李科科,陳 健,王介陽(yáng),張建濤
(1.廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院,廣東 廣州 510006;2.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,廣東 廣州 510006)
電池化成用的能量回饋型直流變換器
李科科1,陳 健2,王介陽(yáng)1,張建濤1
(1.廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院,廣東 廣州 510006;2.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,廣東 廣州 510006)
電池在首次使用前需要進(jìn)行多次充放電。電池化成的效果將極大影響電池的使用性能。目前市面上主流的化成裝置主要采用電阻耗散的方式放電,能源利用率低。針對(duì)這一問(wèn)題,為有效回收放電能量,實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用,同時(shí)盡可能提高能源轉(zhuǎn)換效率,設(shè)計(jì)了基于雙向直流變換器的電池化成裝置。該裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池能量的高效回收,徹底改變放電能量的丟失問(wèn)題。采用開(kāi)關(guān)電源的方案實(shí)施,將進(jìn)一步提升能源的轉(zhuǎn)換效率。該裝置采用STM32F334作為控制器,以雙向Buck/Boost為主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采取模糊PI結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)對(duì)充放電過(guò)程中電壓和電流的高精度控制,控制精度高達(dá)0.05%(FS)。通過(guò)與傳統(tǒng)的化成裝置進(jìn)行測(cè)試比較,結(jié)果表明,能量回饋型的電池化成裝置的節(jié)能率高達(dá)70%。該裝置將逐漸成為市場(chǎng)的主流。
電動(dòng)汽車(chē);直流變換器; 能量回饋; 電池化成; 高精度; 模糊控制
電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)近年來(lái)的飛速發(fā)展,給電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供了千載難逢的機(jī)遇[1]。電池是電動(dòng)汽車(chē)的能量源,其在電動(dòng)汽車(chē)中具有舉足輕重的地位。然而,電池出廠(chǎng)前往往需要進(jìn)行多次的充放電過(guò)程。所謂的電池化成[2],是指對(duì)二次電池充放電的過(guò)程。老一代的電池化成工藝所使用的電源大多為線(xiàn)性電源[3]。眾所周知,線(xiàn)性電源具有紋波小、噪聲小等突出優(yōu)勢(shì)[4],但同時(shí)也存在嚴(yán)重的缺陷,即充電完成后的電池能量只能通過(guò)熱能釋放,而不可以重復(fù)利用。這種無(wú)回收的化成方式不僅嚴(yán)重降低了能源的利用率,更是與當(dāng)今“可重復(fù)、高效率”的節(jié)能減排[5]政策相沖突,因而迫切需要一種高效方案來(lái)彌補(bǔ)當(dāng)前方式的不足。由此能量回饋式的電池化成方式應(yīng)運(yùn)而生[6]。
1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1.1 系統(tǒng)框架
能量回饋式電池化成系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)能量從交流220 V端到電池端的傳遞,反之亦然。在符合能量守恒的條件下,多個(gè)DC/DC模塊可以同時(shí)并聯(lián)在一個(gè)AC/DC模塊下,實(shí)現(xiàn)功率的擴(kuò)展。但多個(gè)模塊并聯(lián)后將帶來(lái)更嚴(yán)重的電磁干擾(electro magnetic interference,EMI)問(wèn)題[7],需要開(kāi)發(fā)者花費(fèi)更多的時(shí)間來(lái)處理通道之間的干擾。能量回饋型電池化成系統(tǒng)的整體框架圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體框架圖
STM32F334是意法半導(dǎo)體專(zhuān)門(mén)針對(duì)數(shù)字電源領(lǐng)域的主打芯片。STM32F334的分辨率高達(dá)217 ps。此外,靈活的上下沿死區(qū)時(shí)間設(shè)置、錯(cuò)誤事件強(qiáng)制打斷輸出等豐富的片上資源,也為開(kāi)發(fā)過(guò)程提供了諸多便捷。與傳統(tǒng)的DSP C2000系列產(chǎn)品相比,STM32F334具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì),所以越來(lái)越多的電源開(kāi)發(fā)者選擇這款芯片作為主控芯片。
1.1.2 系統(tǒng)的主電路
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所采用雙向Buck/Boost 拓?fù)鋄8]。它是一種以Buck拓?fù)錇榛A(chǔ)的演變拓?fù)?,?zhǔn)確來(lái)說(shuō),是在Buck拓?fù)涞睦m(xù)流二極管端并上一個(gè)MOS管而構(gòu)成的。系統(tǒng)主電路圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)主電路圖
在充電模式下,系統(tǒng)可以看作一個(gè)同步整流的Buck電路;在放電模式下,系統(tǒng)可以看作同步整流的Boost電路。需要注意的是:由于負(fù)載是電池,所以電路始終是工作在CCM模式,而不會(huì)進(jìn)入DCM模式。占空比和輸入、輸出電壓的關(guān)系可以參考CCM模式下它們之間的線(xiàn)性關(guān)系[9]。根據(jù)電路的開(kāi)關(guān)模態(tài),當(dāng)上管導(dǎo)通、下管關(guān)斷時(shí),輸入電壓U1、Q1和Lf以及輸入電壓U2組成一個(gè)回路;當(dāng)下管導(dǎo)通、上管關(guān)閉時(shí),由Q2、輸入電壓U2和Lf組成一個(gè)回路[10]。根據(jù)兩個(gè)回路可以列出微分方程,分析并推導(dǎo)關(guān)于電感、輸出電容Cf2和輸入電容Cf1的計(jì)算公式,供開(kāi)發(fā)者在進(jìn)行主電路參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)參考:
(1)
式中:U2為輸出電壓;T為開(kāi)關(guān)周期;U1為輸入電壓,I0為額定輸出電流。
(2)
式中:U2為輸出電壓;T為開(kāi)關(guān)周期:U1為輸入電壓;Lf為電壓紋波系數(shù)。
(3)
式中:I0max為最大的反向輸出電流;Dmax為最大占空比;fs為開(kāi)關(guān)頻;ΔU為反向電壓紋波系數(shù)。
1.1.3 電壓采樣電路
對(duì)于高精度系統(tǒng)來(lái)說(shuō),采樣環(huán)路的器件選型不僅要求器件的非線(xiàn)性誤差較低,同時(shí)也要求器件的精度較高。電壓采樣電路如圖3所示。
圖3 電壓采樣電路圖
該電壓采樣電路是由精密運(yùn)放OP2177和精密電阻組成的四階低通有源濾波電路,能夠很好地濾除系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)噪聲和電源噪聲[11-12],大大減小了系統(tǒng)軟件濾波的壓力。
1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及控制算法
1.2.1 控制框架
系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)控制框圖
圖4中:Us為給定電壓值;Is為給定電流值。電壓環(huán)和電流環(huán)是采用模糊PI結(jié)構(gòu)進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償[13]。根據(jù)穩(wěn)態(tài)特性和靜態(tài)特性的調(diào)整情況,最終電流環(huán)的帶寬為5 kHz,電壓環(huán)的帶寬為1.25 kHz。電壓電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)是一種常見(jiàn)的數(shù)字電源控制結(jié)構(gòu)。當(dāng)電路進(jìn)入恒流狀態(tài)時(shí),電流環(huán)起調(diào)節(jié)作用,電壓環(huán)承擔(dān)過(guò)壓關(guān)斷作用[12]。當(dāng)電路進(jìn)入恒壓狀態(tài)時(shí),電壓環(huán)起調(diào)節(jié)作用,電流環(huán)起過(guò)流關(guān)斷作用。
1.2.2 模糊PI控制算法
PI控制是數(shù)字電源中常用的環(huán)路補(bǔ)償方法,通過(guò)傳遞函數(shù)化簡(jiǎn)和離散域的轉(zhuǎn)換,可以得到離散型PI函數(shù):
(4)
式中:K1為當(dāng)前拍系數(shù);K2為前一拍系數(shù)。
分析其離散型傳遞函數(shù)可知,PI控制其實(shí)也是一種特殊的2P2Z控制[14],因而可以采用環(huán)路補(bǔ)償?shù)乃枷雭?lái)解決P、I參數(shù)設(shè)定問(wèn)題,利用波特圖來(lái)獲取P、I參數(shù)。首先需要獲取系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。獲得系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)途徑有很多,環(huán)路分析儀是較實(shí)用的一種方法。系統(tǒng)經(jīng)PI校驗(yàn)前后的幅值裕量圖和相角裕量圖分別如圖5、圖6所示。由PI調(diào)節(jié)后,系統(tǒng)的相角裕度由校驗(yàn)前的-2°改為校驗(yàn)后的30°。根據(jù)轉(zhuǎn)角頻率,可以得到:Kp=51.6、Ki=1。
圖5 系統(tǒng)幅值裕量圖
圖6 系統(tǒng)相角裕量圖
根據(jù)模糊PI的規(guī)則,可以得到:P=Kp+ΔKp、I=Ki+ΔKi。此外還需要獲得ΔKp和ΔKi。由偏差以及偏差的變化率,可以建立ΔKp和ΔKi的模糊規(guī)則表,模糊化后再經(jīng)加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊,就可以獲得得ΔKp和ΔKi的值。需要說(shuō)明的是,本系統(tǒng)中PI模糊控制器隸屬度函數(shù)采用三角形隸屬度函數(shù)形式。ΔKp和ΔKi模糊規(guī)則分別如表1、表2所示。
表1 ΔKp模糊規(guī)則表
表2 ΔKi模糊規(guī)則表
模糊PI控制和PI控制系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)比圖如圖7所示。從圖7可見(jiàn),模糊PI控制在調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
圖7 系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)比圖
實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了獲得最佳的動(dòng)靜態(tài)性能,主電路參數(shù)會(huì)根據(jù)計(jì)算進(jìn)行微調(diào)。實(shí)際主要參數(shù)為:L=13 μH,輸出電容Co=940 μF,輸入電容Ci=470 μF,開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz。
①系統(tǒng)的精度分析。
實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,由于器件本身的不一致性和元器件本身線(xiàn)性誤差的存在[15],需要將原始電壓、電流數(shù)據(jù)利用Matlab進(jìn)行一次擬合。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)y=kx+b的一次校驗(yàn)后,本系統(tǒng)的電壓和電流精度都保持在0.05%(滿(mǎn)度電流為10 A,滿(mǎn)度電壓為5 V)內(nèi)。電流、電壓測(cè)量數(shù)據(jù)分別如表3、表4所示。
表3 電流精度和線(xiàn)性測(cè)量數(shù)據(jù)
表4 電壓精度和線(xiàn)性測(cè)量數(shù)據(jù)
②試驗(yàn)紋波分析。
在滿(mǎn)度充電情況下,電路輸出電流I=10 A,通過(guò)示波器測(cè)得紋波電流約60 mA;在滿(mǎn)度放電情況下,電路輸出電流I=-10 A,通過(guò)示波器測(cè)得紋波電流約為65 mA。本系統(tǒng)的充放電紋波系數(shù)均在1%以?xún)?nèi)。
采用模糊PI控制的能量回饋性電池化成裝置具有良好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性,電壓和電流的穩(wěn)定
精度都在0.05%(滿(mǎn)度電流:10 A,滿(mǎn)度電壓:5 V)內(nèi),與傳統(tǒng)的化成裝置相比,節(jié)能率高達(dá)70%。從性?xún)r(jià)比來(lái)說(shuō),本文采用的方案是目前能量回饋型電池化成裝置的最佳解決方案之一。當(dāng)然這種方案也存在不足,例如放電電壓不能作為負(fù)壓等問(wèn)題,需要通過(guò)進(jìn)一步研究,使系統(tǒng)更加優(yōu)化。
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Energy Feedback Type DC Converter Used for Battery Formation
LI Keke1,CHEN Jian2,WANG Jieyang1,ZHANG Jiantao1
(1.School of Information Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China; 2.School of Electro-Mechanical Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)
Prior to the first use of battery,repeated charging and discharging are needed.The effect of battery formation may greatly affect the applicative performance of battery.At present,the resistance dissipation mode is mainly adopted in major commercial available formation devices for discharging,so the energy utilization is low.Aiming at this problem,the discharging energy needs to be recovered to achieve recycling use and to improve the efficiency of energy conversion.With the battery formation device based on bi-directional DC converter,high efficient battery energy recovery can be realized and the problem of discharging energy loss can be completely avoided.The switching power supply scheme may further improve the efficiency of energy conversion.In the system,STM32F334 is adopted as the controller,the bidirectional Buck/Boost is used as the main circuit topological structure,and the fuzzy PI structure is selected to compensate the loop,thus the high precision control of the voltage and current during the charging and discharging process is realized,the control precision is up to 0.05% (FS).Comparing with the traditional formation devices,the results indicate that the energy saving rate of the energy feedback type battery formation device is up to 70%,such device will gradually become the mainstream in the market.
Electric vehicle; DC converter; Energy feedback; Battery formation; High precision; Fuzzy control
廣東省省級(jí)科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2014A0103027)
李科科(1990—),男,在讀碩士研究生,主要從事電力電子方向的研究。E-mail:281991401@qq.com。 陳健(通信作者),男,博士,教授,主要從事機(jī)電液控制技術(shù)的研究。E-mail:chenjian7681@163.com。
TH89;TP21
A
10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705006
修改稿收到日期:2016-11-24