本文介紹了一種基于多相諧振變換器的新型電池充電器，適用于高容量48V的LiFePO4鋰離子電池。鋰鐵PO4電池是目前應用最廣泛的電池之一，具有高能效、高安全性能、非常好的溫度特性和較長的循環壽命。為了維護電池的健康，必須對充電電流進行準確控制。根據在實驗室獲得的實驗數據，將充電器的設計與電池模型緊密相關。研究人員以降低傳導損耗為目的，對N類D級LCpCs諧振逆變器并聯得到的逆變級進行了總體分析。

相關論文以題為“BatteryChargerBasedonaResonantConverterforHigh-PowerLiFePO4Batteries”與2021年01月23日發表在《Electronics》上。

磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池具有很好的電化學性能和良好的熱穩定性，使其更安全、更堅固。這種以鋰為基礎的技術具有非常低的內阻，可提供高額定電流。與其他技術相比，其循環壽命明顯更長。LiFePO4電池的應用包括可再生能源設施中的存儲系統，為電動汽車和數據中心、電信和醫院的不間斷電源（UPS）供電。

電池模型是設計充電器的重要工具，它允許研究電池充電器系統在整個充電過程中的動態響應，其中轉換器負載，即電池的等效電阻，從幾乎短路到開路值變化。

大多數電池模型都是以改善電池管理系統（BMS）性能為目的，提供電池的重要參數信息，如充電狀態（SOC）。電池SOC和功率容量的估計通常應用三種方法解決，即查表法、基于模型的方法和人工智能法。除此之外，BMS還負責保證電池在溫度的安全裕度內運行，并設置過壓和欠壓保護限值。

充電方式

本工作所采用的商用48NPFC50LiFePO4電池的主要特點是標稱電壓為48V，標稱容量(Cn)為50Ah，即功率容量為2.4kWh。該電池由十五個（Ns=15）串聯的堆疊電池組成，并加入了一個BMS，以保證所有電池的正確充電平衡。

因此，假設每個電池的電壓與任何其他電池相同。電池充電器的設計要滿足BMS確定的所有操作限制。

推薦用于LiFePO4電池的充電協議是著名的恒定電流（CC）-恒定電壓（CV）方法（即CC-CV）。在CC階段，電池以最大電流率充電，該電流率取決于電池容量和技術。

一旦電池電壓達到電池數據表中規定的最大充電電壓，就開始進入CV階段。此時，從充電器中抽取的功率是最大的，大約在SOC的90%時發生。

在CV階段，充電電流減小。在圖1所示的電池實驗室設施中進行了三種實驗性充電曲線。它們是在室溫（25℃）下使用電池測試設備PECSBT-10050（PEC，比利時魯汶）進行評估，并考慮到電池完全放電作為初始條件。

圖1.電池測試的實驗室設施。(左)電池測試的實驗室設施。(右)連接到SBT-10050測試設備的電池。

這些曲線對應的是在CC階段的電流率等于Cn/5、Cn/2和Cn時的電池充電情況。結果如圖2所示。

圖2.48NPFC50LiFePO4電池在10、25、50A時的實驗充電曲線。

在整個充電過程中，BMS對溫度進行觀察，并實施相應的保護（充電時最高值55℃），防止電池老化。研究鋰離子電池溫度作為充放電電流函數的電熱模型已經有報道。

在本工作中，為了縮短充電時間，選擇最大充電電流率為20A（約Cn/2）的充電器設計。根據電池的實驗特性，在Cn/2下充電可使電池的溫度遠低于55℃。

蓄電池型號

雖然LiFePO4電池是一個復雜的物理系統，涉及多個變量，但基于電參數的模型[25]可以在簡單性、準確性和洞察力信息之間取得良好的權衡，如圖3所示。在假設所有電池完全相同的情況下，通過影響所有參數的電池總數Ns，對單電池模型進行泛化，如圖3所示。

圖3.考慮Ns串聯堆積電池的電池模型。

結論

本文介紹了電池充電器應用的多相諧振變換器的一般設計程序。由于交流側的輸出電流由N個相等的逆變器部分共享，因此該電路使用低成本的功率MOSFET呈現了高輸出電流能力，并且簡化了諧振電感的設計。所提出的輸出整流器是基于M繞組電流倍增器整流器，同時通過使用無源元件來減小傳導損耗。

所提出的充電器的效率曲線呈現出寬闊的平坦區域，保證了即使在輕載條件下也有恒定的效率值。考慮到在整個充電過程中，盡管負載變化很大，但高效率是可取的，這一特點對電池充電器的應用非常有趣。變壓器Lk的漏感對交流側的影響被串聯電容Cs抵消。最大充電電流是由電路以固有的方式限制的，沒有任何控制的必要。

然而，輸出電壓通過帶有I型誤差放大器的電壓控制回路被限制在對電池推薦的最大值內。控制動作是通過調整控制角Ψ來保持開關頻率恒定，同時在任何操作點保持ZVS模式。

通過實現一個實驗樣機為一個容量為50Ah的商用48VLiFePO4電池充電，驗證了一般建議。使用SiMOSFET的N=4逆變器在Vdc=400V時實現的效率與使用SiCMOSFET的N=2逆變器在Vdc=800V時預測的效率相似。