双向DCDC变换器设计.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.24M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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用于锂电池化成系统的桥式 DC/DC 变换器 ................................................................................. 2 1 引言 ............................................................................................................................................... 3 2 双向 H 桥 DC/DC 变换器拓扑分析 ............................................................................................ 4 2.1 双向 DC/DC 变换器 ......................................................................................................... 4 2.2 双向 H 桥 DC/DC 变换器结构分析 ................................................................................. 4 2.2 双向 H 桥 DC/DC 变换器工作状态分析 ......................................................................... 5 2.2.1 正向工作状态模型分析 ......................................................................................... 5 2.2.2 反向工作状态模型分析 ......................................................................................... 8 3 硬件电路分析设计 ..................................................................................................................... 11 3.1 器件参数选择分析 .......................................................................................................... 11 3.1.1 主开关管的选择 ................................................................................................... 11 3.1.2 滤波电感参数的计算 ........................................................................................... 11 3.2 硬件电路分析设计 .......................................................................................................... 12 3.2.1 驱动电路分析设计 ............................................................................................... 12 4 系统结构与控制 ......................................................................................................................... 19 4.1 系统结构 .......................................................................................................................... 19 4.2 控制系统结构 .................................................................................................................. 19 4.3 DC/DC 变换器控制方法 ................................................................................................. 20 4.3.1 电压控制模式 ....................................................................................................... 21 4.3.2 电流控制模式 ....................................................................................................... 21 4.4 软件设计 .......................................................................................................................... 22 5 实验调试与结果分析 ................................................................................................................. 23 5.1 实验平台搭建 .................................................................................................................. 23 5.2 样机调试 .......................................................................................................................... 24 5.2.1 供电电源调试 ....................................................................................................... 24 5.2.2 驱动信号调试 ....................................................................................................... 25 5.2.3 单片机程序， VB 工程调试 ................................................................................ 26 5.2.4 保护与采样电路测试 ........................................................................................... 26 5.2.4 开环、闭环测试 ................................................................................................... 29 5.3 小结 .......................................................................................................................... 31 6 总结 ............................................................................................................................................ 32 7 谢辞 ............................................................................................................................................ 33 参考文献 ......................................................................................................................................... 34

用于锂电池化成系统的桥式 DC/DC 变换器摘要：随着锂电池在生活中各个方面的广泛普及，成为关注的焦点。本文主要设计介绍了使用于锂电池化成系统的桥式变换器部分，机监控、 DC/DC 双向变换器。双向 DC/DC 变换器通过调节 MOSFET 的占空比，实现对锂电池的智能充放电。本文对双向功能进行验证。关键字：电池化成；双向 DC/DC 变换器；实验分析 DC/DC 变换器的工作原理进行了分析，并通过样机对预期锂电池在生产过程中重要的化成环节逐渐包含计算 Abstract ： As the lithium battery becomes more and more popular in every aspects of our life, battery formation, a critical process in battery production, draws plenty of attention. This paper introduces a full bridge converter, which used in a formation energy feedback system of lithium battery, including a PC monitor and a DC/DC bi-directional converter. The bi-directional DC/DC converter system can realize the intelligent charging and discharging of the lithium batteries by adjusting the duty ratio of MOSFET. The working principle of DC/DC bi-converter was analyzed, and the experimental prototype function was validated through experiments. Keywords: battery formation; DC/DC bi-directional converter; experimental analysis

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，发展节蓄电池作为能量储存的主要装置，以成为社会其中锂电池以其能量密度高，寿命长，放电电能减排的绿色经济以成为全社会关注的焦点。生活中不可或缺的一部分，需求量逐年增长，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，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，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。缓解环境和能源的压一般分为 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。 DC/DC 变换器，双向 DC/DC 变换器可以工 DC/DC 变换器的工作目前，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。系统工作当锂电池 DC/DC 变换器发送充电指令。双向 DC/DC 从 48V 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。需要充电时，由上位机通过总线对双向蓄电池中获取能量，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 DC/DC 变换器虽然可以实现输入输出侧大变都可以实现能量的双向流动。其中隔离型双向比，同时也能够满足在不同功率等级时的应用需求，时，存在着运行效率低以及变压器设计困难的问题。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 DC/DC 变换器时，根据实际需要，一的调节。故在设计本次锂电池化成系统中所需的双向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 H 桥 DC/DC 变换器的主电路拓扑，如下器的设计，故最终采用了可实现宽范围输出的双向图 2.1 所示：但当应用与输出侧低压，大电流的场合然而，非隔离型变换器虽然也可以满足 ii VT1 VT 3 + Ui - VD1 L1 VD 3 Uo + - io C1 VD 2 VT2 L2 C2 VT4 VD 4 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。 VT 1 和 VD 1 构成的桥臂成为桥臂 1，其他依双向 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 U 0,输出电流为 I0，同时在直角坐标系中以 I 0 为横坐标，为 U 0 纵坐标，那么上述变换器可以实现电压，电流均可逆的四象 VT 1~VT 4 的开断状态，可以实现 U o≥0， I o可逆限运行。在第Ⅰ，Ⅱ象限工作时，通过调节的二象限 DC/DC 变换器，同理在Ⅲ、 Ⅳ象限工作时，可实现 U o≤0，Io 可逆的二象限 DC/DC

恒压充电，涓流充电和恒变换器。由于在锂电池充放电过程中的四种状态分别为恒流充电，最后一种放电状态则工作在第二象限。现根流放电，故前三种充电状态都工作在第一象限， VT i 的导通占空比为 Di 据双向 H 桥 DC/DC 变换器工作状态对其进行分析：设变换器中各在正常工作状态下， VT 1VT 4 同时导通 ,占空比为 D 1 和 D 4;VT 2,VT 3同时导通 ,占空比为 D 2 和 D 3 ,两对桥臂驱动波形彼此互补切带一定死区为 D s 则输出电压表示为： UU o 1 o U o 2 U 1 o DU i 1 U o 2 DU i 2 则得到输出电压与输入电压之间的关系式为： U o UDD 2 1 i 由以上公式可得：改变两个占空比 D 1 和 D 2 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 D 1 和 D 3 之间存在着一定的关系，即： 1 DD 1 2 sD 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 D 1，D 2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，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。 2 个开关状态。由同时应保持充电

U g1、 Ug4 U g2、Ug3 Uo Ui - Ui 0 I o i o 0 i max i min t0 t1 t2 T 2T 图 2.2 正向工作输出波形状态 1(0~t 1阶段 ): 等效电路如图 2.3 所示 : t t t t + U i - Ug1 VD 1 VT1 L 1 I o U o + - Ug3 VT3 L 2 VD 3 C VT2 U g2 VD 2 C1 U 01 U 02 C2 VT4 Ug4 VD 4 图 2.3 正向工作时状态 1 等效电路此时变换器中 VT 1,VT 4 处于导通状态 ,VT 2,VT 3 处于关断状态， 48V 的直流电源 U i 连接 48V 电源正端， VT 1，滤波电感 L1，输出端蓄电池，滤波电感着变换器的输入端，电流经 L 2，VT 4 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 U L，电流 iL 计算如下：阶段内直流源给电感和电池传输能量。对电感两端电压 UU o i 1 U L 2 L di L dt

U U 2 L 在 t1 时刻时， VT 1 和 VT 4 关断，此时电感上电流达到最大值 U U dt 1 L 2 ( i L i i ) o o t I min Imax。状态 2(t1~t2 阶段 ): 等效电路如图 2.4 所示： + U i - Ug1 VD 1 VT1 L1 I o U o + - Ug3 VT3 L 2 VD 3 C VT2 U g2 VD 2 C1 U01 U02 C2 VT4 U g4 VD 4 图 2.4 正向工作时状态 2 等效电路此工作状态 VT 2,VT 3 处于导通状态 ,VT 1,VT 4 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 I o 方向不变， VT 2,VT 3 工作在反向导通， 48V 的直流电源 U i 连接着变换器的输入端，电流经 L 2，VT 3 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 U L，电反向的，电流为正，故其能量减小，电感对电源和电池释放能量。对电感两端电压流 i L 计算如下： 48V 电源负端， VT 2，滤波电感 L1，输出端蓄电池，滤波电感 U L U U i o 2 L di L dt 在 T 时刻时，电流下降到最小值 I min ： I min i U U L 2 o t of f I max 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：

+ Ui - Ug1 VD 1 VT1 L1 I o U o + - Ug3 VT3 L 2 VD 3 C VT2 U g2 VD 2 C1 U01 U02 C2 VT4 Ug4 VD 4 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， VT 1,VT 2VT 3,VT 4 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， VD 2，滤波电感 L 1，输出端蓄电池，滤波电感 L 2， VD 3 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。与同时为了保证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，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：

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