基于鋰電池化成的新型雙向DC/DC拓撲結構解析

　　隨著社會的發展，能源、環保與發展的矛盾日益突出，鋰電池的發展能有效的改善這一問題。鋰電池由于工作電壓高、體積小、質量輕、無記憶效應、無污染、自放電小、循環壽命長等特點，廣泛應用于電動車汽車能源系統、航空航天電源系統、太陽能光伏電源系統，移動通信系統以及移動終端設備中。雙向DC/ DC變換器是對鋰電池充放電進行管理的重要部分，其工作性能直接影響到鋰電池的使用效率和壽命。
　　目前，雙向DC/ DC變換器的拓撲結構主要有2種型式：非隔離型變換器和隔離型變換器。非隔離Buckboo st變換器效率高、結構簡單，但沒有隔離能力，不能應用于輸入輸出電壓壓差較大的場合。隔離式變換器有雙向推挽結構、雙向半橋結構和雙向全橋結構。
　　其中，推挽結構效率較半橋雙向DC/ DC結構高，高壓側輸入電壓大的時，開關管承受電壓應力大，且變壓器繞線復雜；半橋結構變壓器沒有中心抽頭，設計簡單，低壓側電壓較低時，由于電容分壓，造成在升壓變換過程中升壓能力不足；全橋結構效率最高，可以實現軟開關控制，但控制電路復雜，成本較高。本文提出一種基于采用數字控制的雙向DC/ DC變換器，采用兩級變換結構，一級采用固定脈沖驅動；另一級采用雙閉環控制，可以有效的在3V鋰電池電壓與400V電源電壓之間進行變換。
　　1 雙向DC/ DC主電路結構和工作原理
　　本文采用兩級雙向DC/ DC變換器結構，如圖1所示。第一級采用隔離式半橋變換結構，利用變壓器對高壓側與低壓側進行隔離，開關管V1 ， V1 ， V3 ， V4采用固定脈沖控制，實現從400 V母線電壓和20 V中間電壓進行變換，第二級采用非隔離式Buckboost變換器構成，開關管V5 ， V6采用閉環閉環控制，實現20 V中間電壓和3 V鋰電池電壓之間進行二次變換。
　　1.1 降壓工作模式
　　母線側輸入電壓400 V，經C1和C2分壓，上下橋臂輸入電壓為200 V.控制器將固定脈沖送至T G1和TG2 ，使開關管V1 ， V2工作在開關狀態。由V3 ， V4體內二極管與D3、D4構成全波整流電路，經C0濾波，使電壓從400 V降至20 V；閉環控制器輸出PWM信號，送至開關管V5 ，使V5 ， D6 ， L 1 ， C11構成Buck降壓變換器，將電壓從20 V降至3 V.調節輸入開關管V5的驅動波形占空比，可以調節輸出電壓。降壓變換時輸入電壓與輸出電壓關系式：
　　式中：N 1變壓器高壓側匝數； N2變壓器低壓側匝數，V400高壓側輸入電壓； D1開關管V5的輸入脈沖占空比。
　　
　　圖1 兩級雙向DC/ DC主電路圖
　　1.2 升壓工作模式
　　電池側輸入3 V電壓，經C11濾波后，送至由V6 ，D5 ， L 1 ， C0構成boost升壓變換器，由boo st變換器將電壓從3 V升至20 V，調節送到V6的脈沖占空比，可以實現調節輸出電壓；由第一級變換器升壓至20 V的電壓經C3 ， C4分壓，送至半橋變換器，給固定脈沖至TG3和TG4 ，使開關管V3 ， V4工作在開關狀態，經變壓器升壓至200 V，由V1、V2的體內二極管與D1、D2以及C1 ，C2構成全波倍壓整流電路，將輸出電壓穩定在400 V.
　　升壓變換時輸入電壓與輸出電壓關系式：
　　式中：N 1變壓器高壓側匝數； N2變壓器低壓側匝數；Vbat ter y電池電壓； D2開關管V6的輸入脈沖占空比。
　　2 數字控制系統設計
　　隨著電池性能的提高，對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、組網能力強，以及充放電響應速度快，過程無沖擊，以延長電池的使用壽命，傳統的模擬化成電源已經無法滿足這些新要求。并且，由于鋰電池生產工藝限制，通常將小容量鋰電池并聯使用，這就要求在大型化成設備中多個雙向DC/ DC變換器并聯使用，實現量鋰電池的化成。為了完成對多點鋰電池的管理與監控，本設計的雙向DC/ DC變換器以dsPIC30F2010為核心控制器件。dsPIC30F2010是一款只有28個引腳的高性能16位微處理器。它采用哈佛架構，有1個16位CPU和1個DSP內核。