摘 要： 針對(duì)鋰電池化成過(guò)程中采用電阻放電帶來(lái)的大量能量浪費(fèi)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙向DC-DC變換器,，可以實(shí)現(xiàn)化成放電能量的高效回收,。該變換器以Buck/Boost雙向DC-DC變換器作為主電路拓?fù)?/a>,，主要由Buck驅(qū)動(dòng)電路、Boost驅(qū)動(dòng)電路,、電壓/電流采樣電路等部分構(gòu)成,。介紹了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，分析了電路的工作原理,，并對(duì)方案設(shè)計(jì)給予了詳細(xì)說(shuō)明,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該變換器可以實(shí)現(xiàn)電池充電,、放電功能,，控制精度高，具有良好的穩(wěn)定性,。
關(guān)鍵詞： 鋰電池化成,；雙向DC-DC；能量回收,；電路拓?fù)?/p>
0 引言
鋰電池作為直流電源和備用電源,，具有供電可靠、電壓穩(wěn)定,、體積小、移動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn),，在電力,、通信、交通和日常生活等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,。鋰電池化成是鋰電池生產(chǎn)過(guò)程中必須經(jīng)過(guò)的一道工序,，即每個(gè)鋰電池從生產(chǎn)到出廠至少要進(jìn)行三次充電和兩次放電過(guò)程[1]。由于成本和技術(shù)因素,，目前國(guó)內(nèi)的鋰電池化成設(shè)備主要通過(guò)充電電源對(duì)電池進(jìn)行充電,，放電時(shí)采用并聯(lián)電阻的方式，將鋰電池內(nèi)部的能量消耗在電阻上,。這種化成方式雖然設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低,，但是存在大量能量浪費(fèi)現(xiàn)象[2],。
作為一種新型的電力電子變換器，雙向DC-DC變換器可以在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下,，根據(jù)應(yīng)用需要改變工作電流的方向,，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)[3-5]。由于雙向DC-DC變換器可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單向變換器的功能,，在實(shí)際應(yīng)用中,，可以減少元器件數(shù)目,，降低產(chǎn)品成本,，具有重要的應(yīng)用價(jià)值,。
本文給出了一種實(shí)現(xiàn)鋰電池充放電管理的雙向DC-DC變換器設(shè)計(jì)方案,。該方案可以對(duì)鋰電池充放電過(guò)程中的電壓,、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)節(jié)，同時(shí)將放電能量進(jìn)行回收再利用,，避免了能量浪費(fèi)，大大提高了鋰電池化成過(guò)程中的能量利用效率,。
1 雙向DC/DC主電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/strong>
雙向DC-DC變換器采用非隔離型的Buck/Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，如圖1所示。Vdc為儲(chǔ)能電池組側(cè)母線電壓,，C1為母線電容，V1,、V2采用MOSFET,，D1、D2為不同工作模式下的續(xù)流二極管,，L1為儲(chǔ)能電感,，C2為鋰電池側(cè)濾波電容，Vbat為鋰電池側(cè)端電壓,。
Buck/Boost雙向DC-DC變換器的拓?fù)?。主要有三種工作模式：
（1）Buck工作模式：在此模式下,，鋰電池充電,。開(kāi)關(guān)管V2保持關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管V1導(dǎo)通時(shí),，二極管D1和D2承受反向電壓關(guān)斷,，儲(chǔ)能電池組向鋰電池充電，同時(shí)給電感L1儲(chǔ)能,；當(dāng)開(kāi)關(guān)管V1關(guān)斷時(shí),，電感電流經(jīng)二極管D2構(gòu)成續(xù)流回路，對(duì)鋰電池充電,，電容C2用來(lái)維持鋰電池端電壓的穩(wěn)定并進(jìn)行濾波,。
（2）Boost工作模式：在此模式下,，鋰電池放電,。開(kāi)關(guān)管V1保持關(guān)斷狀態(tài),，當(dāng)開(kāi)關(guān)管V2導(dǎo)通時(shí)，鋰電池給電感L1充電儲(chǔ)能,；當(dāng)開(kāi)關(guān)管V2關(guān)斷時(shí)，鋰電池和電感L1同時(shí)給儲(chǔ)能電池組充電,，電容C1用來(lái)維持儲(chǔ)能電池組端電壓的穩(wěn)定并進(jìn)行濾波,。
（3）關(guān)機(jī)模式：在此模式下,，開(kāi)關(guān)管V1和V2保持關(guān)斷狀態(tài),，雙向DC-DC變換器停止工作，鋰電池停止充放電,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 Buck驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
雙向DC-DC變換器中工作在Buck模式下的開(kāi)關(guān)管V1選用P溝道MOSFET IRF5210,，并采用PWM集成控制器TL5001進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，如圖2所示,。UC1,、Ubat分別為控制器輸出的控制電壓和鋰電池端電壓，經(jīng)過(guò)運(yùn)放OP07構(gòu)成的減法電路,，并由R8與R9分壓后供給TL5001的FB端（內(nèi)部誤差放大器的反相端）,。由于內(nèi)部誤差放大器的同相端輸入為1 V的參考電壓，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí),，內(nèi)部誤差放大器的凈輸入為0,，則有：
將相關(guān)參數(shù)帶入式（1），得到鋰電池端電壓與控制電壓的關(guān)系式為：
Ubat=UC1+2（2）
圖2中,，SCP為短路保護(hù)端，當(dāng)該端口電壓高于1 V時(shí),，TL5001將禁止PWM輸出,。因此設(shè)計(jì)了一個(gè)三極管開(kāi)關(guān)電路，用來(lái)控制SCP的端口電壓,，從而控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出與禁止,。R2用來(lái)設(shè)置芯片內(nèi)部振蕩頻率，C4,、C5,、R7構(gòu)成閉環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，TL5001為集電極開(kāi)路輸出,，因此輸出需接上拉電阻R6,。
2.2 Boost驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
雙向DC-DC變換器中工作在Boost模式下的開(kāi)關(guān)管V2選用N溝道MOSFET IRF3710，并采用PWM集成控制器UC3842進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì),，如圖3所示,。UC2,、Ud分別為控制器輸出的控制電壓和儲(chǔ)能電池組端電壓1/3分壓值，經(jīng)過(guò)運(yùn)放OP07構(gòu)成的減法電路,，供給UC3842的Vfb端（內(nèi)部誤差放大器的反相端）,，由于內(nèi)部誤差放大器的同相端輸入為2.5 V的參考電壓，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí),，內(nèi)部誤差放大器的凈輸入為0,，則有：
將相關(guān)參數(shù)帶入式（3），得到儲(chǔ)能電池組端電壓與控制電壓的關(guān)系為：
Udc=3Ud=3（Uc2+2.5）=3Uc2+7.5（4）
當(dāng)UC3842的Ise端電壓高于1 V時(shí),，將禁止PWM輸出,，因此可以設(shè)計(jì)一個(gè)外部控制電路，通過(guò)控制Ise端的電壓來(lái)控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出與禁止,。
2.3 采樣電路設(shè)計(jì)
要實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池充放電過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)及控制,，需要對(duì)鋰電池的端電壓及充放電電流進(jìn)行A/D采樣，具體采樣電路如圖4所示,。
鋰電池在進(jìn)行充電和放電時(shí),，其電流的傳輸方向是反向的，如果采用串聯(lián)采樣電阻進(jìn)行電流采樣,，其兩端的取樣電壓在鋰電池不同的工作模式下有正負(fù)變化,，這將給A/D轉(zhuǎn)換帶來(lái)不便。為了能夠精確檢測(cè)鋰電池的工作電流,，本設(shè)計(jì)采用線性電流傳感器ACS712,，該器件能夠輸出與檢測(cè)的交流或直流電流成比例的電壓，具有低噪聲,、響應(yīng)快,、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[6]。將ACS712與鋰電池串聯(lián),，輸出電壓經(jīng)過(guò)電壓跟隨電路送入控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理,。ACS712檢測(cè)電流與輸出電壓關(guān)系為：
VOUT=0.185IP+2.5（5）
鋰電池在充放電過(guò)程中最大電流設(shè)定為1 A，即IP范圍為-1~+1 A,，對(duì)應(yīng)輸出電壓為2.315~2.685 V,，滿足控制器A/D轉(zhuǎn)換要求。
鋰電池在充放電過(guò)程中,，其充電限制電壓為4.2 V,，過(guò)放終止電壓為3 V，則鋰電池的端電壓Vbat范圍為3~4.2 V,，本系統(tǒng)中控制器A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓為3.3 V,，因此通過(guò)兩個(gè)等值電阻進(jìn)行分壓，并經(jīng)過(guò)一級(jí)運(yùn)放電壓跟隨后送入A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，此時(shí)轉(zhuǎn)換電壓范圍為1.5~2.1 V,，滿足要求,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
鋰電池化成過(guò)程分為鋰電池充電和放電兩個(gè)部分[7]。鋰電池充電,，即Buck模式下,，包括兩個(gè)階段：（1）恒流限壓充電，檢測(cè)電池電壓,，當(dāng)電池電壓達(dá)到充電限制電壓時(shí),，就進(jìn)入恒壓限流充電；（2）恒壓限流充電,，檢測(cè)電池電流,，當(dāng)電池電流降低到規(guī)定值后，電池電量充滿,，自動(dòng)停機(jī),。鋰電池放電，即Boost模式下,，采用恒流放電,，當(dāng)達(dá)到放電終止電壓時(shí)，停止放電,，自動(dòng)停機(jī),。根據(jù)上述過(guò)程，具體的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示,。
系統(tǒng)上電初始化完成之后,，變換器默認(rèn)處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到鋰電池充電或放電模式設(shè)置完畢后,，將根據(jù)采樣電壓,、電流值判斷系統(tǒng)當(dāng)前所處的工作階段，及時(shí)進(jìn)行反饋計(jì)算并調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出,。如果電壓,、電流值達(dá)到充電或放電的結(jié)束條件，變換器將進(jìn)入待機(jī)狀態(tài),。
4 系統(tǒng)測(cè)試
本系統(tǒng)中，儲(chǔ)能電池組電壓為15 V,，儲(chǔ)能電感L為260 
H,，輸出濾波電容為3 300
F，鋰電池端測(cè)試電壓范圍為2.7~4.2 V,，測(cè)試電流為0.1~1 A,。
在鋰電池充放電過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)多組電壓、電流數(shù)據(jù),，可以判斷該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況是否與設(shè)計(jì)要求的充放電過(guò)程相吻合,，得到的數(shù)據(jù)如表1、表2所示,。測(cè)試中使用的儀器為GDM-8055,。
由表1、表2可以看出,，雙向DC-DC變換器在工作時(shí),，檢測(cè)到的電壓相對(duì)誤差小于0.5%，電流相對(duì)誤差為絕對(duì)值小于5%,，滿足設(shè)計(jì)要求,。
雙向DC-DC變換器是鋰電池充放電管理的重要部分。針對(duì)鋰電池化成設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀,，本文提出了一種基于鋰電池化成的雙向DC-DC變換器的設(shè)計(jì),，通過(guò)儲(chǔ)能電池組對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，并對(duì)鋰電池放電能量進(jìn)行存儲(chǔ)再利用,。系統(tǒng)以Buck/Boost雙向DC-DC變換器作為主電路拓?fù)?，主要由Buck驅(qū)動(dòng)電路、Boost驅(qū)動(dòng)電路,、電壓/電流采樣電路構(gòu)成,。系統(tǒng)可以根據(jù)鋰電池充電和放電工作模式的選擇，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng),。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,，該變換器的原理正確，工作可靠,，輸出穩(wěn)壓,、穩(wěn)流精度高，具有良好的控制性能,，可用于需對(duì)單體鋰電池進(jìn)行充放電管理的化成設(shè)備中,，具有良好的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 張雪圓.用于電池化成設(shè)備的雙向DC-DC變換器的研究[D].北京：北京交通大學(xué),，2011.
[2] 王術(shù),，郗曉田，游林儒.鋰動(dòng)力電池化成能量回饋控制系統(tǒng)的研究[J].電源技術(shù),，2011,，4（35）：393-395.
[3] CORRADINI L， SELTZER D,， BLOOMQUIST D,， et al. Zero voltage switching technique for bi-directional DC/DC converters[C]. ECCE， 2011：2215-2222.
[4] 童亦斌，吳峂,，金新民,，等.雙向DC-DC變換器的拓?fù)溲芯縖J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007,，13（27）：81-86.
[5] 張方華,，朱成花，嚴(yán)仰光.雙向DC-DC變換器的控制模型[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),，2005,，11（25）：46-49.
[6] 董建懷.電流傳感器ACS712的原理與應(yīng)用[J].中國(guó)科技信息，2010（5）：92-93.
[7] 馮晶晶,，肖華鋒,，謝少軍.大功率鋰電池的充放電管理器控制技術(shù)研究[J].信息化研究，2009,，12（35）：14-17.