級聯(lián)電源時序控制方法

譚強,高迎慧,陳洪濤,康鑫,孫鷂鴻,嚴(yán)萍

(1.中國科學(xué)院 電工研究所,北京 100190;2.中國科學(xué)院 電力電子與電氣驅(qū)動重點實驗室,北京 100190;3.中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院,北京 100049)

0 引言

脈沖功率電源由初級供能能源、儲能或脈沖發(fā)電系統(tǒng)、脈沖成形或能量時間壓縮系統(tǒng)組成。串聯(lián)諧振電路、降壓斬波電路和電池組級聯(lián)(BPCSs)電路等是脈沖功率電源初級供能能源單元常用的拓撲電路。串聯(lián)諧振電路技術(shù)成熟,在電磁推進系統(tǒng)中需多路并聯(lián),因此體積較大,不符合系統(tǒng)小型化要求。降壓斬波電路體積小,在高頻高壓指標(biāo)下對回路限流電感要求較高,導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定因素增加。BPCSs電路由海軍工程大學(xué)率先提出,具有功率密度大、能量密度高等優(yōu)勢。目前,試驗用電磁推進系統(tǒng)需滿足小型化、高效充電以及野外試驗相關(guān)要求,因此BPCSs電路的研究逐漸成為熱點。

BPCSs電源應(yīng)用廣泛,基于電磁推進的BPCSs電源通常由電池組、電力電子裝置、電阻器、電感器和脈沖電容器組成,如圖1所示。圖1中:～E為電池組,為電池組組數(shù),每級電池組電壓均為;為每級電池組的等效內(nèi)阻;為每級電池組的等效電感;～D為二極管;～S為絕緣柵雙極晶體管(IGBT),二極管與IGBT共同組成高壓開關(guān)組件;為回路電感;為回路電阻;為脈沖電容;為脈沖電容器電壓;為回路電流。

圖1 BPCSs電源拓撲電路Fig.1 Topology circuit of BPCSs power supply

BPCSs電源工作原理為電池組按時序串聯(lián)形成級聯(lián)模塊,對負載充電。電池組可持續(xù)提供電能,并減小對電網(wǎng)瞬時功率的需求,其較高的能量密度可保證脈沖電容器多次、快速貯存能量。作為高儲能密度供能裝置,電池組種類繁多,近些年采用鋰電池級聯(lián)的電源取得了良好的發(fā)展態(tài)勢。鋰電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長及自放電小等優(yōu)點,被認為是儲能應(yīng)用的主要替代能源。錳酸鋰、鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三元材料是常用的鋰電池材料。錳酸鋰電池成本低,是儲能電站和電動工具等常用的供能裝置;鈷酸鋰電池制備工藝簡單、充放電電壓較高、循環(huán)性能優(yōu)異,在消費類電子產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛;目前大規(guī)模應(yīng)用于電動汽車和電網(wǎng)儲能領(lǐng)域的是磷酸鐵鋰電池,其壽命長、安全性高,越來越受到市場的青睞;而采用鎳鈷錳三元材料的鋰電池發(fā)展勢頭明顯,其電池能量密度比目前國內(nèi)市場上風(fēng)頭正勁的磷酸鐵鋰電池高35%,是解決電動汽車?yán)m(xù)航里程不足的有效方案。但是鋰電池的性能會因其電化學(xué)成分的降解而隨時間和使用時間下降,從而導(dǎo)致容量和功率衰減。

目前,眾多學(xué)者對BPCSs電源進行了研究,李超等針對BPCSs電源的脈沖電容器電壓充電精度問題提出延遲、續(xù)流補償方法,利用電池的提前關(guān)斷補償過充能量,達到脈沖電容器電壓精確控制的目的。Liu等針對10級的BPCSs電源展開研究,將電池組投入間隔時間固定,以保證每級電池組投入后回路電流的一致性。龍鑫林等研究了BPCSs電源電池內(nèi)阻、線路電感等參數(shù)不確定性帶來的電流幅值偏低問題,提出了時序重構(gòu)方法來消除誤差影響,并達到在電路參數(shù)非理想情況下縮短充電時間的目的。

本文采用鋰電池(以下統(tǒng)稱電池組)作為初級供能能源,針對BPCSs電源重頻工作模式下,由于電池容量衰減、回路平均電流減小、規(guī)定時間內(nèi)脈沖電容器電壓低于設(shè)定值的問題,提出時序動態(tài)調(diào)整算法,重點研究電池容量衰減后改變時序、調(diào)節(jié)充電時間和平均電流的控制方法。本文所提方法具有縮短脈沖電容器充電時間和提高BPCSs電源平均電流的優(yōu)勢,可應(yīng)用于電磁推進的重頻模式。

1 BPCSs電源模型建立及時序動態(tài)調(diào)整算法

1.1 BPCSs電源模型建立

基于BPCSs的電源通過電池組級聯(lián)完成脈沖電容器的充電,其電路結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。圖2中,L為級電池組串入回路后的等效電感,R為級電池組串入回路后的等效電阻,為二極管,為電池組串入回路級數(shù),為二極管的管壓降,為IGBT的管壓降,為IGBT。

根據(jù)圖2,可以列寫t時刻級電池組串入回路時的電壓平衡方程:

圖2 等效電路Fig.2 Equivalent circuit

式中:

當(dāng)R＜2L/C時電路滿足欠阻尼條件,脈沖電容器電壓以及回路電流為

式中:

1.2 時序動態(tài)調(diào)整算法

基于時序重構(gòu)前移算法的BPCSs電源可滿足高功率、大電流環(huán)境下電磁推進系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。其快速充電的優(yōu)勢在電磁推進領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,算法流程圖如圖3所示。本文時序動態(tài)調(diào)整算法需要滿足每級電池組串入回路產(chǎn)生的最大電流,不超過電流設(shè)定值和求解到達最大電流的時刻。分別對(6)式和(12)式中的求導(dǎo),得到過阻尼狀態(tài)和欠阻尼狀態(tài)下到達最大電流的時刻,如(17)式和(18)式所示。

圖3 時序重構(gòu)前移算法流程Fig.3 Flowchart of time sequence reconstruction and forward algorithm

將代入回路電流公式,即可得到回路最大電流。時序動態(tài)調(diào)整算法以時序重構(gòu)前移算法為基礎(chǔ),針對BPCSs電源電池組容量衰減導(dǎo)致的回路電流減小的問題,提出了監(jiān)測實際回路電流與理論回路電流的差值,動態(tài)調(diào)整下一級電池組的時序來縮短充電時間,從而保證每個充電輪次的一致性,控制框圖如圖4所示。首先由電池電壓給定參考值和時序重構(gòu)前移算法得到每級電池組串入電路的時序,然后計算回路電流參考值,實時采集回路實際電流并與做差值,最后根據(jù)差值的大小動態(tài)調(diào)整時序,完成控制過程。

圖4 時序動態(tài)調(diào)整算法控制方框圖Fig.4 Control block diagram of time sequence dynamic adjustment algorithm

圖5詳細介紹了時序動態(tài)調(diào)整算法的工作原理。圖5中,為下一級電池組串入回路的理論時序,、為下一級電池組串入回路的實際時序。當(dāng)實際回路電流大于理論值時,如果下一級電池組仍在時刻串入電路而其他參數(shù)保持不變,則下一級電池組串入后回路電流將超過電流設(shè)定值,造成開關(guān)器件的損壞。因此,需要將時序調(diào)整到,以確保最大電流不超過電流設(shè)定值。當(dāng)實際回路電流小于理論值時,如果下一級電池組仍在時刻串入電路而其他參數(shù)保持不變,則下一級電池組串入后回路電流將低于電流設(shè)定值,規(guī)定時間內(nèi)脈沖電容器電壓將低于電壓設(shè)定值。因此,需要采用時序動態(tài)調(diào)整算法將時序調(diào)整到,從而提高回路平均電流,縮短BPCSs電源充電時間。根據(jù)電路參數(shù)設(shè)定,時序調(diào)整規(guī)律為:當(dāng)-=時,前移時序×0.001 s(其中為整數(shù),0.001 s代表算法的步長);當(dāng)-=時,后移時序×0.001 s。具體實施過程為:在下一級電池組串入回路之前的時刻,調(diào)整當(dāng)前級之后所有級電池組的時序,實際試驗則根據(jù)電路參數(shù)相應(yīng)的微調(diào)。

圖5 時序動態(tài)調(diào)整算法的工作原理Fig.5 Operating principle of time sequence dynamic adjustment algorithm

2 仿真驗證及分析

根據(jù)數(shù)學(xué)模型和時序動態(tài)調(diào)整算法,在PSIM軟件中建立仿真模型,對電池組恒壓模式、電池組容量衰減模式和時序動態(tài)調(diào)整模式進行仿真分析。其中電池組恒壓模式是BPCSs電源中電池組電壓恒定為脈沖電容器充電狀態(tài);電池組容量衰減模式是電池組電壓減小后為脈沖電容器充電狀態(tài),此時不調(diào)整任何時序;時序動態(tài)調(diào)整模式則是在電池組電壓衰減時,疊加時序動態(tài)調(diào)整算法的脈沖電容器充電狀態(tài)。分別搭建3種模式的仿真模型進行對比實驗,仿真參數(shù)如表1所示,脈沖電容器電壓和回路電流的仿真波形如圖6、圖7和圖8所示。仿真中電壓設(shè)定值為2 000 V,電流設(shè)定值為1 000 A,=0 s時刻啟動充電,并設(shè)定仿真步長為0.001 s。仿真結(jié)果顯示:電池組恒壓模式下脈沖電容器電壓在=2.064 s達到電壓設(shè)定值,平均電流741.3 A,平均功率741.3 kW(見圖6)。電池組對脈沖電容器多次充電后容量下降,設(shè)電池組的電壓從560 V降到520 V,充電過程不調(diào)整時序,脈沖電容器電壓在=2.189 s時達到電壓設(shè)定值,平均電流698.4 A,平均功率699.0 kW(見圖7)。為減小電池組容量衰減的影響,仿真加入時序動態(tài)調(diào)整算法。仿真結(jié)果顯示脈沖電容器電壓在=1.950 s時達到電壓設(shè)定值,平均電流784.6 A,平均功率784.6 kW。將電池組按調(diào)整后的時序串入回路,最大電流等于電流設(shè)定值(見圖8)。將3種模式在上述充電過程中的回路電流波形進行對比,如圖9所示。相關(guān)對比結(jié)果見表2。由表2可知,時序動態(tài)調(diào)整算法使得回路最大電流達到電流設(shè)定值1 000 A,縮短約11.0%的充電時間,與電池組容量衰減模式相比,平均電流提升12.3%,平均功率提升12.2%。

圖6 電池組恒壓模式電容器電壓和回路電流仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of pulse capacitor voltage and circuit current in the constant voltage mode of battery pack

圖7 電池組容量衰減模式電容器電壓和回路電流仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of pulse capacitor voltage and circuit current in the capacity-loss mode of battery pack

圖8 時序動態(tài)調(diào)整模式電容器電壓和回路電流仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of pulse capacitor voltage and circuit current in the dynamic time sequence adjustment mode

圖9 回路電流仿真波形對比Fig.9 Simulation waveform comparison of circuit current

表1 仿真參數(shù)表Tab.1 Simulation parameters

由表2時序數(shù)值可知,時序動態(tài)調(diào)整算法通過調(diào)整電池組串入回路的時刻,在電池組容量衰減情況下縮短充電時間,提高平均電流和平均功率,保證BPCSs電源重頻工作中脈沖電容器電壓在規(guī)定時間內(nèi)達到電壓設(shè)定值,對于維持電磁推進狀態(tài)的一致性,實現(xiàn)電磁推進系統(tǒng)重頻充電過程快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地完成,具有重要意義。

表2 仿真結(jié)果參數(shù)Tab.2 Parameter table of simulated results

3 試驗驗證及分析

3.1 試驗驗證

為了驗證時序動態(tài)調(diào)整算法的有效性,在BPCSs電源平臺進行了相關(guān)試驗。其系統(tǒng)控制框圖如圖10所示,霍爾元件采集回路電流轉(zhuǎn)換成電信號并上傳給控制器,在控制器中利用理論回路電流,通過時序動態(tài)調(diào)整算法計算出下一級電池組串入回路的時序,試驗平臺滿足采集一次回路電流數(shù)據(jù)并進行算法運算下發(fā)給IGBT的時間在0.001 s內(nèi)。算法開始前需在上位機完成電路參數(shù)的設(shè)定,如圖11所示,點擊計算時序,得到電池組的時序。

圖10 系統(tǒng)控制框圖Fig.10 Control block diagram of the system

圖11 上位機參數(shù)設(shè)置Fig.11 Parameters setting in upper computer

電池組恒壓模式、電池組容量衰減模式和時序動態(tài)調(diào)整模式充電過程的脈沖電容器電壓和回路電流分別如圖12、圖13和圖14所示。圖12～圖14表明:電壓設(shè)定值2 000 V下,脈沖電容器電壓從=0 s時刻開始上升,充滿時刻電壓穩(wěn)定在2 000 V。電池組恒壓模式下脈沖電容器電壓在=2.160 s達到電壓設(shè)定值,平均電流726.5 A,平均功率708.3 kW。電池組容量衰減模式下脈沖電容器電壓在=2.250 s達到電壓設(shè)定值,平均電流694.0 A,平均功率680.0 kW。時序動態(tài)調(diào)整模式下脈沖電容器電壓在=2.040 s達到電壓設(shè)定值,平均電流765.0 A,平均功率750.0 kW。3種模式回路的電流如圖15所示,相關(guān)試驗結(jié)果見表3。經(jīng)分析可得相較于容量衰減模式,時序動態(tài)調(diào)整算法可有效提升充電效率,縮短充電時間。此外,該模式下平均電流提升10.2%,平均功率提升10.3%。

圖12 電池組恒壓模式電容器電壓和回路電流試驗波形Fig.12 Experimental waveforms of pulse capacitor voltage and circuit current in the constant voltage mode of battery pack

表3 試驗結(jié)果參數(shù)Tab.3 Parameter table of experimental results

圖13 電池組容量衰減模式電容器電壓和回路電流試驗波形Fig.13 Experimental waveforms of pulse capacitor voltage and circuit current in the capacity-loss mode of battery pack

圖14 時序動態(tài)調(diào)整模式電容器電壓和回路電流試驗波形Fig.14 Experimental waveforms of pulse capacitor voltage and circuit current in the dynamic time sequence adjustment mode

圖15 回路電流試驗波形對比Fig.15 Experimental waveform comparison of circuit current

3.2 電流控制精度分析

由圖10系統(tǒng)控制框圖可知,影響電流控制精度的因素主要有:1)霍爾元件的精度;2)控制器采集電流信號并完成時序求解運算用時;3)電池組接收到信號并驅(qū)動IGBT直至導(dǎo)通的時間;4)充電過程由于電感器溫升導(dǎo)致的電感器阻值變化;5)充電過程電池容量的衰減。

霍爾元件采集電流轉(zhuǎn)變成電信號,其精度為萬分之五,控制器采集電流信號并完成時序求解運算用時=5.5 ms,電池組接收到信號并驅(qū)動IGBT直至導(dǎo)通的時間=3μs。試驗測試時序動態(tài)調(diào)整算法在充電2 000 V條件下電感器溫度升高30℃,阻值由0.42Ω增大到0.45Ω。由以上分析可知:較短,可忽略其影響;縮短可提高控制的精度,但目前基于試驗平臺硬件配置,精度只能控制在以上水平;對于電感器電阻值變化對控制精度的影響,從試驗結(jié)果來看充電時間有效提升,而平均電流也相應(yīng)提高,對控制精度影響不大,可保證電流控制的精度;充電過程電池容量的衰減無法實時預(yù)測,但通過時序調(diào)節(jié)可保證控制精度滿足規(guī)定時間內(nèi)脈沖電容器電壓達到設(shè)定值的要求;試驗波形基本符合預(yù)期波形,驗證了時序動態(tài)調(diào)整算法的實用性。

4 結(jié)論

1)本文提出一種基于時序動態(tài)調(diào)整算法的BPCSs電源時序控制方法,在電池組電壓減小40 V的情況下,仿真結(jié)果表明加入算法后充電時間縮短11.0%,平均電流提升12.3%,平均功率提升12.2%。試驗結(jié)果也表明該算法可提高充電速度,充電時間縮短9.3%,平均電流提升10.2%,平均功率提升10.3%。

2)基于時序動態(tài)調(diào)整算法的BPCSs電源通過調(diào)節(jié)電池組串入回路時序,保證脈沖電容器獲得最快的充電速度。該算法縮短了充電時間,提高了平均電流和平均功率,保證了重頻工作模式下脈沖電容器電壓在規(guī)定時間內(nèi)達到電壓設(shè)定值,這對于電磁推進系統(tǒng)的一致性至關(guān)重要,已應(yīng)用于工程領(lǐng)域。