基于單極倍頻調制的電池化成整流器設計

文/朱良濤

1 引言

隨著汽車工業電氣化方向的發展趨勢，加之國家新能源政策的導向，預計2020年，世界范圍內新能源電動汽車的保有量將突破500萬輛。此外由于廣泛應用于移動終端、智能設備等，鋰電池市場需求量也被瞬間釋放。目前市場上電池產品質量、容量、循環壽命、內阻等特性不均勻，與電池生產工藝息息相關。舉例來說，18650電池從原料到最終成品需要勻漿、涂布、碾壓、分切、卷繞、入殼、點焊、滾槽、滾槽檢測、X-射線檢測、注液、激光焊、熱縮等繁復步驟。鑒于此，本文關注動力電池生產最后也是最關鍵的環節——化成，其對鋰電池性能的優劣起著至關重要的作用。

化成的最大作用就是激活電池：通過對電芯充電，激活其內部的正負極物質，在負極表面形成SEI膜（Solid Electrolyte Interface），使電池性能更加穩定，改善了鋰電池界面、自放電、循環等性能。此外，有增強電芯硬度，整形等功能。在電芯被消費者實際應用之前，通過化成環節做必要的激活、測試，安全性篩選和配組，并伴隨多道嚴格的檢測，以進一步確保電芯的品質和安全。

傳統的電池化成設備采用不可控整流電路，存在網側功率因數低、諧波污染、放電能量耗散等問題，既不符合節能減排的要求，也增加電池廠家的用電成本。電池化成設備的有源前端廣泛采用能量雙向流動的PWM整流器可有效解決以上問題。然而針對傳統雙極性SPWM調制，提高整流器開關頻率具有降低電流脈動、提高功率密度和降低噪聲等優勢，但隨之而來的是開關速度的限制，開關損耗增加導致電路效率下降等弊端。電池化成過程由于時間長、功率大，因此電池充電效率成為首要考慮的指標。為此設計了基于單極倍頻SPWM調制的雙向整流器，降低了功率器件的開關損耗，結合電壓電流雙閉環控制策略，實現能量的高效雙向傳輸。此外，相較于過零點檢測的所想方式，本文采用了虛擬坐標的鎖相技術，提高了設備有源前端的適應性與可靠性。

圖1：拓撲結構及環路控制框圖

2 主回路拓撲及控制策略

單相PWM整流器主回路的拓撲結構及控制策略如圖1所示。其中uS為交流側輸入電壓；L為交流電感，起能量傳遞、抑制網側高頻諧波和平衡電網電壓與直流輸出電壓的作用，是實現能量雙向流動的關鍵；R為交流側等效電阻，一般阻值較小可忽略；S1-S4為功率開關器件，一般為MOSFET或IGBT；開關管并聯續流二極管，起到緩沖過程中無功能量的作用，由開關管集成或外置；電容C為直流濾波電容，起到穩定母線和旁路紋波電流的作用；RL為負載側等效電阻。

為了使整流器工作于近似單位功率因數下，即要求交流側電流為正弦波且與電網電壓同相位，本文采用的是電壓前饋的雙閉環控制方式。控制環路中分電壓外環和電流內環，外環為電壓環，通過對母線電壓的PI控制，得到穩定的直流輸出，電壓環的輸出作為電流內環的給定值is*的幅值Is*，結合鎖相環PLL檢測到的輸入電壓的相位和頻率，作為電流內環的給定值，通過電流環PI控制，使得交流輸入電流實際值能夠快速、準確跟蹤給定值。電流內環的輸出uL*可以認為是回路阻抗電壓的給定，用前饋量網側電壓uS減去內環數量uL*便可得到調制波uab*，再通過SPWM算法得到開關的PWM驅動信號。

圖2：鎖相環控制結構框圖

在電池充電時，后級電池充放電模塊吸收母線能量，母線電壓拉低，電壓外環給出的電流幅值Is*為正，整流器工作在整流狀態，電網電壓與電感電流同向；電池放電時，電池存儲的能量通過電池充放電模塊回饋到母線上，母線電壓升高，電壓外環給出的電流幅值Is*為負，整流器工作在逆變狀態，電網電壓與電感電流反向。最終，能量的雙向流動實現電池化成工藝的充放電控制。

3 鎖相環設計及調制方式

3.1 鎖相環設計

相比于基于電壓過零點檢測的相位檢測電路，基于瞬時無功理論的鎖相環動態性能好，在電壓畸變的情況下仍能準確鎖相。對于單相 PWM 整流系統，其電網信息只有一相，如果要用此理論來實現鎖相環，就需要構造靜止坐標系下的兩相正交的電壓矢量。

將電網電壓采樣定在α軸上作為Vα，通過延遲的方式得到超前90°的β軸信號Vβ，構造后點電網電壓矢量分別為：

式中ω1為電網電壓的旋轉角速度，θ1為電網電壓矢量的初始角度。假設，坐標變換的角度為θ0，其表達式為：

圖3：單極性倍頻PWM調制波形圖

圖4：單極性倍頻PWM調制實驗波形

圖5：整流逆變實驗波形

式中θ2為坐標變換時的初始角度，ω2為理想狀態下電網電壓的旋轉角速度。

經過dq坐標變換后得到旋轉坐標系下電網電壓的有功分量Vd與無功分量Vq：

可得：

由式（4）、（5）得到如圖 2 所示的單相鎖相環的結構框圖。圖 2 中 PI 環節相當于低通濾波器，可使得Vq=0，則ω1=ω2，θ1=θ2，此時鎖相環輸出的相位即為輸入信號的相位，鎖相成功。此種控制方式能抑制電網電壓的諧波的影響，濾除高頻干擾，對于低頻分量和輸出沒有影響，但是會產生一定的延時。

3.2 調制方式

單相PWM整流器的調制方式主要有單極性調制和雙極性調制兩種。相比雙極性調制方式來說，單極性 PWM 調制具有低開關損耗、低諧波含量的優點。而單極性倍頻調制方式在相同的開關頻率下又可將母線電壓上的脈動頻率降低一半，進一步降低濾波措施的要求，本文設計的整流器采用此種調制方式。單極性倍頻調制的調制波形如圖3所示。

圖中載波uc與調制波ur比較，得到開關管S1和S2的驅動信號；載波uc與調制波-ur進行比較，得到開關管S3和S4的驅動信號。首先比較載波uc與調制波ur，當ur＞uc時，S1驅動信號為高，反之，S1驅動信號為零，S2與S1反向。同理，比較載波uc與調制波-ur，當-ur＞uc時，S3驅動信號為高，反之，S3驅動信號為零，S4與S3反向。開關管用上述信號驅動后，H橋交流側uA和uB間的電壓uAB只存在正、零和負三種 PWM 脈沖信號。而且在半個周期內，所產生的電壓信號只在正、零或者零、負一種極性內變化，降低了開關中的干擾的同時，實際的開關頻率是開關管的一倍。

4 實驗驗證

實驗設計了2kW單相整流器樣機，額定輸入電壓220V，輸出電壓380V，開關頻率10kHz。采用TI公司的C2000系列Piccolo微控制器TMS320F28035作為系統的主控單元，該芯片集成CLA協處理，特別適合電力電子系統的環路控制，有多大16路內部ADC、14路PWM和7路高分辨率PWM，同時集成CAN、I2C、SPI、UART等豐富的外設接口。功率開關管選用IR公司的高速IGBT器件IRGP20B60PDPbF，耐壓600V，額定電流20A，集成超快恢復二極管，適合PFC類拓撲應用。考慮到輸入電流的跟蹤性能和紋波抑制，交流電感選擇6mH。

本文所設計單極性倍頻SPWM調制的實驗波形如圖4所示。開關器件驅動波形分別為S1、S2、S3、S4。由圖可知開關頻率10kHz。為了防止直流母線半橋上下管直通，驅動S1與S2互補且加有死區時間。整流器輸出頻率可達到20kHz，完成預期單極性倍頻SPWM調制設計。

與傳統的電網電壓過零點檢測電路相比，基于虛擬坐標變換的鎖相技術應用于雙向PWM整流器的雙閉環控制策略中，不僅準確獲取電網電壓的相位信息，而且能在電網電壓受干擾，畸變情況下準確鎖定電網信息，具有較強的魯棒性。應用本文所提設計，電池化成雙向整流器的實驗波形如圖5所示。圖5為整流器在逆變到整流狀態切換的動態過程。由圖可知，逆變狀態時，電感電流is與電網電壓us反向，功率因數為-1；整流狀態時，電感電流is與電網電壓us同頻同相，功率因數為1。

5 結束語

本文首先提出了用于電池化成的雙向整流器實現能量雙向傳遞的控制策略，然后針對單相供電系統進行了鎖相環的設計，又詳細分析了單極性倍頻調制方式的實現方式，最后通過實驗驗證了此種電池化成雙向整流器實現電池在化成過程能量高效傳輸的可行性。