鋰電池儲能雙向DC/DC變換器的設計與研究

王秋妍，劉延飛，王 凱，王道平

(火箭軍工程大學 基礎部，陜西 西安 710025)

0 引 言

隨著電子技術的飛速發展，變換器在能量轉換領域的應用越來越廣泛。變換器通常能夠實現單一能量的轉換，但是在不間斷電源系統、電動汽車等車載電源系統，需要能量既能流進，又能流出，實現能量的雙向傳輸[1]。雙向 DC/DC 變換器 (Bidirectional DC-DC Converter, BDC)是直流變換器的雙象限運行，可實現能量的雙向傳輸[2]。在結構上，可以采用兩路DC/DC電源模塊，一路Buck型DC/DC模塊在電池充電模式時使能，一路Boost型DC/DC模塊在電池放電模式時使能。但是為了進一步簡化電路結構，往往將兩個DC/DC變換器合二為一，即應用一個變換器來控制能量的雙向傳輸。因此，這種雙向DC/DC具有高效率、體積小、動態性能好、成本低等優勢，具有重要研究價值。

本文設計了一款雙向DC/DC變換器，實現變換器正向工作時直流穩壓電源對鋰電池組充電，反向工作時鋰電池組對直流穩壓電源進行放電，從而實現能量回饋。本文主要介紹了變換器拓撲的電路構成，詳細分析了電路的工作原理和設計，最后給出了實驗結果。

1 雙向DC/DC變換器設計

1.1 總體框圖

本文設計的雙向DC/DC變換器，系統總體框圖如圖1所示。

圖1中，雙向DC/DC的兩路PWM調制信號由TL494產生，通過IR2109驅動芯片輸出兩路互反的PWM波，驅動雙向DC/DC中的兩個MOS管，實現雙向DC-DC電壓變換。雙向DC-DC的充放電模式轉換可通過按鍵，由C8051F020單片機進行設置。充電模式下，采用INA282檢測充電電流， 送至C8051F020單片機處理，在用液晶顯示屏(LCD)顯示的同時完成過流保護功能。輔助電源直接使用直流穩壓電源通過LM2596產生。

圖1 雙向DC/DC開關電源系統框圖

1.2 雙向DC/DC變換器拓撲結構及元件參數設計

雙向DC/DC 變換器拓撲結構按是否含變壓器可分為隔離型和非隔離型兩種，而它們的拓撲結構都是在同類型的單向 DC/DC 變換器電路拓撲基礎上發展起來的[3]。非隔離型雙向 DC/DC 變換器的結構和控制簡單，成本低，但安全性能差，適用于功率比較小，不需要電氣隔離的場合[4]，其拓撲結構主要有Buck/Boost、Boost/Buck、Buck-Boost、Cuk和Sepic/Zeta。根據本文變換器的設計要求，可采用非隔離型Buck/Boost拓撲結構，如圖2所示，其優點是電路結構簡單、能量轉換直接、動態響應快、效率高。

開關管S2恒關斷，當開關管S1以恒定頻率的PWM方式工作時，電路處于正向降壓工作模式，與Buck拓撲結構一致。在該模式下，電流從V1端流向V2端，即直流穩壓電源完成降壓充電。功率開關管S1恒關斷，當開關管S2以恒定頻率的PWM方式工作時，電路處于反向升壓工作模式，與Boost拓撲結構一致，電感與鋰電池組V2一起對直流穩壓電源V1端反饋能量，實現能量反向傳輸。

圖2 Buck/Boost雙向DC/DC原理圖

主電路選擇導通電阻小的IRF2907作為開關管，其導通電阻僅為3.8 mΩ(UGS=20 V,ID=160 A)。IRF2907擊穿電壓UDSS為75 V ，漏極電流最大值為180 A(VGS=20 V，25°C)，上升時間140 ns，下降時間100 ns，允許最大管耗PCM可達300 W，滿足設計要求。

TL494PWM控制器生成PWM波時，開關頻率為：

=30 (kHz)

計算可得：L=161μH，綜合考慮，為了進一步穩定輸出電壓，減小電流紋波，適當地增大電感，本文中取220 μH。

1.3 控制電路設計

本文采用TL494單端連接輸出方式，這是一個固定頻率的脈沖寬度調制芯片[5]，PWM波產生電路如圖3所示。

圖3 基于TL494的PWM控制電路

本文只用了一路輸入，將反饋信號與設定值作為誤差放大器的輸入，控制占空比。另一路輸入被屏蔽，并且將輸出控制信號接地。由于設定輸出控制接地，為單端輸出方式，輸出電流達500 mA，最大占空比可達80%。

1.4 驅動電路設計

利用PWM調制芯片TL494 產生的PWM波，驅動能力較小，因此，通過 IR2109 驅動芯片不僅增加了驅動能力，而且可以輸出兩路互差180°的PWM 波，用來分別控制兩個MOS管。這種方式產生 PWM 波速度快，穩定性高，滿足設計要求。

如圖4所示， IR2109采用自舉浮動電源供電，其中 C4、D5分別為自舉電容和自舉二極管，C5為VCC的濾波電容。自舉二極管(D5)和電容(C4)是 IR2110 在 PWM 應用時需要嚴格挑選和設計的元器件。需在電路實驗時進行一些調整，使電路工作在最佳狀態。經理論及實驗分析后，采用 220 μF、50 V電解電容和快速恢復二極管FR107。

圖4 PWM驅動電路

2 實驗結果

在Buck模式下，控制步進電流為0.1，可控恒流充電測試數據如表1所示。

從表1可見，步進電流在不大于0.1 V時，電流實際值和顯示值之間誤差很小，電流控制精度最大為1.56%,

表1 恒流充電時電流控制精度

滿足電流控制精度在5%的要求。當I1=2 A，U1超23.9 V時，在閾值U1th=24±0.5 V內電路停止充電，實現過流保護，滿足設計要求。

圖5所示為電路PWM波形。PWM脈沖波形的幅值為10 V，頻率27.8 kHz，占空比大約為72%，與理論計算相近。

圖5 Buck工作模式PWM波形圖

在Boost模式下，穩壓輸出測試數據如表2所示。

表2 穩壓輸出實驗數據

在表2中，U1是直流穩壓電源，U1S直流穩壓電源分壓后DC/DC的輸入電壓。由表2實驗數據可見，當U1在32～38 V范圍內變化時，雙向DC/DC電路能夠自動轉換工作模式并保持U1S=30±0.5 V，能夠實現設計要求。

放電效率實驗顯示，保持U2=30±0.5 V，此時變換器效率可達95.8%，滿足放電效率η2≥95%的設計要求。

3 總 結

本文采用雙向Buck/Boost拓撲結構，實現正向Buck降壓向鋰電池充電，反向Boost升壓電池能量回饋的功能。采用TL494產生PWM波，并經IR2109驅動芯片輸出兩路互反的PWM波，通過單片機控制實現兩種模式的轉換，從而實現雙向DC/DC電壓變換。實驗結果顯示，該變換器滿足設計要求。