 外，不仅集成了f l a s h 、 e e p r o m 及r a m 存贮器，而且还集成了c a n 、b d l c 、s c i 、s p i 、h s i o 等多种 接口，支持背景调试模式和大容量存贮器扩展。同时，为m c u 配置电源监测和硬 件w a t c h d o g 电路，使系统具有较高的可靠性和更强的抗干扰能力。 同一通道的充电模块和放电模块同时只能有一个工作，由c p u 提供充电或放 电电流的给定值，并通过c p u 将运行反馈量送到控制系统中，由能量计量芯片通 过分流器累积充放电电量。大容量锂离子电池单体电压在3 v 4 2 v 之间，目前单 体动力型锂离子电池的容量可到1 0 0 a h 以上，充放电电流在3 0 a - - - 4 0 a 之间。由于 充电模块和放电模块的输入输出电压等级差别较大，因此必须采用适当的主电路 拓扑结构保证变换器的效率。同时，由于p w m 整流器不隔离，为保证使用的安全， 充电模块、放电模块需要输入输出之间进行隔离。 4 3 5 0 v 直流母线 图卜2 充放电及控制模块结构图 f i g 1 2t h es t r u c t u r ed i a g r a mi n c l u d i n gc h a r g i n g , d i s c h a r g i n ga n dc o n t r o lm o d u l e 1 4 本论文的主要工作 本论文的研究目标是开发出基于m c 9 s 1 2 d 6 4 单片机芯片的电池化成设备监 控系统，实现电池化成整个过程( 三次充电和两次放电) 的全数字化控制，并能 够通过c a n 总线接口与上位机监控p c 进行数据通讯；同时，充放电模块之间可 以完成良好的实时数据交换，使得电池化成设备系统从单一型向多功能、安全型、 智能型转化。 本论文的主要研究内容如下： 1 ) 电池化成设备的数字化控制，包括控制模块的设计与实现，化成模块的充 放电控制，充放电参数设置，实时状态显示及故障报警等功能； 2 ) 电池化成设备监控系统c a n 网络的设计与开发； 3 ) 电池化成设备监控系统上位机监控人机界面的设计与开发； 4 ) 实验结果及展望。对全文的工作进行总结，并就下一步工作进行展望。 5 j 匕塞童遭左堂亟主堂焦途塞左鱼搓迭! 越电搓迭塑望担盥丛整逾墨的笸噩盆逝 2 充电模块、放电模块和单相p w m 整流器的简要分析 2 1 充电模块的简要分析 对于充电模块的d c d c 变换器，输入端接在3 5 0 v 直流母线上( 即单相不隔 离p w m 整流器的直流侧) ，输出端接到单体锂离子电池，充电电流要求3 0 a , - - 4 0 a 之间，属于低压大电流类型【l 】。充电模块具体技术要求如下所示： 1 ) 输入侧：直流母线电压为d c3 5 0 v ； 。2 ) 输出侧：电池放电电压为d c 3 v , - - 4 2 v ； 3 ) 充电电流：0 , - - , 3 5 a ； 4 ) 充电电流纹波小于5 ； 5 ) 具有恒流充电功能； 6 ) 充电电流3 0 a 时效率为8 0 。 隔离型电源的变压器初级的基本拓扑主要可用正激式、反激式、推挽式、半 桥式和全桥式等5 种【2 】。由于输入电压为输出的几十倍，为优化变压器的设计、提 高变压器的利用率和降低开关管的电压应力，选择半桥式电路作为变压器原边的 拓扑。针对输出侧为低压大电流性质，适用的变压器次级结构有3 种：正激式结 构、中心抽头式结构和倍流整流式结构。由于倍流整流次级布线简单，电感和变 压器电流降低5 0 ，可以减小功率损耗、减小电流纹波，因此选择倍流整流式结 构作为次级拓扑。同时输出采用先进的m o s f e t 同步整流技术代替普通二极管整 流以进一步降低功耗提高效率 3 1 。设计的电路拓扑结构如图2 1 所示，开关及变压 器工作频率为4 0 k h z 。 主功率开关管s l 、s 2 在半桥式变换器中承受最大电压为母线电压3 5 0 v ，输 入电流有效值为1 5 a 。同步整流管s r l 、s r 2 应具有较小的导通电阻以减小损耗、 提高效率，同时应具有较短的m o s f e t 开通时间和关断时f b q t 4 j 。 控制电路采用电流闭环和电压限定控制方法，其原理框图如图2 2 所示。利用 霍尔电流传感器测量电池充电电流，与电流给定信号( c p u 系统给出) 一起经电 流p i 调节器和驱动电路，控制开关管导通与关断。由于p i 调节器可以实现无差调 节，从而实现电池充电电流的恒定【5 】。为防止锂电池充电可能出现的过充影响电池 的性能，控制电路加入了电压限制环节，使得电压达到限制电压时减小充电电流。 6 u i l 1 s i i s r ib - 鱼一 l 厂一 本- jp | e 3 e 1 - ：jr i 厂 卜一j t 卜 圭n 2 s 2 t l ，l r _ 3 s r 2 l 一 孔- e 2 = = j 阿 k 卜叫l 输出电压给定 输出电压反馈 输出电流给定 输出电流反馈 图2 - 1 充电模块电路拓扑 f i g 2 - 1t h ec i r c u i tt o p o l o g yo f c h a r g i n gm o d u l e 图2 - 2 控制电路原理框图 f i g 2 2b l o c kd i a g r a mo fc o n t r o lc i r c u i t 2 2 放电模块的简要分析 放电电路同样属于低压大电流类型。对于放电模块的d c d c 变换器，放电电 流在3 0 a 0 0 a 之间，要想有效地将电池放电能量回收，必须提高放电模块的效率。 同时要想将电池能量回收到电网上并减少线路损耗，应尽量提高电池放电模块输 出端的电压，并且需要采用适当的电路拓扑以保证变换器的效率 6 1 。放电模块具体 技术要求如下所示： 1 ) 输入侧：电池放电电压为d c3 v q 2 v ； 2 ) 输出侧：直流母线电压为d c3 5 0 v ； 7 3 ) 放电电流：啦3 5 a ； 4 ) 放电电流纹波小于5 7 5 ) 具有恒流放电功能； 6 ) 放电电流3 0 a 时效率为6 0 。 如图2 3 所示，利用d c d c 变换电路的并串联结构最大限度的提高低压大电 流放电的效率；同时提高输出电压等级，这样在大量放电模块同时工作时减小直 流母线电流，降低直流母线的线路损耗，并实现不隔离单相p w m 整流器向电网放 电川。 图2 - 3 放电模块电路拓扑 f i g 2 - 3t h ec i r c u i tt o p o l o g yo fd i s c h a r g i n gm o d u l e 图中，a 、b 是两个完全相同的d c d c 变换器，它们在输入端并联，在输出 端串联【8 】。若每个变换器的外部特性完全相同，则每个d c d c 变换器的输入端电 流是总输入端电流的一半。这样，在输入端电压和功率不变时，由两个d c d c 变 换器构成的总网络，其开关管的电流应力比单个变换器减少了一半，即所用开关 器件的电流额定值减少了一半；在输入端电压和每个d c d c 变换器的输入电流不 变时，两个d c d c 变换器构成的总网络的输入功率比一个变换器构成的总网络的 输入功率提高了一倍 9 1 。 当两个或者多个变换器具有相同的开关相位占空比时，由于各变压器输出绕 组串联，所以其电流相同，这个电流关系反映到变压器的原边电路，以强迫每个 变压器输入电流相等，这种自动分担功率的特点，使电路不必采用平衡控制的均 8 流线路，这是该结构的优点之一；其次，每个变压器的功率减小，变比降低，体 积减小，管子的电流容量也减小，便于管子选型；另外每个并联支路是完全一致 的，只需对其中一个支路进行设计即可，设计方便，当多组变换器并串联连接时， 其优势可以得到进一步体现。正是基于上述的优点，同时也考虑到过多组数会带 来成本和增加线路及管子损耗的问题，所以主电路选择了三组d c d c 变换器并 串联连接的拓扑结构【l o l 。 综合比较各种拓扑结构，针对本系统的低压大电流的特点，变压器原边选择 了推挽变换电路，原边易于并联，副边易于串联，满足系统的要求。由于副边电 压虽高但电流较小，因此选择满足功率要求和速度要求的普通二极管整流桥实现 整流功能。控制电路的功能框图与充电模块类似，如图2 2 所示。 2 3 单相p w m 整流器的简要分析 本论文研发的电池化成设备系统中，为了维持直流母线电压的稳定和实现交 流侧的高功率因数，对于充放电模块与电网的衔接，采用了不带工频变压器隔离 的单相p w m 整流器来实现。在3 5 0 v 直流母线条件下可实现输入侧功率因数大于 o 9 8 ，输入总谐波畸变小于5 t 1 1 j 。 单相p w m 整流器的作用是维持直流母线电压的稳定，当放电能量大于充电能 量时，母线电压会升高，p w m 整流器向电网提供能量以维持母线电压稳定；当充 电能量大于放电能量时，母线电压会降低，p w m 整流器吸收电网能量以维持母线 电压稳定。整个过程实现能量的双向流动，满足电池充放电的要求；将电池能量 回馈电网，起到了节能的作用；p w m 整流器网侧电流为正弦波，有高的功率因数， 可以减小对电网的谐波污染，起到了环保的作用。同时不采用工频变压器隔离， 一方面没有了增加变压器带来的损耗；另一方面也减d , - j 系统体积【1 2 】。 在本实验中，单相不隔离p w m 整流器额定功率忍= 3 k w ，交流网侧电压额 定值u 。= 2 2 0 v ，频率厶= 5 0 h z ，中间母线电压为3 5 0 v 到4 2 0 v ，i g b t 开关 频率疋= 1 6 k h z 。其拓扑结构如图所示。 9 图2 4 单相不隔离p w m 整流器电路拓扑 f i g 2 - 4t h ec i r c u i tt o p o l o g yo fs i n g l e p h a s en o n i s o l a t e dp w m r e c t i f i e r 图中u 是电网电压，玩是直流母线电压，如是电网侧电流，s 1 s 4 是i g b t 开关管，d 1 - d 4 是整流二极管，c 为支撑电容，l 为交流侧滤波电感。可以看出， 通过构成桥式整流的二极管d 1 - d 4 可将电网交流电能变为直流，供给中间储能回 路或是负载；也可经主开关管s 1 s 4 将中间储能回路或是负载的直流能量逆变为 交流，回馈给电网【1 3 1 。 p w m 整流器的目标为：一方面保证直流侧电压恒定；另一方面根据不同的工 况要求，使网侧功率因数近似为1 或1 。因此设计时采用了基于双闭环的单周控制 方式，直流电压作为外环，经p i 调节器的输出乘以与电网电压同相位的单位正弦 电压，得到一个正弦电流信号指令，将它与检测到的电流信号进行比较，输出误 差信号经p i 调节器后送到p w m 波控制器，其产生的信号经驱动放大后去控制开 关管开通关断，使实际电流跟踪指令电流变化。选用具有较强运算速度的d s p 芯 片作为控制核心实现单周期控制算澍1 4 j 。 1 0 3 电池化成中的充放电控制策略研究 电池化成中，充电方式与放电方式的控制原理基本类似，本章以充电方式为 例讲述基本控制策略。目前电池化成设备中普遍采用的都是恒流、恒压等方式进 行充电n 射。下面分别介绍各种不同的充电方法。 一、恒流充电 恒流充电电流可调，故可以适应不同技术状态的电池。如新的锂电池、正常 使用的锂电池和有不同故障的锂电池等，因而目前得到广泛采用。恒流充电当电 池基本充好后还能以很小的电流对其继续充电，使极板内部较多的活性物质参加 电化学反应，从而使电池充电比较彻底，保证了电池的容量。但是恒流充电过程 中需要较多的人工操作，如电池两端电压的测试、温度测量、电流调节等。恒流 充电没有去极化措施，因而极化现象比较严重。它一般为分阶段进行，锂电池充 电接受特性相差较大，因而在实际操作中一般存在初期电流较小，后期电流太大 的缺陷。所以无论从速度上还是从效果上都不完善。当充电电流过大时，电池会 剧烈冒气，极板上活性物质脱落而降低电池的寿命，并有大量电能浪费，延长了 充电时间。 二、恒压充电 恒压充电电流随电池两端电压的升高而逐渐减小，最后自动停止充电。因此 恒压充电操作简单，不需人工干预，省去了许多麻烦。恒压充电在充电过程初期 由于电池端电压较低，充电电流较大，因而充电速度较快。恒压充电性能比较接 近锂电池充电接受特性。因此，恒压充电如果掌握得好可以取得较好的充电效果。 但是恒压充电电流不能自由调节，因此不能适应对各种不同技术状态的电池进行 充电。由于也没有去极化措施，所以充电过程中也有较严重的极化现象，因此也 有严重的负面效果，如出气、温升、极板活性物质脱落等。导致延长充电时间， 折损电池寿命浪费电能。恒压充电过程后期充电电流过小，极板深处的活性物质 不能充分恢复，因而不能保证整块电池彻底充足。 三、快速充电 快速充电速度快。采用快速充电，在充电过程中由于采取去极化措施，使得 电池始终比较接近初始充电状态，电池只有微量出气。有效地避免了因剧烈出气 而造成的活性物质脱落，这样使电池寿命显著提高。可是快速充电与常规充电相 比温升较高。快速充电方法很多，如定电流、定周期脉冲充电、放电去极化法， 小电流宽脉冲放电去极化法，大电流和小电流结合去极化法等等。虽然都有去极 化措施，但充电过程中仍有极化现象存在，很多快速充电设备就是靠检测因极化 而升高了的锂电池两端电压而关机的。因而快速充电尽管比常规充电极化现象大 大减少，但仍然不能完全去除极化，造成这种情况的原因是快速充电仍然没有很 好吻合锂电池的充电接受特性。快速充电由于充电电流较大，在实际操作中可能 因电流过大反而造成温升高、出气量大、活性物质脱落等较严重的负面效果。 综上所述，我们可以看出大容量锂电池的充电技术一直不很完善。主要问题 是充电过程中极化现象始终存在并逐渐加剧，严重影响充电速度与质量，损伤电 池，甚者可能报废。长期以来人们一直在探求一种快速高效的充电技术。无论常 规充电还是一般的快速充电，充电效果不尽完美，其根本原因是不能很好吻合电 池充电接受特性。该特性是锂电池自身内在特性，任何充电过程若不符合这一特 性必将产生极化现象，并随充电过程的进行不断加剧。目前所有充电方法都还没 有达到完全去极化的程度。即使有去极化措施，也不能使电池完全恢复初始充电 状态。极化现象的存在使得即使快速充电锂电池可接受的充电电流也会随着充电 过程的进行而逐渐减小。因此，较好的充电方法只能采取措施尽量减少极化现象， 并遏制其加剧趋势n 引。 本文的电池化成设备对应于大容量锂电池的充电要求，采用了两阶段充电的 方法，综合了恒流充电和恒压充电的优点。第一阶段首先对锂电池以恒流方式充 电。为了避免产生剧烈的化学反应而影响寿命，电流额定值一般由生产厂家规定 为： i = 0 1 c ( 3 1 ) 式中c 表示锂电池组的容量，即o 1 倍率充电制。充电电流，充电电压u ， 电池的电动势e ，整个充电回路的电阻尺( 包括线路电阻和电池本身的内阻，主要 是电池的内阻) 之间具有以下关系： u = i xr + e( 3 2 ) 而且回路电阻r 一般保持不变，电池反电动势e 变化极慢，因而对于瞬时值， 改变充电电压u 也就改变了充电电流，。我们保持电流恒定，随着充电的继续，反 电动势不断升高，充电电压也需不断升高。t 1 时刻，充电电压升至电池电压限制 值( 一般取2 4 0 v 单体) 时，充电过程进入第二阶段，即以固定电压u 进行恒压限 流充电。随着充电的进行，充电电流也随之逐渐降低。配时刻，充电电流降低到 停止电流时，电池已基本充满，这时化成设备自动停机完成整个充电过程。整个 两阶段充电曲线图如图3 1 所示n 。这种两阶段充电的模式一开始的充电电流比 较大，随着充电的进行，端电压不断升高，充电电流越来越小。在不同的温度下 我们可以通过修正恒流阶段的充电电流和恒压阶段的充电电压来保证充电的质 量。 1 2 u ( v ) 和i ( a ) 一直一 电流 一， 一- 一 】 i | i i i i 、 1 0 t lt 2 图3 - i 充电曲线 f i g 3 1c h a r g ec u r v e t ( s ) 另外需要注意的是，对锂电池的充电不仅仅是在其两端简单地添加一个电压， 该电压的高低决定了其电池的充电电流h 引。大概的情况则是：在锂电池充电的开 始，因为两极的活性物质量比较大，比较适合用较大电流恒流充电，等到电压到 达一定的程度，再改为恒压充电。但为了更好地对电池进行充电需要根据电池两 端的电压的情况给出充电电流。充电过程中，充电电流应小于或等于电池可接受 的充电电流，如果充电电流大于可接受充电电流，过剩的电流将以有害的负反应 过程( 电解水) 消耗掉。过充电时有大量气体析出，这时电池正极板会遭受气体 的冲击，使电池两端活性物质脱落，导致其应用寿命缩短。在大量析气的状态下， 用于有效充电消耗的电能，还不到总消耗量的1 0 ( 即浪费的电能超过了9 0 ) ，这 样既延长了工作时间，又由于产生了严重的析气使正极板腐蚀，损坏了电池。另 外，充电过程中的温度也不宜过高，否则会使腐蚀加剧。 1 3 4 控制模块的分析与设计 充放电模块由统一的单片机芯片控制，全部控制电路设计在一块p c b 板上( 即 控制模块) 。控制系统框图如图4 1 所示，它包括以下几个部分【1 9 】： 1 ) 由c p u ( m c 9 s 1 2 d 6 4 ) 及晶振、复位电路、扩展存储e e p r o m 等外围设 备构成的中央处理电路，负责运算和控制功能； 2 ) 通过i o 口扩展外接测量芯片c s 5 4 6 0 a ，用于a h 计量和能量计量等计算 功能；反馈信号处理电路置于c s 5 4 6 0 a 之前，对电池电压、充放电电流的采样信 号进行调理，并通过比较给出相应故障信号，封锁驱动脉冲，同时切断继电器， 关断主电路： 3 ) c p u 中p w m 模块输出的信号，经过滤波后，得到电压、电流给定； 4 ) 4 8 5 通讯和c a n 通讯部分，用于上位机系统监控； 5 ) 前面板l e d 显示，包括运行模式显示和故障信号显示； 6 ) c p u 中的a t d 模块可用于测量充放电电压和电流； 7 ) 硬件i o 口扩展，包括给输入、输出继电器的闭合或者断开信号，温度测 量控制电路等【冽； 图4 - 1 控制系统框图 f i g 4 - 1b l o c kd i a g r a mo f e o n t r o ls y s t e m 1 4 式。图4 2 给出单片方式下的内存分配图。 $ 0 1 3 0 0 t 0 4 0 0 1 1 咖 $ 4 0 0 0 s f f 0 0 s f f f f 繇曩 。 e e p r o m 。 ， 彩 r a m 1 6 k b 固定f l a 出 1 6 k b 分页f l a s h 1 6 k b 固定f l n a a l 誊】量送 图4 2 单片方式下的内存分配图 f i g 4 - 2s i n g l e - c h i pm e m o r ya l l o c a t i o nm a p c p u l 2 构成的单片机，片内有各种不同的f o 接口模块，涉及的寄存器有几 百个，对于