基于单极倍频调制的电池化成整流器设计

文/朱良涛

1 引言

随着汽车工业电气化方向的发展趋势，加之国家新能源政策的导向，预计2020年，世界范围内新能源电动汽车的保有量将突破500万辆。此外由于广泛应用于移动终端、智能设备等，锂电池市场需求量也被瞬间释放。目前市场上电池产品质量、容量、循环寿命、内阻等特性不均匀，与电池生产工艺息息相关。举例来说，18650电池从原料到最终成品需要匀浆、涂布、碾压、分切、卷绕、入壳、点焊、滚槽、滚槽检测、X-射线检测、注液、激光焊、热缩等繁复步骤。鉴于此，本文关注动力电池生产最后也是最关键的环节——化成，其对锂电池性能的优劣起着至关重要的作用。

化成的最大作用就是激活电池：通过对电芯充电，激活其内部的正负极物质，在负极表面形成SEI膜（Solid Electrolyte Interface），使电池性能更加稳定，改善了锂电池界面、自放电、循环等性能。此外，有增强电芯硬度，整形等功能。在电芯被消费者实际应用之前，通过化成环节做必要的激活、测试，安全性筛选和配组，并伴随多道严格的检测，以进一步确保电芯的品质和安全。

传统的电池化成设备采用不可控整流电路，存在网侧功率因数低、谐波污染、放电能量耗散等问题，既不符合节能减排的要求，也增加电池厂家的用电成本。电池化成设备的有源前端广泛采用能量双向流动的PWM整流器可有效解决以上问题。然而针对传统双极性SPWM调制，提高整流器开关频率具有降低电流脉动、提高功率密度和降低噪声等优势，但随之而来的是开关速度的限制，开关损耗增加导致电路效率下降等弊端。电池化成过程由于时间长、功率大，因此电池充电效率成为首要考虑的指标。为此设计了基于单极倍频SPWM调制的双向整流器，降低了功率器件的开关损耗，结合电压电流双闭环控制策略，实现能量的高效双向传输。此外，相较于过零点检测的所想方式，本文采用了虚拟坐标的锁相技术，提高了设备有源前端的适应性与可靠性。

图1：拓扑结构及环路控制框图

2 主回路拓扑及控制策略

单相PWM整流器主回路的拓扑结构及控制策略如图1所示。其中uS为交流侧输入电压；L为交流电感，起能量传递、抑制网侧高频谐波和平衡电网电压与直流输出电压的作用，是实现能量双向流动的关键；R为交流侧等效电阻，一般阻值较小可忽略；S1-S4为功率开关器件，一般为MOSFET或IGBT；开关管并联续流二极管，起到缓冲过程中无功能量的作用，由开关管集成或外置；电容C为直流滤波电容，起到稳定母线和旁路纹波电流的作用；RL为负载侧等效电阻。

为了使整流器工作于近似单位功率因数下，即要求交流侧电流为正弦波且与电网电压同相位，本文采用的是电压前馈的双闭环控制方式。控制环路中分电压外环和电流内环，外环为电压环，通过对母线电压的PI控制，得到稳定的直流输出，电压环的输出作为电流内环的给定值is*的幅值Is*，结合锁相环PLL检测到的输入电压的相位和频率，作为电流内环的给定值，通过电流环PI控制，使得交流输入电流实际值能够快速、准确跟踪给定值。电流内环的输出uL*可以认为是回路阻抗电压的给定，用前馈量网侧电压uS减去内环数量uL*便可得到调制波uab*，再通过SPWM算法得到开关的PWM驱动信号。

图2：锁相环控制结构框图

在电池充电时，后级电池充放电模块吸收母线能量，母线电压拉低，电压外环给出的电流幅值Is*为正，整流器工作在整流状态，电网电压与电感电流同向；电池放电时，电池存储的能量通过电池充放电模块回馈到母线上，母线电压升高，电压外环给出的电流幅值Is*为负，整流器工作在逆变状态，电网电压与电感电流反向。最终，能量的双向流动实现电池化成工艺的充放电控制。

3 锁相环设计及调制方式

3.1 锁相环设计

相比于基于电压过零点检测的相位检测电路，基于瞬时无功理论的锁相环动态性能好，在电压畸变的情况下仍能准确锁相。对于单相 PWM 整流系统，其电网信息只有一相，如果要用此理论来实现锁相环，就需要构造静止坐标系下的两相正交的电压矢量。

将电网电压采样定在α轴上作为Vα，通过延迟的方式得到超前90°的β轴信号Vβ，构造后点电网电压矢量分别为：

式中ω1为电网电压的旋转角速度，θ1为电网电压矢量的初始角度。假设，坐标变换的角度为θ0，其表达式为：

图3：单极性倍频PWM调制波形图

图4：单极性倍频PWM调制实验波形

图5：整流逆变实验波形

式中θ2为坐标变换时的初始角度，ω2为理想状态下电网电压的旋转角速度。

经过dq坐标变换后得到旋转坐标系下电网电压的有功分量Vd与无功分量Vq：

可得：

由式（4）、（5）得到如图 2 所示的单相锁相环的结构框图。图 2 中 PI 环节相当于低通滤波器，可使得Vq=0，则ω1=ω2，θ1=θ2，此时锁相环输出的相位即为输入信号的相位，锁相成功。此种控制方式能抑制电网电压的谐波的影响，滤除高频干扰，对于低频分量和输出没有影响，但是会产生一定的延时。

3.2 调制方式

单相PWM整流器的调制方式主要有单极性调制和双极性调制两种。相比双极性调制方式来说，单极性 PWM 调制具有低开关损耗、低谐波含量的优点。而单极性倍频调制方式在相同的开关频率下又可将母线电压上的脉动频率降低一半，进一步降低滤波措施的要求，本文设计的整流器采用此种调制方式。单极性倍频调制的调制波形如图3所示。

图中载波uc与调制波ur比较，得到开关管S1和S2的驱动信号；载波uc与调制波-ur进行比较，得到开关管S3和S4的驱动信号。首先比较载波uc与调制波ur，当ur＞uc时，S1驱动信号为高，反之，S1驱动信号为零，S2与S1反向。同理，比较载波uc与调制波-ur，当-ur＞uc时，S3驱动信号为高，反之，S3驱动信号为零，S4与S3反向。开关管用上述信号驱动后，H桥交流侧uA和uB间的电压uAB只存在正、零和负三种 PWM 脉冲信号。而且在半个周期内，所产生的电压信号只在正、零或者零、负一种极性内变化，降低了开关中的干扰的同时，实际的开关频率是开关管的一倍。

4 实验验证

实验设计了2kW单相整流器样机，额定输入电压220V，输出电压380V，开关频率10kHz。采用TI公司的C2000系列Piccolo微控制器TMS320F28035作为系统的主控单元，该芯片集成CLA协处理，特别适合电力电子系统的环路控制，有多大16路内部ADC、14路PWM和7路高分辨率PWM，同时集成CAN、I2C、SPI、UART等丰富的外设接口。功率开关管选用IR公司的高速IGBT器件IRGP20B60PDPbF，耐压600V，额定电流20A，集成超快恢复二极管，适合PFC类拓扑应用。考虑到输入电流的跟踪性能和纹波抑制，交流电感选择6mH。

本文所设计单极性倍频SPWM调制的实验波形如图4所示。开关器件驱动波形分别为S1、S2、S3、S4。由图可知开关频率10kHz。为了防止直流母线半桥上下管直通，驱动S1与S2互补且加有死区时间。整流器输出频率可达到20kHz，完成预期单极性倍频SPWM调制设计。

与传统的电网电压过零点检测电路相比，基于虚拟坐标变换的锁相技术应用于双向PWM整流器的双闭环控制策略中，不仅准确获取电网电压的相位信息，而且能在电网电压受干扰，畸变情况下准确锁定电网信息，具有较强的鲁棒性。应用本文所提设计，电池化成双向整流器的实验波形如图5所示。图5为整流器在逆变到整流状态切换的动态过程。由图可知，逆变状态时，电感电流is与电网电压us反向，功率因数为-1；整流状态时，电感电流is与电网电压us同频同相，功率因数为1。

5 结束语

本文首先提出了用于电池化成的双向整流器实现能量双向传递的控制策略，然后针对单相供电系统进行了锁相环的设计，又详细分析了单极性倍频调制方式的实现方式，最后通过实验验证了此种电池化成双向整流器实现电池在化成过程能量高效传输的可行性。