双向DCDC变换器设计Word下载.docx

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关键字：

电池化成；

双向DC/DC变换器；

实验分析

Abstract：

Asthelithiumbatterybecomesmoreandmorepopularineveryaspectsofourlife,batteryformation,acriticalprocessinbatteryproduction,drawsplentyofattention.Thispaperintroducesafullbridgeconverter,whichusedinaformationenergyfeedbacksystemoflithiumbattery,includingaPCmonitorandaDC/DCbi-directionalconverter.Thebi-directionalDC/DCconvertersystemcanrealizetheintelligentcharginganddischargingofthelithiumbatteriesbyadjustingthedutyratioofMOSFET.TheworkingprincipleofDC/DCbi-converterwasanalyzed,andtheexperimentalprototypefunctionwasvalidatedthroughexperiments.

Keywords:

batteryformation;

DC/DCbi-directionalconverter;

experimentalanalysis

1引言

进如21世纪以来，随着环境问题、能源问题与社会发展问题的矛盾日益突出，发展节能减排的绿色经济以成为全社会关注的焦点。

蓄电池作为能量储存的主要装置，以成为社会生活中不可或缺的一部分，需求量逐年增长，其中锂电池以其能量密度高，寿命长，放电电压稳定，污染小，质量轻，自放电小，循环寿命长等优点，逐渐取代传统的铅酸、镍镉电池，成为市场的新宠儿。

故锂电池的广泛发展很好地符合绿色经济的要求，缓解环境和能源的压力。

在锂电池生产过程中必须要经过电池化成这一工序，锂电池的化成是指对新生产电池初次充放电的过程，即利用化学和电化学反应激活，使电极上的活性物质转化成具有电化学特性的正、负极板，是影响电池寿命的重要环节。

锂电池的化成过程要求非常严格，一般分为恒流充电，恒压充电，涓流充电和恒流放电四个过程，各个环节之间区别在于充放电过程中的电压和电流不同，以保证对锂电池良好的性能。

DC/DC变换器，也成为斩波器，是锂电池化成系统中的一个重要部分，原理是将某一种的直流电压转换为所需的另一种电压值不同的直流电压。

在锂电池化成系统中，双向DC/DC变换器主要负责对充放电过程进行监控管理，根据最佳充电曲线对充电方式进行调整，并且对电池起到保护作用。

不同于单向的DC/DC变换器，双向DC/DC变换器可以工作在正向和反向两种状态，实现能量的双向传输。

因此，可以说双向DC/DC变换器的工作性能直接影响化成系统的总体功能，从而决定锂电池的使用效率和性能。

目前，国内采用传统的电阻放电装置和相控式有源逆变放电装置对电池化成中的放电过程进行处理，前者虽然结构简单，成本较低，较为普及，但会对能量造成极大的浪费，特别是在大容量电池的生产中。

据统计，规模较大的电池生产厂家在电池化成中电能的费用占到生产成本的百分之二十至百分之三十。

而后者也具有体积笨重和噪声污染大、交流输出功率因数低、对电网谐波污染严重等缺点，故很少采用。

本文介绍的主要内容是一套双向DC/DC变换器系统。

其结构如下图1.1所示。

系统工作时，通过上位机监控变换器的工作，并与其进行通讯，传输工作指令和实时数据。

当锂电池需要充电时，由上位机通过总线对双向DC/DC变换器发送充电指令。

双向DC/DC从48V蓄电池中获取能量，按智能充电曲线对锂电池充电。

当锂电池需要放电时，通过上位机对双向DC/DC发送放电指令。

双向DC/DC变换器从锂电池获取能量，将能量反馈会48V蓄电池内，实现了能量的反向输送。

2双向H桥DC/DC变换器拓扑分析

2.1双向DC/DC变换器

按照双向DC/DC变换器拓扑结构的特点，可将其分为隔离型和非隔离型两种。

其中隔离型拓扑主要包括：

反击式变换器，正激式变换器，推挽式变换器，桥式变换器以及其他一些混合式的隔离型变换器。

而非隔离型拓扑主要有：

双向Buck/Boost变换器，双向Buck-Boost变换器，双向Cuk变换器，双向Sepic/Zeta变换器。

上述的隔离型变换器和非隔离型变换器都可以实现能量的双向流动。

其中隔离型双向DC/DC变换器虽然可以实现输入输出侧大变比，同时也能够满足在不同功率等级时的应用需求，但当应用与输出侧低压，大电流的场合时，存在着运行效率低以及变压器设计困难的问题。

然而，非隔离型变换器虽然也可以满足不同动率等级时的应用需求，并且能够实现输出侧低压大电流的应用需求，但只能工作是电压转换比小，即当输入侧和输出侧电压差较大时，难以在PWM占空比很小时对其进行精确的调节。

故在设计本次锂电池化成系统中所需的双向DC/DC变换器时，根据实际需要，一方面要满足在变压比很大时，实现对输出侧电压精确调节的目的，同时也避免了对隔离变压器的设计，故最终采用了可实现宽范围输出的双向H桥DC/DC变换器的主电路拓扑，如下图2.1所示：

图2.1双向H桥DC/DC变换器

2.2双向H桥DC/DC变换器结构分析

双向H桥DC/DC变换器的拓扑结构主要由4个桥臂组成，每个桥臂主要由一个MOSFET开关管和一个反并联二极管构成，将VT1和VD1构成的桥臂成为桥臂1，其他依次类推。

通常把1,4桥臂作为一对，2,3桥臂作为一对，控制一对桥臂同时开通或关断。

双向H桥DC/DC变换器可以看做是两个双向Buck/Boost变换器输入端并联，输出端串联而成的一个复合型变换器，这样的结构可以有效的扩大变换器的容量，以便适用于不同容量等级需求。

现将双向H桥DC/DC变换器的输出电压设为U0,输出电流为I0，同时在直角坐标系中以I0为横坐标，为U0纵坐标，那么上述变换器可以实现电压，电流均可逆的四象限运行。

在第Ⅰ，Ⅱ象限工作时，通过调节VT1~VT4的开断状态，可以实现Uo≥0，Io可逆的二象限DC/DC变换器，同理在Ⅲ、Ⅳ象限工作时，可实现Uo≤0，Io可逆的二象限DC/DC变换器。

由于在锂电池充放电过程中的四种状态分别为恒流充电，恒压充电，涓流充电和恒流放电，故前三种充电状态都工作在第一象限，最后一种放电状态则工作在第二象限。

现根据双向H桥DC/DC变换器工作状态对其进行分析：

设变换器中各VTi的导通占空比为Di在正常工作状态下，VT1VT4同时导通,占空比为D1和D4;

VT2,VT3同时导通,占空比为D2和D3,两对桥臂驱动波形彼此互补切带一定死区为Ds则输出电压表示为：

则得到输出电压与输入电压之间的关系式为：

由以上公式可得：

改变两个占空比D1和D2之差就可以实现对输出电压进行宽范围的调节的目的。

此外由于占空比D1和D3之间存在着一定的关系，即：

由此可见，在实际中只需要调节一个占空比，就可以实现对输出电压进行调节。

当蓄电池需要进行充电时，直流侧48V作为输入，电池侧12~14V的输出；

当蓄电池需要进行放电是，可以通过控制D1，D2之差，使双向H桥DC/DC变换器工作在逆变状态向直流侧放电。

2.2双向H桥DC/DC变换器工作状态分析

2.2.1正向工作状态模型分析

双向H桥DC/DC变换器在正向工作模式下，一个开关周期内，共有2个开关状态。

由于在给电池化成是，主电路的输出电流应该与电池充电给定电流方向相同，同时应保持充电电流连续，故以下只讨论电流正向，连续的工作状态。

变换器输出电流正向，连续时电流立项工作波形如图2.2所示。

图2.2正向工作输出波形

状态1（0~t1阶段）:

等效电路如图2.3所示:

图2.3正向工作时状态1等效电路

此时变换器中VT1,VT4处于导通状态,VT2,VT3处于关断状态，48V的直流电源Ui连接着变换器的输入端，电流经48V电源正端，VT1，滤波电感L1，输出端蓄电池，滤波电感L2，VT4回到电源负端。

在状态1内，由于输出端电流为正，电感承受正向的电压，电感电流直线上升。

在这段区间内，48V电源输出能量，蓄电池两端电压和电流都是正向，故从直流源吸收能量；

同时电感两端的电压和电流都是正向，故处于储能状态。

因此，在状态1阶段内直流源给电感和电池传输能量。

对电感两端电压UL，电流iL计算如下：

在t1时刻时，VT1和VT4关断，此时电感上电流达到最大值Imax。

状态2（t1~t2阶段）:

等效电路如图2.4所示：

图2.4正向工作时状态2等效电路

此工作状态VT2,VT3处于导通状态,VT1,VT4处于关断状态。

由于电感电流不能突变，流过蓄电池和电感上的电流Io方向不变，VT2,VT3工作在反向导通，48V的直流电源Ui连接着变换器的输入端，电流经48V电源负端，VT2，滤波电感L1，输出端蓄电池，滤波电感L2，VT3回到电源正端。

在这段时间内，电源电压时正向的，电流时反向的，故有能量向直流电源反馈；

与此同时电池两端电压和电流都为正，故电池处于充电状态；

电感两端电压时反向的，电流为正，故其能量减小，电感对电源和电池释放能量。

在T时刻时，电流下降到最小值Imin：

在变换器实际工作中，需要考虑死区时间。

如何没有死区时间，可能会出现上下桥臂同时导通的状况，导致48V直流母线短路。

为了防止上述现象，确保功率开关管的可靠关断，需要在驱动信号内加入死区时间，相应的死区时间内工作等效电路如图2.5所示：

图2.5正向工作时死区时间的等效电路

死区时间是工作在状态1和状态2之间，VT1,VT2VT3,VT4处于都不导通的状态，电流的方向和状态2类似，经48V电源负端，VD2，滤波电感L1，输出端蓄电池，滤波电感L2，VD3回到电源正端，处于续流状态。

可见死区时间和状态2的结果是一样的，故理论上把死区时间计算在状态2中。

上述是对电池充电状态时的分析，可得，能量从48V直流母线正向流动到电池内，电池能量一直增加。

2.2.2反向工作状态模型分析

双向H桥DC/DC变换器在反向工作状态时，一个开关周期内，也有2个开关状态。

与正向工作状态时相反，主电路的输出电流与蓄电池的给定充电电流方向相反，同时为了保证持续可靠工作，现分析电流处于连续工作的状态。

电流反向，连续时，反向工作状态时的理想输出波形如图2.6所示：

图2.6反向工作输出波

状态1（0~t1）：

等效电路如图2.7所示：

图2.7反向工作状态1等效电路

当双向H桥DC/DC变换器工作在反向工作，状态1时，VT2,VT3处于导通状态,VT1,VT4处于关断状态。

48V的直流电源Ui连接着变换器的输入端，电