基于sabra的锂电池并联系统设计

基于sabra的锂电池并联系统设计

0发挥可恢复和动态均流作用目前，广泛使用的电池系统通常由多节压缩器连接，以提高电池的容量和电压。多节锂电池串联解决了单节电池电压较低的问题,但输出电流按照单节电池允许的最小电流计算,浪费了容量大的电池。多节锂电池并联虽然解决了电池的容量问题,却带来了电池电压较低和电池间环流的问题。升压变换器(BoostConverter)是最基本的直流开关变换器拓扑结构之一,可将一个低的电源电压变换到一个较高的电压值。因此,使用升压变换器和相应控制电路可以解决锂电池并联电压过低的问题。针对电池并联系统中的输出电压低、电池环流和电流分配问题,提出了采用Boost升压变换器对并联锂电池升压和基于电池容量的均流方案。本文根据Boost升压变换器的原理,采用占空比动态调整方案,消除电池间环流,稳定输出电压,减小输出电压的纹波系数;根据锂电池容量,动态分配输出电流,使整个电池组的放电时间一致,提高各节锂电池的利用率。1提升压力电路的工作原理Boost升压电路是1种开关直流升压电路,可以将输入电压提升到合适的等级输出。Boost电路的工作过程可分为充电过程和放电过程。1.1防止电容对地放电在充电过程中,电路等效如图1所示,二极管D的作用是防止电容对地放电。此时,输入电压流过电感L,电感上的电流以一定的比率线性增加,电感储存能量。1.2平台放电电路放电过程的等效电路如图2所示。由于电感的电流不能突变,原来的电流回路断开,电感只能通过二极管D,电容C放电,电容两端的电压逐渐升高。当电感中的电流全部释放到电容上之后,电容电压达到最高。Boost升压电路的工作原理简单,电路可靠性高,其输出电压与电感L、电容C和负载有关。因此,根据负载选取合适的L、C进行主电路设计是锂电池并联DC-DC升压的关键环节。2电路的组成和设计2.1脉宽调制控制电路设计开关管VT、储能电感L、续流二极管VD和滤波电容C组成了Boost升压变换器,如图3所示。控制信号UG加于开关管的门极。当为UG为高电平时,VT导通,电流从输入电源流入储能电感L,经VT流入电源负极。由于VT导通时饱和压降很小,二极管D反向截止,滤波电容C中储存的能量向负载释放。当UG为低电平时,VT截止,电感L中的电流不能突变,其产生感应电动势的极性是左负右正,使二极管D导通,电感L中存储的能量经二极管D对滤波电容C和负载供电。图3中,输出负反馈由取样电阻、比较放大电路和脉宽调制控制电路组成。当输入电压增大时,取样电阻上的取样电压增大,取样电压和基准电压相比较后,比较放大器输出比较结果信号,该信号使脉宽调制控制电路的输出脉冲占空比Q减小,使输出电压保持稳定。当输入电压减小时,比较放大器的输出使脉宽调制控制电路的输出脉冲占空比Q增加,从而使电路的输出电压稳定。2.2u3000电容电流的增量一般来说,储能电感L的回路电阻很小,则电路暂态过程的时间常数很大。如果忽略开关管的导通压降,则开关管VT导通时,电感L中的电流近似线性增加,即iL=ILV+UiLt(1)iL=ΙLV+UiLt(1)式中,ILV为储能电容C中的电流最小值。开关管VT导通结束时,电感L中的电流为ILP=LLV+UiL⋅TonΙLΡ=LLV+UiL⋅Τon因此,电感电流iL的增量为UiLTonUiLΤon。开关管关断时,续流二极管D导通,电感L两端的电压为:uL=Uo−Ui=LdiLdtuL=Uo-Ui=LdiLdt,经过积分变换,可求得流过储能电感L的电流为IL=ILP−Ui−UoLt(2)ΙL=ΙLΡ-Ui-UoLt(2)开关管VT截止结束时,电感L中的电流为:IL=ILV=ILP−Uo−UiLTOFFΙL=ΙLV=ΙLΡ-Uo-UiLΤΟFF因此,电感电流iL的减少量为Uo−UiLTOFFUo-UiLΤΟFF。电路进入稳态后,在开关管导通期间储能电感L中的电流增量应等于开关管截止期间的减量,即UiLTon=Uo−UiLTOFFUiLΤon=Uo-UiLΤΟFF经过等价变换,可求得:Uo=TTOFF⋅Ui=TT−TonUi=11−Q⋅Ui(3)Uo=ΤΤΟFF⋅Ui=ΤΤ-ΤonUi=11-Q⋅Ui(3)式中,占空比Q=Ton/T。因此,改变占空比Q大小,可得到所需要的输出电压值。2.3电容c的选择主电路设计的目的是根据负载和电路的输出功率,计算储能电感L、滤波电容C、二极管D和开关管VT的理论值,并据此选择实际元件。本文采用saber仿真,因此,储能电感L和滤波电容C是最重要的参数,需要根据设计目的仔细选择。(1)储能电感L的选择。根据电路的工作波形,储能电感电流包括直流平均值和纹波分量2部分。忽略电路内部损耗,根据电路的输出能量和输入能量相等的原则,有UiIi=UoIo,因此,Ii=IoUoUi=IoTTOFF=IAVΙi=ΙoUoUi=ΙoΤΤΟFF=ΙAV从电源流出的平均电流等于流入电感的平均电流。电感电流在Ton期间的增量为+ΔI=UiTonL+ΔΙ=UiΤonL;在TOFF期间的减小量为−ΔI=(Uo−Ui)TOFFL-ΔΙ=(Uo-Ui)ΤΟFFL。1个周期中有:+ΔI=-ΔI,即:UiTonL=(Uo−Ui)TOFFL(4)UiΤonL=(Uo-Ui)ΤΟFFL(4)可求得:Ton=Uo−UiUoT(5)Τon=Uo-UiUoΤ(5)选择ΔI时,为避免电感饱和,电感的峰值电流一般要求不大于其最大平均电流的20%,最小值不小于零。实际设计时,考虑到漏磁和开关损耗等因素,电感电流的增量一般选择为ΔI=UiTonL≤1.4IiΔΙ=UiΤonL≤1.4Ιi,经过变换,可求得电感量的关系式:L≥UiTon1.4Ii≥Ui(Uo−Ui)1.4UoIoUifUo≥U2i(Uo−Ui)1.4×fU2o⋅Io(6)L≥UiΤon1.4Ιi≥Ui(Uo-Ui)1.4UoΙoUifUo≥Ui2(Uo-Ui)1.4×fUo2⋅Ιo(6)本文的输出电压设计为32V,负载为100Ω,输入电压为3.75V,则可计算出输出电流Io=0.32A,选取开关频率为50kHz,代入式(6),可得电感值为17.04μH,实际选择10mH/2A的电感。(2)滤波电容C的选择。在VT导通的Ton期间,全部负载电流由滤波电容C供给。滤波电容C上的电压在Ton期间的压降应满足关系式:ΔUC≤ΔUo,其中,ΔUo为设计所要求的纹波电压。由电容的电压与电流的关系式:ΔUc=1C∫Ton0idtΔUc=1C∫0Τonidt,取电流i=Io,有ΔUC=1CIoTonΔUC=1CΙoΤon,因此,C≥IoTonΔUoC≥ΙoΤonΔUo,代入Ton的关系式,可得:C≥Io(Uo−Ui)fUoΔUo(7)C≥Ιo(Uo-Ui)fUoΔUo(7)开关频率等于50kHz,输出电流Io=0.32A,输出电压Uo设计为32V,输入电压Ui为3.75V,输出电压的纹波系数为5%,ΔUo=1.6V,将上述数据代入式(7)计算,可得到输出电容值为3.5μF,实际选择电容值为100μF/50V。2.4单-电池性能和高压2.4.1放电曲线分析恒流放电时,锂离子电池的工作电压变化如图4所示。刚开始放电时,电压迅速下降,之后电压有一个升高,称之为电压回升。之后放电曲线趋于平缓,电压随放电时间的增加逐渐下降。锂电池的开路电压一般在4.2~3.9V,电池电压在3.8V之前放电相对平缓,呈现近似的平台状。当电池电压到达放电末期时,电压突然下降到3.7V以下,电池容量急剧下降,电池电压迅速下降到3.0V以下,此时即认为电池电量已经放完,需要重新充电。2.4.2rssr开关管驱动波形为了使输出电压达到所需电压水平,需要根据式(3)计算升压变换器的占空比。按照单节锂电池电压为4.2V,设定输出电压位32V,则可计算得到Boost变换器的占空比为Q=Uo−UiUo×100%=86.8%(8)Q=Uo-UiUo×100%=86.8%(8)设定周期为20μs,则Boost变换器的高电平时间为Ton=QT=0.868×20=17.36μs,取整为18μs,则Boost变换器的开关管具体驱动波形如图5所示。2.4.3系统初始电流过冲导致输出电压过冲在固定占空比下,对应的电压输出波形如图6所示。可以看出初始上电时,输出电压有一短暂的过冲,这是因为刚上电时,系统初始状态为0,电感初始电流最大,从而导致输出电压的过冲。解决输出电压过冲的方法是在增加输出电压反馈的基础上,对开关管的控制采取优化算法,使开关管的驱动信号占空比在初始阶段小于计算的占空比,等过冲电压时间过了以后,再调节占空比回到原来的计算值。2.5确定动态均流过程实际使用的电池系统,应该是多节锂电池并联构成的冗余系统,以避免某节锂电池损坏整个电池系统的容量下降很多,甚至不能使用。多节锂电池直接并联,由于电池容量不同、所处的放电阶段不同,各电池之间的电压也不同,这样就造成电池间环流,使电池组的实际性能下降。解决电池环流的简单方案是在每节电池的输出端串联二极管,以限制电流的流向。这样每节电池只能对外供电,其他电池或输出电压不能对其充电,可以解决锂电池间环流问题。采用二极管限定电池电流流向的方式比较容易实现,但造成的结果是各电池的放电电流不均匀。如果容量小的锂电池先于容量大的锂电池放完电,对于系统来说,整个电池组仍在放电,输出电压对已放完电的锂电池具有钳位作用,即电压高的锂电池将已经放完电的锂电池的电压强行拉高。这样系统控制电路无法检测到某节电池的电压已处于放电完毕的状态。当系统仍在持续放电时,随着整个电池组电压的逐渐下降,则容量小的电池将造成过放而损坏。控制每节电池放电时间,将每节锂电池的放电时间按照其容量进行分配,由开关管控制,在1个周期内组成连续的时间序列,则不仅可以避免小容量电池过放的问题,而且可以根据各锂电池的剩余容量进行动态均流。根据电池剩余容量,动态计算出各电池放电的开关管的导通时间,即占空比。使用占空比分别控制各电池的放电时间,以达到各电池的放电时间一致,提高电池系统的利用率的目的。电池开关管控制信号的占空比计算公式为σ=电池容量所有电池容量之和×100%(9)σ=电池容量所有电池容量之和×100%(9)按照上述思路绘制仿真电路原理图,如图7所示二极管D选择理想二极管pwld,开关管VT使用模拟开关代替。使用Saber仿真软件对绘制仿真原理图进行仿真,发现上述电路可以将电池电压升到所需的电压,并保持这个电压不变。3动态均流过程仿真仿真采用的三节锂电池的容量分别为40、20和60Ah,根据式(9),1#电池开关管控制信号的占空比为σ1=4040+20+60×100%=33.3%(10)σ1=4040+20+60×100%=33.3%(10)同理,2#、3#电池开关管控制信号的占空比分别为:σ2=16.7%和σ3=50%。设定周期为T=48μs,则各电池的导通时间分别为16、8和24μs,如图8所示。采用动态均流后的三节锂电池输入到升压电路的电压波形如图9所示。锂电池并联均流后,输出电压应为各锂电池电压减去二极管压降,即Vin=4.2-0.5=3.7V,仿真的电压为3.75V,和理论计算的电压基本一致。由于仿真时没有考虑开关切换时的死区特性,因此锂电池并联的输出电压在开关切换时有纹波电压存在,可以通过加入滤波电容使之减小或消除。图10为电感中的电流仿真波形。电感电流在电路初始上电时有较大的上冲,是因为电路初始状态时,没有任何储能,电感电流的快速上升过程为系统升压提供所需的能量,建立系统工作所需的最小电流,稳定时的电流即为升压电路所需的平均工作电流。图11为输出电压波形图。可以看出输出电压在上电初始阶有短暂的过冲,过冲幅度为6V,过冲电压占总电压的18.75%,