鋰電池化成用雙向DC-DC變換器設(shè)計

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現(xiàn)象，設(shè)計了一個雙向DC-DC變換器，可以實現(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)?，主要由Buck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)計給予了詳細(xì)說明。實驗結(jié)果表明，該變換器可以實現(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，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，實現(xiàn)能量的雙向流動[3-5]。由于雙向DC-DC變換器可實現(xiàn)兩個單向變換器的功能，在實際應(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)用價值。

本文給出了一種實現(xiàn)鋰電池充放電管理的雙向DC-DC變換器設(shè)計方案。該方案可以對鋰電池充放電過程中的電壓、電流進(jìn)行實時監(jiān)控調(diào)節(jié)，同時將放電能量進(jìn)行回收再利用，避免了能量浪費，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)洹Ｖ饕腥N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，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，同時給電感L1儲能；當(dāng)開關(guān)管V1關(guān)斷時，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，鋰電池給電感L1充電儲能；當(dāng)開關(guān)管V2關(guān)斷時，鋰電池和電感L1同時給儲能電池組充電，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

2.1 Buck驅(qū)動電路設(shè)計

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，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)運行穩(wěn)定時，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，TL5001將禁止PWM輸出。因此設(shè)計了一個三極管開關(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

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，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)運行穩(wěn)定時，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，將禁止PWM輸出，因此可以設(shè)計一個外部控制電路，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

要實現(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，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[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，因此通過兩個等值電阻進(jìn)行分壓，并經(jīng)過一級運放電壓跟隨后送入A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，此時轉(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，由一個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，產(chǎn)生一個磁場，霍爾元件根據(jù)磁場強(qiáng)度感應(yīng)出一個線性的電壓信號，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。因為斬波電路的原因，其輸出將加載于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

鋰電池化成過程分為鋰電池充電和放電兩個部分[7]。鋰電池充電，即Buck模式下，包括兩個階段：（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，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，停止放電，自動停機(jī)。根據(jù)上述過程，具體的程序設(shè)計流程圖如圖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，及時進(jìn)行反饋計算并調(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)實際運行狀況是否與設(shè)計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，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，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，實現(xiàn)能量的雙向流動。實驗測試表明，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