《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 作者:姚 金
2017/7/24 13:50:00

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。

    关键词: 非隔离式;PI控制; 模式切换; 升压充电器; 燃料电池

    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.

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。

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