基于锂电池化成的新型双向DC/DC拓扑结构研究与建模

dsPIC30F2010 的外设资源有6大电流电感 个PWM 输出通道;3 个16 位定时器/ 计数器， 可选择将16 位定时器配对组成32 位定时器模块; 4 路16 位捕捉输入功能， 2 路16 位比较/ PWM 输出; 1 个带FIFO 缓冲区的可寻址UART 模块; 6 路10 位模数转换器( A/ D) , 500 KS/ s( 对于10 位A/ D) 转换速率。该芯片在本设计完成对各个开关管的控制、锂电池电流、电压， 温度测量、设备工况显示， 上位机通信等功能， 结构如图2 所示。

图2 硬件结构图

为了保证两级变换器输出电压和电流的稳定， 本设计采用平均电流控制。平均电流控制的原理如图3 所示。该控制方式采用电压外环控制和电流内环控制，Ur 为给定基准信号， Uback 是非隔离Buckboost 变换器的输出电压， Ur 与Uback经误差器后输出至比例积分器得到电流环的基准信号I r ; 通过电流取样电阻得到非隔离Buckbo ost 变换器的电感电流I back , 经比例器得到I of 。通过运算器和比例积分器后得到误差电压Ue , 误差电压Ue 与三角波T r1 比较得到PWM 波， 控制开关管V5 , V6 的导通或截止。

图3 平均电流控制图

在软件设计时， 设置PWMCON1 寄存器的PMOD位置1, 使dsPIC30F2010 的PW电感生产M 为独立工作模式; 设置PT MR 寄存器得到基准时基， 配置周期寄存器PTPER 的值， 得到需要频率的三角波， 将AD 采样结果送至PDC, 进行占空比设置。

3 仿真实验及结果分析

利用Mat lab 中SIMULINK 模块进行本设计仿真验证， 其中， 第一级半桥结构采用开环控制方式， 在第2 级非隔离Buckboost 中采用外电压环和内电流环大电流电感控制。如图4 所示。

图4 整体仿真电路图

在半桥变换器结构中， 为了防止上下桥臂同时导通， 需要设置一定的死区时间， 让上下桥臂交替导通， 开关频率f = 50 kHz, 上下桥臂的占空比各为0. 3, 输入电压为400 V, 在纹波电感器厂家电流为10% , 纹波电压为1% 的条件下， 计算输出滤波电感为L 1= 25 H, 输出滤波电容为C11= 612. 5 F, 负载电阻R5 = 0. 15 , 变压器变比为N s / N p= 20。

图5 给出了降压时变压器原边副边电压波形和电池充电电压与电流波形， 如图5( a) 所示， 在输入电压为400 V 的情况下， 由于原边电容分压使原边绕组上电压幅值为200 V, 副边绕组电压为10 V, 图5( b) 为输出电压和电流波形， 在开始启动后经过一个上升期， 充电电压稳定在3 V, 充电电流稳定与20 A。

图5 降压仿真结果波形图

图6 给出了升压时电池侧放电电流与电压波形， 母线侧电流与电压波形， 如图6( a) 电池放电电压电流波形图， 电池放电电压为3 V, 输出电流经过一个周期后稳定在20 A; 图6( b) 为放电时母线侧电压和电流波形，输出电压经过一个周期后400 V, 电流恒定在0. 05 A。

图6 升压仿真结果波形图

4 结语

本文提出两级双向DC/ DC 拓扑结构， 此拓扑的电路结构简单， 由双向半桥变换器和双向Buckboost 变换器进行组合， 改善了单级半桥式双向变换器在电压输入较低时变换性能差的缺点， 通过对该变换电感器的功能器在低压侧为3 模压电感V 时进行升压仿真和高压侧在400 V 时进行降压仿真， 分析结果表明， 该双向DC/ DC 拓扑结构能实现大输入与输出电压压差的变换。

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