用于电池储能装置的双向DC-DC变换器设计

用于电池储能装置的双向DC-DC变换器设计

张冰牛志新

哈尔滨石油学院黑龙江哈尔滨150000

摘要：现如今，储能系统的重要性越来越突出，双向DC－DC变换器作为新能源技术中的重要组成部分，以可实现能量的双向传输、体积小、重量轻等优势，应用在电动自行车、电动汽车、航天航空、工业控制、通信网、风电并网系统等新能源电控领域。提高双向DC－DC变换器的工作效率，优化电路结构，增强系统适应性成为储能变流的研究热点

关键词：电池储能装置；双向DC-DC变换器；设计

1引言

目前，在电动汽车领域大多以单一蓄电池为主要能源来驱动汽车的行驶，但电动汽车的电机功率一般在20kW以上，在启动和加速瞬间瞬时电流可达到额定电流的几倍到数十倍，对蓄电池的冲击会大大影响其使用寿命以及汽车的续航里程。超级电容具有功率密度大、效率高、充放电快等优点，适用于大功率场合。将超级电容引入电动汽车领域，与蓄电池结合组成混合储能系统，是未来电动汽车发展的重要方向。基于超级电容与蓄电池混合储能的新型双向DC/DC变换器能够在汽车启动或加速瞬间由超级电容提供瞬时大功率，满足负载的要求，减少瞬时大功率对蓄电池的冲击；在汽车制动瞬间，将能量回馈给超级电容，对超级电容充电，实现能量的回收再次利用，可大大提高电动汽车续航里程。作为其中关键的能量控制元件—双向DC/DC变换器的设计尤其重要。

2电池储能装置的双向DC-DC变换器分析

储能系统中双向DC-DC变换器作为能量流通的通道，在储能系统中发挥着重要作用，双向DC-DC变换器拓扑结构根据输入输出之间是否具有高频变压器隔离分为隔离型和非隔离型。其中常见隔离性拓扑结构有隔离式全桥型变换器、隔离式半桥变换器、正激式变换器、反激式变换器等。隔离式双向DC-DC变换器拓扑在大功率变换器中应用比较多，开关器件的电压电流应力比较小，通过电路参数设计使其具备LLC变换器的软开关特性，通过高频变压器可以辅助实现很高的变换比。但是隔离式变换器应用的开关器件比较多，体积和重量都比较大。非隔离型变换器主电路中没有高频隔离变压器，变换器重量较轻，主要应用在对电气隔离要求不高的场合，非隔离型拓扑结构的主要优点是造价低，开关器件比较少，体积小，没有变压器损耗，效率比较高，常见非隔离型变换器有半桥式变换器、spice变换器、cuk变换器等。双向cuk变换器不适用于大功率输出场合，同时还具有负电压输出特性，适用范围比较窄。双向spice-zeta变换器该变换器由spice和zeta演化而来，将电路中的二极管改成双向导通的开关管，实现双向传输能量。半桥式双向变换器拓扑结构开关器件比较少，结构简单，电感和电压测串联，在中小功率变换器中应用非常广泛。双向T型BUCK-BOOST变换器，该变换器拓扑结构电感不是串联在低压侧或高压侧，其输出电压的脉动比较大，同时和cuk变换器具有类似的负电压输出特性，因此其应用范围也比较窄。以上对非隔离型变换器和隔离型双向DC-DC变换器的典型拓扑结构特点进行了分析，在实际应用中根据具体应用情况合理选择双向DC-DC变换器拓扑结构。

3用于电池储能装置的双向DC-DC变换器拓扑结构设计

双向DC-DC变换器主电路拓扑结构如图1所示，由升压Boost电路和降压Buck电路反并联而成。双向DC-DC变换器有两个功率开关，通过控制开关的导通控制其工作模式。工作在Boost模式时，管S1开关动作，管S2驱动信号可靠封锁；工作在Buck模式时，管S2开关动作，管S1驱动信号可靠封锁。变换器工作在Boost模式时，开关管V1截止，通过控制开关管V2的导通时间控制输出电压的大小。当开关管V2导通时，电压U1加到电感L的两端，电感电流Li流过线圈，在电感线圈未饱和前，电感电流Li线性增加，对电感进行充电，此时电容C2通过负载放电；当开关管V2关断时，电感电流Li通过二极管向输出测流动，此时输入电压和电感电压串联共同给负载供电，并给C2充电，电感电流Li线性减小。变换器工作在Buck模式时，开关管V2截止，通过控制开关管S2的导通时间控制输出电压的大小。当开关管V1导通时，电压U2加到电感L和电容C1的两端，电感电流Li线性增加，电动机制动的机械能转换成电能储存在电感中，并对超级电容进行充电；当开关管V1关断时，电感电流Li通过二极管向超级电容测流动，电感电流Li线性减小。

3用于电池储能装置的双向DC-DC变换器设计

3.1系统硬件电路设计

3.1.1双向功率传输电路

输入端直流电压为24V～36V，5节锂电池串联后正负极两端电动势最高为24V。充电电流为1A～2A，步进0.05A，输出功率最大值约为48W。锂电池放电时，30Ω电阻作为锂电池放电负载，电路采用同步整流，两个MOSFET管交替导通。

3.1.2单片机及PWM控制半桥驱动电路

Buck模式下，电流通过采样电路，与单片机内部设定的基准值比较，通过PID算法调节输出占空比，实现电流调整。Boost模式下，锂电池通过变换器进行放电，放电电压由单片机内部设定值决定，由PID算法进行调节，实现电压调整。半桥电路驱动采用IR2104半桥驱动器，单片机输出两路PWM与IR2104输入相连，驱动MOS管控制其导通与关断，实现单片机对变换器输出的控制。

3.1.3采样电路

直流母线上设置一个0.02Ω电阻作为采样电阻，并产生一定的电压降，经放大器放大后输入到单片机，电位器可改变放大电路放大倍数，进一步实现电流精确的控制。在直流母线间并联一对分压电阻，单片机内部自带的A/D端口即可完成对电压的测量。

3.1.4辅助电源电路设计

辅助电源需为系统中增强型驱动电路提供12V电压，OP07提供±5V电压，单片机提供5V电压。电路设计如图2所示，通过线性稳压电源LM7812将DC－DC变换器直流电源端的大电压转换为12V电压，通过ASM1117转换为5V电压，再通过ICL7660转换为-5V。电路整体驱动效果强、重量轻、性能稳定，且无需另外提供电源适配器。

3.1.5按键电路

采用4个独立按键，实现对蓄电池充放电过程的程控转换，充电电流的步进值为0.05A。4个按键分别与单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口连接，实现相应功能，S2为电池充电功能按键，S3为放电功能按键，S4为输出电流加大按键，S5为输出电流减小按键。

3.2系统软件设计

系统程序包括系统数据初始化、ADC电压电流采样、PWM调制、LCD1602显示和按键控制等。采用平均值算法通过ADC实现电压和电流采集，此算法可以减小电流和电压的突变值，使数据更加接近真实值。首先，采集50个电流或电压值，记录采集数据的时间，算出平均值。然后，ADC子程序采用PID算法将采集的电压电流进行闭环反馈控制，当检测到输出电压或者电流波动时，快速调用PWM程序，调节输出电压和电流到设定的规定值。

4结束语

本文设计了一个以同步整流Buck－Boost拓扑为核心，用于电池储能装置的双向DC－DC变换器本系统与传统两个单向DC－DC变换器构成的电池储能装置相比，引入同步整流技术，使得整机体积小、质量轻、效率高、使用方便，完全能够应用于实际锂电池的充放电。但是，系统在实际应用过程中电流值在设定的范围内会有较小的波动量，需要进一步优化系统软件。

参考文献

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