鋰電池化成用雙向DC-DC變換器設(shè)計(jì)

摘 要：針對鋰電池化成過程中采用電阻放電帶來的大量能量浪費(fèi)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙向DC-DC變換器，可以實(shí)現(xiàn)化成放電能量的高效回收。該變換器以Buck/Boost雙向DC-DC變換器作為主電路拓?fù)洌饕葿uck驅(qū)動電路、Boost驅(qū)動電路、電壓/電流采樣電路等部分構(gòu)成。介紹了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，分析了電路的工作原理，并對方案設(shè)計(jì)給予了詳細(xì)說明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該變換器可以實(shí)現(xiàn)電池充電、放電功能，控制精度高，具有良好的穩(wěn)定性。

0 引言

鋰電池作為直流電源和備用電源，具有供電可靠、電壓穩(wěn)定、體積小、移動方便等優(yōu)點(diǎn)，在電力、通信、交通和日常生活等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。鋰電池化成是鋰電池生產(chǎn)過程中必須經(jīng)過的一道工序，即每個(gè)鋰電池從生產(chǎn)到出廠至少要進(jìn)行三次充電和兩次放電過程[1]。由于成本和技術(shù)因素，目前國內(nèi)的鋰電池化成設(shè)備主要通過充電電源對電池進(jìn)行充電，放電時(shí)采用并聯(lián)電阻的方式，將鋰電池內(nèi)部的能量消耗在電阻上。這種化成方式雖然設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是存在大量能量浪費(fèi)現(xiàn)象[2]。

作為一種新型的電力電子變換器，雙向DC-DC變換器可以在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，根據(jù)應(yīng)用需要改變工作電流的方向，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動[3-5]。由于雙向DC-DC變換器可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單向變換器的功能，在實(shí)際應(yīng)用中，可以減少元器件數(shù)目，降低產(chǎn)品成本，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本文給出了一種實(shí)現(xiàn)鋰電池充放電管理的雙向DC-DC變換器設(shè)計(jì)方案。該方案可以對鋰電池充放電過程中的電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)節(jié)，同時(shí)將放電能量進(jìn)行回收再利用，避免了能量浪費(fèi)，大大提高了鋰電池化成過程中的能量利用效率。

1 雙向DC/DC主電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/p>

雙向DC-DC變換器采用非隔離型的Buck/Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。Vdc為儲能電池組側(cè)母線電壓，C1為母線電容，V1、V2采用MOSFET，D1、D2為不同工作模式下的續(xù)流二極管，L1為儲能電感，C2為鋰電池側(cè)濾波電容，Vbat為鋰電池側(cè)端電壓。

Buck/Boost雙向DC-DC變換器的拓?fù)?。主要有三種工作模式：

（1）Buck工作模式：在此模式下，鋰電池充電。開關(guān)管V2保持關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管V1導(dǎo)通時(shí)，二極管D1和D2承受反向電壓關(guān)斷，儲能電池組向鋰電池充電，同時(shí)給電感L1儲能；當(dāng)開關(guān)管V1關(guān)斷時(shí)，電感電流經(jīng)二極管D2構(gòu)成續(xù)流回路，對鋰電池充電，電容C2用來維持鋰電池端電壓的穩(wěn)定并進(jìn)行濾波。

（2）Boost工作模式：在此模式下，鋰電池放電。開關(guān)管V1保持關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管V2導(dǎo)通時(shí)，鋰電池給電感L1充電儲能；當(dāng)開關(guān)管V2關(guān)斷時(shí)，鋰電池和電感L1同時(shí)給儲能電池組充電，電容C1用來維持儲能電池組端電壓的穩(wěn)定并進(jìn)行濾波。

（3）關(guān)機(jī)模式：在此模式下，開關(guān)管V1和V2保持關(guān)斷狀態(tài)，雙向DC-DC變換器停止工作，鋰電池停止充放電。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 Buck驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

雙向DC-DC變換器中工作在Buck模式下的開關(guān)管V1選用P溝道MOSFET IRF5210，并采用PWM集成控制器TL5001進(jìn)行驅(qū)動電路設(shè)計(jì)，如圖2所示。UC1、Ubat分別為控制器輸出的控制電壓和鋰電池端電壓，經(jīng)過運(yùn)放OP07構(gòu)成的減法電路，并由R8與R9分壓后供給TL5001的FB端（內(nèi)部誤差放大器的反相端）。由于內(nèi)部誤差放大器的同相端輸入為1 V的參考電壓，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，內(nèi)部誤差放大器的凈輸入為0，則有：

將相關(guān)參數(shù)帶入式（1），得到鋰電池端電壓與控制電壓的關(guān)系式為：

Ubat=UC1+2（2）

圖2中，SCP為短路保護(hù)端，當(dāng)該端口電壓高于1 V時(shí)，TL5001將禁止PWM輸出。因此設(shè)計(jì)了一個(gè)三極管開關(guān)電路，用來控制SCP的端口電壓，從而控制驅(qū)動信號的輸出與禁止。R2用來設(shè)置芯片內(nèi)部振蕩頻率，C4、C5、R7構(gòu)成閉環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，TL5001為集電極開路輸出，因此輸出需接上拉電阻R6。

2.2 Boost驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

雙向DC-DC變換器中工作在Boost模式下的開關(guān)管V2選用N溝道MOSFET IRF3710，并采用PWM集成控制器UC3842進(jìn)行驅(qū)動電路設(shè)計(jì)，如圖3所示。UC2、Ud分別為控制器輸出的控制電壓和儲能電池組端電壓1/3分壓值，經(jīng)過運(yùn)放OP07構(gòu)成的減法電路，供給UC3842的Vfb端（內(nèi)部誤差放大器的反相端），由于內(nèi)部誤差放大器的同相端輸入為2.5 V的參考電壓，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，內(nèi)部誤差放大器的凈輸入為0，則有：

將相關(guān)參數(shù)帶入式（3），得到儲能電池組端電壓與控制電壓的關(guān)系為：

Udc=3Ud=3（Uc2+2.5）=3Uc2+7.5（4）

當(dāng)UC3842的Ise端電壓高于1 V時(shí)，將禁止PWM輸出，因此可以設(shè)計(jì)一個(gè)外部控制電路，通過控制Ise端的電壓來控制驅(qū)動信號的輸出與禁止。

2.3 采樣電路設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)對鋰電池充放電過程進(jìn)行準(zhǔn)確檢測及控制，需要對鋰電池的端電壓及充放電電流進(jìn)行A/D采樣，具體采樣電路如圖4所示。

鋰電池在進(jìn)行充電和放電時(shí)，其電流的傳輸方向是反向的，如果采用串聯(lián)采樣電阻進(jìn)行電流采樣，其兩端的取樣電壓在鋰電池不同的工作模式下有正負(fù)變化，這將給A/D轉(zhuǎn)換帶來不便。為了能夠精確檢測鋰電池的工作電流，本設(shè)計(jì)采用線性電流傳感器ACS712（對應(yīng)國產(chǎn)替代品CH701)，該器件能夠輸出與檢測的交流或直流電流成比例的電壓，具有低噪聲、響應(yīng)快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[6]。將ACS712(CH701)與鋰電池串聯(lián)，輸出電壓經(jīng)過電壓跟隨電路送入控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理。ACS712(CH701)檢測電流與輸出電壓關(guān)系為：

VOUT=0.185IP+2.5（5）

鋰電池在充放電過程中最大電流設(shè)定為1 A，即IP范圍為-1~+1 A，對應(yīng)輸出電壓為2.315~2.685 V，滿足控制器A/D轉(zhuǎn)換要求。

鋰電池在充放電過程中，其充電限制電壓為4.2 V，過放終止電壓為3 V，則鋰電池的端電壓Vbat范圍為3~4.2 V，本系統(tǒng)中控制器A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓為3.3 V，因此通過兩個(gè)等值電阻進(jìn)行分壓，并經(jīng)過一級運(yùn)放電壓跟隨后送入A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，此時(shí)轉(zhuǎn)換電壓范圍為1.5~2.1 V，滿足要求。

ACS712/CH701芯片完全是基于霍爾感應(yīng)原理設(shè)計(jì)，由一個(gè)精確的低偏移線性霍爾傳感器電路與位于接近芯片表面的銅箔組成，當(dāng)電流流過銅箔時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)磁場，霍爾元件根據(jù)磁場強(qiáng)度感應(yīng)出一個(gè)線性的電壓信號，經(jīng)過內(nèi)部的放大、濾波、斬波與修正電路，輸出一個(gè)電壓信號，由該芯片的7號管腳輸出，直接反應(yīng)出流經(jīng)銅箔電流的大小。因?yàn)閿夭娐返脑颍漭敵鰧⒓虞d于0 .5*Vcc上，其輸出與輸入的關(guān)系為Vout=0 .5*Vcc+Ip*Sensitivity。

CH701霍爾電流傳感器IC，是工業(yè)、汽車、商業(yè)和通信系統(tǒng)中交流或直流電流傳感的經(jīng)濟(jì)而精確的解決方案。小封裝是空間受限應(yīng)用的理想選擇，同時(shí)由于減少了電路板面積而節(jié)省了成本。典型應(yīng)用包括電機(jī)控制、負(fù)載檢測和管理、開關(guān)電源和過電流故障保護(hù)。

參考文章：霍爾傳感器芯片該如何選型

CH701可以檢測到50A峰值的電流。

如果需要檢測更大電流，需要更高的隔離電壓，可以選擇更大電流范圍的產(chǎn)品，比如16腳的CH701W系列，電流范圍可以到70A，絕緣耐壓可以到4800Vrms：

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

鋰電池化成過程分為鋰電池充電和放電兩個(gè)部分[7]。鋰電池充電，即Buck模式下，包括兩個(gè)階段：（1）恒流限壓充電，檢測電池電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到充電限制電壓時(shí)，就進(jìn)入恒壓限流充電；（2）恒壓限流充電，檢測電池電流，當(dāng)電池電流降低到規(guī)定值后，電池電量充滿，自動停機(jī)。鋰電池放電，即Boost模式下，采用恒流放電，當(dāng)達(dá)到放電終止電壓時(shí)，停止放電，自動停機(jī)。根據(jù)上述過程，具體的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)上電初始化完成之后，變換器默認(rèn)處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)檢測到鋰電池充電或放電模式設(shè)置完畢后，將根據(jù)采樣電壓、電流值判斷系統(tǒng)當(dāng)前所處的工作階段，及時(shí)進(jìn)行反饋計(jì)算并調(diào)整驅(qū)動信號的輸出。如果電壓、電流值達(dá)到充電或放電的結(jié)束條件，變換器將進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)中，儲能電池組電壓為15 V，儲能電感L為260 uH，輸出濾波電容為3 300uF，鋰電池端測試電壓范圍為2.7~4.2 V，測試電流為0.1~1 A。

在鋰電池充放電過程中，通過檢測多組電壓、電流數(shù)據(jù)，可以判斷該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況是否與設(shè)計(jì)要求的充放電過程相吻合，得到的數(shù)據(jù)如表1、表2所示。測試中使用的儀器為GDM-8055。

由表1、表2可以看出，雙向DC-DC變換器在工作時(shí)，檢測到的電壓相對誤差小于0.5%，電流相對誤差為絕對值小于5%，滿足設(shè)計(jì)要求。

雙向DC-DC變換器是鋰電池充放電管理的重要部分。針對鋰電池化成設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，本文提出了一種基于鋰電池化成的雙向DC-DC變換器的設(shè)計(jì)，通過儲能電池組對鋰電池進(jìn)行充電，并對鋰電池放電能量進(jìn)行存儲再利用。系統(tǒng)以Buck/Boost雙向DC-DC變換器作為主電路拓?fù)?，主要由Buck驅(qū)動電路、Boost驅(qū)動電路、電壓/電流采樣電路構(gòu)成。系統(tǒng)可以根據(jù)鋰電池充電和放電工作模式的選擇，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動。實(shí)驗(yàn)測試表明，該變換器的原理正確，工作可靠，輸出穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度高，具有良好的控制性能，可用于需對單體鋰電池進(jìn)行充放電管理的化成設(shè)備中，具有良好的應(yīng)用前景。

審核編輯：湯梓紅