儲(chǔ)能型高頻開關(guān)變換恒流驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)研究

任先文，譚志遠(yuǎn)，謝 利，胡 斌，余 濤

（中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川 綿陽 621900）

0 引 言

在儲(chǔ)能領(lǐng)域，鋰離子電池是新能源代表技術(shù)之一，在便攜式電源、電動(dòng)汽車以及儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-4]。高倍率鋰離子電池單體作為高功率鋰離子蓄電池組的核心器件，很早就引起了研究人員和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注[5-7]在電能變換領(lǐng)域，隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源逐漸向小型化和輕量化發(fā)展，并在通信、新能源等領(lǐng)域驗(yàn)證了其成熟性和可靠性[8,9]。

本文根據(jù)激光二極管陣列驅(qū)動(dòng)和移動(dòng)平臺(tái)對(duì)大功率電源小型化的要求，開展儲(chǔ)能型激光恒流驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)研究。

1 儲(chǔ)能型激光恒流驅(qū)動(dòng)電源

1.1 激光二極管驅(qū)動(dòng)特性

光纖激光器為主震蕩功率結(jié)構(gòu)，并采用多陣列模塊構(gòu)建系統(tǒng)以提高功率輸出。高亮度抽運(yùn)激光二極管作為激光器的主要器件[10]，其驅(qū)動(dòng)恒流變換模塊必須嚴(yán)格滿足其非線性電學(xué)特性，同時(shí)電源系統(tǒng)必須滿足多陣列模塊的驅(qū)動(dòng)需求。圖1（a）是典型激光二極管圖片，圖1（b）為輸入功率與電壓的特性曲線。

圖1 光纖耦合模塊與電學(xué)特性

1.2 儲(chǔ)能型恒流驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)構(gòu)建

恒流驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)采用激光恒流變換模塊作為激光二極管陣列的驅(qū)動(dòng)電源，并采用高功率鋰離子蓄電池組作為激光恒流變換模塊為大功率元器件供電。

激光恒流變換模塊組成如圖2（b）所示。激光恒流變換模塊由4個(gè)子束驅(qū)動(dòng)電源組成。為滿足主震蕩功率結(jié)構(gòu)需求，每個(gè)子束驅(qū)動(dòng)電源包括1個(gè)振蕩級(jí)驅(qū)動(dòng)源和3個(gè)放大級(jí)驅(qū)動(dòng)源。

圖2 儲(chǔ)能激光恒流驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)及恒流變換模塊

2 高功率儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展

2.1 技術(shù)繼承與發(fā)展

20世紀(jì)60年代初，各國(guó)研究人員開始研發(fā)鋰二次電池，但發(fā)展緩慢；20世紀(jì)80年代，Armand提出了“搖椅電池”的概念；1990年Sony公司研發(fā)出了鋰離子電池，在全球范圍掀起了產(chǎn)業(yè)化浪潮。21世紀(jì)初，為減小對(duì)化石能源的依賴、保障能源安全和減少環(huán)境污染，世界主要國(guó)家都大力發(fā)展新能源汽車、風(fēng)光放電技術(shù)和電力儲(chǔ)能技術(shù)，促進(jìn)了大規(guī)模儲(chǔ)能電源技術(shù)的發(fā)展[1-4,11,13]。

高功率儲(chǔ)能電源技術(shù)主要繼承和發(fā)展新能源電動(dòng)汽車儲(chǔ)能技術(shù)，主要包括高倍率鋰離子電池單體、電池管理和集成技術(shù)。表1列出了技術(shù)繼承和發(fā)展的狀況。

表1 高功率儲(chǔ)能電源技術(shù)繼承和發(fā)展新能源汽車技術(shù)的狀況

2.2 高倍率鋰離子電池單體

高倍率鋰離子電池的主要材料包括正極材料、負(fù)極材料、電池隔膜和電解液[13]。表2列出了各種材料的特點(diǎn)和改善方法。

表2 高倍率鋰離子電池材料和改善方法

2.3 典型高倍率鋰離子電池單體充放電特性

洛陽儲(chǔ)變電公司和天津空間電源公司研發(fā)了高倍率鋰離子電池單體。例如，AA20F-P型號(hào)，LiFePO4/C材料體系，方形鋁殼，容量20 Ah，高度105 mm，寬度148 mm，厚度26.7 mm，極柱中心距離104 mm，質(zhì)量790 g。常溫下AA20F-P的放電曲線如圖3（a）所示，在25 C放電條件下AA20F-P的溫升特性如圖3（b）所示，極柱溫升10 ℃，殼體溫升18 ℃。在50 C放電條件下，它有極高的庫(kù)倫轉(zhuǎn)換效率，放出90%的容量，表現(xiàn)出完美的高功率放電特性。該電芯在脈沖功率狀態(tài)，最高放電電流可以達(dá)到1 500 A。

圖3 AA20F-P的放電特性和溫升特性

2.4 儲(chǔ)能型驅(qū)動(dòng)電源

2.4.1 電池組

由于方向鋁殼在機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱方面有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，成組效率較高，因此本項(xiàng)目采用的電池模組如圖4所示。首先，在每?jī)芍浑姵刂g貼附一片2 mm后的硅膠墊片和2.1 mm厚的導(dǎo)熱絕緣墊片，然后通過壓力工裝或者壓力機(jī)將模組壓縮到一定長(zhǎng)度，套上鋼帶，通過硅膠墊片的彈性回復(fù)力來達(dá)到箍緊鋼帶的目的。其中，硅膠墊片的主要作用是絕緣和配合鋼帶使模組被箍緊；導(dǎo)熱絕緣墊片的主要作用是在各個(gè)單體電池之間導(dǎo)熱和絕緣，達(dá)到模組內(nèi)部單體電池溫度均勻的效果，保證單體電池在放電過程中溫度的一致性。

圖4 方形鋁殼模組設(shè)計(jì)

以放電90 kW的電池包設(shè)計(jì)為例，如圖5所示。每個(gè)電池箱內(nèi)包含4個(gè)18串電池模組和1個(gè)20串電池模組。模組與模組之間的連接選擇焊接方式，模組的輸出采用線纜的形式從匯流排上引出，最后通過接插件對(duì)外輸出。

圖5 放電90 kW電池組設(shè)計(jì)

2.4.2 激光恒流驅(qū)動(dòng)變換模塊

根據(jù)激光二極管的特性和大功率激光系統(tǒng)的需要，研制了激光恒流驅(qū)動(dòng)變換模塊。

每臺(tái)激光恒流變換模塊包含4個(gè)子束驅(qū)動(dòng)源，每個(gè)子束驅(qū)動(dòng)電源包含3個(gè)放大級(jí)驅(qū)動(dòng)輸出和1個(gè)振蕩級(jí)輸出。它可以完成4臺(tái)恒流驅(qū)動(dòng)電源Can的組網(wǎng)通信，可以通過計(jì)算機(jī)控制任何一臺(tái)恒流源任何一路的啟動(dòng)和停止，同時(shí)可向計(jì)算機(jī)返回測(cè)量電壓、電流數(shù)據(jù)以及故障狀態(tài)。

該項(xiàng)目要求體積小、效率高、高可靠及高穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的工作，因此在電路形式上宜采用簡(jiǎn)潔可靠的電路形式。選用非隔離降壓型BUCK開關(guān)變換電路，這種電路形式使用的元件數(shù)量少，工作原理簡(jiǎn)單，電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。該電路采用非隔離降壓DC-DC變換電路，包含過壓過流保護(hù)電路、BUCK功率變換電路、濾波電路、電流采樣、PID閉環(huán)電路和輸出保護(hù)電路。

圖6 放大級(jí)電路原理框圖

振蕩級(jí)驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓較低，只有10～35 V，輸入電壓可高達(dá)200～400 V。一級(jí)變換降壓比不足，因此采用兩級(jí)變換實(shí)現(xiàn)。前級(jí)變換采用DC-DC轉(zhuǎn)換模塊將輸入電壓從200～400 V降至24 V定值，后級(jí)變換采用BUCK電路完成24 V至10～35 V的變換輸出，采用與放大級(jí)相同的技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)恒流變換。

研制了4臺(tái)20 kW的激光恒流變換模塊，單個(gè)模塊如圖7所示。

圖7 20 kW激光恒流變換模塊

2.4.3 測(cè)試結(jié)果

完成研制后，在激光二極管陣列模擬負(fù)載上進(jìn)行測(cè)試。具體地，在輸入電壓值210 V、300 V、350 V、400 V的輸入條件下和75 V、150 V、165 V的輸出條件下，對(duì)4臺(tái)儲(chǔ)能型激光恒流變換模塊進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示：輸出功率分別達(dá)到21.8 kW、21.0 kW、21.2 kW、21.3 kW，總功率85.3 kW；激光恒流變換模塊能量轉(zhuǎn)換效率分別為93.1%、93.3%、94%、93.5%；電流紋波最大值50 mA；電流超調(diào)最大值1.8%；電流上升時(shí)間最大值16 ms；過壓保護(hù)值最大180 V；功率比質(zhì)量的最小值為1.2 kW/kg。

3 結(jié) 論

根據(jù)激光二極管電學(xué)非線性特性和大規(guī)模激光二極管陣列的需求，構(gòu)建恒流驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)，采用高倍率鋰電池單體和高效高頻開關(guān)電源技術(shù)，研制了儲(chǔ)能型高頻開關(guān)變換恒流驅(qū)動(dòng)電源。經(jīng)過測(cè)試，總輸出功率達(dá)到85.3 kW，且輸出電流的質(zhì)量滿足激光二極管陣列的需求。