基于新型双向整流器的锂电池充放电装置研究

摘要：针对当前锂动力电池的良好应用前景，介绍了一种新型的基于双向DC／DC同步半桥整流器的高效锂动力电池充放电装置。对该充放电装置的工作原理及过程进行了详细分析，同时对其硬件参数和软件算法进行了设计。最后搭建了实验平台，对单个200 Ah的锂动力电池进行了充、放电实验。实验结果验证了该装置电路拓扑结构和控制方案的可行性。
关键词：整流器；锂动力电池；数字信号处理

1 引言
目前，锂动力电池是当前综合性能和发展前景最好的电池，在动力汽车、军事武器、航空航天等方面得到了越来越广泛地应用，但其充放电过程存在极大的能量浪费。为了减少能量浪费，必须对锂动力电池高效充放电装置进行研究。在此，利用MOSFET的双向导通特性，对基于双向DC／DC同步半桥整流器的锂动力电池充放电装置进行了研究和设计。

2 双向DC／DC同步半桥整流器
2．1 主电路结构框图
图1示出锂电池充放电装置所采用的双向DC／DC同步半桥整流器的主电路结构框图。该功率电路拓扑由带高频变压器隔离的可逆半桥电路和双电感倍流整流电路构成。其中，连接到直流母线的可逆半桥电路由两个全控型开关管VQ1，VQ2、分压储能电容C1，C2、变压器初级T1、起平衡电容电压作用的均压电感L和二极管VD3，VD4组成，Ud为直流母线电压；次级双电感倍流整流电路则由变压器次级T2、功率开关管VQ3，VQ4、输出双滤波电感L1，L2以及输出滤波电容C3组成，其输出连接到锂动力电池，Uo为电池充放电电压。其中，驱动信号由DSP TMS3 20F2808经A／D采样和充放电算法运算后由DSP的PWM模块输出，再经隔离驱动电路放大后驱动相应开关管。

2．2 主电路的工作原理
该双向变换器有正向充电和反向放电两种工作模式，这两种模式通过DSP芯片TMS320F2808进行控制。①正向充电模式下，VQ1，VQ2的驱动信号相位相差180°，占空比d0．5；而VQ3，VQ4作为同步整流管工作在反向导通；该状态下，分别与VQ1，VQ2互补导通。该模式下能量由直流母线流向锂动力电池，电池被充电；②反向放电模式下，VQ3，VQ4工作在正向导通状态下，d>0．5，VQ1，VQ2工作在同步整流状态下，分别与VQ3，VQ4反向互补导通。该模式下锂动力电池放电，能量由电池端流向直流母线。上述整个充放电过程中，负载锂动力电池输出的电流均等于两个输出滤波电感电流IL1，IL2之和，即Ib=IL1+IL2。下面分别对这两种工作模式的原理进行分析。