用于电池测试系统的双向DCDC变换器的研究

1、用于电池测试系统的双向DC/DC变换器的研究魏克新，高国振，李华平，孙强（天津理工大学，自动化学院，天津 300384）（天津市复杂控制系统理论及应用重点实验室）摘要：针对蓄电池常见的充放电过程，本文介绍了一种基于DSP的双向升降压DC/DC变换器。电路采用全桥式拓扑结构，通过双闭环串级PWM控制开关元件的通断，以实现变换器的双向升降压。全文重点介绍了变换器数学模型的分析以及基于LQR的最优参数整定方法。在此基础上，以系统设计的方式对其进行了SIMULINK仿真以及样机的测试。实验结果保持了良好的动静态特性，证明了方案的可行性。本装置与高功率因数可逆整流器级联可用于电池测试系统，实现能量的双向

2、流动。关键词：双向DC/DC变换器;双闭环串级控制;全桥式拓扑;状态空间平均法;LQR控制中图分类号：TM351 文献标识码：AThe Research of Bi-Directional DC / DC Converter Using in the Battery Test SystemWEI Ke-xin，GAO Guo-zhen，LI Hua-ping，SUN Qiang(School of Electrical Engineering, Tianjin University of Technology,Tianjin 300384, China)（Tianjin Key Laborat

3、ory of Control Theory and Applications in Complicated Systems）Abstract:For the charging and discharging process of battery,a kind of bi-directional buck-boost DC / DC converter based on DSP is introduced.The circuit adopts the full-bridge topology and the dual-loop cascade PWM control method in orde

4、r to achieve the buck-boost of two-quadrant. The full text focuses on the mathematical analysis of converter model and the optimal parameter tuning methods based on LQR.On this basis, its SIMULINK simulation and prototype testing is carried out .The experimental results has a good static and dynamic

5、 characteristics and it proves the feasibility of designing.The device can be used for the battery test system with a high power factor rectifier and achieve the Bi-Directional flow of energy finally.Key Words: Bi-directional DC/DC converter;the dual-loop cascade control;full-bridge topology; State-

6、space averaging ;LQR control1 引言日常生活中，蓄电池的充、放电是必不可少的，例如在电池测试系统中，电池生产厂家需要对新电池进行充、放电以及容量的校核。在这类应用中，涉及到直流电压的变换，常用到DC/DC变换器。其中输入端接直流母线,输出端接储能装置(蓄电池)。此外为了实现充、放电，能量还必须能够双向流动，即变换器不仅能够通过各种变换得到满足要求的输出电压，而且能够反向吸收输出端多余的能量，实现能量回馈，从而可以提高整个系统的效率。而由于通常的单向DC/DC变换器中，主功率传输通道上一般都有二极管这个环节，因此能量经由变换器流动的方向只能是单向的，不能反向流动。有鉴

7、于此，本文介绍了一种基于DSP的全桥式双向升降压DC/DC变换器。此变换器与PWM可逆整流器级联，可用于各类电池的充、放电以及大功率直流电源的核心部分。2 系统分析2.1 主电路拓扑结构图1为双向升降压DC/DC变换器的主电路结构，功率开关管T1T4组成桥的4个桥臂。电感L作为储能元件在电路的升降压中起到了重要的作用，直流侧的电容C为直流滤波器。图1 双向升降压DC/DC变换器主电路拓扑结构Fig.1 The main topology of system2.2 工作原理该电路结构不同于全桥四象限DC/DC的拓扑结构，后者主要是用于直流电机调速方面。而此DC/DC变换器不仅可实现电压升与降的调

8、节，并且开关的利用率比全桥电路高。此外该结构还降低了电感和电容上的电气应力。通过对四个开关管的控制，可以分别实现正向降压、正向升压、反向降压、反向升压四个工作状态。开关通断与工作模式的关系见表1。表1 开关通断与工作模式关系Tab.1 The relationship of switch mode and working status3 数学模型分析以正向降压为例，应用状态空间平均法1,2，首先分别建立功率开关T1导通和关断时刻的状态空间平均方程，如式（1）（2）所示。(1) (2)然后对方程（1）和方程（2）进行平均化得到基本状态空间平均方程： (3)在此基础上，通过对稳态及扰动条件下的方程

9、求解可以进而得到动态小信号传递函数3，其中：占空比到输出电压的传递函数为： (4)占空比到输入电流的传递函数为： (5)在控制方式上，采用双环串级控制4,5，外环是电压环，内环是电流环，外环输出作为内环电流的参考值。设计时要求内环的响应速度比外环更快，这样整个结构在这种控制下具有较大的系统增益以及快速的电流跟随性能，从而使系统能够获得很好的动态和抑制干扰的能力。假设电感内阻为0，基于（4）、（5）两式，可以得到系统的电压闭环传递函数和系统结构框图，如式（6）和图2所示。 (6)图2 系统结构框图Fig.4 The framework diagram of system由系统闭环传递函数和系统结

10、构框图可知：由于被控对象是一阶惯性环节，闭环系统等效为二阶模型，当时，系统能够获得较大的相角稳定裕量，系统响应快，电流跟踪能力强。4LQR参数整定为了获得优良的控制性能，系统参数的整定起到至关重要的作用。由于内环和外环均采用PID控制器进行调节，控制器各参数之间互相影响。因此合理的整定相应的PID参数，是研究过程中必须解决的一个问题。参数整定的方法有很多种，大多数是依靠实际的经验，这里采用基于LQR的线性二次型最优控制进行调节器的参数整定6,7。参数整定结构框图如图3所示，即首先对内环电流环进行参数整定，然后在此基础上，将内环电流环与控制对象G2(S)整合为外环电压环的控制对象，并做进一步的参

11、数整定。图3 基于LQR的PID参数整定法结构图Fig.3 The frameof LQR parameter tuning method 这里以内环电流环的参数整定为例，由公式(5)可以得到内环控制对象的传递函数如式， (7)对其进行PID控制，有 (8)为了利用LQR设计方法获取最优PID控制参数,引入状态空间方程式: (9)其中，状态向量：。根据被控对象传递函数，可得(10)从而得到相应状态方程中的矩阵为，(11)根据LQR方法,对公式(9)定义如下性能指标: （12）其中，加权矩阵，为最小化上述指标函数，系统的最优控制信号为:(13)为系统最优反馈矩阵，矩阵且满足如下RICCATI方程

12、： (14)对式(13)积分并与式(8)进行比较有: (15)从而获得了基于LQR的PID最佳控制参数。4系统仿真分析基于上述模型分析以及参数整定方法，可以通过MALAB/SIMULINK对系统进行仿真。系统仿真框图如图4所示。图4 系统仿真原理图Fig.4 The simulation principle of system其中,系统参数为输入电压130V，电感1.5mH, 电容6900uF,负载电阻2。系统在0.02s处进行给定切换，切换前给定值为83V,切换后给定值突变为73V。仿真结果如图5(a)所示。此外，在给定电压为73V时的稳态电压纹波波形如图5(b)所示。(a) 输出电压动态波

13、形(a)输出电压纹波波形图5 系统仿真图Fig.5 The simulation waveform of system由此可见，所构建系统的电压跟随性较好，鲁棒性强。在给定电压突变的情况下能保持良好的动静态性能，系统的稳定性和动态抗扰性较好；稳态时电压精度高。5 系统实验与分析5.1 系统结构设计双向升降压DC/DC变换器系统的控制结构如图6所示。利用DSP2812搭建试验样机，检测和给定信号通过信号调理电路进入DSP，经由数据处理，并借助驱动电路，对主电路的功率开关管进行相应的控制，以实现双向升降压。图6 双向升降压DC/DC变换器系统控制结构图Fig.6 The control frame

14、work of system5.2 实验分析系统中，输入电压为130V，储能电感L为1.5mH，输出滤波电容为6900uF，负载为大功率电阻箱，实验结果如图7所示。图a为输出电压为73V时开关管T1的PWM驱动信号，从图中可以看出，开关频率近似为20KHz，PWM的占空比近似50%。图b为DC/DC装置的输入电压和输出电压的纹波图。输入电压纹波有效值1.52V，输入电压纹波系数1.17%；输出电压为73V，输出电压纹波有效值0.21V，输出电压纹波系数0.27%。负载侧输出电流16.6A。图c为输出电压的动态响应图，显示了输出电压从83V降压到73V的动态响应过程。 图a 输出电压为73V时开

15、关管的PWM驱动信号图b 输入电压和输出电压的纹波图图c 输出电压的动态响应图图7 系统实验结果分析Fig.7 The analysis of system expriment6结论综上所述，针对电池的充放电过程，本文介绍了一种基于DSP的双向升降压DC/DC变换器设计方法。通过实验分析，该策略与数学理论推导相吻合，具有较高的精度和动、静态响应，体现了良好的电源特性，符合电能质量标准，满足设计指标。采用本文提出的双向全桥DC/DC变换器，可以有效的减少电池测试系统的电流纹波，降低损耗，提高效率，改善电池的综合测试性能。参考文献1 王兴贵,邹应炜,刘金龙. 全桥型DC/DC开关电源的建模与控制J

16、. 电力电子技术,2007,41(7):86-88. Xinggui WANG,Yingwei ZOU,Jin-long LIU. Modeling and Control of Full-bridge DC/DC Switching Power SupplyJ. PowerElectronics,07,41(7):86-88.2 张元敏,方如举.利用状态空间平均法对DC/DC电路的分析J.电力自动化设备，2008，28（4）：50-52.Yuanpei Zhang,Ruju Fang.The analysis of DC/DC circuit using state-space averag

17、ing methodJ. Electric Power Automation Equipment,08, 28 (4): 50-523 张方华，朱成花，严仰光.双向DC-DC变换器的控制模型J.中国电机工程学报,2005,25(11):46-49Fanghua ZHANG,Chenghua Zhu,Yangguang YAN.THE control model of Bi-directional DC-DC converter J.Proceedings of the CSEE,2005, 25(11)：46-49.4 许海平,温旭辉,孔力.全数字双向DC/DC变换器的分析和设计J.电力电子技术,2003,37(6):13-16. Haiping Xu,Xuhui Wen,Kong Li.Analysis and Design of Digitally Controlled Bi-directional DC/DC ConverterJ.PowerElectronics,03,37(6):13-16.5 K.M.Cascade Controller for DC/DC Buck ConvertorJ. IEE Proc.-Electr. Power Appl,2005,152:827-8316 Suh Byung Suhl,Yang Ji Hoon.A tu