基于锂电池化成的新型双向DC/DC拓扑结构研究与建模

　　摘要： 提出一种用于锂电池化成技术的新型双向DC/ DC 拓扑结构。采用两级双向DC/ DC 拓扑结构， 一级使用半桥双向变换器， 另一级使用Buckboo st 双向变换器， 用数字信号处理器对Buckboo st 双向变换器进行闭环控制， 能实现输入电压和输出电压有较大压差的情况下进行变换。在Matlab/ Simlink 下对该拓扑结构进行验证。结果表明， 该变换器性能稳定， 能有效地实现3 V 电池电压和400 V 母线电压双向变换。

　　0  引言

　　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， 但控制电路复杂， 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3 V 锂电池电压与400 V 电源电压之间进行变换。

　　1  双向DC/ DC主电路结构和工作原理

　　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 构成全波整流电路， 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。

图1  两级双向DC/ DC 主电路图