蓄电池充放电管理系统电力电子概论

蓄电池充放电管理系统

摘要：本系统以双向半桥变换器为核心，可模拟蓄电池的充放电管理，实现能量的双向传输，使用Infineon16位单片机XE162为控制核心，实现了额定工作状态下双向输出电流稳定在±3A，同时根据蓄电池电压的不同，实现对蓄电池的浮充和特定的充放电曲线。实验结果表明：在蓄电池电压E维持在15V时，直流母线电压U bus在较宽范围内变化时，能够以恒定电流I1=0.05A向蓄电池进行浮充，误差小于20%；在蓄电池电压E维持在9V时，直流母线电压U bus在较宽范围内变化时，能够实现要求的充放电曲线，误差小于10%，系统额定充电效率达到90.05%，此外，系统还具有过压（U bus≥28V）保护与欠压（放电模式时E≤7V）保护，以及自动恢复功能，和具有两侧电压、充放电电流的显示功能。

关键词：双向半桥变换器PI闭环控制电流电压测量

一、方案论证

1.1双向DC/DC变换器

方案一：双向Buck/Boost变换器Boost-Buck

图1 Buck/Boost变换器

当Buck/Boost变换器正向工作时，此时开关管S1工作，S2截止，若S1处于导通状态，电池组和输出电容C2分别对电感L和负载供电，若S1处于关断状态，二极管D2正向偏置导通，电感L对输出电容C2和负载供电，因此可以通过改变S1的占空比来调整变换器的输出电压U2，当Buck/Boost变换器反向工作时，此时开关管S1截止，经过一个固定的死区时间后，开关管S2开始工作，能量反向流动，实现对电池组的充电，通过改变S2的占空比可以控制充电电流，使其限制在最大反向电流。若S2导通时，电容C1对电池组充电，能量存储在电感L中，当S2关断时，二极管D1正向偏置导通，电感L对电池组和电容C1充电。

方案二：双向半桥变换器Buck/Boost

图2 双向半桥变换器

双向半桥变换器正向工作时，开关管S1开始工作，S2截止，此时电路为Boost升压变换电路，反向工作时，开关管S2开始工作，S1截止，此时电路为Buck降压变换电路。

方案三：双向Cuk变换器

图3双向Cuk变换器

当双向Cuk变换器正向工作时，S1开关工作，S2截止，Cuk变换器中的电容C3的容量要求很大，变换器稳态工作时，C3的电压基本保持不变，S1导通时，电池组向电感L1充电，电容C3经负载和电感L2放电，当S1关断时，电池组和电感L1向电容C3充电，电感L2可为负载供电。当反向工作时，开关管S1截止，S2工作，当S2导通时，负载向电感L2充电，电容C3经电池组和电感L放电，当S2关断时，负载和电感L2向电容C3充电，电感L1向电池组供电。

综上所述，双向Buck/Boost变换器和双向半桥变换器利用电感传递能量，与双向Cuk变换器相比可以节省一个大容量高额定电压的传递电容，另外，双向半桥变换器的开关元件和二极管的电压应力和电流应力最小，在相同条件下，它可以选择电压额定值较小的器件，另外该变换器的有源元器件的导通损耗最小，较其他变换器的效率更高，所以我们选择方案二。

1.2总体方案描述

BOOST 升压电路

BUCK 降压电路 ADC 电压电

流采样

XE162单片

机液晶显示PI 算法调节PWM

红外遥控

E

Ubus

图4 总体方案

系统采用英飞凌公司 16 位单片机 XE162作为核心控制器，为了实现蓄电池电压E=9V 时，24V ≤Ubus ≤26V 时，能够以I1=0.05A 向蓄电池进行浮充，在E=9V ，22V ≤Ubus ≤24V 时，能够实现图5所示的充放电曲线,在额定工作状态下（E=12V ，Ubus=24V ），系统能够双向输出电流（I1=±3A

），利用XE162内部的集成10 位ADC 采样蓄电池电压E ，直流母线电压Ubus ，两侧电流I1和I2。,根据采样得到的蓄电池电压E 的不同，系统采用不同的 PI 算法策略计算得到两个开关管的工作状态和开关管的占空比，再利用单片机内部的CCU60（PWM 生成单元）产生驱动信号，送入IR2110驱动模块，控制开关管的开通与关断，同时系统通过液晶实时显示系统两侧的电压电流。

图5 自动充放曲线

二、 理论分析与计算

2.1 参数设计

主电路的电路图见下图，可见主要的器件与参数设计有：电容C 1和C 2，电感L 1，二极管D 1，D 2，开关管Q 1，Q 2，具体计算如下：

图6 主电路

2.1.1电感L 1，电容C 1和C 2

当双向半桥变换器正向工作时，开关管Q 1开始工作，Q 2截止，此时电路为Boost 升压变换电路，等效电路表示如下：

图7 Boost 升压变换电路

输入电源电压V in 在18~21V ,输出电压V o 为30V ，开关频率设置为40KHz ，电感电流连续时，有

V o =V in 1−D

计算可知

D min =1−V inmax V omin =1−2130=0.3 D max =1−V inmin omax

=1−18=0.4 输入电源电压和输出电压变化时，占空比的变化范围为0.3~0.4，临界负载电流

I OB =V o 1s

D(1−D)2 当D =1/3≈0.333时，I OB 有最大值

I OBmax =2Vo 27L 1fs

D 越接近0.333，I OB 越大，令最小负载电流I omin 大于临界负载电流I OB ，即

I omin >V o 2L 1f s

D(1−D)2 取

I omin =0.3A

则

L1≥

V o

2f s I omin

D(1−D)2=

30

2×40×103×0.3

×

1

3

×(1−

1

3

)

2

=0.185mH

留取裕量，取L1=0.2mH。

取输出电压纹波小于1%，则

∆V o V o =D∙

f C

f S

=D∙

1

f S

∙

1

RC2

≤0.01

D越大，则∆V o

V o

越大，故

f c=

1

RC2

≤0.01×

f S

D

=

(0.01×40×103)

0.4

=1.0KHz

负载电阻为30Ω。则

C2≥

D max

0.01Rfs

=

0.4

0.01×30×40×103

=33uF

留取裕量，取C2=100uF。

反向工作时，开关管Q2开始工作，Q1截止，此时电路为Buck降压变换电路。等效电路表示如下

图8 Buck降压变换电路

输入电源电压在24~36V,输出电压在18~21V，开关频率设置为40KHz，电感电流连续时，有

V o=DV in

计算可知

D max=V omax

V inmin

=

21

24

=0.875

D min=V omin

V inmax

=

18

36

=0.5

在工作范围内占空比D在0.5~0.875之间变化，要电流连续必须最小负载电流

I Omin大于临界负载电流

I omin≥I OB=

V o

2L1f s

(1−D)

取

I omin=0.4A 则

L1≥

V o

2f s I omin

(1−D)=

18.5

2×40×103×0.4

×(1−0.5)=0.289mH

取L1=0.3mH，与Boost电路电感取值一致。取I omax=2A,电流输出纹波为0.01A，则