大容量电池多模块并联型化成电源的设计

杨占录， 王宗亮， 刘吉军(海军潜艇学院 动力系，山东 青岛　266199)

0　引　言

大容量铅酸蓄电池在工业生产及潜艇上广泛使用，化成是其生产过程中的一个重要环节，即以规定的电流循环进行充电-静置-充电-放电。目前该环节一般采用高频开关电源，经过AC/DC、DC/AC、AC/DC三级功率变换和两次滤波，环节多、效率低，特别是在小电流浮充阶段，存在电流纹波大、控制精度低、电源效率偏低的问题[1]。

针对上述问题，设计了一款多个DC变换模块并联运行的化成电源。以10 kW/25 A的DC/DC为基本功率单元，每个单元能够单独运行，8个功率单元为一组，能以1、2、4或8个功率单元并联输出的方式对不同充电阶段和不同功率等级的蓄电池进行充放电。单个功率模块结构简单可靠，模块组合运行方式灵活，克服了一体化结构只有一组滤波参数的限制，在很宽的输出电流范围内保证了电流品质[2]。

化成电源可设置化成工艺流程及参数，具有恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、恒流限压放电、循环、静置等工作方式，具有定时间、定电压、定安时等多种转换阶段的方式；具有多种电气保护及掉电数据保存、来电自动恢复等功能；实现了多台电源的网络化控制和数据处理。

1　电池化成电源的拓扑设计

1.1　系统设计方案

电池化成系统以500 kW为一单元，每个单元由一个500 kVA隔离变压器、一台500 kW的AC/DC及6组48个10 kW/25 A的DC/DC组成。AC/DC与DC/DC在直流母线处汇流，系统拓扑如图1所示。多组500 kW化成系统的直流母线可直接并联拓展。

图1　化成电源的系统结构

化成电源采用集中式整流和逆变，分布式控制蓄电池充放电，按照AC-DC-DC和DC-DC-AC的关系进行能量变换，通过整流逆变技术和直流变换技术实现电能的双向流动[3]。

三相市电经AC/DC柜PWM全控整流变换成直流电源，再由DC/DC柜对蓄电池进行电流可控的充电；蓄电池放电时，DC/DC柜工作在第二象限，AC/DC柜工作在有源逆变状态。控制管理模块通过网络控制器接收DC/DC柜的各单元的工作参数，分析计算后，决定各单元的工作状态，并将控制信息发送给控制器[4]。

1.2　主回路拓扑

化成电源系统包括AC/DC柜、DC/DC柜、人机界面、蓄电池组四部分，如图2所示。

图2　化成电源的主回路拓扑

AC/DC柜是化成电源系统的电力变换部分，主要功能有：将三相交流电压整流为500 V直流电，供给DC/DC柜实现蓄电池充电；将蓄电池放电时的电压逆变为380 V交流电，实现能量向电网的回馈。

双向DC/DC柜是实现蓄电池化成过程中电能双向流动的主要部分，主要功能有：接收、保存并执行控制工艺，根据时间、电流、电压等转换条件实现多个充放电各阶段的自动切换；就地界面实时显示各种检测数据以及工作模式，可以对参数进行设置和修改，给定启停、复位等命令，能反映故障信息；充放电过程中，若主回路突然断电导致系统没有正常结束，当系统恢复供电启动后，自动调出工艺参数，并从断电处继续运行。

人机界面除了实时监控功能外，还可针对不同故障信息实施自动控制。

1.3　AC/DC及DC-DC功率单元拓扑

AC/DC单元是采用IGBT的常规双向变流器，是厂内直流供电系统，主电路拓扑如图3所示。

图3　AC-DC功率单元主回路

以IPM为主开关器件组成的双向DC/DC电路对蓄电池进行充放电[5]，主电路拓扑如图4所示。

图4　DC-DC功率单元主回路

Udc1侧接电池，Udc2侧接直流母线，充电时VT2管关断，VT1工作在PWM状态，可实现恒压、恒流充电；放电时VT1关断，VT2工作在PWM状态，可实现恒流放电或维持直流母线电压在500 V。充放电模式切换通过本机操作或远程通信实现，充放电切换时间小于10 ms。

1.4　装置的硬件设计

设计主回路中元器件参数时，按照以下关键设计指标进行：(1)输入电压：U1L=380 VAC，直流母线电压500 V；(2)输出电压：U0=0～400 V可调；(3)输出电流：Io=2～25 A可调(单模块)；(4)开关频率：fs=20 kHz；(5)纹波：≤1%；(6)控制精度：0.5%；(7)充放电切换时间：≤10 ms。

根据直流电源要求，AC-DC主回路拓扑中全控型开关IGBT的电压电流均考虑两倍裕量，选英飞凌FF450R12ME4，驱动为2SP0115T2CO-12。

并联型化成电源的创新点和实现的关键是系统中的DC-DC功率单元，其主回路设计如下：

1)IPM模块

主开关管使用高度集成、高可靠的IPM，有效缩小模块体积，电压电流均考虑两倍裕量，选富士IPM(三相全桥)，型号7MBP50VDA120-50，1 200 V/50 A。

2)电感L计算

当充电电流为2 A时，算得电感L=0.65 mH，取L=1 mH，电流按额定电流的1.2倍，即30 A设计。

3)电容C1计算

取电压纹波为2%，算得电容C1=55 μF，取C1=110 μF/500 V(薄膜电容)。由于C2包含在AC/DC中，DC/DC侧不接该电容。

4)散热设计

IPM饱和导通压降2.2 V，FWD饱和导通压降2.6 V，最大电流30 A，按占空比为10%设计，则通态损耗为：P1=2.2×30×0.1+2.6×30×0.9=76.8 W。

Tj=125 ℃时的开关损耗(毫焦/每脉冲)：开通损耗能量Eon=3 mJ，关断损耗能量Eoff=5 mJ，反向恢复损耗Err=2 mJ；

P2=fs×(Eon+Eoff+Err)=20×(3+5+2)=200 W。

总损耗：P=P1+P2=276.8 W。

因此总耗散功率按300 W设计，采用加棱齿的铝散热器并采用轴流风机强迫风冷散热。散热器尺寸180 mm×230 mm×100 mm，满足化成工序连续工作时间长、可靠性要求高的散热要求。

5)电压、电流传感器

采用PCB板安装方式的LAM电流型传感器，量程是分别是600 V和25 A，精度0.5%，抗干扰能力强，采样频率每周波256个点，保证采样精度、反馈准确。

6)电容组并联及开关器件连接

采用容性层叠功率母排，消除谐振，降低温升。

2　控制回路设计

2.1　控制回路的硬件设计

考虑到各功率单元的并联运行，采用统一的控制器对8路功率单元进行集中控制，8个功率单元的电压、电流输出量都采集到一个控制单元，控制芯片根据不同的运行模式采用不同的闭环控制策略。控制器至少包含17路AD输入，16路PWM输出。一个485接口与监控系统通信，一个232接口与LCD通信。就地控制系统设有时钟芯片，化成工序按时钟自动运行[6-7]。

PI环分类：设有8个功率单元电流环实现定电流控制，8路输出时需8个电压环实现定电压控制。同理，4路、2路、1路输出时分别需4个、2个、1个电压环，总计23个PI环[8]。开关频率20 kHz，控制回路拓扑如图5所示。

图5　控制回路拓扑

控制核心采用DSP28335，它是TI的高速32-bit CPU，具有一个浮点内核，工作速度可达150 MIPS，具有256 k×16 bit的Flash存储器， 2路UART串行接口，1路CAN接口，16路PWM输出，3个32位的定时器，6个事件捕获输入端口。具有精度高、成本低、功耗小、外设集成度高，数据及程序存储量大和AD转换快精确高等优点。

2.2　控制方法及控制流程

采用电压电流双环控制，内环为电流环，外环为电压环，如图6所示，调节器均为PI。加入电流内环后，不仅可以对输出电流加以限制，并且可以提高输出的动态响应，有利于减小输出电压纹波[9]。

在蓄电池的恒流充电阶段，电压环PI不起作用，当进入恒压充电阶段，电流环与电压环同时工作，此时的控制器为双环结构。这种控制方式使得输出电压、输出电流均限制在给定范围内，具体的工作方式由蓄电池电量决定[10]，控制流程如图7所示。

图6　充放电控制框图

图7　控制流程图

3　化成电源电气布局和结构设计

根据以上设计最后做化成电源的电气布局和结构设计。柜门装液晶屏，电源内部正面和背面如图8所示，柜体尺寸600 mm×800 mm×1 600 mm，正面输入背面输出，功率模块有底托，采用抽屉式结构。每个功率单元用三个风扇冷却系统，即使某个风扇发生故障，冗余的冷却系统仍能够确保功率单元满载工作，保证电源的稳定性、可靠性。

4　结束语

应用BUCK-BOOST变换技术，研制了一款多模块并联型的化成电源，完成了电源系统结构、主电路及控制回路拓扑的设计并对关键环节进行设计和选型，完成了电气布局和结构设计，介绍了控制流程。实际应用表明主回路设计合理，采用的多模块并联结构既简单可靠又能保证大电流输出，灵活的组合方式保证在任意电流输出时电流品质高，电源效率高。在单个模块出现故障的情况下可在线更换，保证系统正常连续运行。经相关技术部门鉴定，该技术具有良好的推广应用前景。

图8　化成电源结构图

参考文献：

[ 1 ] 孙海晶.动力蓄电池化成用充放电控制系统研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.

[ 2 ] 安云鹏,赵锦成,刘金宁.基于双向DC/DC变换器锂离子电池充放电控制研究[J].电源技术,2017,41(2):208-210.

[ 3 ] 李小峰.高频开关型可并联大电流直流模块基础技术研究[D].西安:西安石油大学,2015.

[ 4 ] 李科科,陈健,王介阳.电池化成用的能量回馈型直流变换器[J].自动化仪表,2017,38(5):24-27.

[ 5 ] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[ 6 ] 刘小平.蓄电池化成电源的设计与实现[J].企业技术开发,2010,29(19):22-23.

[ 7 ] 宫玉琳,李明秋,詹伟达.大容量铅酸电池高效充电系统设计[J].长春理工大学学报,2014,37(8):60-63.

[ 8 ] 李岩.电池化成用高变比双向直流变换器的研究[D].北京:北京交通大学,2012.

[ 9 ] 何栋.大容量锂电池化成系统中DC/DC变换器的设计与实现[D].成都:电子科技大学,2013.

[10] 付江杰.大功率动力电池充放电模块及并联均流技术研究与实现[D].成都:电子科技大学,2016.