蓄电池充放电管理系统电力电子试题.docxVIP

蓄电池充放电管理系统 摘要：本系统以双向半桥变换器为核心，可模拟蓄电池的充放电管理，实现能量的双向传输，使用Infineon16位单片机XE162为控制核心，实现了额定工作状态下双向输出电流稳定在±3A，同时根据蓄电池电压的不同，实现对蓄电池的浮充和特定的充放电曲线。实验结果表明：在蓄电池电压E维持在15V时，直流母线电压Ubus在较宽范围内变化时，能够以恒定电流I1=0.05A向蓄电池进行浮充，误差小于20%；在蓄电池电压E维持在9V时，直流母线电压Ubus在较宽范围内变化时，能够实现要求的充放电曲线，误差小于10%，系统额定充电效率达到90.05%，此外，系统还具有过压（Ubus≥28V）保护与欠压（放电模式时E≤7V）保护，以及自动恢复功能，和具有两侧电压、充放电电流的显示功能。 关键词：双向半桥变换器 PI闭环控制 电流电压测量 方案论证 双向DC/DC变换器 方案一：双向Buck/Boost变换??Boost-Buck 图1 Buck/Boost变换器 当Buck/Boost变换器正向工作时，此时开关管S1工作，S2截止，若S1处于导通状态，电池组和输出电容C2分别对电感L和负载供电，若S1处于关断状态，二极管D2正向偏置导通，电感L对输出电容C2和负载供电，因此可以通过改变S1的占空比来调整变换器的输出电压U2，当Buck/Boost变换器反向工作时，此时开关管S1截止，经过一个固定的死区时间后，开关管S2开始工作，能量反向流动，实现对电池组的充电，通过改变S2的占空比可以控制充电电流，使其限制在最大反向电流。若S2导通时，电容C1对电池组充电，能量存储在电感L中，当S2关断时，二极管D1正向偏置导通，电感L对电池组和电容C1充电。 方案二：双向半桥变换器Buck/Boost 图2 双向半桥变换器 双向半桥变换器正向工作时，开关管S1开始工作，S2截止，此时电路为Boost升压变换电路，反向工作时，开关管S2开始工作，S1截止，此时电路为Buck降压变换电路。 方案三：双向Cuk变换器 图3双向Cuk变换器 当双向Cuk变换器正向工作时，S1开关工作，S2截止，Cuk变换器中的电容C3的容量要求很大，变换器稳态工作时，C3的电压基本保持不变，S1导通时，电池组向电感L1充电，电容C3经负载和电感L2放电，当S1关断时，电池组和电感L1向电容C3充电，电感L2可为负载供电。当反向工作时，开关管S1截止，S2工作，当S2导通时，负载向电感L2充电，电容C3经电池组和电感L放电，当S2关断时，负载和电感L2向电容C3充电，电感L1向电池组供电。 综上所述，双向Buck/Boost变换器和双向半桥变换器利用电感传递能量，与双向Cuk变换器相比可以节省一个大容量高额定电压的传递电容，另外，双向半桥变换器的开关元件和二极管的电压应力和电流应力最小，在相同条件下，它可以选择电压额定值较小的器件，另外该变换器的有源元器件的导通损耗最小，较其他变换器的效率更高，所以我们选择方案二。 总体方案描述 图4 总体方案 系统采用英飞凌公司 16 位单片机 XE162作为核心控制器，为了实现蓄电池电压E=9V时，24V≤Ubus≤26V时，能够以I1=0.05A向蓄电池进行浮充，在E=9V，22V≤Ubus≤24V时，能够实现图5所示的充放电曲线,在额定工作状态下（E=12V，Ubus=24V），系统能够双向输出电流（I1=±3A），利用XE162内部的集成10 位ADC 采样蓄电池电压E，直流母线电压Ubus，两侧电流I1和I2。,根据采样得到的蓄电池电压E的不同，系统采用不同的 PI 算法策略计算得到两个开关管的工作状态和开关管的占空比，再利用单片机内部的CCU60（PWM 生成单元）产生驱动信号，送入IR2110驱动模块，控制开关管的开通与关断，同时系统通过液晶实时显示系统两侧的电压电流。 图5 自动充放曲线 理论分析与计算 参数设计 主电路的电路图见下图，可见主要的器件与参数设计有：电容C1和C2，电感L1，二极管D1，D2，开关管Q1，Q2，具体计算如下： 图6 主电路 电感L1，电容C1和C2 当双向半桥变换器正向工作时，开关管Q1开始工作，Q2截止，此时电路为Boost升压变换电路，等效电路表示如下： 图7 Boost升压变换电路 输入电源电压Vin在18~21V,输出电压Vo为30V，开关频率设置为40KHz，电感电流连续时，有 Vo=Vin1-D 计算可知 Dmin=1-VinmaxVomin=1-2130=0.3 Dmax=1-VinminVomax=1-1830=0.4 输入电源电压和输出电压变化时，占空比的变化范围为0.3~0.4，临界负载电流 IOB=Vo2L1fsD(1-D)2 当D=1/3≈0.333时，IOB