儲能型高頻開關變換恒流驅動電源技術研究

任先文，譚志遠，謝 利，胡 斌，余 濤

（中國工程物理研究院應用電子學研究所，四川 綿陽 621900）

0 引 言

在儲能領域，鋰離子電池是新能源代表技術之一，在便攜式電源、電動汽車以及儲能系統等領域應用廣泛[1-4]。高倍率鋰離子電池單體作為高功率鋰離子蓄電池組的核心器件，很早就引起了研究人員和工程技術人員的廣泛關注[5-7]在電能變換領域，隨著功率半導體技術的發展，開關電源逐漸向小型化和輕量化發展，并在通信、新能源等領域驗證了其成熟性和可靠性[8,9]。

本文根據激光二極管陣列驅動和移動平臺對大功率電源小型化的要求，開展儲能型激光恒流驅動電源技術研究。

1 儲能型激光恒流驅動電源

1.1 激光二極管驅動特性

光纖激光器為主震蕩功率結構，并采用多陣列模塊構建系統以提高功率輸出。高亮度抽運激光二極管作為激光器的主要器件[10]，其驅動恒流變換模塊必須嚴格滿足其非線性電學特性，同時電源系統必須滿足多陣列模塊的驅動需求。圖1（a）是典型激光二極管圖片，圖1（b）為輸入功率與電壓的特性曲線。

圖1 光纖耦合模塊與電學特性

1.2 儲能型恒流驅動電源系統構建

恒流驅動電源系統如圖2所示。系統采用激光恒流變換模塊作為激光二極管陣列的驅動電源，并采用高功率鋰離子蓄電池組作為激光恒流變換模塊為大功率元器件供電。

激光恒流變換模塊組成如圖2（b）所示。激光恒流變換模塊由4個子束驅動電源組成。為滿足主震蕩功率結構需求，每個子束驅動電源包括1個振蕩級驅動源和3個放大級驅動源。

圖2 儲能激光恒流驅動電源系統及恒流變換模塊

2 高功率儲能技術發展

2.1 技術繼承與發展

20世紀60年代初，各國研究人員開始研發鋰二次電池，但發展緩慢；20世紀80年代，Armand提出了“搖椅電池”的概念；1990年Sony公司研發出了鋰離子電池，在全球范圍掀起了產業化浪潮。21世紀初，為減小對化石能源的依賴、保障能源安全和減少環境污染，世界主要國家都大力發展新能源汽車、風光放電技術和電力儲能技術，促進了大規模儲能電源技術的發展[1-4,11,13]。

高功率儲能電源技術主要繼承和發展新能源電動汽車儲能技術，主要包括高倍率鋰離子電池單體、電池管理和集成技術。表1列出了技術繼承和發展的狀況。

表1 高功率儲能電源技術繼承和發展新能源汽車技術的狀況

2.2 高倍率鋰離子電池單體

高倍率鋰離子電池的主要材料包括正極材料、負極材料、電池隔膜和電解液[13]。表2列出了各種材料的特點和改善方法。

表2 高倍率鋰離子電池材料和改善方法

2.3 典型高倍率鋰離子電池單體充放電特性

洛陽儲變電公司和天津空間電源公司研發了高倍率鋰離子電池單體。例如，AA20F-P型號，LiFePO4/C材料體系，方形鋁殼，容量20 Ah，高度105 mm，寬度148 mm，厚度26.7 mm，極柱中心距離104 mm，質量790 g。常溫下AA20F-P的放電曲線如圖3（a）所示，在25 C放電條件下AA20F-P的溫升特性如圖3（b）所示，極柱溫升10 ℃，殼體溫升18 ℃。在50 C放電條件下，它有極高的庫倫轉換效率，放出90%的容量，表現出完美的高功率放電特性。該電芯在脈沖功率狀態，最高放電電流可以達到1 500 A。

圖3 AA20F-P的放電特性和溫升特性

2.4 儲能型驅動電源

2.4.1 電池組

由于方向鋁殼在機械強度和導熱方面有相當的優勢，成組效率較高，因此本項目采用的電池模組如圖4所示。首先，在每兩只電池之間貼附一片2 mm后的硅膠墊片和2.1 mm厚的導熱絕緣墊片，然后通過壓力工裝或者壓力機將模組壓縮到一定長度，套上鋼帶，通過硅膠墊片的彈性回復力來達到箍緊鋼帶的目的。其中，硅膠墊片的主要作用是絕緣和配合鋼帶使模組被箍緊；導熱絕緣墊片的主要作用是在各個單體電池之間導熱和絕緣，達到模組內部單體電池溫度均勻的效果，保證單體電池在放電過程中溫度的一致性。

圖4 方形鋁殼模組設計

以放電90 kW的電池包設計為例，如圖5所示。每個電池箱內包含4個18串電池模組和1個20串電池模組。模組與模組之間的連接選擇焊接方式，模組的輸出采用線纜的形式從匯流排上引出，最后通過接插件對外輸出。

圖5 放電90 kW電池組設計

2.4.2 激光恒流驅動變換模塊

根據激光二極管的特性和大功率激光系統的需要，研制了激光恒流驅動變換模塊。

每臺激光恒流變換模塊包含4個子束驅動源，每個子束驅動電源包含3個放大級驅動輸出和1個振蕩級輸出。它可以完成4臺恒流驅動電源Can的組網通信，可以通過計算機控制任何一臺恒流源任何一路的啟動和停止，同時可向計算機返回測量電壓、電流數據以及故障狀態。

該項目要求體積小、效率高、高可靠及高穩定性，能夠適應各種惡劣環境的工作，因此在電路形式上宜采用簡潔可靠的電路形式。選用非隔離降壓型BUCK開關變換電路，這種電路形式使用的元件數量少，工作原理簡單，電路結構如圖6所示。該電路采用非隔離降壓DC-DC變換電路，包含過壓過流保護電路、BUCK功率變換電路、濾波電路、電流采樣、PID閉環電路和輸出保護電路。

圖6 放大級電路原理框圖

振蕩級驅動電源輸出電壓較低，只有10～35 V，輸入電壓可高達200～400 V。一級變換降壓比不足，因此采用兩級變換實現。前級變換采用DC-DC轉換模塊將輸入電壓從200～400 V降至24 V定值，后級變換采用BUCK電路完成24 V至10～35 V的變換輸出，采用與放大級相同的技術路線實現恒流變換。

研制了4臺20 kW的激光恒流變換模塊，單個模塊如圖7所示。

圖7 20 kW激光恒流變換模塊

2.4.3 測試結果

完成研制后，在激光二極管陣列模擬負載上進行測試。具體地，在輸入電壓值210 V、300 V、350 V、400 V的輸入條件下和75 V、150 V、165 V的輸出條件下，對4臺儲能型激光恒流變換模塊進行測試。結果顯示：輸出功率分別達到21.8 kW、21.0 kW、21.2 kW、21.3 kW，總功率85.3 kW；激光恒流變換模塊能量轉換效率分別為93.1%、93.3%、94%、93.5%；電流紋波最大值50 mA；電流超調最大值1.8%；電流上升時間最大值16 ms；過壓保護值最大180 V；功率比質量的最小值為1.2 kW/kg。

3 結 論

根據激光二極管電學非線性特性和大規模激光二極管陣列的需求，構建恒流驅動電源系統，采用高倍率鋰電池單體和高效高頻開關電源技術，研制了儲能型高頻開關變換恒流驅動電源。經過測試，總輸出功率達到85.3 kW，且輸出電流的質量滿足激光二極管陣列的需求。