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基于锂电池化成的新型双向DC/DC拓扑结构解析

消耗积分:1 | 格式:rar | 大小:0.5 MB | 2017-12-12

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  随着社会的发展,能源、环保与发展的矛盾日益突出,锂电池的发展能有效的改善这一问题。锂电池由于工作电压高、体积小、质量轻、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长等特点,广泛应用于电动车汽车能源系统、航空航天电源系统、太阳能光伏电源系统,移动通信系统以及移动终端设备中。双向DC/ DC变换器是对锂电池充放电进行管理的重要部分,其工作性能直接影响到锂电池的使用效率和寿命。
  目前,双向DC/ DC变换器的拓扑结构主要有2种型式:非隔离型变换器和隔离型变换器。非隔离Buckboo st变换器效率高、结构简单,但没有隔离能力,不能应用于输入输出电压压差较大的场合。隔离式变换器有双向推挽结构、双向半桥结构和双向全桥结构。
  其中,推挽结构效率较半桥双向DC/ DC结构高,高压侧输入电压大的时,开关管承受电压应力大,且变压器绕线复杂;半桥结构变压器没有中心抽头,设计简单,低压侧电压较低时,由于电容分压,造成在升压变换过程中升压能力不足;全桥结构效率最高,可以实现软开关控制,但控制威廉希尔官方网站 复杂,成本较高。本文提出一种基于采用数字控制的双向DC/ DC变换器,采用两级变换结构,一级采用固定脉冲驱动;另一级采用双闭环控制,可以有效的在3V锂电池电压与400V电源电压之间进行变换。
  1 双向DC/ DC主威廉希尔官方网站 结构和工作原理
  本文采用两级双向DC/ DC变换器结构,如图1所示。第一级采用隔离式半桥变换结构,利用变压器对高压侧与低压侧进行隔离,开关管V1 , V1 , V3 , V4采用固定脉冲控制,实现从400 V母线电压和20 V中间电压进行变换,第二级采用非隔离式Buckboost变换器构成,开关管V5 , V6采用闭环闭环控制,实现20 V中间电压和3 V锂电池电压之间进行二次变换。
  1.1 降压工作模式
  母线侧输入电压400 V,经C1和C2分压,上下桥臂输入电压为200 V.控制器将固定脉冲送至T G1和TG2 ,使开关管V1 , V2工作在开关状态。由V3 , V4体内二极管与D3、D4构成全波整流威廉希尔官方网站 ,经C0滤波,使电压从400 V降至20 V;闭环控制器输出PWM信号,送至开关管V5 ,使V5 , D6 , L 1 , C11构成Buck降压变换器,将电压从20 V降至3 V.调节输入开关管V5的驱动波形占空比,可以调节输出电压。降压变换时输入电压与输出电压关系式:
  式中:N 1变压器高压侧匝数; N2变压器低压侧匝数,V400高压侧输入电压; D1开关管V5的输入脉冲占空比。
  基于锂电池化成的新型双向DC/DC拓扑结构解析
  图1 两级双向DC/ DC主威廉希尔官方网站 图
  1.2 升压工作模式
  电池侧输入3 V电压,经C11滤波后,送至由V6 ,D5 , L 1 , C0构成boost升压变换器,由boo st变换器将电压从3 V升至20 V,调节送到V6的脉冲占空比,可以实现调节输出电压;由第一级变换器升压至20 V的电压经C3 , C4分压,送至半桥变换器,给固定脉冲至TG3和TG4 ,使开关管V3 , V4工作在开关状态,经变压器升压至200 V,由V1、V2的体内二极管与D1、D2以及C1 ,C2构成全波倍压整流威廉希尔官方网站 ,将输出电压稳定在400 V.
  升压变换时输入电压与输出电压关系式:
  式中:N 1变压器高压侧匝数; N2变压器低压侧匝数;Vbat ter y电池电压; D2开关管V6的输入脉冲占空比。
  2 数字控制系统设计
  随着电池性能的提高,对化成电源提出了更高的要求。要求化成电源不仅具有高精度,高可靠性,还要具有体积小、安全性高、组网能力强,以及充放电响应速度快,过程无冲击,以延长电池的使用寿命,传统的模拟化成电源已经无法满足这些新要求。并且,由于锂电池生产工艺限制,通常将小容量锂电池并联使用,这就要求在大型化成设备中多个双向DC/ DC变换器并联使用,实现量锂电池的化成。为了完成对多点锂电池的管理与监控,本设计的双向DC/ DC变换器以dsPIC30F2010为核心控制器件。dsPIC30F2010是一款只有28个引脚的高性能16位微处理器。它采用哈佛架构,有1个16位CPU和1个DSP内核。

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