电池化成用的能量回馈型直流变换器

李科科，陈 健，王介阳，张建涛

(1.广东工业大学信息工程学院，广东 广州 510006；2.广东工业大学机电学院，广东 广州 510006)

电池化成用的能量回馈型直流变换器

李科科1，陈 健2，王介阳1，张建涛1

(1.广东工业大学信息工程学院，广东 广州 510006；2.广东工业大学机电学院，广东 广州 510006)

电池在首次使用前需要进行多次充放电。电池化成的效果将极大影响电池的使用性能。目前市面上主流的化成装置主要采用电阻耗散的方式放电，能源利用率低。针对这一问题，为有效回收放电能量，实现循环利用，同时尽可能提高能源转换效率，设计了基于双向直流变换器的电池化成装置。该装置可以实现对电池能量的高效回收，彻底改变放电能量的丢失问题。采用开关电源的方案实施，将进一步提升能源的转换效率。该装置采用STM32F334作为控制器，以双向Buck/Boost为主电路的拓扑结构，采取模糊PI结构对环路进行补偿，实现对充放电过程中电压和电流的高精度控制，控制精度高达0.05%(FS)。通过与传统的化成装置进行测试比较，结果表明，能量回馈型的电池化成装置的节能率高达70%。该装置将逐渐成为市场的主流。

电动汽车；直流变换器； 能量回馈； 电池化成； 高精度； 模糊控制

0 引言

电动汽车行业近年来的飞速发展，给电池相关产业提供了千载难逢的机遇[1]。电池是电动汽车的能量源，其在电动汽车中具有举足轻重的地位。然而，电池出厂前往往需要进行多次的充放电过程。所谓的电池化成[2]，是指对二次电池充放电的过程。老一代的电池化成工艺所使用的电源大多为线性电源[3]。众所周知，线性电源具有纹波小、噪声小等突出优势[4]，但同时也存在严重的缺陷，即充电完成后的电池能量只能通过热能释放，而不可以重复利用。这种无回收的化成方式不仅严重降低了能源的利用率，更是与当今“可重复、高效率”的节能减排[5]政策相冲突，因而迫切需要一种高效方案来弥补当前方式的不足。由此能量回馈式的电池化成方式应运而生[6]。

1 原理与设计

1.1 系统硬件设计

1.1.1 系统框架

能量回馈式电池化成系统能实现能量从交流220 V端到电池端的传递，反之亦然。在符合能量守恒的条件下，多个DC/DC模块可以同时并联在一个AC/DC模块下，实现功率的扩展。但多个模块并联后将带来更严重的电磁干扰(electro magnetic interference,EMI)问题[7]，需要开发者花费更多的时间来处理通道之间的干扰。能量回馈型电池化成系统的整体框架图如图1所示。

图1 系统整体框架图

STM32F334是意法半导体专门针对数字电源领域的主打芯片。STM32F334的分辨率高达217 ps。此外，灵活的上下沿死区时间设置、错误事件强制打断输出等丰富的片上资源，也为开发过程提供了诸多便捷。与传统的DSP C2000系列产品相比，STM32F334具有明显的价格优势，所以越来越多的电源开发者选择这款芯片作为主控芯片。

1.1.2 系统的主电路

拓扑结构所采用双向Buck/Boost 拓扑[8]。它是一种以Buck拓扑为基础的演变拓扑，准确来说，是在Buck拓扑的续流二极管端并上一个MOS管而构成的。系统主电路图如图2所示。

图2 系统主电路图

在充电模式下，系统可以看作一个同步整流的Buck电路；在放电模式下，系统可以看作同步整流的Boost电路。需要注意的是：由于负载是电池，所以电路始终是工作在CCM模式，而不会进入DCM模式。占空比和输入、输出电压的关系可以参考CCM模式下它们之间的线性关系[9]。根据电路的开关模态，当上管导通、下管关断时，输入电压U1、Q1和Lf以及输入电压U2组成一个回路；当下管导通、上管关闭时，由Q2、输入电压U2和Lf组成一个回路[10]。根据两个回路可以列出微分方程，分析并推导关于电感、输出电容Cf2和输入电容Cf1的计算公式，供开发者在进行主电路参数设计时参考：

(1)

式中：U2为输出电压;T为开关周期;U1为输入电压，I0为额定输出电流。

(2)

式中：U2为输出电压;T为开关周期:U1为输入电压;Lf为电压纹波系数。

(3)

式中：I0max为最大的反向输出电流;Dmax为最大占空比;fs为开关频;ΔU为反向电压纹波系数。

1.1.3 电压采样电路

对于高精度系统来说，采样环路的器件选型不仅要求器件的非线性误差较低，同时也要求器件的精度较高。电压采样电路如图3所示。

图3 电压采样电路图

该电压采样电路是由精密运放OP2177和精密电阻组成的四阶低通有源滤波电路，能够很好地滤除系统的开关噪声和电源噪声[11-12]，大大减小了系统软件滤波的压力。

1.2 系统软件设计及控制算法

1.2.1 控制框架

系统控制框图如图4所示。

图4 系统控制框图

图4中：Us为给定电压值；Is为给定电流值。电压环和电流环是采用模糊PI结构进行环路补偿[13]。根据稳态特性和静态特性的调整情况，最终电流环的带宽为5 kHz，电压环的带宽为1.25 kHz。电压电流双闭环结构是一种常见的数字电源控制结构。当电路进入恒流状态时，电流环起调节作用，电压环承担过压关断作用[12]。当电路进入恒压状态时，电压环起调节作用，电流环起过流关断作用。

1.2.2 模糊PI控制算法

PI控制是数字电源中常用的环路补偿方法，通过传递函数化简和离散域的转换，可以得到离散型PI函数：

(4)

式中：K1为当前拍系数；K2为前一拍系数。

分析其离散型传递函数可知，PI控制其实也是一种特殊的2P2Z控制[14]，因而可以采用环路补偿的思想来解决P、I参数设定问题，利用波特图来获取P、I参数。首先需要获取系统的开环传递函数。获得系统的开环传递函数途径有很多，环路分析仪是较实用的一种方法。系统经PI校验前后的幅值裕量图和相角裕量图分别如图5、图6所示。由PI调节后，系统的相角裕度由校验前的-2°改为校验后的30°。根据转角频率，可以得到：Kp=51.6、Ki=1。

图5 系统幅值裕量图

图6 系统相角裕量图

根据模糊PI的规则，可以得到：P=Kp+ΔKp、I=Ki+ΔKi。此外还需要获得ΔKp和ΔKi。由偏差以及偏差的变化率，可以建立ΔKp和ΔKi的模糊规则表，模糊化后再经加权平均法进行解模糊，就可以获得得ΔKp和ΔKi的值。需要说明的是，本系统中PI模糊控制器隶属度函数采用三角形隶属度函数形式。ΔKp和ΔKi模糊规则分别如表1、表2所示。

表1 ΔKp模糊规则表

表2 ΔKi模糊规则表

模糊PI控制和PI控制系统响应对比图如图7所示。从图7可见，模糊PI控制在调节时间、超调量等方面具有明显的优势。

图7 系统响应对比图

2 试验

实际设计过程中,为了获得最佳的动静态性能，主电路参数会根据计算进行微调。实际主要参数为：L=13 μH，输出电容Co=940 μF，输入电容Ci=470 μF，开关频率为100 kHz。

①系统的精度分析。

实际生产过程中，由于器件本身的不一致性和元器件本身线性误差的存在[15]，需要将原始电压、电流数据利用Matlab进行一次拟合。数据经过y=kx+b的一次校验后，本系统的电压和电流精度都保持在0.05%(满度电流为10 A，满度电压为5 V)内。电流、电压测量数据分别如表3、表4所示。

表3 电流精度和线性测量数据

表4 电压精度和线性测量数据

②试验纹波分析。

在满度充电情况下，电路输出电流I=10 A，通过示波器测得纹波电流约60 mA；在满度放电情况下，电路输出电流I=-10 A，通过示波器测得纹波电流约为65 mA。本系统的充放电纹波系数均在1%以内。

3 结束语

采用模糊PI控制的能量回馈性电池化成装置具有良好的动态特性和稳态特性，电压和电流的稳定

精度都在0.05%(满度电流：10 A，满度电压：5 V)内，与传统的化成装置相比，节能率高达70%。从性价比来说，本文采用的方案是目前能量回馈型电池化成装置的最佳解决方案之一。当然这种方案也存在不足，例如放电电压不能作为负压等问题，需要通过进一步研究，使系统更加优化。

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Energy Feedback Type DC Converter Used for Battery Formation

LI Keke1,CHEN Jian2,WANG Jieyang1,ZHANG Jiantao1

(1.School of Information Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China; 2.School of Electro-Mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)

Prior to the first use of battery,repeated charging and discharging are needed.The effect of battery formation may greatly affect the applicative performance of battery.At present,the resistance dissipation mode is mainly adopted in major commercial available formation devices for discharging,so the energy utilization is low.Aiming at this problem,the discharging energy needs to be recovered to achieve recycling use and to improve the efficiency of energy conversion.With the battery formation device based on bi-directional DC converter,high efficient battery energy recovery can be realized and the problem of discharging energy loss can be completely avoided.The switching power supply scheme may further improve the efficiency of energy conversion.In the system,STM32F334 is adopted as the controller,the bidirectional Buck/Boost is used as the main circuit topological structure,and the fuzzy PI structure is selected to compensate the loop,thus the high precision control of the voltage and current during the charging and discharging process is realized,the control precision is up to 0.05% (FS).Comparing with the traditional formation devices,the results indicate that the energy saving rate of the energy feedback type battery formation device is up to 70%,such device will gradually become the mainstream in the market.

Electric vehicle; DC converter; Energy feedback； Battery formation； High precision； Fuzzy control

广东省省级科技计划基金资助项目(2014A0103027)

李科科(1990—)，男，在读硕士研究生，主要从事电力电子方向的研究。E-mail:281991401@qq.com。 陈健(通信作者)，男，博士，教授，主要从事机电液控制技术的研究。E-mail:chenjian7681@163.com。

TH89；TP21

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705006

修改稿收到日期：2016-11-24