摘 要： 針對鋰電池化成過程中采用電阻放電帶來的大量能量浪費現(xiàn)象，設計了一個雙向DC-DC變換器,，可以實現(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撲，主要由Buck驅動電路,、Boost驅動電路,、電壓/電流采樣電路等部分構成。介紹了系統(tǒng)的基本結構,，分析了電路的工作原理,，并對方案設計給予了詳細說明。實驗結果表明,，該變換器可以實現(xiàn)電池充電,、放電功能，控制精度高,，具有良好的穩(wěn)定性,。
關鍵詞： 鋰電池化成；雙向DC-DC,；能量回收,；電路拓撲
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、移動方便等優(yōu)點,，在電力,、通信、交通和日常生活等眾多領域有著廣泛的應用,。鋰電池化成是鋰電池生產(chǎn)過程中必須經(jīng)過的一道工序,，即每個鋰電池從生產(chǎn)到出廠至少要進行三次充電和兩次放電過程[1]。由于成本和技術因素,，目前國內(nèi)的鋰電池化成設備主要通過充電電源對電池進行充電,，放電時采用并聯(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備結構簡單,，成本低，但是存在大量能量浪費現(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)應用需要改變工作電流的方向，實現(xiàn)能量的雙向流動[3-5],。由于雙向DC-DC變換器可實現(xiàn)兩個單向變換器的功能,，在實際應用中，可以減少元器件數(shù)目,，降低產(chǎn)品成本,，具有重要的應用價值。
本文給出了一種實現(xiàn)鋰電池充放電管理的雙向DC-DC變換器設計方案,。該方案可以對鋰電池充放電過程中的電壓,、電流進行實時監(jiān)控調(diào)節(jié),，同時將放電能量進行回收再利用,，避免了能量浪費，大大提高了鋰電池化成過程中的能量利用效率,。
1 雙向DC/DC主電路拓撲及工作原理
雙向DC-DC變換器采用非隔離型的Buck/Boost拓撲結構,，如圖1所示。Vdc為儲能電池組側母線電壓,，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為儲能電感,，C2為鋰電池側濾波電容,，Vbat為鋰電池側端電壓。
Buck/Boost雙向DC-DC變換器的拓撲,。主要有三種工作模式：
?。?）Buck工作模式：在此模式下，鋰電池充電,。開關管V2保持關斷狀態(tài),，當開關管V1導通時，二極管D1和D2承受反向電壓關斷,，儲能電池組向鋰電池充電,，同時給電感L1儲能；當開關管V1關斷時,，電感電流經(jīng)二極管D2構成續(xù)流回路,，對鋰電池充電，電容C2用來維持鋰電池端電壓的穩(wěn)定并進行濾波,。
?。?）Boost工作模式：在此模式下，鋰電池放電。開關管V1保持關斷狀態(tài),，當開關管V2導通時,，鋰電池給電感L1充電儲能；當開關管V2關斷時,，鋰電池和電感L1同時給儲能電池組充電,，電容C1用來維持儲能電池組端電壓的穩(wěn)定并進行濾波。
?。?）關機模式：在此模式下,，開關管V1和V2保持關斷狀態(tài)，雙向DC-DC變換器停止工作,，鋰電池停止充放電,。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 Buck驅動電路設計
雙向DC-DC變換器中工作在Buck模式下的開關管V1選用P溝道MOSFET IRF5210，并采用PWM集成控制器TL5001進行驅動電路設計,，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)過運放OP07構成的減法電路,，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,，當系統(tǒng)運行穩(wěn)定時,，內(nèi)部誤差放大器的凈輸入為0，則有：
將相關參數(shù)帶入式（1）,，得到鋰電池端電壓與控制電壓的關系式為：
Ubat=UC1+2（2）
圖2中,，SCP為短路保護端，當該端口電壓高于1 V時,，TL5001將禁止PWM輸出,。因此設計了一個三極管開關電路，用來控制SCP的端口電壓,，從而控制驅動信號的輸出與禁止,。R2用來設置芯片內(nèi)部振蕩頻率，C4,、C5,、R7構成閉環(huán)補償網(wǎng)絡，TL5001為集電極開路輸出,，因此輸出需接上拉電阻R6,。
2.2 Boost驅動電路設計
雙向DC-DC變換器中工作在Boost模式下的開關管V2選用N溝道MOSFET IRF3710，并采用PWM集成控制器UC3842進行驅動電路設計,，如圖3所示,。UC2,、Ud分別為控制器輸出的控制電壓和儲能電池組端電壓1/3分壓值，經(jīng)過運放OP07構成的減法電路,，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，當系統(tǒng)運行穩(wěn)定時,，內(nèi)部誤差放大器的凈輸入為0,，則有：
將相關參數(shù)帶入式（3），得到儲能電池組端電壓與控制電壓的關系為：
Udc=3Ud=3（Uc2+2.5）=3Uc2+7.5（4）
當UC3842的Ise端電壓高于1 V時,，將禁止PWM輸出,，因此可以設計一個外部控制電路，通過控制Ise端的電壓來控制驅動信號的輸出與禁止,。
2.3 采樣電路設計
要實現(xiàn)對鋰電池充放電過程進行準確檢測及控制,，需要對鋰電池的端電壓及充放電電流進行A/D采樣，具體采樣電路如圖4所示,。
鋰電池在進行充電和放電時,，其電流的傳輸方向是反向的,，如果采用串聯(lián)采樣電阻進行電流采樣,，其兩端的取樣電壓在鋰電池不同的工作模式下有正負變化，這將給A/D轉換帶來不便,。為了能夠精確檢測鋰電池的工作電流,，本設計采用線性電流傳感器ACS712，該器件能夠輸出與檢測的交流或直流電流成比例的電壓,，具有低噪聲,、響應快、靈敏度高等優(yōu)點[6],。將ACS712與鋰電池串聯(lián),，輸出電壓經(jīng)過電壓跟隨電路送入控制器進行A/D轉換處理。ACS712檢測電流與輸出電壓關系為：
VOUT=0.185IP+2.5（5）
鋰電池在充放電過程中最大電流設定為1 A,，即IP范圍為-1~+1 A,，對應輸出電壓為2.315~2.685 V，滿足控制器A/D轉換要求,。
鋰電池在充放電過程中,，其充電限制電壓為4.2 V，過放終止電壓為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轉換的參考電壓為3.3 V，因此通過兩個等值電阻進行分壓,，并經(jīng)過一級運放電壓跟隨后送入A/D進行轉換,，此時轉換電壓范圍為1.5~2.1 V，滿足要求。
3 系統(tǒng)軟件設計
鋰電池化成過程分為鋰電池充電和放電兩個部分[7],。鋰電池充電,，即Buck模式下，包括兩個階段：（1）恒流限壓充電,，檢測電池電壓,，當電池電壓達到充電限制電壓時，就進入恒壓限流充電,；（2）恒壓限流充電,，檢測電池電流，當電池電流降低到規(guī)定值后,，電池電量充滿,，自動停機。鋰電池放電,，即Boost模式下,，采用恒流放電，當達到放電終止電壓時,，停止放電,，自動停機。根據(jù)上述過程,，具體的程序設計流程圖如圖5所示,。
系統(tǒng)上電初始化完成之后，變換器默認處于待機狀態(tài),，當檢測到鋰電池充電或放電模式設置完畢后,，將根據(jù)采樣電壓、電流值判斷系統(tǒng)當前所處的工作階段,，及時進行反饋計算并調(diào)整驅動信號的輸出,。如果電壓、電流值達到充電或放電的結束條件,，變換器將進入待機狀態(tài),。
4 系統(tǒng)測試
本系統(tǒng)中，儲能電池組電壓為15 V,，儲能電感L為260 
H,，輸出濾波電容為3 300
F，鋰電池端測試電壓范圍為2.7~4.2 V,，測試電流為0.1~1 A,。
在鋰電池充放電過程中，通過檢測多組電壓,、電流數(shù)據(jù),，可以判斷該系統(tǒng)實際運行狀況是否與設計要求的充放電過程相吻合,，得到的數(shù)據(jù)如表1、表2所示,。測試中使用的儀器為GDM-8055,。
由表1、表2可以看出,，雙向DC-DC變換器在工作時,，檢測到的電壓相對誤差小于0.5%，電流相對誤差為絕對值小于5%,，滿足設計要求,。
雙向DC-DC變換器是鋰電池充放電管理的重要部分。針對鋰電池化成設備的發(fā)展現(xiàn)狀,，本文提出了一種基于鋰電池化成的雙向DC-DC變換器的設計,，通過儲能電池組對鋰電池進行充電，并對鋰電池放電能量進行存儲再利用,。系統(tǒng)以Buck/Boost雙向DC-DC變換器作為主電路拓撲,，主要由Buck驅動電路、Boost驅動電路,、電壓/電流采樣電路構成,。系統(tǒng)可以根據(jù)鋰電池充電和放電工作模式的選擇，實現(xiàn)能量的雙向流動,。實驗測試表明,，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,，可用于需對單體鋰電池進行充放電管理的化成設備中，具有良好的應用前景,。
參考文獻
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