蓄电池充放电管理系统

1、蓄电池充放电管理系统摘 要：本系统为光伏电站内模拟蓄电池充放电管理系统，其中模拟光伏电站直流母线电压变化范围为2226V，蓄电池电压变化范围为915V。系统采用Buck/Boost双向DC/DC主拓扑，以英飞凌XMC4500为控制核心，通过PI调节实现双向电压变换和稳流功能，能够很好地模拟蓄电池的充放电曲线。同时，该系统能够实时显示两侧电压、充放电电流，显示误差小，充放电电流纹波峰峰值低，充电效率高，并具有过压与欠压保护及自动恢复功能。关键词：蓄电池充放电 Buck/Boost 双向DC/DC变换 PI 1. 系统方案1.1方案论证与比较1.1.1主拓扑方案方案一：双向Buck/Boost变换

2、器。该拓扑可以进行双向升压降压控制，电路简单可靠，所用器件较少。缺点是，输入输出电压极性相反，电路测量困难，且输入输出电压纹波较大。图1 Buck/Boost变换器l 有利于电池充放电。方案二：双向Cuk变换器。电路可以通过合理选取L1和L2的耦合程度使输入输出电压纹波降低。缺点是该电路需要通过电容传递能量，对电容要求较高，电路器件较多，增加电路体积和重量。图3双向Cuk变换器l 方案三：Buck-Boost双向DC-DC变换器。该脱坡所用器件少，电路原理和控制简单，可靠性高，电路体积课设计较小，也能减轻系统重量。缺点是电路只能在单方向上进行升压或者降压。综合考虑，系统输入输出电压只需要单向升

3、压或者降压，且考虑系统重量要求和单片机控制简单，我们选择方案三Buck-Boost双向DC-DC变换器。1.1.2采样与驱动方案l 方案一：不带隔离的采样与驱动电路。此种方案电路结构较为简单，能减小辅助电源设计的工作量。但由于没有隔离，所以系统稳定性和安全性较差。l 方案二：带隔离的采样与驱动电路。此种方案将主电路与控制电路隔离，提高了系统稳定性与可靠性，但是因增加了额外的隔离电源而对系统带来额外的效率损失，不能够很好的满足题目要求。综合考虑，由于本题只涉及直流而未涉及到交流，并且是否隔离对题目影响不大，所以选择方案一。1.1.3控制方案l 方案一：采用位置型PI算法，占空比由误差和误差之和决

4、定，实际应用发现，波动很大，需要添加抗积分饱和算法，结果导致算法复杂，且实际稳定值还会波动。l 方案二：采用增量型PI算法，检测误差来不断增加或者减少占空比，因为PI系数的原因，可以使电流大致稳定在给定值，且算法相对简单。综合考虑，选择方案二。1.2总体方案描述系统包括双向DC/DC变换电路、辅助电源、反馈控制、测量和显示五个部分。其中DC/DC双向变换电路是核心部分，控制电路主要利用英飞凌单片机XMC4500来实现，系统通过蓄电池电压、电流采样反馈，并利用PI算法调节Buck/Boost双向变换电路开关管的占空比，从而实现蓄电池充放电曲线的模拟。当系统检测到欠压与过压时，通过控制驱动输出来切

5、断电路。当故障解除后，系统利用试触法实现自动恢复正常工作状态的功能。系统通过红外遥控器来切换充放电状态，并通过液晶实时显示系统电压电流。系统总体框图如图1-1所示。 图1-1 系统总体框图2. 理论分析与计算2.1.1双向DC/DC变换参数计算双向DC/DC变换主电路电路图如图2-1所示。图2-1 主电路电路图电池充电模式：电池充电时电路工作在Buck模式，即电路从U2端输入电压，经过Buck同步整流输出给电池充电，通过单片机控制占空比改变并稳定充电电流。电路此时输入输出电压比例为M=U1U2=D。电池放电模式：电池放电时电路工作在Boost模式，即电路电池通过电阻R2放电，本系统为双向DC/

6、DC电路。电路开关管截止时，两端电压最大为最大输入电压38V，通流能力应大于2A。为了减小开关管损耗，应尽量减小导通电阻。同时开关管频率应能达到设定频率40KHZ以上。经过选择，采用英飞凌公司产的导通电阻为4.5m，耐受电压为100V，导通电流可达100A的IPP045N10N型MOS管。 l 电感的选取Buck/Boost 双向DC/DC变换器的拓扑。主要有三种工作模式，包括Buck 工作模式、Boost工作模式和关机模式。在Buck工作模式下，开关管V2 与V1互补导通，当开关管V1导通时，二极管D1和D2 承受反向电压关断，模拟光伏电站直流母线对蓄电池充电，同时给电感L1储能；当开关管V

7、1关断时，开关管V2导通，电感电流经V2续流，对蓄电池充电，电容C2 用来维持蓄电池端电压的稳定并进行滤波。额定工作状态下，。要保证电感工作在电流连续模式，需满足。取=0.3A，则电感应满足。选取L=698H。在Boost 工作模式下，开关管V1 保持关断状态，当开关管V2导通时，电感L1充电；当开关管V2关断时，蓄电池和电感L1同时给模拟光伏电站直流母线充电，电容C1 用来维持直流母线电压的稳定并进行滤波。l 电容的选取在Buck工作模式下，对于电压纹波，有，则6.72F。考虑实际滤波效果，选择C2=1000F。在Boost工作模式下，对于电压纹波，有，则250F。考虑实际滤波效果，选择C2

8、=1000F。3. 电路与程序设计3.1主电路设计与分析 主电路原理图如下图3-1所示。图3-1 主电路电路原理图双向DC/DC变换器采用非隔离型的Buck/Boost拓扑结构。为模拟光伏电站直流母线电压，C1为母线电容，V1、V2采用MOSFET，D1、D2为不同工作模式下的续流二极管，L为储能电感，C2为蓄电池侧滤波电容，E为锂电池侧端电压。Buck/Boost双向DC/DC变换器主要有以下两种工作模式。l Buck工作模式：在此工作模式下，稳压源向电池充电。开关管V2与V1互补导通。当开关管V1导通时，二极管D1和D2承受反向电压而处于关断状态，稳压源向电池充电，同时给电感L1储能；当开

9、关管V1关断时，开关管V2导通，电感电流经V2续流，对电池充电，电容C2放电维持电池端电压的稳定。l Boost工作模式：在此工作模式下，电池放电。开关管V1保持关断状态，当开关管V2导通时，电池给电感L充电储能；当开关管V2关断时，电池通过30电阻放电，电容C1用来维持光伏电站母线电压的稳定。3.2测量电路设计与分析3.2.1电压测量模块电压测量模块电路图如图3-2所示。图3-2 电压测量电路图 通过对测量电压分压后进行差分放大，拟合得到实际电压与测量电压关系。3.2.2电流测量模块电流测量模块电路图如图3-3所示。图3-3 电流测量电路图 通过采样电阻将电流信号转化为电压信号，用仪用放大器

10、进行差分放大，加入一定偏置电压，即可将-3A-3A电流信号转化为正的电压信号。3.3欠压与过压保护设计 通过电压测量实时监测，当母线电压高于28V或蓄电池电压低于7V时，驱动电路停止输出驱动信号，经3s后驱动电路重新输出，以此实现过压与欠压保护及自恢复功能。3.4软件控制设计与分析图3-4 软件控制框图AD采样蓄电池和总线的电压和电流，首先判断电流是否过大，过大则进行过流保护，然后检测电压，判断是否需要过欠压保护，然后根据电压采取不同的PI调节策略，使电流稳定在需要的值。4. 测试结果与分析4.1测试仪器三位半数字万用表FLUKE-15B数字稳压源DF1743003C5节锂电池18650型25

11、00mAh4.2测试条件使用数字稳压源通过开关模块为系统提供电源，将5节带保护板电池串联组成电池组，通过开关接入电路。测试前，使电池电压在19.5V左右。接入电路时，先让电路工作在充电模式，测试稳流充电效果，充电效率以及充电过压保护。其后，通过开关模块切入放电电阻，调节遥控使电路工作在放电状态进行测试。测试时，使用万用表测量输入电压U2电流I2，输出电压U1电流I1以及稳压源经过二极管电压Us。4.3测试方案与结果4.3.1基本要求接通电路，闭合开关S1、S3，断开S2，将装置设定为充电模式。（1）调节稳压源电压，使输入电压U2=30V，使用遥控器调节充电电流大小，使用万用表测量输入电压电流，

12、输出电压电流，观察液晶显示充电电流大小。记录数据如表4-1，计算充电电流为2A时变换器效率。表4-1 充电模式电压电流测量U1/VI1/AU2/VI2/A显示电流/A19.451.00330.011.7221.1019.511.20130.011.7311.20-19.541.40230.000.9321.4019.571.60130.011.0651.6019.591.80329.991.1991.8019.622.00430.001.3342.00由测试数据可以看出，液晶显示电压电流测量值与实际值之间的误差小于5%。该系统满足基本要求。l 电流纹波测量使用示波器检测电池充放电电流纹波，其电

13、流纹波峰峰值小于0.1A。4.3.2发挥部分l 浮充测试用稳压源提供蓄电池电压E=15V，调节稳压源使母线电压在一定范围内变动，使。电压电流测量数据如表4-2所示。表4-2 浮充电压电流测量数据/V24.0024.5025.0025.5026.00I1/A0.0480.0490.0500.0500.051由上表数据可以看出，当E=15V，时，能够以I1=0.05A对蓄电池进行浮充，且误差小于20%。l 充放电曲线用稳压源提供蓄电池电压E=9V，调节稳压源使母线电压在一定范围内变动，使。电压电流测量数据如表4-3所示。表4-3 充放电曲线测量数据/V22.0022.2522.5022.7523.0023.2523.5023.7524.00I1/A-3.045-3.006-2.996-1.4730.0781.5273.0723.0943.120由上表数据可以做出自动充放电曲线如图4-2所示。表4-2 自动充放电曲线由以上数据及曲线可以看出，该系统能够很好地实现蓄电池自动充放电曲线。l 过压与欠压保护当母线电压或蓄电池电压E7V时，两MOS管全部关断，电流为零。立即将电压调至正常范围，3s后电路即可恢复，即具有过压、欠压保护及自动恢复功能。5. 总结系本系统以英飞凌单片机XMC4500为控制核心，通过蓄电池电压、电流采样反馈，并利用PI算法调节Buck/Boost双向变换电