動力電池檢測用雙向DC/DC 變換器設計

賈超，蔣曉明

（1.五邑大學智能制造學部，廣東江門，529020； 2.廣東省科學院智能制造研究所，廣東廣州，510070）

0 引言

隨著我國“2030 年實現(xiàn)碳達峰、2060 年實現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略目標提出，新能源汽車市場迎來爆發(fā)式增長，鋰離子動力電池以其高功率和高能量密度等優(yōu)勢成為電動汽車最為廣泛的動力源[1]。與此同時，對電池檢測設備的技術(shù)要求也越來越高。電池檢測設備指通過控制下的充放電，對電池或電池材料的電化學性能進行記錄、測試分析的設備，也稱為化成設備。在動力電池的化成生產(chǎn)過程中，對電源模塊輸出的電流和電壓精度有著非常高的要求[2]，且功率需求也日益增大。當單個電源模塊無法滿足系統(tǒng)功率需求時，可采用多模塊并聯(lián)運行[3]方式，以提高系統(tǒng)的功率、效率以及可靠性。

在實際系統(tǒng)中，由于各模塊的阻抗特性存在差異，將引起變換器各通道電流不均衡，造成各模塊負荷工作不一致，從而影響系統(tǒng)的可靠性[4]。因此，為了保證多模塊并聯(lián)變換器的高效穩(wěn)定運行，各通道電流均衡控制顯得極為重要。目前并聯(lián)型電路的電流均衡控制策略主要分為兩大類：輸出阻抗法和有源均流法[5~6]。

輸出阻抗法旨在調(diào)節(jié)并聯(lián)電路的輸出阻抗，達到近似均流的目的[7~8]，該實現(xiàn)方式較為容易。但由于該均流方式主要依賴于調(diào)節(jié)輸出阻抗來實現(xiàn)均流，導致其負載調(diào)節(jié)能力有所降低[9]；且隨著輸出電流的逐漸增加，其輸出電壓也會下降，因此該均流控制方法不適用于高性能、高功率的應用場合。

有源均流法在并聯(lián)型電路中，通過對各模塊電流檢測并對其不平衡進行補償[10~11]以實現(xiàn)電流的均衡，可分為平均電流均流法、主從均流法和最大自動均流法。其中，主從均流法是將主相的電感電流被測量作為參考值，而從相的電感電流通過調(diào)節(jié)輸出后跟隨主相電感電流進行調(diào)節(jié)，使得各相的電流保持均衡。然而，這種方式均流性能過度依賴主相，一旦主模塊出現(xiàn)故障，整體電源系統(tǒng)將無法正常工作。

隨著數(shù)字控制技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字均流技術(shù)[12~13]在并聯(lián)型變換器中的應用越來越受到研究人員的關(guān)注和重視，且已經(jīng)取得了較為豐富的研究成果。綜上分析，本文設計了基于TMS320F28075 控制的多模塊并聯(lián)雙向DC/DC 變換器，選取軟件數(shù)字控制方式，對各通道輸出電流獨立采樣檢測，反饋至DSP 控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，采用PI 雙閉環(huán)控制算法，實現(xiàn)了恒流、恒壓、恒流恒壓三種工作模式，其輸出電壓電流能夠穩(wěn)定輸出。

1 系統(tǒng)設計方案

如圖1 所示，動力電池檢測系統(tǒng)主要由雙向AC/DC 變換器、雙向DC/DC 電路、驅(qū)動電路、DSP 控制電路、人機交互界面以及動力電池等部分組成。

圖1 動力電池檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)工作時，由人機交互界面下發(fā)充放電指令：充電模式下，380V 交流電經(jīng)AC/DC 變換器整流轉(zhuǎn)化為15V 直流電，DC/DC 變換器處于Buck 降壓狀態(tài)，15V 直流電經(jīng)轉(zhuǎn)換對動力電池充電；放電模式下，該變換器處于Boost 升壓狀態(tài)，電池內(nèi)部電能經(jīng)DC/DC 變換器升壓后，再經(jīng)雙向AC/DC 變換器逆變?yōu)?80V 交流電，實現(xiàn)能量向電網(wǎng)的反饋。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 功率單元設計

本文設計的雙向DC/DC 變換器以非隔離型的Buck/Boost 拓撲為核心電路，采用四通道并聯(lián)方式滿足大功率需求，拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中，Vdc為變換器輸入端電壓，Vbat為電池側(cè)端電壓；L1~L4分別為變換器各支路儲能電感；電阻R1、R2、R3、R4分別為各通道電流采樣電阻；Ci、Co1、Co2、Co3和Co4濾波電容。

圖2 多模塊并聯(lián)雙向DC/DC 變換器拓撲

為降低動態(tài)損耗，提高能量轉(zhuǎn)換效率，單模塊Buck/Boost 電路采用同步整流方式，使用低導通損耗的MOSFET管取代傳統(tǒng)電路中二極管作為整流管。其次采用交錯驅(qū)動方式，以減小電流紋波，各模塊開關(guān)頻率和占空比相同，模塊間驅(qū)動信號依次交錯90°[14]。

2.2 采樣電路設計

動力電池檢測過程中最重要的兩項指標為電壓和電流，在檢測系統(tǒng)中對電流、電壓的精度有著很高的要求，所以設計好的電壓、電流采樣電路是非常重要的。

2.2.1 電壓采樣電路設計

如圖3 所示，電壓采樣電路選用四階巴特沃斯低通濾波電路設計結(jié)構(gòu)，利用精密運放和精密電阻的優(yōu)勢，實現(xiàn)了高精度信號采集和濾波處理，為系統(tǒng)提供了可靠的信號質(zhì)量和穩(wěn)定性。

圖3 電壓采樣電路

2.2.2 電流采樣電路設計

檢測系統(tǒng)對動力電池進行充放電時，其電流較大，若采用串聯(lián)電阻進行電流采樣，損耗過高。為了能夠精確無損檢測恒流工作時電流，如圖4 所示，本設計電流采樣選擇矩陣光電CF300PC-VCT 霍爾電流傳感器，滿足樣機在實際使用中檢測電流范圍為-180A~180A 的要求。

圖4 CF300PC-VCT 霍爾電流傳感器

如圖5 所示，電流采樣電路類似于電壓采樣電路，將霍爾采樣到的電流信號經(jīng)過高精密電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號[15]，通過濾波電路輸入到ADC 模塊中。

圖5 電流采樣電路

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 控制系統(tǒng)框架

本設計采用TI 的TMS320F28075 作為控制芯片，其運算能力強，處理速度快，具有24 路PWM 通道，其中16路通道為高分辨率PWM（HRPWM）。如圖6 所示，本設計采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，且每條支路電流內(nèi)環(huán)相互獨立工作，以實現(xiàn)各模塊電流均衡，均為PI 調(diào)節(jié)。其中，Uref、Iref分別為電壓電流給定值，Uo、Io1~ Io4分為采樣值。在系統(tǒng)恒流運行模式下，電流環(huán)起到調(diào)節(jié)作用，通過監(jiān)測輸出電流并進行反饋控制，以確保電流穩(wěn)定輸出，此時，電壓環(huán)起到了過壓關(guān)斷保護作用；在恒壓工作模式下，電壓環(huán)起到調(diào)節(jié)作用，通過監(jiān)測輸出電壓進行反饋控制，此時電流環(huán)則承擔過流關(guān)斷作用。

圖6 系統(tǒng)雙閉環(huán)控制框圖

3.2 充放電控制策略

動力電池檢測過程主要包含充電和放電兩個環(huán)節(jié)，常規(guī)充放電策略有恒流充電法、恒壓充電法以及恒流放電法[16]：（1）恒流充電法指在電池充電全過程中充電電流恒定不變，電壓逐漸升高，當電池電壓升高到設定值，充電停止；（2）恒壓充電法指在電池充電全過程中充電電壓恒定不變，充電瞬間電壓迅速達到設定值，此時電流值處于峰值狀態(tài)，隨后電流逐漸降低，達到設定值后，充電停止；（3）恒流放電法指在電池放電全過程中放電電流恒定不變，電壓逐漸減小，當電池電壓達到保護值時，放電停止。根據(jù)上述過程，具體的程序設計流程如圖7 所示。

圖7 充放電控制策略流程圖

4 實驗測試

為驗證所設計電源模塊工作效率以及在不同工作模式下輸出精度和穩(wěn)定性，搭建了如圖8 所示平臺。

圖8 實驗測試平臺

4.1 恒流充電模式系統(tǒng)效率測試

將變換器輸出通道輸出連接至電子負載，負載設置為CV 模式，根據(jù)常規(guī)單體動力電池2.5V~4.2V 工作電壓需求，負載測試電壓值分別設定為3V、4V 和4.5V，負載電流測試范圍為18~180A。變換器轉(zhuǎn)換效率如圖9 所示，對比發(fā)現(xiàn)，負載電流為72A 時峰值效率最高可達88.5%。

圖9 恒流充電模式轉(zhuǎn)化效率

4.2 充放電電流電壓精度測試

首先測試電源模塊恒流模式狀態(tài)下不同設定值的輸出電流精度，在輸出端和電池負載之間串入1mΩ 高精密分流器，采用的德科技34465A 六位半萬用表檢測分流器兩端電壓值獲取對應恒流輸出設定值的實際電流值。測試結(jié)果如表1 所示，在恒流模式工作狀態(tài)下，電源模塊能保證在0~±180A 之間高精度電流輸出，其充放電精度可控制在0.005% F.S 以內(nèi)。

表1 恒流模式電流控制精度

此外，將模塊輸出端連接電子負載，下發(fā)恒壓工作指令，用萬用表直接檢測負載端電壓值，數(shù)據(jù)如表2 所示，其精度滿足行業(yè)±0.05% F.S 以內(nèi)要求。

表2 恒壓模式電壓控制精度

5 結(jié)語

本文基于Buck/Boost 拓撲結(jié)構(gòu)，采用多模塊并聯(lián)方式，設計了可對動力電池的充電以及能量回饋功能的雙向DC/DC 變換器。實驗結(jié)果表明該變換器電流調(diào)節(jié)范圍大，可滿足0~±180A 充放電控制；采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)變換器穩(wěn)定輸出；電流采樣選用CF300PC-VCT 霍爾電流傳感器，其輸出精度最高可達0.001% F.S，符合當前大功率電池化成設備的技術(shù)要求，具有一定的市場應用價值。