【优秀硕士博士论文】能量回馈式锂电池化成系统的研究与实现(答辩)

摘要锂电池化成工艺是锂电池生产过程中一个关键环节，在化成过程中存在大量电能的双向转换，传统化成设备电能损耗大，所以设计一种高效的能量回馈式锂电池化成系统具有很高的市场价值。实现低压电池到高压母线之间大变比的双向转换，以及从电网吸收和回馈能量的平衡算法是研究的重点。论文根据系统模块化设计方法，设计了一种能够实现对低电压的单体动力锂电池进行大电流充放电，并实现多余能量回馈电网的锂电池化成系统。主要研究内容如下分析了锂电池化成系统的基本结构，对比现有的锂电池化成设计设备的性能，给出了本设计的主要技术指标。将化成系统根据功能分为三大主要模块充放电模块、PWM整流模块和控制模块。对各模块采用的方案进行对比研究，提出了能量回馈式锂电池化成系统的总体设计方案。设计了能量回馈式锂电池化成系统的硬件电路，并且分别运用开关模态分析方法和等效电路法，对充放电模块电路和PWM整流器模块电路的工作原理进行详细分析。计算了系统中主要功率器件和驱动电路的参数，利用PSIM仿真软件对主电路的工作原理和设计参数进行仿真验证，完成了参数修改和优化。分别完成了对充放电模块和PWM整流器的算法的设计，包括充放电模块的控制结构与控制算法、CAN通信协议制定，以及PWM整流器改进型单周期控制算法，并提出了一种功率前馈母线电压控制的能量平衡算法，实现化成过程的能量回馈和系统能量流动的平衡控制。制作了一台实验样机，通过对样机的实际测试，获得了充放电模块和PWM整流器模块在不同工作模式下的波形，并且对充放电参数，整机效率，母线电压、电流等参数进行测量，分析不同工作模式的状态以及能量平衡控制的效果。关键词锂电池化成，能量回馈，大变比，PWM整流，能量平衡ABSTRACTLITHIUMBATTERYFORMATIONPROCESSISAKEYLINKINPRODUCTIONPROCESSOFLITHIUMBATTERY,INTHEFORMATIONPROCESS,LARGEELECTRICENERGYBIDIRECTIONALCONVERSION,THETRADITIONALFORMATIONOFELECTRICALEQUIPMENTDUETOALARGEAMOUNTOFELECTRICENERGYLOSSTHEREFORE,THEDESIGNOFAHIGHLYEFFICIENTENERGYFEEDBACKTYPELITHIUMBATTERYFORMATIONSYSTEMHASVERYHIGHMARKETVALUEBATTERYLOWVOLTAGETOHIGHVOLTAGEBUSBETWEENHIGHRATIOOFBIDIRECTIONALCONVERSION,ANDABSORBEDFROMPOWERGRIDANDCONTRIBUTETOTHEENERGYBALANCEOFTHEALGORITHMISTHEFOCUSOFTHESTUDYTHESYSTEMBASEDONMODULARDESIGNMETHOD,DESIGNTHEATOREALIZEHIGHCURRENTCHARGEANDDISCHARGEOFLOWVOLTAGESINGLELITHIUMBATTERYPOWER,ANDREALIZETHEEXCESSENERGYFEEDBACKPOWERLITHIUMBATTERYFORMATIONSYSTEMTHEMAINRESEARCHCONTENTSAREASFOLLOWSANALYZINGTHEBASICSTRUCTUREOFLITHIUMBATTERYFORMATIONSYSTEM,PERFORMANCECOMPARISONOFEXISTINGLITHIUMBATTERYEQUIPMENTDESIGN,GIVESTHEDESIGNOFTHEMAINTECHNICALINDICATORSWILLTURNINTOTHESYSTEMACCORDINGTOTHEFUNCTIONISDIVIDEDINTOTHREEMAINMODULESCHARGEANDDISCHARGEMODULES,PWMRECTIFIERMODULEANDCONTROLMODULETHECOMPARATIVESTUDYOFEACHMODULEOFTHESCHEME,PUTFORWARDTHEOVERALLDESIGNSCHEMEOFENERGYFEEDBACKTYPELITHIUMBATTERYSYSTEMTHEHARDWARECIRCUITOFTHEDESIGNOFTHEENERGYFEEDBACKTYPELITHIUMBATTERYFORMATIONSYSTEMANDUSETHEMODALANALYSISMETHODANDTHEMETHODOFEQUIVALENTCIRCUITSWITCH,TOCHARGEANDDISCHARGECIRCUITMODULEANDPWMRECTIFIERCIRCUITMODULEPRINCIPLEOFWORKCARRIESONTHEDETAILEDANALYSISTOCALCULATETHEMAINPOWERDEVICESINTHESYSTEMANDTHEDRIVINGCIRCUITPARAMETERS,SIMULATIONUSINGPSIMSIMULATIONSOFTWAREOFMAINCIRCUITWORKINGPRINCIPLEANDPARAMETERDESIGN,COMPLETEDTHEPARAMETERMODIFICATIONANDOPTIMIZATIONCOMPLETEDTHEDESIGNOFTHEALGORITHMOFCHARGINGANDDISCHARGINGMODULEANDPWMRECTIFIERRESPECTIVELY,CHARGEANDDISCHARGEMODULESOFTHECONTROLSTRUCTURE,THEPICONTROLALGORITHM,CANCOMMUNICATIONPROTOCOL,ASWELLASTHEPWMRECTIFIERINCLUDESIMPROVEDONECYCLECONTROLALGORITHM,ANDPUTSFORWARDTHEAFEEDFORWARDPOWERBUSVOLTAGECONTROLCANWEIGHTBALANCEALGORITHM,TOREALIZETHECONTROLOFTHEBALANCEOFTHEFORMATIONPROCESSOFENERGYFEEDBACKANDENERGYFLOWMADEAPROTOTYPE,THROUGHTHEACTUALTESTOFTHEPROTOTYPE,THECHARGINGANDDISCHARGINGMODULEANDPWMRECTIFIERMODULEUNDERDIFFERENTWORKINGMODESOFAWAVEFORM,ANDTHEMEASUREMENTOFTHEPARAMETERSOFCHARGEANDDISCHARGE,THEWHOLEEFFICIENCY,BUSVOLTAGEANDCURRENTPARAMETERS,ANALYSISOFTHEEFFECTOFDIFFERENTOPERATINGMODESANDENERGYBALANCECONTROLKEYWORDSTHELITHIUMBATTERYFORMATIONSYSTEMENERGYFEEDBACKHIGHRATIOPWMRECTIFIERENERGYBALANCE目录第1章绪论111选题背景与意义1111选题背景1112选题意义212锂电池化成设备国内外研究现状213能量回馈式锂电池化成系统相关技术研究现状3131大变比双向DC/DC变换器研究现状3132PWM整流器研究现状4133能量回馈式锂电池化成系统控制策略研究现状514本文研究内容6第2章能量回馈式锂电池化成系统总体方案设计721系统结构框图和主要技术指标7211锂电池化成系统简介7212能量回馈式锂电池化成系统技术指标要求7212能量回馈式锂电池化成系统结构框图822充放电模块拓扑结构与控制方案选择9221大变比双向DC/DC拓扑结构选择9222双向控制方案选择1423PWM整流模块拓扑结构与控制方案选择15231PWM整流器拓扑结构选择15232PWM整流器控制方案选择1624控制器和采样电路方案选择19241控制器方案选择19242采样电路方案选择1925本章小结20第3章能量回馈式锂电池化成系统硬件设计2131能量回馈式锂电池化成系统主电路设计21311充放电模块主电路21311PWM整流模块主电路2132充放电模块电路工作原理分析22321充电模式工作原理22322放电模式工作原理2433PWM整流模块电路工作原理分析2534系统硬件设计26341高频变压器设计26342带反激绕组电感设计28343LC滤波器设计30344驱动电路设计3135主电路仿真分析34351充放电模块主电路仿真分析34352PWM整流模块主电路仿真分析3836本章小结40第4章能量回馈式锂电池化成系统软件与算法设计4141充放电模块控制算法设计41411充放电模块控制结构41412平均模型建模与数字PI控制器设计41413CAN通信协议设计4842PWM整流模块控制算法设计50421PWM整流模块控制结构50422PWM整流器模块改进型单周期控制算法的实现5143功率前馈母线电压控制能量平衡算法设计5244本章小结54第5章实验结果及分析5551工作波形与结果分析5552充放电模块工作参数测量与结果分析5954本章小结61第6章总结与展望6261全文工作总结6262展望63致谢65参考文献66攻读硕士学位期间发表的论文69第1章绪论11选题背景与意义111选题背景中国从改革开放到现在，经历了经济和科技的飞速发展，但是也带来很多问题，最主要的是能源的消耗，并由此带来环境的破坏。近年来，人们越来越关注环境污染问题，其中空气污染与人们的生活关系最密切，雾霾的频繁出现，对人们的生活和身体健康带来严重的影响。雾霾产生的主要原因是汽车尾气的排放，我们迫切需要清洁环保的交通工具去替代燃油汽车，因此近年来新能源汽车，特别是纯电动汽车的发展很快。在过去的三年间，新能源汽车逐渐受到人们的关注，产量也逐渐增加，其中电动汽车产量和销量增长明显。从互联网获得的数据看，2013年，中国的电动汽车产量大概为14243辆，占新能源汽车比重为8139，销量为14604辆，占比重为8298。而在去年，电动汽车行业势头更强劲，仅截止到11月，纯电动乘用汽车的生产量已经达到258万辆，同比增长近7倍。根据目前国家的政策以及汽车行业相关规定，预计今年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量会达到50万辆；五年后，我国的新能源汽车生产量会达到惊人的200万辆、并且累计产销量要超过500万辆。锂电池以其体积小、质量轻、工作电压高、比能量大、循环寿长等优点，是目前纯电动汽车的主要动力电池。2012年世界各国锂离子电池的生产量已经达到586亿颗，同比增长263，总体产值高达207亿美元，同比增长353。中国在2012年锂电池的产量已经达到392亿颗，总产值高达5568亿元，同比增长394。在未来的五年，受到智能电子设备的影响，传统小型锂离子电池将在平板电脑和超级本的带动下呈现稳定增长的趋势，动力电池和储能电池成为锂离子电池产业新的增长点。预计到“十二五”末将增长到12515亿元，增长率预计将达到30以上。电动汽车市场面临大规模化的发展势头，势必对锂离子电池未来市场带来可观的积极影响。锂电池在量产过程中，其中一个重要的工序是对锂电池进行化成，就是多次对电池进行恒流充电、恒压充电、恒流放电1。在充放电过程中，会消耗大量的电能，这些能源消耗不仅造成锂电池生产成本的提高，也造成能源的浪费，环境的污染。因此在锂电池生产行业，需要一种高效节能的锂电池化成设备，能够将生产过程中多余的能量进行回收，以减少电能的消耗，降低电池的成本。112选题意义随着人们环保意识的不断增强，国家对于节能环保汽车的支持和财政补贴也越来越多，这使得国内各大汽车公司纷纷转向电动汽车的研发和生产，这导致锂电池的需求量大大增加，出现大量的锂电池生产厂商。这些厂商大多采用国产落后的锂电池化成设备，电能直接耗散，对能源造成极大的浪费，大量能源的利用带来了越来越严重的环境污染。同时，电能的消耗带来锂电池生产成本的增加，限制了锂电池行业的发展。研发一种能量回馈式锂电池化成设备，可以大大减少锂电池化成工序的电能消耗，降低锂电池生产成本，并且减少能源的消耗，减少对环境的污染和能源的浪费。其关键技术在于结合直流双向变换技术和可逆PWM整流技术，实现对锂电池充放电，最大程度高效利用电能，在目前锂电池行业飞速发展的背景下，具有良好的应用前景，未来产品的市场广阔。12锂电池化成设备国内外研究现状锂电池的化成设备简单的说就是一个电池的充放电设备，需要具备恒流充电、恒压充电、恒流放电等主要功能。通过对市场的观察，可以发现市面上已经有一些专门生产和销售锂电池化成设备的厂商。如保定市科露华电源有限公司生产的KGCFA微电脑极板化成充放电机，具有恒流充放电、恒压充电、恒压限流充电、恒流限压放电、循环、静置等工作方式；具有可设定时间、限压、容量、工作过程和定时记录运行数据等等功能。北京国大联创科技发展有限公司生产的GD822蓄电池化成系统（可控硅型）具有操作方便、功能强、精度高、高可靠、低噪声、放电回馈电网，造型美观等特点。江苏金帆电源科技有限公司生产的JFAD系列锂动力电池自动检测化成分容设备用于用于锂动力电池的化成、分选及配组。这些国内的锂电池化成设备，大多采用的传统的充放电模块分离，能量耗散的方式，在充电时从电网输入电能通过充电电路给电池充电，放电时通过放电电路直接将电能消耗在负载上。这种方式在控制上较为简单，但是化成设备的能耗大、体积大。近些年，由于电力电子技术的发展和国外技术的引进，国内产品中也出现一些能量回馈型锂电池化成设备，如江苏金帆的JFAD系列锂动力电池自动检测化成分容设备。但是这类设备的充放电电流小，一般在10A左右，并且回馈效率低，精度不高，设备体积仍然较为庞大。国外的锂电池化成设备普遍比国内技术精良，如美国MCCCOR公司最新推出的计算机控制的电池化成系统S5302系列产品，具有独立的电池化成过程、全数据采集能力、独立的电池控制和测量、电池分级等功能，精度高、性能可靠。另外还有德国迪卡龙公司、韩国ELICOPOWER株式会社、美国必测公司等科技公司生产的锂电池化成设备。这些设备在功能、数据处理和可靠性上都优于国内产品，但是仍然有一些产品能耗大、充放电电流小、体积较大、操作较复杂。从锂电池化成设备的发展来看，能量回馈式锂电池化成设备是目前研发的主流，其中的相关技术也在不断地创新和完善。13能量回馈式锂电池化成系统相关技术研究现状131大变比双向DC/DC变换器研究现状能量回馈式锂电池化成系统需要实现从低压锂电池到高压直流母线的能量双向流动，因此需要一个大变比的双向DC/DC变换器。市场上有一些双向DC/DC采用两个单向DC/DC变换器并联组合而成，如图11所示。由于单向DC/DC技术成熟，产品繁多，所以这种双向DC/DC方式设计简单，但是由于两个独立的变换器，导致产品的体积庞大、器件成本相对较高，已经逐渐被淘汰。DC/DC变换器1DC/DC变换器2图11并联DC/DC变换器还有一些常见的双向DC/DC变换器采用的是电压型双向DC/DC结构，如图12所示。电压型双向DC/DC可以理解为两个单向DC/DC电路的结合，开关管构成的开关电路正向可以将直流逆变成交流，反向又可以作为高频整流电路。由于是电压型控制，所以响应速度较快。但是开关管存在压降，所以低压测电压不能过低。这种类型的电路在产品中较多使用，电压型电路可以是全桥、半桥、反激、正激等。由于采用一套电路完成能量的双向流动，在体积和重量上比并联DC/DC变换器小，同时器件成本有所下降。高压低压图12电压型双向DC/DC变换器针对低压侧电压很低电流很大的双向DC/DC电路，在电压型双向DC/DC电路的基础上，在低压侧增加一个电感，成为一边是电压型电路一边是电流型电路的电压电流型双向DC/DC变换器，如图13。由于电感的存在，能量从高压传递到低压时，电感可以起到滤波的作用，电流纹波小。能量从低压传递到高压时，电感又能起到储能升压的作用，所以低压侧的电压可以比电压型电路更低，相对地减小了变压器的变比，降低了变压器设计的难度。但是电感的存在也导致升压过程启动有很大的冲击电流，开关管上的尖峰电压也比较高。高压低压图13电压电流型双向DC/DC变换器随着电力电子技术的发展，基于移相控制的双向DC/DC变换器也逐渐引用到产品中。移相控制双向DC/DC变换器如图14所示，在变压器一边串入一个电感，两侧的开关管都处于工作状态，控制两边的开关信号的相位差，可以使能量从一侧转移到另一侧。这种控制方式可以实现软开关，提高开关变换器的工作效率。缺点是由于两侧的开关管都在工作，电路中存在很大的环流，开关管电流应力大。高压低压图14移相控制双向DC/DC变换器132PWM整流器研究现状能量回馈式锂电池化成系统除了能够吸收电网能量给电池充电，还要在电池放电时将直流母线上多余的能量回馈到电网，所以设备需要完成DC/AC的双向变换。可逆PWM整流器可以完成DC/AC的双向变换，整流状态能量从电网流向直流母线，并且完成有源功率因数校正，逆变状态能量从直流母线流向电网。上世纪80年代，由于自关断器件的发展，带动了PWM控制技术的发展。20世纪80年代，国外学者BUSSEALFRED、HOLTZJOACHIM第一次公开利用可关断器件实现的的三相全桥PWM整流器。两年后，AKAGIHIROFUMI又提出了一种利用PWM整流器原理的无功补偿器控制策略，这可以理解为是电压型PWM整流器最初设计思想。之后随着技术的发展，又出现如基于坐标变换的PWM整流器等新的技术。这期间的研究内容主要包括PWM整流器的建模与分析、电压型PWM整流器研究、主电路拓扑结构的研究、电流型PWM整流器的研究等。PWM整流器的基本拓扑结构分为两大种，一种是电压型PWM整流器。电压型PWM整流器应用较广泛，主要拓扑结构有单相半桥、单相全桥、三相桥式和三电平PWM整流电路等。电压型PWM整流器在直流侧有一个储能电容，因此在直流侧呈现低阻抗的直流电压源特性。另一种是电流型PWM整流器，电流型PWM整流器出现较晚，在产品应用中也较少，其主要拓扑结构有单相和三相结构。电流型PWM整流器在直流侧有一个储能电感，因此在直流侧呈现高阻抗的直流电流源特性。133能量回馈式锂电池化成系统控制策略研究现状能量回馈式锂电池化成系统的主要控制策略包括双向DC/DC控制策略、可逆PWM整流器控制策略和直流母线能量均衡控制策略。目前，双向DC/DC的控制策略最简单最常见为PWM控制策略。PWM控制策略简单，频率固定，在器件选择和滤波器设计上都比较方便。在PWM控制的基础上，不断发展出一些新的控制策略，比如单周期控制策略。单周期控制是一种非线性，大信号控制方式。通过控制开关的占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或正比于控制参考量。单周期控制策略具有对外部干扰响应速度快，控制过程无过冲特点。移相控制策略是另一种逐渐被应用于实际产品的控制方法。移相控制是通过控制驱动信号的相位差来调节能量的传输方向和大小，充分利用电路的寄生参数，可以实现开关管的软开关，减小了在开关管工作过程中的损耗，提高效率。还有一种新型的控制策略是LLC谐振控制，利用电路中电感和电容元件谐振，电压或电流周期性过零时开通或关断开关器件，显著的减小了开关损耗和电磁干扰，利用变频或者PWM调节的方式，实现对输出电压的控制。这种控制策略能够实现高效、高能量密度。PWM整流器的控制策略的研究一直是一个热门方向，各种控制策略被应用到PWM整流器中。电压型PWM整流器早期使用滞环控制策略，结构简单，响应速度快，但是由于开关频率不固定，造成滤波器设计困难。因此又提出了固定开关频率的PWM控制策略，弥补滞环控制开关频率不能固定的缺点。之后PWM整流器的控制发展到数字控制，预测电流控制策略引入，可以使电流控制达到良好效果，缺点是收到控制器速度的限制，并且对系统参数敏感。坐标变换的引入，使得矢量控制策略应用于PWM整流器，具有良好的动态和稳态特性，控制精度高。还有对PWM整流器的瞬时有功和无功进行控制的直接功率控制策略，算法简单，动态特性好。另外还有一种越来越受到关注的单周期控制策略，这是一种非线控控制，可以在一个开关周期内完成误差调节，具有快速动态响应能力，抗扰动能力强，结构简单。电流型PWM整流器由于结构和控制都很复杂，所以对电流型PWM整流器控制策略的研究较少，其主要的控制策略有载波调制PWM控制、特定谐波消除PWM控制和空间矢量PWM控制策略。14本文研究内容锂电池化成系统在锂电池大规模生产中起着很重要的作用，关系着电池的产能和成本，因此，研发和设计一种节能、高效、高性能的锂电池化成设备是具有十分重大的积极意义的。本文通过分析国内外锂电池化成设备的现状，研究了整个化成系统的实现，目的是能够实现产品化、市场化。本文的主要研究内容分为以下几个方面（1）能量回馈式锂电池化成系统方案的总体设计。介绍了锂电池化成系统的基本结构，以及化成系统的工作过程。并且根据市场上对锂电池化成系统的新要求，确定本系统的主要技术指标要求。然后对系统的三大主要模块充放电模块、PWM整流模块和控制模块进行了可选方案的对比研究，确定适合本系统的拓扑结构和控制方法。（2）对能量回馈式锂电池化成系统的硬件设计。分别对充放电模块主电路的工作原理和PWM整流器模块电路工作原理进行详细分析，充放电模块从充电和放电两种模式对电路的各个开关模态以及各个器件的工作波形进行理论分析。PWM整流器模块通过等效电路，对电压电流进行矢量合成分析运行原理。之后对电路的主要功率器件，包括高频变压器、带反激绕组的电感，LC滤波器进行详细计算，得出计算参数，并给出设计过程和制作方法。同时，对驱动电路进行设计和计算。利用仿真软件对充放电模块主电路和PWM整流器主电路进行仿真验证，得到仿真波形，辅助电路的修改。（3）对充放电模块和PWM整流器的算法进行单独的设计，特别是对PWM整流器单周期控制方法做了详细的讨论。分析单周期控制的原理，并且在原有的基础上进行改进，通过软件编程实现单周期控制算法。提出一种功率前馈母线电压控制能量平衡算法，实现能量回馈式锂电池化成系统能量流动的控制，并且使控制性能进一步提高。（4）制作样机，进行实验测试，得到各项实验参数。并对实验结果进行分析总结，对系统进行修改和优化。第2章能量回馈式锂电池化成系统总体方案设计21系统结构框图和主要技术指标211锂电池化成系统简介锂电池化成是锂电池生产工序中的一个关键步骤，化成工艺的主要作用包括两个一是对电池内部的化学成分通电进行化学反应，从而产生有效化学成分，激活电池；二是通过电解过程，在电池的电极上产生一种钝化膜SEI膜，保护电极不受电解液的腐蚀，并且使得活性物质的有效表面积增加，利于跟电解液的化学反应。这个过程需要对电池进行多次的充放电，锂电池化成系统可以对单体锂电池进行恒流充电，当电压达到锂电池的充电上限电压时，转为恒压充电，直至充电电流逐渐降为零。然后再对电池进行恒流放电，直至电池电压达到放电截止电压。按照行业惯例，会对锂电池进行至少三次充放电，才能使电池的性能达到最好。一些锂电池化成系统，除了可以对电池进行化成，还可以进行分选。在电池化成过程中，检测电池的电压、电流、内阻、温度等参数，将性能相近的单体电池分组，然后组成电池组，保证电池组内单体电池的一致性。212能量回馈式锂电池化成系统技术指标要求锂电池化成系统作为锂电池生产设备，必须能够进行规模化地生产操作，所以需要对很多单体电池同时进行充放电，并且功能需要相对独立，互不干扰。目前锂动力电池的容量越来越大，所需要的充放电电流也随之增大。同时，要求锂电池化成设备能够尽量节省电能，降低生产成本。本文所设计的能量回馈式锂电池化成系统，采用模块化设计，充放电模块可组合，每个模块的工作状态相互独立。可实现对单体锂电池的大电流充放电，可以设置充电电流、充电上限电压、截止电压，并且可以将化成过程中富余能量回馈电网。本设计的主要技术指标如下表21所示。表21能量回馈式锂电池化成系统技术指标功能指标工作电压AC22010，50HZ恒流电流范围0100A可编程电流设置精度1A电流检测精度01A充电上限电压3435V可编程放电截止电压23V可编程电压设置精度001V电压检测精度001V功率因数大于099转换效率大于85通信协议CAN通信协议工作模式恒流充电、恒压充电、恒流放电保护功能电压异常保护、电流异常保护、过容量保护、通信中断保护，过温保护212能量回馈式锂电池化成系统结构框图充放电模块1充放电模块2充放电模块3充放电模块N单相PWM整流器380V直流母线AC220主控制器和采集电路CAN总线图21能量回馈式锂电池化成系统结构框图能量回馈式锂电池化成系统主要包括用于充放电的双向DC/DC模块、用于能量回馈的PWM整流模块以及主控制器和采样电路等。整个系统的结构框图如图21所示。充放电模块为独立模块，可根据需要自由叠加组合成系统。充放电模块可以对单体锂电池进行充放电。充电时，将直流母线上的能量传输到电池；放电时，将电池的能量传递到直流母线上。充放电模块电池侧在电气上隔离，高压测都并接在直流母线上，模块与模块之间，以及模块与主控制器之间通过CAN总线连接，主控制器通过总线接收各个模块的返回参数，并且发送指令到相应的模块。直流母线通过一个单相PWM整流器和电网进行能量交换。当充放电模块充电模式较多，会从直流母线消耗电能，此时PWM整流器的工作模式转为整流模式，将电网电能转移到直流母线，补充能量的消耗；当充放电模块放电模式较多，直流母线能量过多，PWM整流器的工作模式转为逆变模式，将直流母线上的能量回馈到电网。22充放电模块拓扑结构与控制方案选择221大变比双向DC/DC拓扑结构选择双向DC/DC变换器可以分为非隔离型双向DC/DC变换器和隔离型双向DC/DC变换器。非隔离型双向DC/DC变换器主要拓扑结构有双向BUCKBOOST、双向BUCK/BOOST、双向CUK、双向ZETASEPIC、正极性双向BUCK/BOOST等。双向BUCKBOOST拓扑结构如图22所示。该拓扑结构是由基本BUCK电路和BOOST电路组合成，从V1到V2是BOOST升压，从V2到V1是BUCK降压，任何方向的能量转换都只能是升压或者降压一种形式。V1V2图22双向BUCKBOOST拓扑结构双向BUCK/BOOST拓扑结构如图23所示。该拓扑结构是由两个单向BUCK/BOOST电路组合成，V1到V2能量双向流动，并且既可升压也可降压，但变换器会使电压反向。V1V2图23双向BUCK/BOOST拓扑结构双向CUK拓扑结构如图24所示。该拓扑结构是由两个单向CUK电路组合成，既可降压也可升压，输入输出电流连续，纹波小，但变换器会使电压反向。V1V2图24双向CUK拓扑结构双向ZETASEPIC拓扑结构如图25所示。该拓扑结构是由一个ZETA电路和一个SEPIC电路组合成，这种拓扑由于控制复杂，处于研究阶段，没有广泛应用。V1V2图25双向ZETASEPIC拓扑结构正极性双向BUCK/BOOST拓扑结构如图26所示。该拓扑结构是两个BUCK/BOOST电路组合成，既可升压也可降压，输入和输出电压是正极性，缺点是拓扑所用的开关管较多。V1V2图26正极性双向BUCK/BOOST拓扑结构非隔离型双向DC/DC变换器结构简单，辅助电源，驱动电路等设计可以简化，在大功率应用场合，可以不用考虑变压器容量和体积，大大减小产品的体积和重量。但是因为输入输出不隔离，在安全性和一些应用上场合不适用。隔离型双向DC/DC变换器其实可以理解为是单向隔离型DC/DC变换器的一种变形和组合，隔离型单向DC/DC电路的基本拓扑包括电压型的反激、正激、推挽、半桥、全桥等，以及电流型的推挽、半桥、全桥等。通过这些基本拓扑结构的组合，可以衍生出很多隔离型双向DC/DC电路，下面对其中应用较多的几种电路进行对比分析。双向反激变换器，是由两个单向反激电路组合成，拓扑结构如下图27所示。拓扑结构简单，功率器件少，在驱动和控制上也比较方便，但是由于是单管，导致开关管的电压和电流应力相对较大，所以更适合小功率电路。V1V2图27双向反激变换器拓扑结构双向推挽变换器，是由两个推挽电路组合成，拓扑结构如下图28所示。推挽电路功率器件比双反激多，开关管的电流应力较小，所以传输的功率也更大。但是推挽电路的变压器需要中间抽头，在变压器设计上较复杂，同时也导致漏感大，引起很大的漏感尖峰电压。V1V2图28双向推挽变换器拓扑结构双向半桥和双向全桥变换器，其拓扑结构如图29所示。两种拓扑结构在原理相近，双向半桥变换器的开关器件只有双向全桥变换器的一半，但是电流应力是其两倍，且需要有支撑电容，比较适合用在高压，中小功率电路中。双向全桥变换器的开关器件很多，成本较高，但开关管承受的电流小，适合用在中大功率电路中。V1V2V1V2图29双向半桥和双向全桥变换器拓扑结构除了电压型拓扑，还有电流型双向变换器。电流型双向推挽变换器拓扑结构如图210所示。电流型推挽在结构上增加一个电感，可以提高电压的利用率，同时电感还可以起到滤波作用，使得输入输出电流纹波较小，适合用在低压大电流场合。同时，通过开关管的电流有效值比电压型推挽小，减小开关管的导通损耗，以及变压器绕组上的损耗，有利于变压器的设计，效率的提高。V1V2图210电流型双向推挽变换器拓扑结构电流型双向半桥变换器，其拓扑结构如图211所示。电流型半桥与电流型推挽一样，可以提高电压利用率，由于使用两个电感，每个电感上的电流比电流型推挽减半，可以减小电感的发热，同时两个电感可以使输入输出电流的纹波更小。V1V2图211电流型双向半桥变换器拓扑结构电流型双向全桥变换器，其拓扑结构如图212所示。电流型全桥比电压型全桥多加了一个电感，工作原理跟电流型推挽和电流型半桥相似，都可以升高母线电压，降低开关管电流和变压器绕组电流。V1V2图212电流型双向全桥变换器根据本文所提出的技术指标，低压侧的电压2V42V，直流母线电压380V，低压侧充放电电流100A。所以低压侧需要适合低压大电流的拓扑结构，而高压侧母线电压高，电流小，应该选择可以减小开关管电压应力的拓扑结构。因此，低压侧和高压侧应选择不同的拓扑结构，组成合适的双向DC/DC电路。分析上述电路，进行各个参数的比较，比较结果如下表22所示。表中IIN表示输入电流的平均值，IAV表示开关管的平均电流，IIN表示开关管的有效电流，UIN表示输入电压，US表示开关管上的峰值电压。表22常用拓扑结构电压、电流应力比较表拓扑类型拓扑结构IAV/IINIRMS/IINUS/UIN推挽1212D2半桥1电压型全桥1212D推挽421半桥1212D电流型全桥41从上表可以看出，电压型拓扑结构电压应力比电流型拓扑电压应力小，所以直流母线侧应该选择电压型拓扑。考虑到尽量减小变压器变比，简化变压器设计，高压侧选择电压型半桥拓扑，可以倍压整流，使变比可以减小一半。低压侧由于电压很低，所以应该选择电流型拓扑，可以提高电压利用率，提高变压器低压侧绕组的工作电压，可以减小开关管的电流，减小变压器绕组电流，同时也减小变压器的变比。所以选择电流型推挽和电流型半桥都能满足要求，区别是电流型半桥有两个电感，工作时可以减小电感的发热，并且具有更好的滤波效果。组合后的双向半桥倍流电路拓扑结构如图213所示。V1V2图213双向半桥倍流电路拓扑结构222双向控制方案选择DC/DC变换器的常见的控制方法主要有滞环控制、PI控制、模糊自适应控制。滞环控制技术是一种典型的非线性控制，由于其结构简单，响应速度快，鲁棒性能强，所以是PWM控制技术里面常见的控制方法。一般多用于对交流电流的跟踪，在直流变换器中应用中，由于存在一定的控制死区，所以电流纹波较大，驱动信号的频率也会波动，不利于滤波器设计。PI控制技术是应用最为成熟和广泛的一种控制技术。PI控制技术包含比例环节、积分环节，其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便。当系统参数不能很好的确定，或者系统不能准确建模分析时，采用PI控制可以简单地达到良好的控制效果。在电源的自动控制应用中，PI也是主要的控制方式，可以达到很好的静态控制效果。模糊控制属于智能控制的一种，适合应用在一些大系统中，这些系统中的变量很多，一般的控制方法不能很好地实现控制。模糊控制对输入量进行模糊化，然后通过知识库、逻辑判断、反模糊化，输出明确控制量。对于复杂系统、大惯性系统等，具有良好的控制效果。双向DC/DC的控制量和反馈量都是一些较稳定的直流信号，所以控制较为简单，对静态特性要求高，综合考虑，选择经典的PI控制技术，已经可以满足设计要求的性能，并且设计很简单。23PWM整流模块拓扑结构与控制方案选择231PWM整流器拓扑结构选择PWM整流器可以分为两大类电压型PWM整流器、电流型PWM整流器。两者之间最显著的区别在于储能元件，电压型PWM整流器依靠电容器储能，电流型PWM整流器依靠电感储能。通常由于电网和直流电源等都是电压源，所以常见的PWM整流器都为电压型，另外由于电感的储能效率对比电容较差，使用电感储能的成本相对较高，所以更加限制了电流型PWM整流器的发展，因此在本文中，主要在电压型PWM整流器中选型。本设计采用的交流电为单相220V，所以以下列举几种单相电压型PWM整流器进行比较。单相电压型PWM整流器常见的拓扑结构有单相半桥PWM整流器、单相全桥PWM整流器、双BOOST型PWM整流器。如图214所示，单相半桥PWM整流器有两个开关管组成半桥，另外有两个支撑电容，同时也是滤波储能电容，电容耐压必须大于交流电峰值电压，所以直流母线电压高于两倍的交流电压峰值。单相半桥PWM整流器开关器件少，成本较低，但是支撑电容存在电压不平衡问题，由于倍压，所以直流母线电压很高。DCAC图214单相半桥PWM整流器如图215所示，单相全桥PWM整流器是由四个开关管组成H桥，相比于半桥成本较高，不倍压，所以直流母线电压只有半桥PWM整流器的一半。输出直流只有一个滤波电容，没有支撑电容，所以不存在电容电压不平衡。DCAC图215单相全桥PWM整流器如图216所示，双BOOST型PWM整流器是在半桥PWM整流器基础上，演变而来的一种拓扑结构。半桥和全桥PWM整流器存在桥臂直通的风险，而双BOOST型PWM整流器的两个开关管分别在不同桥臂上，所以排除了桥臂直通的风险。比半桥PWM整流器多了一个电感和两个二极管，直流母线电压也高于两倍的交流电压峰值。DCAC图217双BOOST型PWM整流器虽然在成本和安全性上，双BOOST型PWM整流器更有优势，但是结合本设计的技术指标，直流母线电压不能过高，否则会增加变压器的变比，所以综合对比考虑使用全桥PWM整流器更合适，但是要在驱动波形上增加一定的死区，防止桥臂上下直通。232PWM整流器控制方案选择电压型PWM整流器在希望在电网一端输出或者输入正弦变化的电流，所以控制对象为电感上的电流。PWM整流技术发展到现在，出现了多种电流控制方法，其主要电流控制策略分为两大类间接电流控制和直接电流控制策略。间接电流控制也就是幅相控制，在电路结构上较为简单，不需要电流传感器，稳态特性良好，但是动态特性较差，所以通常PWM整流器都采用直接电流控制。直接电流控制，顾名思义，是通过检测被控的交流侧电感电流，通过反馈控制，直接改变电流的一种控制方式。为了使电流波形能够跟踪电压，直接电流控制又可以分为滞环电流比较法、频率闭环滞环电流比较法、三角波电流比较法、单周期控制法等。1滞环电流比较法图217所示为滞环电流比较法的原理图。反馈电压UC和参考电压UREF比较，差值经过PI调节器，得到的电压信号与网侧获得的电压同步正弦信号相乘，结果作为电流的参考信号I。然后将检测到的交流电流信号I和电流参考信号I比较，经过滞环比较器，最后产生PWM信号，驱动各个开关器件，从而使电流跟踪电压正弦变化，保持同相或者反相关系。滞环控制在算法上简单，易于实现，其控制的精度受到滞环宽度的限制，滞环宽度越小，精度越高。滞环控制的开关频率也受到滞环宽度的影响，所以开关频率不确定，这就对输出滤波器的设计造成影响。PIUREFUC电压同步信号IIPWM图217滞环电流比较法2频率闭环滞环电流比较法图218所示为频率闭环滞环电流比较法的原理图。频率闭环滞环电流比较法是在滞环电流比较法的基础上经过改进而来。与滞环电流比较法控制类似，也要经过反馈电压和给定电压比较后，经过PI调节器输出，再与电压同步信号相乘得到电流参考信号，然后和反馈电流信号经过滞环比较器产生PWM波形。不同的是，滞环比较器的滞环宽度可变，通过对输出PWM信号的频率采样反馈，和给定频率信号比较，经过PI调节器输出，改变滞环比较器的滞环宽度，形成频率闭环，可以保持开关频率基本不变，因此解决了滞环电流比较法频率波动大的问题。频率闭环滞环电流比较法虽然进行了优化，克服了滞环电流比较法的一些缺点，但是由于电流给定信号来自对电网电压的采样，受到电压波形的影响较大，特别是在电网电压畸变较严重时，电流波形也会产生畸变。PIUREFUC电压同步信号IIPWMPI频率检测FF图218频率闭环滞环电流比较法原理图3三角波电流比较法图219所示为三角波电流比较法的原理图。三角波电流比较法也是一种固定开关频率的PWM整流器控制方案，与滞环电流比较法有类似的地方，也需要检测网侧的电压信号，不同的是，滞环电流比较法将反馈的电压信号直接用于控制，而三角波电流比较法是通过反馈的电压得到同步信号，再根据同步信号产生同步正弦信号，反馈电压与参考电压差值经过PI调节器后跟同步正弦信号相乘得到电流给定信号I，然后与电流反馈信号比较，经过电流调节器KI后，再与固定频率的三角波比较，得到调制后的PWM波形。三角波电流比较法也具有开关频率固定的优点，同时，由于电流给定信号是与电压同相位的标准正弦信号，不会受到电网电压畸变的影响，保证了电流的正弦度，电流畸变率比滞环电流控制法低。但是由于需要采集交流电压、交流电流和直流电压信号，检测量较多，还需要生成正弦信号和三角波信号，控制上较复杂。PIUREFUC同步正弦信号II比较器KIPWM图219三角波电流比较法原理图3单周期控制法图220所示为单周期控制法的原理图。单周期控制是一种非线性控制方法，需要采集直流电压和交流电流信号。给定电压UREF与直流反馈电压UC比较，经过PI调节器得到控制电压VM。VM一方面与交流电流反馈信号IRS比较得到控制信号V1，这里RS是电流检测等效电阻。另一方面VM经过一个带复位开关的积分器，得到一个锯齿电压V2。V1和V2进行比较，就可以得到当前开关周期内的占空比，经过触发器得到互补的两路PWM信号。积分器的复位和触发器的时钟信号都来自PWM的时钟信号CLK。单周期控制法需要检测的反馈量只有直流电压和交流电流，采样电路简单。控制算法的实现容易，不需要用到复杂的乘法器，降低了成本。对电流的控制在一个开关周期内完成，所以动态性能好，电流跟踪特性好，波形畸变率低，是现在广泛应用的一种高效控制方法。PIUREFUCIRS带复位积分器PWM1PWM2CLKRSQQV2V1VM图220单周期控制法原理图本设计是一个复杂的系统，应该尽可能简化电路设计，所以应该尽可能减少采样信号的数量。另一方面，直流母线的能量流动复杂，需要很强的动态稳定性，所以尽可能选择动态控制性能好，控制算法简单的方案，所以最后对比上述多种PWM整流器控制方案，选择单周期控制法作为PWM整流器的控制方案。24控制器和采样电路方案选择241控制器方案选择本设计采用的模块化设计，使得充放电模块可以大量扩充，所以在设计上需要将充放电模块设计成具有独立控制器的电路。主控制器和各个模块的从控制器之间通过CAN总线连接通信，从控制器负责充放电模块的驱动信号发生、电压电流采样、以及恒流恒压充放电的算法，并且需要和主控制器反馈参数，接收主控制器的控制信号。主控制器负责PWM整流器的工作，保证直流母线电压的稳定，控制能量的流动方向，并且进行人机交互，协调各个从控制器的工作。因此在从控制器的选型上，主要考虑运算速度快、内部功能模块多、具有CAN通信，在保证工作的前提下，外部电路尽量简单。主控制器因为算法较复杂，采样实时性高，所以需要更快的运算速度快、高速模数转换器。本设计最终选择从控制器使用MICROCHIP公司的DSPIC33FJ系列的高性能DSCCPU，具有改进型哈弗结构，最高速度可达40MIP，具有高速PWM模块，高速ADC模块，最高可达4MSPS，具有CAN通信、SPI通信等。该系列的数字信号控制器，很适合用在开关电源、有源功率因数校正、逆变器等。主控制器选择TI公司的TMS320F28335型数字信号处理器，这是一款浮点型DSP控制器，比定点DSP具有更高的精度，外设集成度高，数据以及程序存储量大，ADC更精确快速。具有150MHZ的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，具有TI特有的更高精度的PWM输出HRPWM，12位16通道ADC，转换速度可达80NS。该系列的DSP适合用在计算复杂的算法中，如PWM整流器、逆变并网、矢量控制电机驱动、变频调速等。242采样电路方案选择采样电路方案主要分为非隔离采样和隔离采样。电压非隔离采样通常采用电阻分压，电流非隔离采样通常采用采样电阻或者分流器，这种采样电路简单，采样线性度、精度高，没有相位差，适合用于低电压、不要求电气隔离的应用中。而隔离采样电路，一般通过线性光耦、变压器、霍尔传感器等，将采样信号转换成光或者电磁信号等隔离传输到后级，再还原成电信号。隔离采样具有良好的电气隔离特性，适合用于压差大、有电气隔离要求的应用，在采样中，采样波形会出现线性失真或者相位延迟，对控制有一定的影响。本系统中由于模块之间相互独立，后级又汇聚到同一个高压直流母线，所以系统中存在复杂的供电系统，所以应该选择隔离采样的方式，这样可以简化辅助电源的设计。考虑到采样精度和采样速度，选用霍尔电压和电流传感器。这种传感器电路设计简单、体积小、线性度高，是理想的用于开关电源隔离采样的方案。25本章小结本章主要介绍了能量回馈式锂电池化成系统的基本结构，以及化成系统的工作过程和工作原理，提出能量回馈式锂电池化成系统的总体结构框图。采用模块化设计方法，将整个系统分成三大主要模块充放电模块、PWM整流模块和控制和采样模块进行分别设计，根据设计的参数要求，讨论了双向DC/DC、PWM整流器、主控制器和采样电路的多种可行方案，并从中选择最适合本设计的拓扑结构和控制方法。第3章能量回馈式锂电池化成系统硬件设计31能量回馈式锂电池化成系统主电路设计311充放电模块主电路充放电模块的主电路图如下图31所示。低压侧为单体锂电池BATTERY，高压侧为直流母线UBUS，Q1和Q2是低压侧电流型半桥的MOS管，L1和L2是两个为半桥提供电流源特性的电感。Q3和Q4是高压侧电压型半桥的MOS管，C1和C2为两个均压电容。高频变压器