《电子技术应用》

非隔离式CC/CV模式切换PI控制燃料电池升压充电器设计

2017年电子技术应用第6期
姚 金
(梧州学院 机械与材料工程学院,广西 梧州543000)
摘要: 为实现燃料电池对锂聚合物电池充电纹波降低,提出非隔离式恒定电流/恒定电压模式切换PI控制燃料电池升压充电器设计方法。针对燃料电池需要电源启动平衡设备问题,将其作为锂聚合物电池备用充电电池,并对充电过程中传统升压充电器存在的纹波幅值较大,不利于电池寿命的问题,通过升压充电器稳态特性分析和传递函数推导,设计了基于商用集成电路MAX745的外部PI控制器,实现了恒定电流(Constant current,CC)和恒定电压(Constant voltage,CV)充电模式切换,获得较好的纹波抑制和稳定充电效果。实验结果表明,所提算法具有较高的稳定裕度,并可获得较快的充电速度和较低的电池损耗,验证了所设计充电电路的有效性。
中图分类号: TP371
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.037
中文引用格式: 姚金. 非隔离式CC/CV模式切换PI控制燃料电池升压充电器设计[J].电子技术应用,2017,43(6):147-150,154.
英文引用格式: Yao Jin. Design of non isolated CC/CV mode switching PI control fuel cell booster charger[J].Application of Electronic Technique,2017,43(6):147-150,154.

Design of non isolated CC/CV mode switching PI control fuel cell booster charger

Yao Jin
(College of Mechanical and Material Engineering,Wuzhou University,Wuzhou 543000,China)
Abstract: In order to realize the charging of lithium polymer battery and reduce the charge ripple, a non isolated constant current/constant voltage mode switching PI control fuel cell booster charger design method is proposed. The fuel cell needs to balance equipment problems start power, as the standby rechargeable battery lithium polymer battery, and the charging process in the traditional boost charger ripple amplitude is large, is not conducive to battery life, through the analysis of steady state characteristics and boost charger transfer function is derived, and the design of the external PI controller for commercial integrated circuit based on MAX745 to achieve constant current and constant voltage automatic switching technology charging mode, obtain good ripple rejection and stable charging effect. The experimental results show that the proposed algorithm has high stability margin, which can obtain faster charging speed and lower battery loss, that verifies the effectiveness of designed charging circuit.

0 引言

    手提电脑等便携式电子设备正变得越来越流行,对于电源能量密度要求也越来越高,许多电池公司正努力寻找方法来提高这些移动设备的运行时间,而微型燃料电池是一种很有前途的解决方案[1-2]。然而,由于燃料电池需要电源启动平衡设备,并且需要一定时间来发电,利用其做直接电源可能存在困难,但是可用其作为一个辅助电源充电电池[3]

    当前,降压转换器技术较成熟,但燃料电池具有低电压特性,需升压型转换器完成锂电池充电过程[4]。非隔离升压转换器因其电路简单、成本较低,得到广泛研究。然而,非隔离升压转换器具有高纹波电流输出,不利于电池寿命[6]。对此,传统非隔离升压转换器无功分量不能过大,已经有许多方法来降低逆变器和电网间纹波,例如L,L-C,L-C-L等,在逆变器和电网间添加电感是最简单方法,可补偿谐波调制效果。该方法也可用于电池充电器,以降低充电纹波,使DC转换器作为单极性电流源。文献[7]在降压转换器和负载间利用附加电感实现输出纹波有效衰减,然而转换器稳定性无法保证。

    本文中通过添加输出电感,降低开关纹波和高频谐波,且所需电容不大。此外,附加电感器和输出电容形成C-L滤波器控制算法简单。与传统升压转换器不同,利用PI控制器来控制输出电流和电压,以实现恒定电流(CC)和恒定电压(CV)充电模式切换

1 锂聚合物电池升压充电器结构

    图1给出便携式锂聚合物小型质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)充电系统结构。PEMFC电池堆由十个燃料元胞组成,输出电压从6 V到10 V之间变化,最大功率为180 W。三个元胞串联,三串元胞并联于11.1 V标称电压,12 A额定电流平行配置。电池充电器需要工作在传统充电模式下,充电电流为6 A,充电电压为12.6 V。

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    充电开始,利用CC模式持续到电池电压达到充电限制。切换到CV模式,直到充电电流下降到低于0.03C。简单锂聚合物电池的R-C等效电路模型如下。

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    图2为非隔离式升压充电器结构,通过R-C电路建立输出电感负载模型。由于附加电感(Lo)有助于减少输出电流纹波,允许输出电容大小可较小,同时仍满足输出纹波要求。输出电感的设计,应满足输出电流和输出电压纹波限制,分别是0.005 C和0.5%。

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2 升压充电器的稳态特性

    图2所示等效电路可通过开关ON/OFF控制,只考虑串联等效电阻(Equivalent series resistance,ESR)的锂聚合物电池和输出电容器分析简单,因为其他元件等效电阻很小。输入电感必须基于所需输出纹波的PEMFC电流期望值设计。为限制燃料电池的输出电流纹波在一定区间内,所需最小电感值可计算为:

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    根据式(4),输出电压纹波可通过并联电容器控制,其正比于电容器ESR,并与电容成反比。因式(4)右侧首项小于次项,输出电压纹波取决于电容ESR值。为满足0.5%(63 mV)输出电压纹波要求,输出电容ESR须远小于4.2 mΩ,因燃料电池堆在最小输出电压为6 V提供最大输出功率时,前端电感(L)最大平均电流为15 A。市售电解电容器最小ESR值为49 mΩ,电容值大小为1 000 μF。为满足输出纹波要求,需至少并联12个电容器,导致附加笨重转换器。

    输出电容器和电池间采用额外电感器,以降低输出滤波器大小和成本。考虑先前电容器(2.25 A)纹波电流额定值,需连接三个并联电容器,输出电容器均方根纹波电流为6.3 A,形式为:

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    电池等效电路模型中,输出电压纹波和输出电流纹波间关系可导出为式(6)形式。利用基尔霍夫电压定律(KVL)[8~9],输出电容上的电压可以表示为:

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3 升压充电器传递函数推导

    图3给出具有额外输出电感升压充电器小信号模型,其在连续导通模式(Continuous conduction mode,CCM)下包含R-C等效电路模型。当开关为ON和OFF时,分别应用基尔霍夫电流定律(KCL)和KVL,包含电池模型升压充电器状态空间平均方程为:

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    通过更换控制参数、直流稳态值输入和状态变量,忽略小信号和直流电源,并进行Laplace变换,则式(9)、式(10)可改写为:

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    等效电路中大电容,在小时间段内电压变化可忽略。因此,升压充电器输出电流传递函数可推导为:

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    通过式(15),升压充电器输出电流传递函数:

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4 升压充电器脉冲宽度调制电路设计

    MAX745可提供锂电池组充电器所需功能,包含电池CC和CV充电功能,输入电压范围是6~24 V,脉冲宽度调制工作频率为300 kHz。利用MAX745 电路PWM控制器CC/CV充电控制算法见图4。

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    图中,Vm为锯齿波形电压,Gvc为电压控制器输出,Gic为电流控制器输出。比较器comp1比较Vm和Gvc(Gic)输出信号,产生选通半导体开关脉宽调制信号。比较器comp2比较控制器输出,并根据输出幅度选择取充电模式。电流控制器输出小于电压控制器输出,系统将工作在CC模式下,反之亦然。当进行电流控制器输出充电时,为防止电池电压过高,如果Gvc输出电压小于Gic+80 mV,应切换到CV模式。

    利用PWM逻辑块生成MOSFET开关PWM波形获得对电流和电压控制的参考信号。所提模式如下:  

    模式1(仅充电):升压充电器通过CC/CV模式对电池充电,直到充满。燃料电池电源只对电池充电。

    模式2(充电和供电):当负载电流(ILoad)小于额定充电电流(6 A,1 C),充电器向负载供电,其余可用电源用于对电池充电。输出电压等于端电压,范围是11.1~12.6 V。

    模式3(仅供电):当负载电流等于充电电流(6 A)时,所有充电器功率均提供给负载,而没有电源用于对电池充电。

    模式4(混合供电):当负载电流高于充电电流(6 A)时,充电器功率不足以为负载供电,充电器向负载和电池进行混合供电。

5 实验分析

    参数设置:额定功率90 W,输入电压Vs=6~10 V,充电电压Vo=12.6 V,充电电流Io=6 A,开关频率fs=300 kHz,输入电感L=45 μA,输出电感Lo=0.7 μH,输出电容C=3 000 μF,电池电阻Rb=0.116 Ω,电池电容Cb=21 500 F,输出电压纹波Δvo=63 mV(5%),输出电流纹波Δio=60 mA(5%),PEMFC输出电流纹波ΔiL=300 mA(2.5%)。

5.1 基于MATLAB的控制器性能分析

    首先,利用MATLAB仿真平台对所设计电路PI控制器进行频谱响应分析,实验结果见图5所示。

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    根据图5结果可知,利用PI控制器可改善低频范围内增益,并在频域内所需位置配置交叉频率。在输出电压控制回路中,分频频率为3 265 Hz的相位裕度为56.2°,可实现充电效果的稳定控制。

5.2 仿真实验分析

    实验线路见图6,首先,对PEMFC电池堆充电实验,测试CC/CV模式切换效果,实验结果见图7所示。

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    图7所示CC/CV充电模式配置文件电流值为6 A(0.5 C),充电电压为12.6 V,PEMFC电池堆运行模式1下。升压充电器工作良好,需约3小时,对电池从完全放电状态变化到完全充电状态。当充电电池组的电流减小到0.24 A(0.02 C)时,充电过程完成。

    图8给出CV模式下,当一个输出电流负载被施加到充电器时,升压充电器的动态特性。

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    图8在CV模式期间,12 A负载加载时升压充电器动态特性。充电开始时,采用CC模式,其后采用CV模式。在t1时刻,12 A电流负载被施加到系统中,电池采用CV模式。操作开关切换到模式4。同时,电池以6 A进行放电,以实现对12 A负载进行供电。

    为验证算法性能优势,选取标准PI控制器和文献[7]作为对比。选取充电电池容量为5 000 mAh,对比指标选取充电时间、充电电池损耗率,结果见表1。

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    根据表1,在充电时间均值上,本文算法充电时间约为4.2小时,而文献[7]充电时间约在4.3小时,标准PI充电时间约在4.4小时,这表明本文在电池充电时间指标上略优于对比算法。在燃料充电电池损耗率指标上,本文算法要小于对比算法,这表明本文算法可有效保持电池寿命,验证了所提算法有效性。

6 结束语

    本文提出非隔离式恒定电流/恒定电压模式切换PI控制燃料电池升压充电器设计方法,实现了燃料电池作为充电电源,锂聚合物电池作为充电电池升压充电器设计。有效解决了传统升压充电器存在纹波过大问题,可实现较为稳定的充电控制,实验结果验证了所提方法在充电时间和电池寿命保护上的优势,对于指导实际的充电器设计具有一定指导意义。

参考文献

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作者信息:

姚  金

(梧州学院 机械与材料工程学院,广西 梧州543000)

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