蓄电池充放电的双向DC/DC变换器研究

赵敬，李田泽，韩涛，赵云凤，陈世宝

（山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255049）

蓄电池充放电的双向DC/DC变换器研究

赵敬，李田泽，韩涛，赵云凤，陈世宝

（山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255049）

铅酸蓄电池的充放电过程是影响其使用寿命的重要因素之一，在充放电过程中存在着充电时间长、温升高、析气严重等问题。针对充电时间长这一问题，分析了能量流动的影响因素，提出了一种新型双向DC/DC变换器，该变换器采用耐高压的IGBT器件的桥式电路和零电压移相控制对蓄电池进行充放电；分析了双向DC/DC变换器拓扑及其软开关特性，并利用Matlab/Simulink进行仿真。结果表明，采用零电压相移控制的双向DC/DC变换器能够对蓄电池进行快速可靠的充放电且能稳定输出电压，从而为光伏系统提供稳定电源，提高蓄电池的使用寿命。

铅酸蓄电池；双向DC/DC变换器；软开关；充放电；Matlab/Simulink

太阳能是当今发展速度居第二位的可再生能源，进入21世纪以后，光伏发电成为我国最有生命力的新能源。目前，我国风能、太阳能等新能源发电出现不稳定性和间歇性的瓶颈在于储能系统。无论是对用户侧还是对电网侧，应用储能技术都将带来一定的经济效益。因此，储能技术在光伏并网发电系统中的应用将成为今后的一个重要研究方向[1]。研究双向DC/DC变换器(BDC)为太阳能光伏发电蓄电池储能进行充放电，也成为当今光伏发电应用领域的研究热点。在太阳能光伏发电系统中，双向DC/DC变换器的作用是进行能量调控，即可以双向流动，这样可方便调节蓄电池和直流母线之间的能量流动[2]。

电压源型移相控制的全桥双向DC变换器发展较早，优点也较多，但是存在循环能量的问题[3]，这会导致能量损耗和充电时间过长。针对该问题，本文提出一种双向DC/DC变换器，通过其对蓄电池充电能够消除开关过程中的循环能量，加快充电速度，延长铅酸蓄电池寿命。

1 双向DC/DC变换器拓扑分析

由于直流总线电压和蓄电池组电压相差较大，容易导致输出电压不稳，本光伏系统从快速、安全、抗干扰等方面考虑，采用了带变压器的双向DC/DC变换器。该变换器中全桥电路的功率开关管采用IGBT管，较MOSFET管更适合高压高速系统的要求，通过调节控制信号相位差实现软开关。双向DC/DC变换器主电路如图1所示。

双向DC/DC变换器中产生的循环能量问题一直存在于开关过程中。由于其在流动过程中产生导通损耗，因此，为提高双向DC/DC变换器的工作，减小损耗，加快开断速度和延长蓄电池寿命，需要削减传递过程中的循环能量[4]。本文提出的相移控制能够实现零电压开通，所谓相移是指当VS1开通时，VS5延长，相角再开通，容易实现软开关。在能量传递过程中，充放电的能量传递一致，只分析电情况即可。它在一个周期内有10种开关状态，以下进行半周期开关过程分析[5]。

图1 双向DC/DC变换器的拓扑结构

状态1：VS1，VS4开通，这时1给L储能；经变压器后，VS7，VD8开通。输入电流1=，输出电流

状态2：初级侧电流保持不变；次级侧关断VS7，经过一段时间后，VS7彻底关断，此时经变压器后的电流经过VD5，VD8续流。

状态3：初级侧依然通过VS1，VS4传递能量，次级侧通过VD5，VD8流动，此时，在作用下保持不变，

状态4：VS1关断，流过VS1的电流向VD3转移续流，直到一段时间后彻底关断VS1，此时电流流经VD3，VS4流动；次级侧保持不变。

状态5：开通VD3和VS4，释放能量，即把能量传递给

经过以上分析，在双向DC/DC变换器的一周期中，初级侧电流1和次级侧电流2都为正值或零。可见，能量从输入侧向输出侧流动，可以消除循环能量，达到减小双向DC/DC变换器损耗的目的，提高蓄电池寿命。

图2 开关管控制信号和电感电流波形

2 仿真验证

目前，由于光伏并网储能系统的应用还不成熟，需要用仿真方法对其进行分析。根据双向DC/DC变换器拓扑结构，采用Matlab/Simulink建立了仿真模型。蓄电池的充放电是通过双向DC/DC变换器的Boost/Buck电路中能量双向流动来实现的。其中，蓄电池侧的电压为48 V，直流母线侧上的电压为400 V，对蓄电池充放电的仿真作如下分析。

2.1 蓄电池充电仿真分析

蓄电池充电仿真模型如图3所示。其中，采用直流电源DC作为蓄电池电源，为48 V；桥式电路中采用IGBT功率管；隔离型变压器采用双绕组变压器，起到对两侧电源的缓冲、隔离还有抗干扰的作用；储能电感作用是储能和释能；输出电容为56 F。为了使电压能够稳定输出，本文对IGBT管采用相移控制，并且对四个桥臂用的移相控制，实现零电压开关转换。

图3 蓄电池充电仿真模型

当蓄电池充电时，通过双向DC/DC变换器对蓄电池进行充电，输出电压能够保持在48 V左右。输出的电压波形可以有波动，但是必须保持在直流电压46～49 V，而在一般情况下，通过双向DC/DC变换器对蓄电池充电可使充电电压达到48 V左右，并且可以稳定在此电压上，这样便能满足蓄电池的电压要求。通过相移控制对桥式IGBT管进行控制，可方便控制蓄电池充放电电压，从而可以使蓄电池充放电实现优化管理。仿真模型按照图1的拓扑结构连接起来，各模块的参数按以上进行设置。蓄电池充电时输出波形如图4所示。

图4 蓄电池充电输出电压

由图4可知，当蓄电池充电时，蓄电池可以通过双向DC/DC变换器快速充电，且使充电电压与蓄电池电压基本保持一致，电压波动范围较小，光伏系统可以允许此波动，而且蓄电池的充电电压在1ms就能达到充电电压。仿真结果表明，此模型可以满足快速充电要求，达到提高蓄电池寿命的目的，并且能够在紧急情况下保证给负载安全供电，提高了系统的可靠性。

2.2 蓄电池放电仿真模型

蓄电池放电仿真模型如图5所示。放电仿真模型中的模块与充电仿真模型一样，只是与充电模式的控制开关管不同。

在Matlab/Simulink仿真环境中，按照图1双向DC/DC变换器的拓扑结构和移相控制方式连接仿真模型的各模块。放电过程是通过双向DC/DC变换器对蓄电池48 V电压进行放电，其放电电压能够达到直流母线400 V的电压，而且可以稳定保持在400 V左右，这样方便作为后级逆变器的输入电源，可靠、稳定、安全地给光伏系统供电，其输出波形如图6所示。

由图6可知，当蓄电池通过双向DC/DC变换器放电到直流母线时，输出的放电电压能够稳定在直流母线电压400 V左右，并且可以稳定在此电压。结果表明，采用相移控制对双向DC/DC变换器的IGBT管进行控制，不仅很快达到直流母线400 V电压，而且波动小，减小循环能量，从而在很大程度上提高了蓄电池的使用寿命。

图5 蓄电池放电仿真模型

图6 蓄电池放电时输出电压

3 结论

本文针对传统双向DC/DC变换器循环能量所带来的充电时间长的问题，提出了一种应用于蓄电池充放电的零电压移相控制双向DC/DC变换器，不仅节约充电时间，而且能够降低电池充电量的损耗。

分析了移相控制的双向DC/DC变换器桥式拓扑结构的软开关特性，讨论了蓄电池通过双向DC/DC变换器的能量流动，并利用Matlab/Simulink进行充放电仿真。仿真结果表明，采用零电压相移控制的双向DC/DC变换器能够对蓄电池进行快速可靠的充放电且能稳定输出电压，从而为光伏系统提供稳定电源，提高蓄电池的使用寿命。

[1]刘建涛，张建成.储能技术在光伏并网发电系统中的应用分析[J].电网与清洁能源，2011，27：62-65.

[2]RUAN X B,YAN Y G.A novel zero-voltage and zero-currentswitching PWM full-bridge converter using two diode sin serieswith the lagging leg[J].IEEE Trans on Industrial Electronics,2001,48 (4):777-785.

[3]KIM E S,KIM Y H.A ZVZCSPWM FB DC/DC converter using a modified energy-recovery snubber[J].IEEE Transon Industrial Electronics,2002,49(5):1120-1127.

[4]刁卓，孙旭东.全桥双向DC/DC变换器移相控制策略的改进[J].电力电子技术，2011，45(9)：72-75.

[5]陈俊.基于双向DC/DC变换的户用型光伏发电系统研究[D].无锡：江南大学，2009.

Research ofbattery chargeand dischargebi-directionalDC/DC converter

ZHAO Jing,LITian-ze,HAN Tao,ZHAO Yun-feng,CHEN Shi-bao

The charging and discharging process of lead-acid battery is one of themost im portant factors which affects lead-acid battery's life.There are severalserious issues in the charging and discharging process,for example long charging time,elevated temperature and serious gassing.Focused on the problem of long charging time,a new type ofbi-directionalDC/DC converterwas proposed after analyzing the influencing factors ofenergy flow.The converter realized charging and discharging the battery by bridge circuit and zero voltage phase-shift control of enduring high pressure IGBT devices.The topology and the soft-switching characteristics of bi-directionalDC/DC converterwere analyzed and simulated by Matlab/Simulink.The results show that the bi-directional DC/DC converter controlled by the zero-voltage phase-shift could quickly and reliably charge and discharge the battery and could stabilize output voltage,providing a stable power supp ly to a photovoltaic system and improving the operation life of the battery.

lead-acid battery;bi-directional DC/DC converter;soft-sw itching;charging and discharging; Matlab/Simulink

TM 912

A

1002-087 X(2014)05-0878-03

2013-11-21

国家自然科学基金(50807034)；山东省自然科学基金(ZR2011EEQ025)；山东省淄博市科技发展资助项目(2011GG01116)

赵敬(1987—)，女，山东省人，硕士研究生，主要研究方向为太阳能光伏发电储能控制。

李田泽，E-m ail：ltzwang@163.com