蓄電池充放電管理系統(tǒng)

1、蓄電池充放電管理系統(tǒng)摘 要：本系統(tǒng)為光伏電站內(nèi)模擬蓄電池充放電管理系統(tǒng)，其中模擬光伏電站直流母線電壓變化范圍為2226V，蓄電池電壓變化范圍為915V。系統(tǒng)采用Buck/Boost雙向DC/DC主拓?fù)?，以英飛凌XMC4500為控制核心，通過PI調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)雙向電壓變換和穩(wěn)流功能，能夠很好地模擬蓄電池的充放電曲線。同時(shí)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示兩側(cè)電壓、充放電電流，顯示誤差小，充放電電流紋波峰峰值低，充電效率高，并具有過壓與欠壓保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)功能。關(guān)鍵詞：蓄電池充放電 Buck/Boost 雙向DC/DC變換 PI 1. 系統(tǒng)方案1.1方案論證與比較1.1.1主拓?fù)浞桨阜桨敢唬弘p向Buck/Boost變換

2、器。該拓?fù)淇梢赃M(jìn)行雙向升壓降壓控制，電路簡(jiǎn)單可靠，所用器件較少。缺點(diǎn)是，輸入輸出電壓極性相反，電路測(cè)量困難，且輸入輸出電壓紋波較大。圖1 Buck/Boost變換器l 有利于電池充放電。方案二：雙向Cuk變換器。電路可以通過合理選取L1和L2的耦合程度使輸入輸出電壓紋波降低。缺點(diǎn)是該電路需要通過電容傳遞能量，對(duì)電容要求較高，電路器件較多，增加電路體積和重量。圖3雙向Cuk變換器l 方案三：Buck-Boost雙向DC-DC變換器。該脫坡所用器件少，電路原理和控制簡(jiǎn)單，可靠性高，電路體積課設(shè)計(jì)較小，也能減輕系統(tǒng)重量。缺點(diǎn)是電路只能在單方向上進(jìn)行升壓或者降壓。綜合考慮，系統(tǒng)輸入輸出電壓只需要單向升

3、壓或者降壓，且考慮系統(tǒng)重量要求和單片機(jī)控制簡(jiǎn)單，我們選擇方案三Buck-Boost雙向DC-DC變換器。1.1.2采樣與驅(qū)動(dòng)方案l 方案一：不帶隔離的采樣與驅(qū)動(dòng)電路。此種方案電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，能減小輔助電源設(shè)計(jì)的工作量。但由于沒有隔離，所以系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性較差。l 方案二：帶隔離的采樣與驅(qū)動(dòng)電路。此種方案將主電路與控制電路隔離，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性，但是因增加了額外的隔離電源而對(duì)系統(tǒng)帶來額外的效率損失，不能夠很好的滿足題目要求。綜合考慮，由于本題只涉及直流而未涉及到交流，并且是否隔離對(duì)題目影響不大，所以選擇方案一。1.1.3控制方案l 方案一：采用位置型PI算法，占空比由誤差和誤差之和決

4、定，實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，波動(dòng)很大，需要添加抗積分飽和算法，結(jié)果導(dǎo)致算法復(fù)雜，且實(shí)際穩(wěn)定值還會(huì)波動(dòng)。l 方案二：采用增量型PI算法，檢測(cè)誤差來不斷增加或者減少占空比，因?yàn)镻I系數(shù)的原因，可以使電流大致穩(wěn)定在給定值，且算法相對(duì)簡(jiǎn)單。綜合考慮，選擇方案二。1.2總體方案描述系統(tǒng)包括雙向DC/DC變換電路、輔助電源、反饋控制、測(cè)量和顯示五個(gè)部分。其中DC/DC雙向變換電路是核心部分，控制電路主要利用英飛凌單片機(jī)XMC4500來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)通過蓄電池電壓、電流采樣反饋，并利用PI算法調(diào)節(jié)Buck/Boost雙向變換電路開關(guān)管的占空比，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電曲線的模擬。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到欠壓與過壓時(shí)，通過控制驅(qū)動(dòng)輸出來切

5、斷電路。當(dāng)故障解除后，系統(tǒng)利用試觸法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)的功能。系統(tǒng)通過紅外遙控器來切換充放電狀態(tài)，并通過液晶實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)電壓電流。系統(tǒng)總體框圖如圖1-1所示。 圖1-1 系統(tǒng)總體框圖2. 理論分析與計(jì)算2.1.1雙向DC/DC變換參數(shù)計(jì)算雙向DC/DC變換主電路電路圖如圖2-1所示。圖2-1 主電路電路圖電池充電模式：電池充電時(shí)電路工作在Buck模式，即電路從U2端輸入電壓，經(jīng)過Buck同步整流輸出給電池充電，通過單片機(jī)控制占空比改變并穩(wěn)定充電電流。電路此時(shí)輸入輸出電壓比例為M=U1U2=D。電池放電模式：電池放電時(shí)電路工作在Boost模式，即電路電池通過電阻R2放電，本系統(tǒng)為雙向DC/

6、DC電路。電路開關(guān)管截止時(shí)，兩端電壓最大為最大輸入電壓38V，通流能力應(yīng)大于2A。為了減小開關(guān)管損耗，應(yīng)盡量減小導(dǎo)通電阻。同時(shí)開關(guān)管頻率應(yīng)能達(dá)到設(shè)定頻率40KHZ以上。經(jīng)過選擇，采用英飛凌公司產(chǎn)的導(dǎo)通電阻為4.5m，耐受電壓為100V，導(dǎo)通電流可達(dá)100A的IPP045N10N型MOS管。 l 電感的選取Buck/Boost 雙向DC/DC變換器的拓?fù)洹Ｖ饕腥N工作模式，包括Buck 工作模式、Boost工作模式和關(guān)機(jī)模式。在Buck工作模式下，開關(guān)管V2 與V1互補(bǔ)導(dǎo)通，當(dāng)開關(guān)管V1導(dǎo)通時(shí)，二極管D1和D2 承受反向電壓關(guān)斷，模擬光伏電站直流母線對(duì)蓄電池充電，同時(shí)給電感L1儲(chǔ)能；當(dāng)開關(guān)管V

7、1關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管V2導(dǎo)通，電感電流經(jīng)V2續(xù)流，對(duì)蓄電池充電，電容C2 用來維持蓄電池端電壓的穩(wěn)定并進(jìn)行濾波。額定工作狀態(tài)下，。要保證電感工作在電流連續(xù)模式，需滿足。取=0.3A，則電感應(yīng)滿足。選取L=698H。在Boost 工作模式下，開關(guān)管V1 保持關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管V2導(dǎo)通時(shí)，電感L1充電；當(dāng)開關(guān)管V2關(guān)斷時(shí)，蓄電池和電感L1同時(shí)給模擬光伏電站直流母線充電，電容C1 用來維持直流母線電壓的穩(wěn)定并進(jìn)行濾波。l 電容的選取在Buck工作模式下，對(duì)于電壓紋波，有，則6.72F。考慮實(shí)際濾波效果，選擇C2=1000F。在Boost工作模式下，對(duì)于電壓紋波，有，則250F?？紤]實(shí)際濾波效果，選擇C2

8、=1000F。3. 電路與程序設(shè)計(jì)3.1主電路設(shè)計(jì)與分析 主電路原理圖如下圖3-1所示。圖3-1 主電路電路原理圖雙向DC/DC變換器采用非隔離型的Buck/Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為模擬光伏電站直流母線電壓，C1為母線電容，V1、V2采用MOSFET，D1、D2為不同工作模式下的續(xù)流二極管，L為儲(chǔ)能電感，C2為蓄電池側(cè)濾波電容，E為鋰電池側(cè)端電壓。Buck/Boost雙向DC/DC變換器主要有以下兩種工作模式。l Buck工作模式：在此工作模式下，穩(wěn)壓源向電池充電。開關(guān)管V2與V1互補(bǔ)導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)管V1導(dǎo)通時(shí)，二極管D1和D2承受反向電壓而處于關(guān)斷狀態(tài)，穩(wěn)壓源向電池充電，同時(shí)給電感L1儲(chǔ)能；當(dāng)開

9、關(guān)管V1關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管V2導(dǎo)通，電感電流經(jīng)V2續(xù)流，對(duì)電池充電，電容C2放電維持電池端電壓的穩(wěn)定。l Boost工作模式：在此工作模式下，電池放電。開關(guān)管V1保持關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管V2導(dǎo)通時(shí)，電池給電感L充電儲(chǔ)能；當(dāng)開關(guān)管V2關(guān)斷時(shí)，電池通過30電阻放電，電容C1用來維持光伏電站母線電壓的穩(wěn)定。3.2測(cè)量電路設(shè)計(jì)與分析3.2.1電壓測(cè)量模塊電壓測(cè)量模塊電路圖如圖3-2所示。圖3-2 電壓測(cè)量電路圖 通過對(duì)測(cè)量電壓分壓后進(jìn)行差分放大，擬合得到實(shí)際電壓與測(cè)量電壓關(guān)系。3.2.2電流測(cè)量模塊電流測(cè)量模塊電路圖如圖3-3所示。圖3-3 電流測(cè)量電路圖 通過采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，用儀用放大器

10、進(jìn)行差分放大，加入一定偏置電壓，即可將-3A-3A電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為正的電壓信號(hào)。3.3欠壓與過壓保護(hù)設(shè)計(jì) 通過電壓測(cè)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)母線電壓高于28V或蓄電池電壓低于7V時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)3s后驅(qū)動(dòng)電路重新輸出，以此實(shí)現(xiàn)過壓與欠壓保護(hù)及自恢復(fù)功能。3.4軟件控制設(shè)計(jì)與分析圖3-4 軟件控制框圖AD采樣蓄電池和總線的電壓和電流，首先判斷電流是否過大，過大則進(jìn)行過流保護(hù)，然后檢測(cè)電壓，判斷是否需要過欠壓保護(hù)，然后根據(jù)電壓采取不同的PI調(diào)節(jié)策略，使電流穩(wěn)定在需要的值。4. 測(cè)試結(jié)果與分析4.1測(cè)試儀器三位半數(shù)字萬用表FLUKE-15B數(shù)字穩(wěn)壓源DF1743003C5節(jié)鋰電池18650型25

11、00mAh4.2測(cè)試條件使用數(shù)字穩(wěn)壓源通過開關(guān)模塊為系統(tǒng)提供電源，將5節(jié)帶保護(hù)板電池串聯(lián)組成電池組，通過開關(guān)接入電路。測(cè)試前，使電池電壓在19.5V左右。接入電路時(shí)，先讓電路工作在充電模式，測(cè)試穩(wěn)流充電效果，充電效率以及充電過壓保護(hù)。其后，通過開關(guān)模塊切入放電電阻，調(diào)節(jié)遙控使電路工作在放電狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，使用萬用表測(cè)量輸入電壓U2電流I2，輸出電壓U1電流I1以及穩(wěn)壓源經(jīng)過二極管電壓Us。4.3測(cè)試方案與結(jié)果4.3.1基本要求接通電路，閉合開關(guān)S1、S3，斷開S2，將裝置設(shè)定為充電模式。（1）調(diào)節(jié)穩(wěn)壓源電壓，使輸入電壓U2=30V，使用遙控器調(diào)節(jié)充電電流大小，使用萬用表測(cè)量輸入電壓電流，

12、輸出電壓電流，觀察液晶顯示充電電流大小。記錄數(shù)據(jù)如表4-1，計(jì)算充電電流為2A時(shí)變換器效率。表4-1 充電模式電壓電流測(cè)量U1/VI1/AU2/VI2/A顯示電流/A19.451.00330.011.7221.1019.511.20130.011.7311.20-19.541.40230.000.9321.4019.571.60130.011.0651.6019.591.80329.991.1991.8019.622.00430.001.3342.00由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，液晶顯示電壓電流測(cè)量值與實(shí)際值之間的誤差小于5%。該系統(tǒng)滿足基本要求。l 電流紋波測(cè)量使用示波器檢測(cè)電池充放電電流紋波，其電

13、流紋波峰峰值小于0.1A。4.3.2發(fā)揮部分l 浮充測(cè)試用穩(wěn)壓源提供蓄電池電壓E=15V，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓源使母線電壓在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，使。電壓電流測(cè)量數(shù)據(jù)如表4-2所示。表4-2 浮充電壓電流測(cè)量數(shù)據(jù)/V24.0024.5025.0025.5026.00I1/A0.0480.0490.0500.0500.051由上表數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)E=15V，時(shí)，能夠以I1=0.05A對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充，且誤差小于20%。l 充放電曲線用穩(wěn)壓源提供蓄電池電壓E=9V，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓源使母線電壓在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，使。電壓電流測(cè)量數(shù)據(jù)如表4-3所示。表4-3 充放電曲線測(cè)量數(shù)據(jù)/V22.0022.2522.5022.7523.0023.2523.5023.7524.00I1/A-3.045-3.006-2.996-1.4730.0781.5273.0723.0943.120由上表數(shù)據(jù)可以做出自動(dòng)充放電曲線如圖4-2所示。表4-2 自動(dòng)充放電曲線由以上數(shù)據(jù)及曲線可以看出，該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)蓄電池自動(dòng)充放電曲線。l 過壓與欠壓保護(hù)當(dāng)母線電壓或蓄電池電壓E7V時(shí)，兩MOS管全部關(guān)斷，電流為零。立即將電壓調(diào)至正常范圍，3s后電路即可恢復(fù)，即具有過壓、欠壓保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)功能。5. 總結(jié)系本系統(tǒng)以英飛凌單片機(jī)XMC4500為控制核心，通過蓄電池電壓、電流采樣反饋，并利用PI算法調(diào)節(jié)Buck/Boost雙向變換電