適于不同規模儲能電池組的模塊化雙級充電機研究*

嚴干貴，李洪波，段雙明，劉彥宇，朱微

(東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

0 引 言

近年來儲能電站的大規模建立、電動汽車的廣泛應用，使儲能電池得到大范圍的使用[1]。儲能電池使用不當，必將大大縮減其使用壽命。影響其壽命長短的因素有很多，其中一個重要因素便是充放電使用不當。電池的充電過程是否合理對電池本身的影響是最大的，因此采用合理的充電方式，可以大大延長電池的使用壽命[2]。

由于各類電池容量和電壓等級存在較大的差異，所以對相應充電機的性能要求也千差萬別。因此在儲能電池的充電技術領域帶來了一場全新的革命，多種充電方式先后被提出：慢充、快充、三段式充電，恒壓、恒流、恒壓恒流以及脈沖充電等多種充電方式。目前較為常見的傳統線性電源充電器以及可控硅充電器的充電效率低、輸出紋波大、體積笨重，很難滿足不同規模類型儲能電池大功率、高效率充電需求；而高頻開關電源由于其具有高頻率、高效率、小體積，更佳的可控性以及更快的動態相應，使其更加適合于大型儲能電池的充電機設計[3]。

文獻[4-6]中提到利用全橋高頻逆變，經變壓器變壓為多通道降壓輸出的充電電路，此類充電機電路適用于高電壓大功率能量傳遞，輸出輸入之間帶隔離，但其體積較大，不適用于低電壓小容量電池或小型儀器供用電場合。文獻[7-9]設計的充電機使用的拓撲結構為DC/DC降壓斬波通過Flyback變換器隔離升降壓變換濾波輸出的充電電路，此類拓撲使用了前后級的隔離，輸出電壓電流的紋波小、輸出電壓等級固定、傳輸功率較低，適用于對功率要求較低的小電流低電壓供電情況或者較為精密儀器部件供用電場合。

針對上述情況，提出了采用雙Buck級聯拓撲電路設計儲能電池充電機，此樣機對供電電源穩定性要求低，輸出電壓電流紋波小，輸出電壓精準度高，適應于不同功率場合。文中主要介紹雙級型充電機拓撲結構及其工作原理，并制作樣機驗證此方案的可行性。

1 主電路拓撲結構及工作原理

1.1 主電路拓撲結構

模塊化雙級充電機主電路拓撲結構如圖1所示。該主電路由工頻整流電路及雙級Buck變換器級聯而成。

圖1 主電路拓撲結構Fig.1 Main circuit topology structure

電路中由全橋整流模塊D1和濾波電容C1構成AC/DC工頻整流模塊，當電容C1足夠大時，其輸入電壓為220 V交流時，輸出電壓為310 V直流；前級Buck降壓斬波變換器由開關管S1、二極管D2、儲能電感L1以及濾波電容C2構成，其輸入為310 V直流電壓，輸出為經前級降壓的直流電壓；后級Buck降壓斬波變換器由開關管S2、二極管D3、儲能電感L2以及濾波電容C3構成，其輸入為經前級降壓的直流電壓，輸出為供外界使用的精準直流電壓。

此拓撲由兩級Buck降壓變換器電路級聯而成，前級Buck變換器將經工頻整流后的輸入電壓進行初步調節，使其成為利于提高下級精度的更加穩定的直流電壓，后級Buck降壓變換器將對前級輸出電壓做進一步調節，使其具有更高的精度，更佳的穩定性，輸出紋波更小[10]。

1.2 主電路工作原理分析

模塊化雙級充電機主電路拓撲為兩基本Buck斬波變換器級聯得到，其工作原理以基本Buck斬波變換器工作理論為基礎，單、雙級Buck斬波變換器理想工作電壓波形及驅動信號時序圖如圖2所示。

圖2 主電路拓撲理想工作電壓波形及驅動信號時序圖Fig.2 Main circuit topology ideal operating voltage waveform and drive signal time sequence diagram

對于單級Buck斬波變換器，其輸入電壓ui與其輸出電壓uo之間的關系如圖2(a)所示，可用式(1)表示。

(1)

式中α0為開關管驅動PWM信號占空比，其大小由開關管開通時間ton及關斷時間toff共同決定。

對于雙級Buck斬波變換器的工作過程可分為3個階段，其輸入電壓u1與其輸出電壓u3之間的關系如圖2(b)所示。

電路第1階段(t1時刻之前)為外圍電路啟動階段。此階段為交流輸入整流器整流以及控制電路供電啟動，其電路工作等效電路如圖3(a)所示。在理想工況下，即整流器D1無電能損耗、濾波電容C1足夠大時，經過此階段輸出電壓u1與輸入電源電壓u0的關系如式(2)所示。

(2)

電路第2階段(t2時刻即Ⅰ到Ⅱ的過渡時刻)為前級Buck電路作用階段。其工作階段等效電路如圖3(b)所示。此時電路利用前級Buck降壓斬波變換器對輸入直流電壓做第一步降壓調整，使輸入穩定性較差的高電壓變換成穩定性較高的低電壓。經前級Buck變換器調整，此時輸出電壓u2與輸入電源電壓u1的關系如式(3)所示。

(3)

電路第3階段(t3時刻即Ⅱ到Ⅲ的過渡時刻)為后級Buck電路作用階段。其工作階段等效電路如圖3(c)所示。此時電路利用后級Buck降壓斬波變換器對前級Buck降壓變換器輸出直流電壓做進一步降壓調整，使最終輸出電壓穩定性更好、精度更高。經后級Buck變換器調整后輸出電壓u3與前級Buck降壓變換器輸出直流電壓u2的關系如式(4)所示。

(4)

此時可以得出模塊化雙級變換器輸出電壓u3與輸入電源電壓u0之間的關系如下式(5)所示。

(5)

假定單、雙級Buck斬波變換器輸入輸出直流電壓大小相等，即圖中ui=u1，uo=u3。由以上分析可以得到電路中輸入開關管驅動信號PWM占空比α存在以下關系：

α1×α2=α0

(6)

由于0<α1<1且0<α2<1，那么α0<α1且α0<α2。當輸入電壓ui與輸出電壓uo差值較大時，若僅使用單級Buck斬波變換器來實現降壓功能，其輸出電壓uo穩定性及精度將大大降低，而且對輸入端電壓的穩定性也有較高的要求。而對于雙級變換器，其輸出電壓經過兩級電壓變換，其輸出電壓的精度及電壓穩定性增強，使輸入端電壓對輸出端的干擾性降低，其綜合性能指標大大提高。

模塊化雙級變換器的另一大特點便是該充電機可以串并聯使用。充電機并聯使用等效電路如圖4所示。

變換器并聯使用對于負載所接受的電壓大小不變，其目的是為增加輸出電流大小，從而增強電路的驅動能力，使變換器實現對負載的大電流供電。并聯使用的雙級變換器輸出電壓電流關系如下式(7)所示。

(7)

圖3 模塊化雙級型變換器主電路各階段性工作等效電路Fig.3 Modular dual-stage converter main circuit of the stage work equivalent circuit

圖4 雙級Buck變換器并聯運行等效電路Fig.4 Two-stage Buck converter operates in parallel with equivalent circuit

2 雙級型變換器的控制策略分析

模塊化雙級充電機采用前級電壓檢測以及后級電流檢測共同組合的前級電壓閉環與后級電流閉環控制系統，每個控制單元由單獨的PI跟蹤調節，各控制單元之間相互作用，共同實現對系統穩定運行的控制[11]。

充電機啟動后，首先檢測用戶設定的輸出電壓電流值，即設置參考電壓電流值，進而自動設置雙級開關管驅動PWM占空比，開始運行后，單片機不斷實時跟蹤檢測充電機輸出電壓電流值，與預設值比較并判斷是否出現過流過壓、欠壓欠流，據此對輸出PWM占空比進行跟蹤調節。

對于可控變換器，反饋控制回路在調節電路輸出穩定性及輸出精度中起著重要作用，本文所提及的變換器控制回路包括電壓閉環控制和電流閉環控制，電壓、電流閉環控制框圖如圖5所示。

圖5 自動生成PWM的電壓、電流閉環控制框圖Fig.5 PWM automatically generate the voltage and current closed-loop control block diagram

對于以上提及的電壓、電流閉環控制的PI調節基本思路為：檢測前級變換器輸出電壓及后級輸入負載電流，經過誤差放大，產生反饋信息，反饋信息與用戶預設參考信息比較，將所得差值經過比例積分調節生成調制波信號，調制波與載波進行疊加得到控制開關管開關的PWM，進而控制變換器輸出電壓電流，據此達到閉環控制。

3 實驗平臺搭建與結果分析

3.1 搭建硬件實驗平臺

為了驗證雙級型充電機設計的合理性與可行性，以及對于應用優勢的驗證，設計并搭建了一臺容量為5 kVA、可供鉛碳電池充電的模塊化雙Buck級聯變換器實驗樣機，并對此硬件平臺做了相應的測試。搭建的實驗樣機照片如圖6所示。

圖6 模塊化雙級充電機實物圖Fig.6 Modular two-stage charger physical map

該樣機的設計規格如表1所示，樣機的硬件電路設計參數如表2所示，測試用單節電池參數如表3所示。

表1 雙Buck級聯變換器設計規格Tab.1 Dual Buck cascade converter design specifications

表2 雙Buck級聯變換器電路設計參數Tab.2 Dual Buck cascade converter circuit design parameters

表3 測試用蓄電池參數Tab.3 Test battery parameters

實驗涉及主要測試材料：國產閥控密封式鉛碳蓄電池120節；10 Ω，10 kW高精度可變電阻器負載1個；MDO3034示波器，六位半萬用表，220 V交流輸入接觸式滑動變壓器及其他測試儀器。

3.2 實驗結果分析

對于充電機單級Buck工作對單節電池充電時，即充電電路拓撲結構如圖7所示電路。

圖7 單級Buck變換器等效電路Fig.7 Unipolar Buck converter equivalent circuit

充電機單級Buck工作對單節電池充電時，其輸出電壓波形如圖8所示。

圖8 單級Buck拓撲充電機輸出電壓波形Fig.8 Output voltage waveform of single stage Buck topology charger

單級Buck拓撲充電機對單節電池充電，即電路輸入電壓ui=220 V交流，電路輸出電壓uo=2.35 V，從輸出電壓波形可以得到輸出電壓波動Δu≈1.7 V，可得輸出電壓紋波率r為：

(8)

對于充電機單級Buck工作于恒流充電模式時，設置恒流輸出電流iR=20 A，其輸出電流波形如圖9所示。從輸出電流波形可以得到輸出電流波動Δi≈0.23 A，可得輸出電流紋波率r為：

(9)

單級Buck拓撲充電機對單節電池充電時開關管驅動PWM波形如圖10所示。

圖9 單級Buck拓撲充電機輸出電流波形Fig.9 Output current waveform of single stage Buck topology charger

圖10 單級Buck拓撲充電機驅動PWM波形Fig.10 PWM waveforms of single stage Buck topology charger drives

由圖10所示波形及公式(1)計算可得單級Buck電路對單節電池充電時開關管驅動PWM占空比α=0.758%。此時由于PWM占空比較小，所以電路輸出紋波較大，而且對開關管的開關性能要求較高，對電路參數設置要求也相應增加。若此時對單級充電機輸出穩定性及其精度要求增加，則整體造價將大幅上升。

采用本設計雙級Buck充電機對單節電池充電時，充電機前、后級Buck電路輸出電壓波形如圖11所示。對于前級Buck電路輸出電壓U2大小可由式(10)確定。

(10)

由于此時雙級充電機對單節電池充電即u3=2.35 V，輸入端直流等效電壓u1=310 V，由公式(10)得到前級Buck電路輸出電壓u2=27.0 V。如圖11所示雙級型充電機前、后級電路輸出電壓波形可得Δu2≈0.017 V、Δu3≈0.018 V，進而由公式(8)可得輸出電壓紋波率r2=0.000 63、r3=0.007 6。由此可得雙級型充電機輸出電壓紋波率遠小于單級輸出電壓紋波率r=0.72。

雙級Buck變換器對單節電池充電時前、后級開關管驅動PWM波形如圖12所示。由圖中所示波形及公式(1)計算可得雙級Buck電路對單節電池充電時開關管驅動PWM占空比α1=α2=8.7%。此時PWM占空比相較于單級Buck電路PWM占空比有明顯增加，因此對開關管的開關性能要求也隨之降低，對電路參數設置要求也相應減小。

圖11 雙級Buck充電機前、后級電路輸出電壓波形Fig.11 Output voltage waveform of two-stage Buck charger early and secondary circuit

圖12 雙級Buck電路前、后級PWM波形Fig.12 Two-stage Buck charger early, secondary circuit PWM waveforms

采用雙級充電機對十節串聯電池充電時，充電機前、后級Buck電路輸出電壓波形如圖13所示。

圖13 雙級Buck充電機前、后級電路輸出電壓波形Fig.13 Output voltage waveform of two-stage Buck charger early and secondary circuit

雙級Buck充電機對十節串聯電池充電時，輸出電壓u3=23.5 V，對于前級Buck輸出電壓由公式(10)可得u2=85.35 V。如圖13所示輸出電壓波形可得Δu2≈0.31 V、Δu3≈0.13 V，進而由公式(8)可得輸出電壓紋波率r2=0.003 6、r3=0.005 5。

雙級Buck電路對十節串聯電池充電時開關管驅動PWM波形如圖14所示。由圖中所示波形及公式(1)計算可得雙級Buck電路對十節串聯電池充電時開關管驅動PWM占空比α1=α2=27.5%。

圖14 雙級Buck電路PWM波形Fig.14 PWM waveform of two-stage Buck circuit

對于充電機雙級Buck工作于恒流充電模式時，設置恒流輸出電流iB=1 A，其輸出電流波形如圖15所示。當雙極Buck充電機工作于恒流充電模式下，充電機控制系統不斷檢測后級輸出電壓大小，根據實時檢測到后級輸出電壓u3與輸入電壓u1根據公式(10)確定前級輸出電壓u2的大小。

圖15 雙級Buck拓撲充電機輸出電流i=1 A波形Fig.15 Two-stage Buck topology charger output current waveform i=1 A

從輸出電流波形可以得到輸出電流波動ΔiB≈0.01 A，根據公式(9)可得輸出電流紋波率r=0.01。

對于充電機雙級Buck工作于恒流充電模式時，設置恒流輸出電流iB=20 A，其輸出電流波形如圖16所示。

從輸出電流波形可以得到輸出電流波動ΔiB≈0.1 A，根據公式(9)可得輸出電流紋波率r=0.005。在同等輸入輸出條件下，雙極Buck充電機與單極Buck充電機輸出電流紋波率相比有明顯降低。

通過以上單級、雙級Buck變換器實驗輸出電壓、電流波形以及開關管驅動PWM波形可以得到：雙級變換器輸出電壓、電流更穩定，輸出精度更高，PWM波形占空比增大。由此可得雙級Buck變換器對電池的沖擊更小、對于器件性能等級要求更低，故而增加了蓄電池的使用壽命、減少了充電機制造成本。

圖16 雙級Buck拓撲充電機輸出電流i=20 A波形Fig.16 Two-stage Buck topology charger output current waveform i=20 A

4 結束語

設計了可適用于不同規模或單節儲能電池充電、可串并聯使用的雙級型模塊化充電機模型，制作了一臺可為鉛碳電池充電樣機，并對其工作原理以及控制方法做出簡要分析。由實驗結果證明了設想的正確性與可行性，得出本設計的主要特點為：充電機輸出電壓、電流紋波率小，輸出精度高，對電池沖擊小，間接增加了儲能電池的使用壽命；雙級開關驅動PWM占空比相對加大，對設計器件性能要求低，硬件上更易實現，制造成本相對降低；充電機可串并聯使用，適用于大電流或高精度電壓輸出場合。該電路的設計對于大規模儲能電站建設以及電動汽車的快速發展具有較大的推動作用，對于高精度電壓輸出以及大電流輸出電源設備的設計具有引導和借鑒意義。