0引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，能源、環(huán)保與發(fā)展的矛盾日益突出，鋰離子電池的發(fā)展能有效的改善這一問(wèn)題。鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、自放電小、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)汽車(chē)能源系統(tǒng)、特種航天電源系統(tǒng)、太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)，移動(dòng)通信系統(tǒng)以及移動(dòng)終端設(shè)備中。雙向DC/DC變換器是對(duì)鋰離子電池充放電進(jìn)行管理的重要部分，其工作性能直接影響到鋰離子電池的使用效率和壽命。

目前，雙向DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重要有2種型式：非隔離型變換器和隔離型變換器。非隔離Buckboost變換器效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但沒(méi)有隔離能力，不能應(yīng)用于輸入輸出電壓壓差較大的場(chǎng)合。隔離式變換器有雙向推挽結(jié)構(gòu)、雙向半橋結(jié)構(gòu)和雙向全橋結(jié)構(gòu)。

其中，推挽結(jié)構(gòu)效率較半橋雙向DC/DC結(jié)構(gòu)高，高壓側(cè)輸入電壓大的時(shí)，開(kāi)關(guān)管承受電壓應(yīng)力大，且變壓器繞線(xiàn)復(fù)雜;半橋結(jié)構(gòu)變壓器沒(méi)有中心抽頭，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，低壓側(cè)電壓較低時(shí)，由于電容分壓，造成在升壓變換過(guò)程中升壓能力不足;全橋結(jié)構(gòu)效率最高，可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)控制，但控制電路復(fù)雜，成本較高。本文提出一種基于采用數(shù)字控制的雙向DC/DC變換器，采用兩級(jí)變換結(jié)構(gòu)，一級(jí)采用固定脈沖驅(qū)動(dòng);另一級(jí)采用雙閉環(huán)控制，可以有效的在3V鋰離子電池電壓與400V電源電壓之間進(jìn)行變換。

1雙向DC/DC主電路結(jié)構(gòu)和工作原理

本文采用兩級(jí)雙向DC/DC變換器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。第一級(jí)采用隔離式半橋變換結(jié)構(gòu)，利用變壓器對(duì)高壓側(cè)與低壓側(cè)進(jìn)行隔離，開(kāi)關(guān)管V1,V1,V3,V4采用固定脈沖控制，實(shí)現(xiàn)從400V母線(xiàn)電壓和20V中間電壓進(jìn)行變換，第二級(jí)采用非隔離式Buckboost變換器構(gòu)成，開(kāi)關(guān)管V5,V6采用閉環(huán)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)20V中間電壓和3V鋰離子電池電壓之間進(jìn)行二次變換。

1.1降壓工作模式

母線(xiàn)側(cè)輸入電壓400V,經(jīng)C1和C2分壓，上下橋臂輸入電壓為200V。控制器將固定脈沖送至TG1和TG2,使開(kāi)關(guān)管V1,V2工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。由V3,V4體內(nèi)二極管與D3、D4構(gòu)成全波整流電路，經(jīng)C0濾波，使電壓從400V降至20V;閉環(huán)控制器輸出pWM信號(hào)，送至開(kāi)關(guān)管V5,使V5,D6,L1,C11構(gòu)成Buck降壓變換器，將電壓從20V降至3V。調(diào)節(jié)輸入開(kāi)關(guān)管V5的驅(qū)動(dòng)波形占空比，可以調(diào)節(jié)輸出電壓。降壓變換時(shí)輸入電壓與輸出電壓關(guān)系式：

式中：N1變壓器高壓側(cè)匝數(shù);N2變壓器低壓側(cè)匝數(shù)，V400高壓側(cè)輸入電壓;D1開(kāi)關(guān)管V5的輸入脈沖占空比。

圖1兩級(jí)雙向DC/DC主電路圖

1.2升壓工作模式

電池側(cè)輸入3V電壓，經(jīng)C11濾波后，送至由V6,D5,L1,C0構(gòu)成boost升壓變換器，由boost變換器將電壓從3V升至20V,調(diào)節(jié)送到V6的脈沖占空比，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓;由第一級(jí)變換器升壓至20V的電壓經(jīng)C3,C4分壓，送至半橋變換器，給固定脈沖至TG3和TG4,使開(kāi)關(guān)管V3,V4工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，經(jīng)變壓器升壓至200V,由V1、V2的體內(nèi)二極管與D1、D2以及C1,C2構(gòu)成全波倍壓整流電路，將輸出電壓穩(wěn)定在400V。

升壓變換時(shí)輸入電壓與輸出電壓關(guān)系式：

式中：N1變壓器高壓側(cè)匝數(shù);N2變壓器低壓側(cè)匝數(shù);Vbattery電池電壓;D2開(kāi)關(guān)管V6的輸入脈沖占空比。

2數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著電池性能的提高，對(duì)化成電源提出了更高的要求。要求化成電源不僅具有高精度，高可靠性，還要具有體積小、安全性高、組網(wǎng)能力強(qiáng)，以及充放電響應(yīng)速度快，過(guò)程無(wú)沖擊，以延長(zhǎng)電池的使用壽命，傳統(tǒng)的模擬化成電源已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足這些新要求。并且，由于鋰離子電池生產(chǎn)工藝限制，通常將小容量鋰離子電池并聯(lián)使用，這就要求在大型化成設(shè)備中多個(gè)雙向DC/DC變換器并聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)量鋰離子電池的化成。為了完成對(duì)多點(diǎn)鋰離子電池的管理與監(jiān)控，本設(shè)計(jì)的雙向DC/DC變換器以dspIC30F2010為核心控制器件。dspIC30F2010是一款只有28個(gè)引腳的高性能16位微處理器。它采用哈佛架構(gòu)，有1個(gè)16位CpU和1個(gè)DSp內(nèi)核。

dspIC30F2010的外設(shè)資源有6個(gè)pWM輸出通道;3個(gè)16位按時(shí)器/計(jì)數(shù)器，可選擇將16位按時(shí)器配對(duì)組成32位按時(shí)器模塊;4路16位捕捉輸入功能，2路16位比較/pWM輸出;1個(gè)帶FIFO緩沖區(qū)的可尋址UART模塊;6路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D),500KS/s(關(guān)于10位A/D)轉(zhuǎn)換速率。該芯片在本設(shè)計(jì)完成對(duì)各個(gè)開(kāi)關(guān)管的控制、鋰離子電池電流、電壓，溫度測(cè)量、設(shè)備工況顯示，上位機(jī)通信等功能，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2硬件結(jié)構(gòu)圖

為了保證兩級(jí)變換器輸出電壓和電流的穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)采用平均電流控制。平均電流控制的原理如圖3所示。該控制方式采用電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制，Ur為給定基準(zhǔn)信號(hào)，Uback是非隔離Buckboost變換器的輸出電壓，Ur與Uback經(jīng)誤差器后輸出至比例積分器得到電流環(huán)的基準(zhǔn)信號(hào)Ir;通過(guò)電流取樣電阻得到非隔離Buckboost變換器的電感電流Iback,經(jīng)比例器得到Iof。通過(guò)運(yùn)算器和比例積分器后得到誤差電壓Ue,誤差電壓Ue與三角波Tr1比較得到pWM波，控制開(kāi)關(guān)管V5,V6的導(dǎo)通或截止。

圖3平均電流控制圖

在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置pWMCON1寄存器的pMOD位置1,使dspIC30F2010的pWM為獨(dú)立工作模式;設(shè)置pTMR寄存器得到基準(zhǔn)時(shí)基，配置周期寄存器pTpER的值，得到要頻率的三角波，將AD采樣結(jié)果送至pDC,進(jìn)行占空比設(shè)置。

3仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

利用Matlab中SIMULINK模塊進(jìn)行本設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證，其中，第一級(jí)半橋結(jié)構(gòu)采用開(kāi)環(huán)控制方式，在第2級(jí)非隔離Buckboost中采用外電壓環(huán)和內(nèi)電流環(huán)控制。如圖4所示。

圖4整體仿真電路圖

在半橋變換器結(jié)構(gòu)中，為了防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，要設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間，讓上下橋臂交替導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)頻率f=50kHz,上下橋臂的占空比各為0.3,輸入電壓為400V,在紋波電流為10%,紋波電壓為1%的條件下，計(jì)算輸出濾波電感為L(zhǎng)1=25H,輸出濾波電容為C11=612.5F,負(fù)載電阻R5=0.15,變壓器變比為Ns/Np=20。

圖5給出了降壓時(shí)變壓器原邊副邊電壓波形和電池充電電壓與電流波形，如圖5(a)所示，在輸入電壓為400V的情況下，由于原邊電容分壓使原邊繞組上電壓幅值為200V,副邊繞組電壓為10V,圖5(b)為輸出電壓和電流波形，在開(kāi)始啟動(dòng)后經(jīng)過(guò)一個(gè)上升期，充電電壓穩(wěn)定在3V,充電電流穩(wěn)定與20A。

圖5降壓仿真結(jié)果波形圖

圖6給出了升壓時(shí)電池側(cè)放電電流與電壓波形，母線(xiàn)側(cè)電流與電壓波形，如圖6(a)電池放電電壓電流波形圖，電池放電電壓為3V,輸出電流經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后穩(wěn)定在20A;圖6(b)為放電時(shí)母線(xiàn)側(cè)電壓和電流波形，輸出電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后400V,電流恒定在0.05A。

圖6升壓仿真結(jié)果波形圖

4結(jié)語(yǔ)

本文提出兩級(jí)雙向DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此拓?fù)涞碾娐方Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由雙向半橋變換器和雙向Buckboost變換器進(jìn)行組合，改善了單級(jí)半橋式雙向變換器在電壓輸入較低時(shí)變換性能差的缺點(diǎn)，通過(guò)對(duì)該變換器在低壓側(cè)為3V時(shí)進(jìn)行升壓仿真和高壓側(cè)在400V時(shí)進(jìn)行降壓仿真，分析結(jié)果表明，該雙向DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)大輸入與輸出電壓壓差的變換。