基于锂电池化成的新型双向DC/DC拓扑结构研究与建模
0 引言
随着社会的发展， 能源、环保与发展的矛盾日益突出， 锂电池的发展能有效的改善这一铁芯电感问题。锂电池由于工作电压高、体积小、质量轻、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长等特点， 广泛应用于电动车汽车能源系统、航空航天电源系统、太阳能光伏电源系统， 移动通信系统以及移动终端设备中。双向DC/ DC 变换器是对锂电池充放电进行管理的重要部分， 其工作性能直接影响到锂电池的使用效率和寿命。
目前， 双向DC/ DC 变换器的拓扑结构主要有2 种型式： 非隔离型变换器和隔离型变换器。非隔离Buckboo st变换器效率高、结构简单， 但没有隔离能力，不能应用于输入输出电压压差较大的场合。隔离式变换器有双向推挽结构、双向半桥结构和双向全桥结构。
其中， 推挽结构效率较半桥双向DC/ DC 结构高， 高压侧输入电压大的时， 开关管承受电压应力大， 且变压器绕线复杂; 半桥结构变压器没有中心抽头， 设计简单， 低压侧电压较低时， 由于电容分压， 造成在升压变换过程中升压能力不足; 全桥结构效率最高， 可以实现软开关控制， 但控制电路复杂， 成本较高。本文提出一种基于采用数字控制的双向DC/ DC 变换器， 采用两级变换结构， 一级采用固定脉冲驱动; 另一级采用双闭环控制， 可以有效的在3 V 锂电池电压与400 V 电源电压之间进行变换。
1 双向DC/ DC主电路结构和工作原理
本文采用两级双向DC/ D一体电感器C 变换器结构， 如图1 所示。第一级采用隔离式半桥变换结构， 利用变压器对高压侧与低压侧进行隔离， 开关管V1 , V1 , V3 , V4 采用固定脉冲控制， 实现从400 V 母线电压和20 V 中间电压进行变换， 第二级采用非隔离式Buckboost 变换器构成， 开关管V5 , V6 采用闭环闭环控制， 实现20 V 中间电压和3 V 锂电池电压之间进行二次变换。
1. 1 降压工作模式
母线侧输入电压400 V, 经C1 和C2 分压， 上下桥臂输入电压为200 V。控制器将固定脉冲送至T G1 和TG2 , 使开关管V1 , V2 工作在开关状态。由V3 , V4 体内二极管与D3、D4 构成全波整流电路， 经C0 滤波， 使电压从400 V 降至20 V; 闭环控制器输出PWM 信号，送至开关管V5 , 使V5 , D6 , L 1 , C11 构成Buck 降压变换器， 将电压电感器厂家从20 V 降至3 V。调节输入开关管V5 的驱动波形占空比， 可以调节输出电压。降压变换时输入电压与输出电压关系式：
式中： N 1 电感器生产厂家变压器高压侧匝数; N2 变压器低压侧匝数，V400高压侧输入电压; D1 开关管V5 的输入脉冲占空比。
图1 两级双向DC/ DC 主电路图
1. 2 升压工作模式
电池侧输入3 V 电压， 经C11 滤波后， 送至由V6 ,D5 , L 1 , C0 构成boost 升压变换器， 由boo st 变换器将电压从3 V 升至20 V, 调节送到V6 的脉冲占空比， 可以实现调节输出电压; 由第一级变换器升压至20 V 的电压经C3 , C4 分压， 送至半桥变换器， 给固定脉冲至TG3和TG4 , 使开关管V3 , V4 工作在开关状态， 经变压器升压至200 V, 由V1、V2 的体内二极管与D1、D2 以及C1 ,C2 构成全波倍压整流电路， 将输出电压稳定在400 V。
升压变换时输入电压与输出电压关系式：
式中： N 1 变压器高压侧匝数; N2 变压器低压侧匝数;Vbat ter y 电池电压; D2 开关管V6 的输入脉冲占空比。
2 数字控制系统设计
随着电池性能的提高， 对化成电源提出了更高的要求。要求化成电源不仅具有高精度， 高可靠性， 还要具有体积小、安全性高、组网能力强， 以及充放电响应速度快， 过程无冲击， 以延长电池的使用寿命， 传统的模拟化成电源已经无法满足这些新要求。并且， 由于锂电池生产工艺限制， 通常将小容量锂电池并联使用， 这就要求在大型化成设备中多个双向DC/ DC 变换器并联使用，实现量锂电池的化成。为了完成对多点锂电池的管理与监控， 本设计的双向DC/ DC 变换器以dsPIC30F2010 为核心控制器件。dsPIC30F2010 是一款只有28 个引脚的高性能16 位微处理器。它采用哈佛架构， 有1 个16 位CPU 和1 个DSP 内核。平面变压器厂家 | 平面电感厂家
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