基于双向DC/DC变换器锂离子电池充放电控制研究

安云鹏， 赵锦成， 刘金宁

(军械工程学院车辆与电气工程系，河北石家庄050003)

基于双向DC/DC变换器锂离子电池充放电控制研究

安云鹏， 赵锦成， 刘金宁

(军械工程学院车辆与电气工程系，河北石家庄050003)

在对已有双向DC/DC变换器进行优化设计的基础上，提出一种适于光伏系统中不完全放电的锂离子电池的两阶段充电控制策略。在Matlab仿真环境下，搭建了基于双向DC/DC变换器的充放电仿真电路和独立光伏系统整体供电电路，并在负载变化的不同条件下进行了仿真，检验了电路拓扑结构的正确性以及充放电控制策略的合理性。

锂离子电池；充放电；双向DC/DC；光伏系统

近年来，随着微电网的发展和普及，小容量分布式电源研究受到广泛关注[1]，尤以光伏居多。但光伏发电会受到日照强度、环境温度等自然条件变化的影响而不能持续、稳定地输出电能[2]，因此无论是独立还是并网光伏系统都需要储能，以改善其发电功率的不稳定性。独立光伏发电系统主要采用电池储能技术，而实验结果表明在考虑循环使用寿命的情况下，锂离子电池在光伏发电应用中有较大的潜力。在微电网中，储能装置主要通过双向DC/DC变换器与母线相连进行充放电以调节系统功率平衡。

本文在对已有双向DC/DC变换器进行优化设计的基础上，提出一种适于锂离子电池的两阶段充电控制策略。在Matlab仿真环境下，搭建了基于双向DC/DC变换器的充放电仿真电路和独立光伏系统整体供电电路，并在不同负载条件下进行了仿真，检验了电路拓扑结构的正确性以及充放电控制策略的合理性。

1 双向DC/DC变换器

双向DC/DC变换器是DC/DC变换器的双象限运行，即在保持变换器两端的直流电压极性不变的前提下，根据需要改变电流的方向，从而实现能量的双向流动[3]。近年来随着锂离子电池在独立光伏系统中的广泛应用，带有双向直流变换器的储能系统能够对整个系统能量起到调节作用。通过双向DC/DC变换器电池既可以对系统能量不足进行补充，又可以储存盈余能量，满足节能环保的要求，确保在不同的外界条件下系统都能提供相对平稳和恒定的电能供应。

常用的双向 DC/DC变换器主要有双向升降型(Boost/Buck)和变压器隔离型全桥变换等主电路拓扑结构形式，变压器隔离型全桥式变换器由于本身开关管数量较多，效率相对较低，功率电压器的偏磁问题难以解决，可靠性低，多在大功率条件下使用[4]，不适合小型独立光伏系统。因此本文以非隔离单通道Buck/Boost双向DC/DC变换器为基础进行研究，其典型拓扑结构如图1所示。

图1 Buck/Boost双向变换器拓扑

开关管的PWM驱动信号由系统进行协调控制，V1、V2不同时间的导通与关断会使双向变换器处于不同的工作模式。

(1)Boost工作模式：当母线输出电能少于负载所需能量甚至不输出电能时，蓄电池进行放电对负载供电，此时双向变换器等效为一个Boost电路，如图2所示。

图2 Boost工作模式电路结构

蓄电池经过Boost电路升压，当开关管V1导通时，蓄电池有可能会因过流而发生损坏，因此增加一个限流电阻R以保护蓄电池。但是当V1关断时，限流电阻又会和负载分压，损耗一部分能量。为防止这种情况，用一个开关与电阻并联，并使其控制信号与V1控制信号相反，在保护蓄电池的同时又防止电能浪费，电路结构如图3所示。

图3 改进后Boost工作模式电路结构

(2)Buck工作模式：当母线输出电能多于负载所需能量时，剩余能量即对蓄电池进行充电，此时双向变换器等效为一个Buck电路，如图4所示。

图4 Buck工作模式电路结构

2 充放电控制方法

光伏发电受日照强度、环境温度等自然条件变化的影响不能输出稳定电能，为使母线电压能时刻稳定在目标值，则要求储能系统必须能够根据不同条件自主切换工作模式并稳定工作，而这就需要对双向变换器进行控制，也就是进行电池的充放电控制。

2.1 充电控制建模仿真

当母线输出能量有盈余时，而蓄电池未充满时，要求对蓄电池进行充电控制。常用锂离子电池充电方法主要有恒流—恒压两阶段充电、预充—恒流—浮充三阶段充电，而脉冲充电通过充电过程中短的间歇段有助于消除浓差极化，增加能量转换效率，缩短充电时间，近几年受到广泛关注。在考虑所设计系统中锂离子电池不完全放电的情况下，取消预充电过程，并用脉冲充电代替恒压充电，提出一种两阶段充电控制策略，即先恒流后脉冲的充电方法，在Matlab中建立模型如图5所示。

图5 锂离子电池充电控制模型

恒流充电阶段采用电流负反馈闭环PID控制方法，即将充电电流与给定电流值相比较生成信号，通过PID控制输出控制信号，然后通过PWM发生器产生脉冲信号控制开关管的通断来控制充电电流。当电池荷电容量大于90%时，切换至脉冲充电阶段，仿真结果如图6所示。

图6 充电电流与荷电容量变化关系

2.2 放电控制建模仿真

当母线输出能量不足时，要求对锂离子电池进行放电控制，本文采用电压负反馈闭环PID控制方法，即将变换器输出电压与给定母线电压相比较生成信号，通过PID控制输出控制信号，然后通过PWM发生器产生脉冲信号控制开关管的通断来控制负载端电压，达到给定电压值。在Matlab中建立模型如图7所示，仿真结果如图8所示。

图7 锂离子电池放电控制模型

图8 放电电压波形

3 系统整体控制仿真研究

为使储能系统能及时进行充放电以达到调节系统功率平衡的目的，在对锂离子电池充放电方式进行单独控制的基础上，还需要根据整体系统实时功率供需变化进行有效地整体控制。根据前一部分双向变换器工作模式的描述，可以明确锂离子电池充放电整体的控制流程，如图9所示。

图9 充放电整体控制流程图

当负载功率大于光伏系统输出功率时，母线电压(48 V)会明显降低，当下降超过1 V时，控制放电电路导通，补充不足功率，当蓄电池荷电容量小于20%时，停止放电。当光伏系统输出功率大于负载功率时，基于有稳压控制环节，母线电压上升幅值在可以接受范围内，因此以两者功率差作为控制信号控制充电电路导通，当锂离子电池荷电容量等于100%时，停止放电。基于上述控制策略，搭建仿真模型如图10所示。

图10 充放电整体控制模型

为检验控制策略的合理性与可行性，搭建独立光伏系统整体供电电路，并在负载变化的不同条件下进行仿真。在标准环境温度和标准光照强度的条件下，改变阻性负载大小使负载功率大于光伏系统输出功率，仿真结果如图11所示。

由图11(a)可知，当负载功率大于光伏系统输出功率时，母线电压会明显降低，此时锂离子电池放电补充不足功率，将母线电压抬高至目标值48 V。而图11(b)显示此时电池放电电流约为20 A，也印证了这一点。

在标准环境温度和标准光照强度的条件下，改变阻性负载大小使负载功率远小于光伏系统输出功率，仿真结果如图12所示。

由图12(a)可知当负载功率远小于光伏系统输出功率时，锂离子电池吸收盈余能量，处于充电阶段。而图12(b)显示电池荷电容量逐渐上升则直接印证了这一点。

图11 系统整体运行仿真结果

图12 系统整体运行功率对比与SOC变化

4 结论

本文在对已有非隔离单通道Buck/Boost双向DC/DC变换器进行优化设计的基础上，提出了一种适于光伏系统中不完全放电的锂离子电池的两阶段充电控制策略，并搭建了基于双向DC/DC变换器的充放电仿真电路，验证了充放电控制策略的正确性。基于整体控制建立了独立光伏系统整体供电电路，并在负载变化的不同条件下进行了仿真。仿真结果表明，当负载功率大于光伏系统输出功率时，母线电压明显降低，蓄电池进行放电补充不足功率抬高电压；反之，蓄电池进行充电，吸收盈余功率。这充分证明了电路拓扑结构的正确性以及整体控制策略的有效性。

[1]何越，李正天，林湘宁.微网分布式电源非线性功率控制策略[J].电工技术学报，2012，27(1)：48-55.

[2]郭海滨，张崇巍，张兴，等.一种应用于光伏系统的双向DC/DC变换器[J].电力电子技术，2010，44(6)：51-52.

[3]刘冠男，张相军.基于超级电容储能双向DC/DC变换器控制模型分析[J].电力电子技术，2013，47(10)：81-83.

[4]许海平.大功率双向DC-DC变换器拓扑结构及其分析理论研究[D].北京：中国科学院，2005.

Research on control of lithium-ion battery charge and discharge based on bi-directional DC/DC converter

AN Yun-peng,ZHAO Jin-cheng,LIU Jin-ning
(Department of Vehicle and Electrical Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang Hebei 050003,China)

In the situation,a two-stages charge control strategy for the lithium-ion battery in the independent PV power system based on optimization on the circuit topology of bi-directional DC/DC already underway was presented. Moreover, the charge and discharge circuit based on bi-directional DC/DC converter and an integral independent PV power system were built with Matlab,and simulated under the different conditions when the loads change. The simulation results show the correctness of the charge and discharge circuit topology and control strategy.

lithium-ion battery;charge and discharge;bi-directional DC/DC;photovoltaic system

TM 912.9

A

1002-087 X(2017)02-0208-03

2016-07-12

国家自然科学基金项目(51307184)

安云鹏(1991—)，男，山西省人，硕士研究生，主要研究方向为微型联合供电系统能量管理与控制。