蓄電池充放電的雙向DC/DC變換器研究

趙敬，李田澤，韓濤，趙云鳳，陳世寶

（山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049）

蓄電池充放電的雙向DC/DC變換器研究

趙敬，李田澤，韓濤，趙云鳳，陳世寶

（山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049）

鉛酸蓄電池的充放電過程是影響其使用壽命的重要因素之一，在充放電過程中存在著充電時間長、溫升高、析氣嚴重等問題。針對充電時間長這一問題，分析了能量流動的影響因素，提出了一種新型雙向DC/DC變換器，該變換器采用耐高壓的IGBT器件的橋式電路和零電壓移相控制對蓄電池進行充放電；分析了雙向DC/DC變換器拓撲及其軟開關特性，并利用Matlab/Simulink進行仿真。結果表明，采用零電壓相移控制的雙向DC/DC變換器能夠對蓄電池進行快速可靠的充放電且能穩定輸出電壓，從而為光伏系統提供穩定電源，提高蓄電池的使用壽命。

鉛酸蓄電池；雙向DC/DC變換器；軟開關；充放電；Matlab/Simulink

太陽能是當今發展速度居第二位的可再生能源，進入21世紀以后，光伏發電成為我國最有生命力的新能源。目前，我國風能、太陽能等新能源發電出現不穩定性和間歇性的瓶頸在于儲能系統。無論是對用戶側還是對電網側，應用儲能技術都將帶來一定的經濟效益。因此，儲能技術在光伏并網發電系統中的應用將成為今后的一個重要研究方向[1]。研究雙向DC/DC變換器(BDC)為太陽能光伏發電蓄電池儲能進行充放電，也成為當今光伏發電應用領域的研究熱點。在太陽能光伏發電系統中，雙向DC/DC變換器的作用是進行能量調控，即可以雙向流動，這樣可方便調節蓄電池和直流母線之間的能量流動[2]。

電壓源型移相控制的全橋雙向DC變換器發展較早，優點也較多，但是存在循環能量的問題[3]，這會導致能量損耗和充電時間過長。針對該問題，本文提出一種雙向DC/DC變換器，通過其對蓄電池充電能夠消除開關過程中的循環能量，加快充電速度，延長鉛酸蓄電池壽命。

1 雙向DC/DC變換器拓撲分析

由于直流總線電壓和蓄電池組電壓相差較大，容易導致輸出電壓不穩，本光伏系統從快速、安全、抗干擾等方面考慮，采用了帶變壓器的雙向DC/DC變換器。該變換器中全橋電路的功率開關管采用IGBT管，較MOSFET管更適合高壓高速系統的要求，通過調節控制信號相位差實現軟開關。雙向DC/DC變換器主電路如圖1所示。

雙向DC/DC變換器中產生的循環能量問題一直存在于開關過程中。由于其在流動過程中產生導通損耗，因此，為提高雙向DC/DC變換器的工作，減小損耗，加快開斷速度和延長蓄電池壽命，需要削減傳遞過程中的循環能量[4]。本文提出的相移控制能夠實現零電壓開通，所謂相移是指當VS1開通時，VS5延長，相角再開通，容易實現軟開關。在能量傳遞過程中，充放電的能量傳遞一致，只分析電情況即可。它在一個周期內有10種開關狀態，以下進行半周期開關過程分析[5]。

圖1 雙向DC/DC變換器的拓撲結構

狀態1：VS1，VS4開通，這時1給L儲能；經變壓器后，VS7，VD8開通。輸入電流1=，輸出電流

狀態2：初級側電流保持不變；次級側關斷VS7，經過一段時間后，VS7徹底關斷，此時經變壓器后的電流經過VD5，VD8續流。

狀態3：初級側依然通過VS1，VS4傳遞能量，次級側通過VD5，VD8流動，此時，在作用下保持不變，

狀態4：VS1關斷，流過VS1的電流向VD3轉移續流，直到一段時間后徹底關斷VS1，此時電流流經VD3，VS4流動；次級側保持不變。

狀態5：開通VD3和VS4，釋放能量，即把能量傳遞給

經過以上分析，在雙向DC/DC變換器的一周期中，初級側電流1和次級側電流2都為正值或零。可見，能量從輸入側向輸出側流動，可以消除循環能量，達到減小雙向DC/DC變換器損耗的目的，提高蓄電池壽命。

圖2 開關管控制信號和電感電流波形

2 仿真驗證

目前，由于光伏并網儲能系統的應用還不成熟，需要用仿真方法對其進行分析。根據雙向DC/DC變換器拓撲結構，采用Matlab/Simulink建立了仿真模型。蓄電池的充放電是通過雙向DC/DC變換器的Boost/Buck電路中能量雙向流動來實現的。其中，蓄電池側的電壓為48 V，直流母線側上的電壓為400 V，對蓄電池充放電的仿真作如下分析。

2.1 蓄電池充電仿真分析

蓄電池充電仿真模型如圖3所示。其中，采用直流電源DC作為蓄電池電源，為48 V；橋式電路中采用IGBT功率管；隔離型變壓器采用雙繞組變壓器，起到對兩側電源的緩沖、隔離還有抗干擾的作用；儲能電感作用是儲能和釋能；輸出電容為56 F。為了使電壓能夠穩定輸出，本文對IGBT管采用相移控制，并且對四個橋臂用的移相控制，實現零電壓開關轉換。

圖3 蓄電池充電仿真模型

當蓄電池充電時，通過雙向DC/DC變換器對蓄電池進行充電，輸出電壓能夠保持在48 V左右。輸出的電壓波形可以有波動，但是必須保持在直流電壓46～49 V，而在一般情況下，通過雙向DC/DC變換器對蓄電池充電可使充電電壓達到48 V左右，并且可以穩定在此電壓上，這樣便能滿足蓄電池的電壓要求。通過相移控制對橋式IGBT管進行控制，可方便控制蓄電池充放電電壓，從而可以使蓄電池充放電實現優化管理。仿真模型按照圖1的拓撲結構連接起來，各模塊的參數按以上進行設置。蓄電池充電時輸出波形如圖4所示。

圖4 蓄電池充電輸出電壓

由圖4可知，當蓄電池充電時，蓄電池可以通過雙向DC/DC變換器快速充電，且使充電電壓與蓄電池電壓基本保持一致，電壓波動范圍較小，光伏系統可以允許此波動，而且蓄電池的充電電壓在1ms就能達到充電電壓。仿真結果表明，此模型可以滿足快速充電要求，達到提高蓄電池壽命的目的，并且能夠在緊急情況下保證給負載安全供電，提高了系統的可靠性。

2.2 蓄電池放電仿真模型

蓄電池放電仿真模型如圖5所示。放電仿真模型中的模塊與充電仿真模型一樣，只是與充電模式的控制開關管不同。

在Matlab/Simulink仿真環境中，按照圖1雙向DC/DC變換器的拓撲結構和移相控制方式連接仿真模型的各模塊。放電過程是通過雙向DC/DC變換器對蓄電池48 V電壓進行放電，其放電電壓能夠達到直流母線400 V的電壓，而且可以穩定保持在400 V左右，這樣方便作為后級逆變器的輸入電源，可靠、穩定、安全地給光伏系統供電，其輸出波形如圖6所示。

由圖6可知，當蓄電池通過雙向DC/DC變換器放電到直流母線時，輸出的放電電壓能夠穩定在直流母線電壓400 V左右，并且可以穩定在此電壓。結果表明，采用相移控制對雙向DC/DC變換器的IGBT管進行控制，不僅很快達到直流母線400 V電壓，而且波動小，減小循環能量，從而在很大程度上提高了蓄電池的使用壽命。

圖5 蓄電池放電仿真模型

圖6 蓄電池放電時輸出電壓

3 結論

本文針對傳統雙向DC/DC變換器循環能量所帶來的充電時間長的問題，提出了一種應用于蓄電池充放電的零電壓移相控制雙向DC/DC變換器，不僅節約充電時間，而且能夠降低電池充電量的損耗。

分析了移相控制的雙向DC/DC變換器橋式拓撲結構的軟開關特性，討論了蓄電池通過雙向DC/DC變換器的能量流動，并利用Matlab/Simulink進行充放電仿真。仿真結果表明，采用零電壓相移控制的雙向DC/DC變換器能夠對蓄電池進行快速可靠的充放電且能穩定輸出電壓，從而為光伏系統提供穩定電源，提高蓄電池的使用壽命。

[1]劉建濤，張建成.儲能技術在光伏并網發電系統中的應用分析[J].電網與清潔能源，2011，27：62-65.

[2]RUAN X B,YAN Y G.A novel zero-voltage and zero-currentswitching PWM full-bridge converter using two diode sin serieswith the lagging leg[J].IEEE Trans on Industrial Electronics,2001,48 (4):777-785.

[3]KIM E S,KIM Y H.A ZVZCSPWM FB DC/DC converter using a modified energy-recovery snubber[J].IEEE Transon Industrial Electronics,2002,49(5):1120-1127.

[4]刁卓，孫旭東.全橋雙向DC/DC變換器移相控制策略的改進[J].電力電子技術，2011，45(9)：72-75.

[5]陳俊.基于雙向DC/DC變換的戶用型光伏發電系統研究[D].無錫：江南大學，2009.

Research ofbattery chargeand dischargebi-directionalDC/DC converter

ZHAO Jing,LITian-ze,HAN Tao,ZHAO Yun-feng,CHEN Shi-bao

The charging and discharging process of lead-acid battery is one of themost im portant factors which affects lead-acid battery's life.There are severalserious issues in the charging and discharging process,for example long charging time,elevated temperature and serious gassing.Focused on the problem of long charging time,a new type ofbi-directionalDC/DC converterwas proposed after analyzing the influencing factors ofenergy flow.The converter realized charging and discharging the battery by bridge circuit and zero voltage phase-shift control of enduring high pressure IGBT devices.The topology and the soft-switching characteristics of bi-directionalDC/DC converterwere analyzed and simulated by Matlab/Simulink.The results show that the bi-directional DC/DC converter controlled by the zero-voltage phase-shift could quickly and reliably charge and discharge the battery and could stabilize output voltage,providing a stable power supp ly to a photovoltaic system and improving the operation life of the battery.

lead-acid battery;bi-directional DC/DC converter;soft-sw itching;charging and discharging; Matlab/Simulink

TM 912

A

1002-087 X(2014)05-0878-03

2013-11-21

國家自然科學基金(50807034)；山東省自然科學基金(ZR2011EEQ025)；山東省淄博市科技發展資助項目(2011GG01116)

趙敬(1987—)，女，山東省人，碩士研究生，主要研究方向為太陽能光伏發電儲能控制。

李田澤，E-m ail：ltzwang@163.com