一種基于混合法充電模式的混合電源均衡充電控制單元設計

丁　堯　　袁　杰　　沈慶宏（.南京大學金陵學院，江蘇 南京 0089；.南京大學電子科學與工程學院，江蘇 南京 0093）

一種基于混合法充電模式的混合電源均衡充電控制單元設計

丁堯1袁杰2沈慶宏2
（1.南京大學金陵學院，江蘇 南京 210089；2.南京大學電子科學與工程學院，江蘇 南京 210093）

為了滿足目前電子設備對離線供電的要求，特別是分布式電源管理和大電流放電的具體目的。本文在分析研究均衡充電和超級電容的工作原理基礎上，提出了一種基于打斷式充電方法。通過仿真和對四節單體樣品充電，得出這種DC/DC+開關矩陣的充電方法，在對單體數目較少的分布式電源進行充電時，可以起到均衡充電的作用。

分布式電源管理；超級電容；均衡充電；DC/DC

一、前言

隨著便攜式電子儀器設備、數字移動終端、電動力機車等電子技術裝備的高速發展，特別是一些負載用電子設備的投入使用，由于其具有峰值功率高但平均功率低的特點，因此在峰值期間，需要電源提供較大的電流輸出。廣泛使用的蓄電池具有功率密度小、充放電慢等缺點，如果要滿足大電流輸出的需求，需要蓄電池具有很大的容量，這會增加設備負載，同時大電流放電也會對電池的壽命產生影響。超級電容作為一種新型儲能元件，具有快速充放電、循環使用壽命長、功率密度大、工作環境適應性強、安全無毒等優點，這些優點非常適用于脈動性負載，但其能量密度低，無法取代傳統蓄電池來獨立給負載進行供電。目前常見的是將蓄電池能量密度大、超級電容功率密度大等特點結合，設計一種混合電源來提高電源峰值輸出功率、減少電源體積質量投入應用。

圖1 目前常用均衡充電方法分類

圖2 多繞組變壓器法原理圖

然而單模塊的混合電源額定電壓為3.2V，無法滿足高電壓設備的輸出需求，因此需要將這種混合電源進行串并聯，來滿足設備的供電需求。而組合電源中單體的過度充放電則會降低電源組使用壽命，甚至可能會發生爆炸威脅設備安全。造成單體電源過度充放電的最根本原因是由于電源組內各單體電源間的容量差異，解決這個問題的方法之一是均衡充電，目前研究主要側重于兩部分：一部分是對均衡充電電路拓撲的設計，另一部分是對均衡控制策略的研究。關于對均衡充電電路拓撲的設計，主要有電阻放電均衡法、開關電容法、開關電感法、DC/DC法、多繞組變壓器法等。目前常用的均衡法主要存在均衡時間長、缺乏普適性等問題，同時采用基于電池外壓一致性來判據均衡存在不穩定性等因素。如何快速高效的對電源組內單體電源均衡充電，是目前業內研究的一個重要方向。

本項目從超級電容入手，以四個混合電源串聯為研究對象，基于DC/DC法，利用開關矩陣，采用多平衡充電復合設計思路，提出交叉充電設計理念，設計一種電源管理系統，建立相關充放電數學模型，提出一種快速充電方法，并通過實驗驗證了該系統的可行性。

二、常用均衡充電方法介紹

如圖1所示，常用的均衡充電方法可以依據能量損耗分為能耗型和非能耗型，其中能耗型均衡是通過在電源組中各單體電源兩端分別并聯分流電阻，通過分流電阻對容量高的單體電池進行放電，直至所有單體電池容量在同一水平。這種電路設計簡單，成本低，但分流電阻會一直處在工作狀態，將單體電源的能量以熱量的形式消耗掉，一般適用于能量充足、散熱良好的場合。本項目主要就非耗散型均衡電路進行研究，常見的非能耗型均衡電路有多繞組變壓器法、開關電容法、開關矩陣串并聯轉換充電法、DC/DC法，其原理如圖2、圖3、圖4、圖5所示，上述各種方法的優缺比較見表1。

圖3 開關電容法原理簡圖

圖4串并聯轉換充電法

常見的DC/DC有升壓型、降壓型和升降壓型三種，考慮到適用范圍，本文選取了升降壓型DC/DC轉換器。升降壓電路原理如圖5所示，既可以作為降壓電路來使用，又可以做為升壓電路來使用，其中L為電感，D為單向導通二極管，C為電容，T為功率管，當T的控制端輸入整脈沖電壓時，T正向導通，為零時截止。功率管導通階段，由于D的存在，輸入電流通過T和L后返回，此時VL=Vi，電感電流逐步增大。當到t1時刻，T斷開，輸入電壓Vi與后端斷開，L的電流經過負載后通過D返回，同時電容C上的電流也通過負載返回負端。電感電流逐步減少，電壓反向，電感作為能量源，此時電感電壓VL=Vo。

功率管導通階段，電感電流：

功率管關斷階段，電感電流：

根據電流平衡原理：

其中D=t1/T為占空比。

從上述可以看出，輸入電壓與輸出電壓的比值可以通過輸入方波的占空比進行調節，即依據輸入電壓的變化，通過控制DC/DC電路控制端的方波輸入，實現輸出電壓恒定。

DC/DC充電法的原理如圖6所示，是利用DC/DC模塊并聯充電單體來進行恒壓充電，當電源單體電壓低于其額定值時進行充電，監測到其電壓值達到額定電壓時關閉該DC/DC模塊。該方法系統電源可以同時對各個電源單體進行充電，精度高，損耗少，充電速度快，但是由于DC/DC模塊的數量與電源單體數量相等，當電源單體串聯數量較多時，整個電路系統會變得非常龐大、復雜，成本也變得比較高。

圖5 升降壓型DC/DC轉換器原理簡圖

三、一種改進新型的均衡充電電路設計

對比上述幾種均衡充電電路，針對其優缺點，設計一種以FPGA為核心，基于開關矩陣和DC/DC組合的新型的均衡充電電路，這種電路僅采用一個DC/DC模塊，通過開關矩陣進行循環充電。由于采用一個DC/DC模塊保證了均衡充電的精確性，同時電路成本也有所降低，但這種方法受開關矩陣工作限制，不適用于過多的電容充電，如果需要對多個超級電容充電，則可以將其分組采用該方法，然后組間采用并聯模式進行均衡充電。

該系統原理如圖7所示，其中左側為充電模塊，右側為監控模塊。系統具體工作流程如下：FPGA對DC/DC模塊進行波形控制，變壓后輸出對各個單體電源進行充電，充電目標由FPGA控制開關矩陣進行選擇。開關矩陣由SW1、SW2、SW3、SW4單刀四置開關和一個單刀開關SW5組成，充電時，首先將SW5斷開，當四個四置開關均至1位置時，DC/DC模塊將對單體電源1進行充電。同理可以分別對單體電源2、3、4進行充電，充電完畢后四個四置開關斷開，SW5閉合。FPGA通過AD1實時監控充電電流，并依據采樣值對DC/DC模塊和開關網絡進行控制。在充電過程中，系統實時監測電源單體電壓，監測值通過光耦將數據耦合到AD2，采樣后送至FPGA分析，來控制開關矩陣，分別對單體電源模塊1、2、3、4充電。

圖7 一種復合式均衡充電設計原理框圖

四、針對超級電容的打斷法充電方式的改進

傳統的充電方式多采用“先恒流后恒壓”的兩段式充電方式，該方法可以避免尖峰電流對單體電源和DC/DC電路的沖擊，起到保護設備的作用。第一階段采用恒流方式，單體電源電壓隨著時間的逐步升高，當單體電源電壓達到一定值后，轉入恒壓模式，充電電流逐步降低，直至充滿。本項目就第一階段充電過程進行分段處理，采用打斷方式進行充電，既保護了單體電源中的超級電容，對充電時間也沒有明顯的影響。具體工作原理如下：FPGA通過A/D采樣系統電壓電流，當電流值過大時，則 FPGA 芯片關閉 DC/DC 模塊的控制端幾個周期，此時 DC/DC 模塊處于不工作狀態，則充電電流迅速下降，超級電容器單體電壓值不再上升，然后 FPGA芯片打開開關，繼續對 PWM 端進行控制，這樣就可以維持充電電流基本恒定，當電源單體電壓升高到一定值后，充電方式改為恒壓充電，即將DC/DC模塊PWM控制端的方波占空比固定，直至單體電源充電到額定電壓，完成對該電源單體的充電，然后切換開關位置，對下一個電源模塊充電。

根據充電方法，FPGA的控制流程如圖8所示，系統啟動時，所有開關均置1的位置對超級電容器C1進行充電控制，DC/DC電路的PWM端采用占空比D=d的波形進行充電，當檢測到充電電流偏大時，關閉PWM端，此時D=0，充電電流下降，當充電電流I下降至所要求電流以下時打開PWM端的控制繼續進行D=d的充電模式，直至超級電容器C1的電壓值已充至要求值，然后采用恒壓的方式進行充電即D為固定值充電至其額定電壓，然后轉換開關至下一個超級電容器單體，如此輪循，最后完成對整個超級電容器組的均衡充電。

圖8 FPGA控制流程圖

圖9 間斷式充電仿真效果

五、總結與分析

本項目綜合幾種均衡充電方法，提出一種基于開關矩陣和DC/DC的均衡充電系統，根據設計的充電系統建立相關模型，充電過程中采用間斷式充電方法，保證單體電源中的超級電容工作在額定電流范圍內，充電過程仿真如圖9所示。

項目以四節maxwell的BCAP0350超級電容為充電單體樣本，其額定電壓為2.7V，額定容量為350F。采用該方法充電，均衡完成后，四個電容器單體電壓值如表1所示，同組最大單體誤差為0.07V，基本達到了均衡充電目的。

從本項目仿真及驗證效果來看，采用了DC/DC+開關矩陣模式，減少了直流轉換模塊，增加了開關矩陣網絡，當電源組中電源單體數目增加時，開關矩陣的復雜度會成本增加。本項目提出的系統設計方法可以應用與單體數目較少的工作環境，針對單體數目較多的情況，可以采用多組并聯的方式進行。如何平衡組內單體充電時間與單體成組數目，是下一個階段的研究方向。

表2 充電結果測量值

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