电源技术中的基于锂电池化成的新型双向DC/DC拓扑结构研究与建模
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2020-10-23
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电源技术中的基于锂电池化成的新型双向电源技术中的基于锂电池化成的新型双向DC/DC拓扑结构研究拓扑结构研究
与建模与建模
摘要： 提出一种用于锂电池化成技术的新型双向DC/ DC 拓扑结构。采用两级双向DC/ DC 拓扑结构， 一级使
用半桥双向变换器， 另一级使用Buckboo st 双向变换器， 用数字信号处理器对Buckboo st 双向变换器进行闭
环控制， 能实现输入电压和输出电压有较大压差的情况下进行变换。在Matlab/ Simlink 下对该拓扑结构进行验
证。结果表明， 该变换器性能稳定， 能有效地实现3 V 电池电压和400 V 母线电压双向变换。 0 引言
随着社会的发展， 能源、环保与发展的矛盾日益突出， 锂电池的发展能有效的改善这一问题。锂电池由于工作
电压高、体积小、质量轻、无记
摘要： 提出一种用于锂电池化成技术的新型双向DC/ DC 拓扑结构。采用两级双向DC/ DC 拓扑结构， 一级使用半桥双向
变换器， 另一级使用Buckboo st 双向变换器， 用数字信号处理器对Buckboo st 双向变换器进行闭环控制， 能实现输入电压
和输出电压有较大压差的情况下进行变换。在Matlab/ Simlink 下对该拓扑结构进行验证。结果表明， 该变换器性能稳定， 能
有效地实现3 V 电池电压和400 V 母线电压双向变换。
0 引言引言
随着社会的发展， 能源、环保与发展的矛盾日益突出， 锂电池的发展能有效的改善这一问题。锂电池由于工作电压高、
体积小、质量轻、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长等特点， 广泛应用于电动车汽车能源系统、航空航天电源系
统、太阳能光伏电源系统， 移动通信系统以及移动终端设备中。双向DC/ DC 变换器是对锂电池充放电进行管理的重要部分，
其工作性能直接影响到锂电池的使用效率和寿命。
目前， 双向DC/ DC 变换器的拓扑结构主要有2 种型式： 非隔离型变换器和隔离型变换器。非隔离Buckboo st变换器效率
高、结构简单， 但没有隔离能力，不能应用于输入输出电压压差较大的场合。隔离式变换器有双向推挽结构、双向半桥结构
和双向全桥结构。
其中， 推挽结构效率较半桥双向DC/ DC 结构高， 高压侧输入电压大的时， 开关管承受电压应力大， 且变压器绕线复
杂； 半桥结构变压器没有中心抽头， 设计简单， 低压侧电压较低时， 由于电容分压， 造成在升压变换过程中升压能力不
足； 全桥结构效率最高， 可以实现软开关控制， 但控制电路复杂， 成本较高。本文提出一种基于采用数字控制的双向DC/
DC 变换器， 采用两级变换结构， 一级采用固定脉冲驱动； 另一级采用双闭环控制， 可以有效的在3 V 锂电池电压与400 V
电源电压之间进行变换。
1 双向双向DC/ DC主电路结构和工作原理主电路结构和工作原理
本文采用两级双向DC/ DC 变换器结构， 如图1 所示。第一级采用隔离式半桥变换结构， 利用变压器对高压侧与低压侧
进行隔离， 开关管V1 , V1 , V3 , V4 采用固定脉冲控制， 实现从400 V 母线电压和20 V 中间电压进行变换， 第二级采用非隔
离式Buckboost 变换器构成， 开关管V5 , V6 采用闭环闭环控制， 实现20 V 中间电压和3 V 锂电池电压之间进行二次变换。
1. 1 降压工作模式降压工作模式
母线侧输入电压400 V, 经C1 和C2 分压， 上下桥臂输入电压为200 V。控制器将固定脉冲送至T G1 和TG2 , 使开关管V1
, V2 工作在开关状态。由V3 , V4 体内二极管与D3、D4 构成全波整流电路， 经C0 滤波， 使电压从400 V 降至20 V; 闭环控制
器输出PWM 信号，送至开关管V5 , 使V5 , D6 , L 1 , C11 构成Buck 降压变换器， 将电压从20 V 降至3 V。调节输入开关管
V5 的驱动波形占空比， 可以调节输出电压。降压变换时输入电压与输出电压关系式：
式中： N 1 变压器高压侧匝数； N2 变压器低压侧匝数，V400高压侧输入电压； D1 开关管V5 的输入脉冲占空比。
图1 两级双向DC/ DC 主电路图
1. 2 升压工作模式升压工作模式
电池侧输入3 V 电压， 经C11 滤波后， 送至由V6 ,D5 , L 1 , C0 构成boost 升压变换器， 由boo st 变换器将电压从3 V 升
至20 V, 调节送到V6 的脉冲占空比， 可以实现调节输出电压； 由第一级变换器升压至20 V 的电压经C3 , C4 分压， 送至半桥
变换器， 给固定脉冲至TG3和TG4 , 使开关管V3 , V4 工作在开关状态， 经变压器升压至200 V, 由V1、V2 的体内二极管与
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