微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)

1傳統(tǒng)能源存貯系統(tǒng)

傳統(tǒng)貯能系統(tǒng)中，DC/DC、AC/DC、DC/AC三種功率變換器都采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，無論是電能存貯側(cè)充電功率的獲得，還是電能釋放側(cè)的并網(wǎng)功率的獲得，都采用PWM脈寬調(diào)制，電路拓樸有橋式、半橋式、推挽式、正激式、反激式等等，還有Boost、Buck、Cuk等電路形式。其工作方式是，首先把輸入直流電壓全部變換成高頻方波，然后用大電容濾波，變成另一種直流或交流電壓。這種方法有以下弊端：

⑴ 采用脈寬調(diào)制的方法，高頻率、大功率方波的產(chǎn)生過程，也就是強(qiáng)烈EMI干擾產(chǎn)生的過程，大功率直流變換器相當(dāng)于一個高頻功率發(fā)射臺，可以想見，所產(chǎn)生的干擾何其嚴(yán)重。

⑵ 功率變換過程中，輸入功率的全部必須進(jìn)行實(shí)際的功率變換，所有變換的功率必須通過磁芯變壓器或電感傳遞才能到達(dá)輸出端，損耗大，效率低。

圖1是傳統(tǒng)能源存貯系統(tǒng)框圖，兩側(cè)功率總損耗接近30%，對于清潔能源來說，比如光伏發(fā)電，其效率本來就很低，好不容易花大成本把太陽能變換成電能，卻讓電能存貯系統(tǒng)兩側(cè)的功率變換器白白浪費(fèi)了這么多，實(shí)在可惜。

2 微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)

圖1是微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)的原理框圖，由3部份組成：充電側(cè)的微功耗充電、蓄電池、并網(wǎng)側(cè)的微功耗逆變。微功耗充電包括：產(chǎn)生恒流恒壓的直流穩(wěn)壓器、功率因數(shù)校正器、無損充電等。微功耗逆變包括：單相或三相逆變器。

在充電側(cè)，可接受來自電網(wǎng)谷電、風(fēng)力發(fā)電的交流電壓，也可以接受來自太陽能發(fā)電、潮汐發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電的直流電壓。對于交流電壓，首先要進(jìn)行功率因數(shù)校正，對于直流電壓，要獲得恒流、恒壓充電功率;在并網(wǎng)側(cè)，要進(jìn)行單相或三相逆變，由直流變換到交流，然后并入電網(wǎng);蓄電池可以是鋰離子動力蓄電池、千網(wǎng)水平蓄電池、普通鉛酸蓄電池、其他類型蓄電池。

圖1 微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)框圖

微功耗充電，可以接受交流電壓，也可以接受直流電壓。如果輸入交流電壓，進(jìn)入功率因數(shù)校正器，如果輸入直流電壓，進(jìn)入直流穩(wěn)壓器，產(chǎn)生恒流恒壓充電功率。無論輸入的是交流電壓還是直流電壓，都采用無損充電方式。在并網(wǎng)側(cè)，對于單相交流輸出，有一個單相直流逆變器，對于三相交流輸出，有一個三相直流逆變器。

3直流穩(wěn)壓器

圖2是直流穩(wěn)壓器原理電路。設(shè)輸入電壓Vi=10.5V，要求輸出電壓Vo=12V，該電路產(chǎn)生一個補(bǔ)償電壓Vc=1.5V，疊加在輸入電壓之上，使得輸出電壓等于12V。V2是功率MOS管Q2的柵極100kHz的方波驅(qū)動信號，V1是輸入直流電壓。電路啟動后，Q2飽和導(dǎo)通，電池電壓V1通過Q2的漏源極向電感L1充電，電感電流線性增加，電感中存貯的能量不斷增多。與此同時，電容C2上的電壓向負(fù)載R2放電。半個周期后，Q2截止，存貯在電感L1中的電能通過Q1的體內(nèi)二極管向電容C1充電。C1上的電壓疊加在電池電壓V1之上，在向負(fù)載電阻R2供電的同時，也向電容C2充電。圖2右邊是各點(diǎn)電壓的仿真波形，從上到下依次是：輸出電壓Vo、輸入電壓Vi、補(bǔ)償電壓Vc。從圖可以看到，輸出電壓Vo(12V)是輸入電壓Vi(10.5V)和補(bǔ)償電壓Vc(1.5V)之和。

圖2 直流穩(wěn)壓器原理電路

功率MOS管Q1沒有驅(qū)動信號，只利用功率MOS管Q1體內(nèi)二極管的正向特性，其飽和壓降小，通過電流大。

與傳統(tǒng)直流功率變換不同的是，在這兒并不是不問青紅皂白地行把輸入電壓全部變換成方波電壓，而是根據(jù)情況，只把輸入電壓中的極小部份變換成方波電壓。例如：輸入電壓是10.5V，輸出電壓是12V，應(yīng)該在10.5V的輸入電壓之上補(bǔ)償1.5V。因此，僅僅只須把這應(yīng)該補(bǔ)償?shù)?.5V變換成方波電壓即可。圖2右邊是各點(diǎn)電壓的仿真波形，從上到下依次是：輸出電壓Vo，輸入電壓Vi，補(bǔ)償電壓Vc 。

圖3是引入UC1825的直流穩(wěn)壓器實(shí)用電路，在控制芯片UC1825的右邊電路與圖2完全一樣，只是Q1的柵極驅(qū)動信號V2換成了UC1825輸出信號OUT_A，當(dāng)負(fù)載或輸入電壓變化時，由UC1825調(diào)節(jié)脈寬，保持輸出電壓Vo不變。

圖3 引入UC1825的直流穩(wěn)壓器實(shí)用電路

調(diào)節(jié)UC1825輸出信號OUT_A的脈寬來控制輸出電壓Vo不變，只不過是調(diào)節(jié)由電感L1而來的極小部份的直流電壓，即電容C1上的補(bǔ)償電壓，而絕大部份直流電壓，即負(fù)載電阻R6上的絕大部份電壓是由輸入電壓直接而來，未經(jīng)任何功率變換。

圖3右邊是接UC1825芯片的電壓補(bǔ)償電路各點(diǎn)電壓仿真波形，與圖2的仿真波形相似。

4 功率因數(shù)校正器

功率因數(shù)校正器就是直流穩(wěn)壓電路，當(dāng)輸入電壓是交流時，就是功率因數(shù)校正電路，當(dāng)輸入電壓是直流時，就是直流穩(wěn)壓電路，

圖4是單相微功耗功率因數(shù)校正器的原理電路。把圖2直流穩(wěn)壓電路中的電池V2代之以整流后的饅頭波電壓Vd即可，要使輸出電壓Vo成為直流電壓，必須在饅頭波電壓Vd之上疊加波形如(1-SinX)的補(bǔ)償電壓。其結(jié)果正是我們?yōu)橹诖模绷餮a(bǔ)償電路對饅頭波電壓進(jìn)行補(bǔ)償?shù)倪^程，正是功率因數(shù)校正的過程。

在此過程中，輸入饅頭波電壓Vd之所以成為直線輸出電壓Vo，那是因?yàn)樵谄渖席B加了補(bǔ)償電壓Vc 。補(bǔ)償電壓Vc是經(jīng)過功率變換而來，但輸入饅頭波電壓Vd不必經(jīng)過任何功率變換，直接到達(dá)輸出端，成為輸出功率。這正是微功耗功率因數(shù)校正器的最大特點(diǎn)：只要把輸入功率中極小部份(補(bǔ)償電壓的獲得)進(jìn)行功率變換，就可以得到全部輸出功率，即輸入功率中極大部份(整個饅頭波電壓)既不必進(jìn)行實(shí)際的功率變換，也不必通過磁芯變壓器或電感傳遞，直接到達(dá)輸出端，成為輸出功率。其變換效率可視為100%。

圖4 單相微功耗功率因數(shù)校正器

圖4電路中，V2是市電，通過由D3-D6組成的整流橋后，成為饅頭波電壓Vd(即電容C2上的電壓)，與電容C3并聯(lián)，饅頭波電壓補(bǔ)償?shù)倪^程與圖4直流電壓補(bǔ)償?shù)倪^程完全相同，圖4右邊是饅頭波電壓補(bǔ)償電路各點(diǎn)電壓、電流的仿真波形，從上到下依次是：輸入電壓Vi、補(bǔ)償電壓Vc、輸入電流Ii 。單從幾何圖形理解，補(bǔ)償電壓Vc是一個倒置的饅頭波，把這個倒置的饅頭波疊加在一個正向饅頭波之上，其結(jié)果當(dāng)然成為一條直線，因?yàn)榈怪玫酿z頭波和正向饅頭波在幾何圖形上是互補(bǔ)的，這其實(shí)是公式Vo=Vi+Vc=SinX+(1-SinX)=1的真諦。

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圖5是單相微功耗功率因數(shù)校正器的實(shí)用電路，MOS功率管驅(qū)動信號由控制芯片UC1825提供，并不需要UC3854等功率因數(shù)校正的專用芯片。

進(jìn)行微功耗功率因數(shù)校正，用不著把輸入功率全部變換成方波電壓，只需要把輸入饅頭波電壓補(bǔ)償成直流電壓即可。經(jīng)過電壓補(bǔ)償后的饅頭波電壓，成為一條直線，意味著與市電所有幅值相對應(yīng)的所有時刻，輸入電流都有機(jī)會對濾波電容充電，即都有電流從網(wǎng)側(cè)流出，輸入電流自然與輸入電壓同步。從圖6右邊最下面的波形可以看出，輸入電流波形完全是正弦波。圖4的饅頭波電壓的補(bǔ)償電路，實(shí)際上就是微功率耗功率因數(shù)校正器的原理電路。可以看到，功率因數(shù)校正電路中，負(fù)載電阻R1并聯(lián)了大電容C3濾波，并不是純電阻負(fù)載。

圖5右邊是單相微功耗功率因數(shù)校正器實(shí)用電路各點(diǎn)電壓、電流的仿真波形，從上到下依次是：輸出電壓Vo、輸入電壓Vi、饅頭波電壓Vd、補(bǔ)償電壓Vc、輸入電流Ii，當(dāng)把饅頭波電壓Vd補(bǔ)償成直流電壓以后，輸入電流的波形自然成為正弦波波形。

功率因數(shù)的定義是[1]：PF=P/S。對于一個封閉系統(tǒng)來說，PF的極大值等于1，因?yàn)橛泄β蔖是視在功率S的一部份，而且僅當(dāng)無功功率等于零的時候，才有S=P，從而PF=1。上述電壓補(bǔ)償電路正是這樣一個封閉系統(tǒng)，其中的補(bǔ)償電壓Vc來自饅頭波電壓Vd。但是，對于一個開放系統(tǒng)，情形就不一樣：如果產(chǎn)生補(bǔ)償電壓Vc的功率Pout來自系統(tǒng)外，經(jīng)電壓補(bǔ)償后，輸入電流波形與輸入電壓波形完全同步，系統(tǒng)從網(wǎng)側(cè)僅吸收有功功率，網(wǎng)側(cè)波形也不發(fā)生畸變，無功功率為零，則有P=S，但此時功率因數(shù)PF=(P+Pout)/S，顯然，此時有PF>1，即功率因數(shù)大于100%，此式說明，采用微功耗功率因數(shù)校正，PFC可以大于100%。

圖5單相微功耗功率因數(shù)校正器

圖6電路中，市電進(jìn)行倍壓整流，具有正負(fù)對稱電壓輸出，正負(fù)對稱電壓接有對稱的功率因數(shù)校正電路，以地為對稱軸，對稱的上下兩部份電路都與圖5相同，只不過下部份電路中的二極管反向、功率MOS管換成P型器件。上下對稱的正負(fù)功率因數(shù)校正電路各處理10ms的輸入電壓，互不干擾。圖6右邊是正負(fù)對稱電壓時輸入交流電壓、交流電流的仿真波形，輸入電流Ii的波形為正弦波，與輸入電壓完全同步。具有正負(fù)對稱電壓輸出的功率因數(shù)校正電路，可應(yīng)用于需要正負(fù)對稱電路輸入的逆變電路。

圖6 單相輸入正負(fù)對稱直流輸出功率因數(shù)校正電路

圖7是采用星形接法的三相微功耗功率因數(shù)校正器的實(shí)用電路。把圖4直流電壓補(bǔ)償電路中的電池V2用星形接法的三相整流后的饅頭波電壓Vd取代，功率MOS管Q1的驅(qū)動信號由芯片UC1825提供，工作原理和單相微功耗功率因數(shù)校正器電路完全相同，此處不再重復(fù)。

圖7右邊是各點(diǎn)電壓、電流的仿真波形，從上到下依次是：整流電壓Vd，輸入電流Ia、Ib、Ic。從仿真波形可以看到，圖8右邊下部份的輸入電流仿真波形和圖2中間下部份的輸入電流的仿真波形完全相同，說明經(jīng)過三相功率因數(shù)校正后，輸入電流波形和純電阻負(fù)載時輸入電流波形完全相同，亦即說明采用電壓補(bǔ)償電路進(jìn)行功率因數(shù)校正達(dá)到了功率因數(shù)為1，而總諧波畸變THD為零的效果。必須說明的是，三相微功耗功率因數(shù)校正器的負(fù)載電阻R2并聯(lián)有大電容C5，并不是純電阻負(fù)載，但其輸入電流的仿真波形，和星形接法三相不控整流的純電阻負(fù)載時的輸入電流仿真波形完全一樣。

圖7 星形接法的三相功率因數(shù)校正電路

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5 無損充電機(jī)

鋰離子動力電池?zé)o損充電機(jī)采用整體串聯(lián)恒流、單體并聯(lián)恒壓的充電方法，對電池實(shí)現(xiàn)無損充電。無損的含意有兩層，一是充電效率接近100%，充電功率基本無損耗，二是充、放電完全依據(jù)電池的特性曲線(請參考圖1)，電池本身在充、放電過程中完全無損害。該無損充電機(jī)免除電池管理系統(tǒng)，僅由簡單的電路實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、放電系統(tǒng)和維護(hù)管理系統(tǒng)的所有功能，無過充、過熱、過放、過流、短路現(xiàn)象，充電終了時所有單體電池的端電壓完全相等，無須進(jìn)行均衡充電，同時無易受干擾的復(fù)雜控制芯片和軟件，安全可靠，簡單實(shí)用，其成本、體積、重量、功耗都是傳統(tǒng)充電機(jī)的十分之一。

整體串聯(lián)恒流充電的含義是：對于電池整體，進(jìn)行串聯(lián)充電，充電電源采用恒流恒壓直流電源。單體并聯(lián)恒壓控制的含義是：每個單體電池都直接并聯(lián)一個并聯(lián)穩(wěn)壓電路，所有并聯(lián)穩(wěn)壓電路直接串聯(lián)，可以理解為，對整體電池進(jìn)行串聯(lián)恒流充電的同時，也對所有串聯(lián)的并聯(lián)電路進(jìn)行串聯(lián)恒流充電，串聯(lián)充電電流是流經(jīng)電池，還是流經(jīng)并聯(lián)穩(wěn)壓電路，取決于電池充電時的實(shí)時端電壓。并聯(lián)穩(wěn)壓電路的輸出電壓調(diào)整為電池充電終止電壓值3.75V，當(dāng)某個與之并聯(lián)的單體電池端電壓充電到此電壓值時，并聯(lián)電路啟動，串聯(lián)恒流充電電流流經(jīng)并聯(lián)穩(wěn)壓電路，而不再流經(jīng)電池，該單體電池充電停止，其他單體電池繼續(xù)進(jìn)行串聯(lián)恒流充電，仿佛串聯(lián)恒流充電對直接串聯(lián)的整體電池和直接串聯(lián)的并聯(lián)穩(wěn)壓電路這兩個支路同時進(jìn)行充電一樣，只不過充電的對象由并聯(lián)穩(wěn)壓電路控制，因而得名單體并聯(lián)恒壓控制。上述整體串聯(lián)恒流充電、單體并聯(lián)恒壓控制的充電方法，具備串聯(lián)、并聯(lián)充電的所有優(yōu)點(diǎn)，完全免除了串聯(lián)、并聯(lián)充電的所有缺點(diǎn)。當(dāng)充電終了時，所有單體電池的端電壓都等于與之并聯(lián)的并聯(lián)穩(wěn)壓電路的輸出電壓設(shè)定值3.75V。鋰離子單體電池之間，本來在容量、內(nèi)阻、衰減、自放電等性能上存在差異，經(jīng)過無損充電后，個體之間的這種差異完全消失，當(dāng)然再也不會發(fā)生過充、過熱現(xiàn)象。

圖8是無損充電機(jī)充電{5}的原理電路，其中E1=2.5V，E2=2.0V是單體鋰離子電池，V1是直流恒流恒壓電源，由Q1、Q2、D1、R2和Q3、Q4、D2、R3組成2個并聯(lián)穩(wěn)壓電路Va和Vb，分別和電池E1、E2并聯(lián)。V1通過電阻R1直接對鋰離子電池E1、E2串聯(lián)充電，當(dāng)有一個電池，例如E1的端電壓充到額定值，即到達(dá)并聯(lián)穩(wěn)壓電路Va設(shè)定的穩(wěn)壓值時，齊納二極管D1開通，并聯(lián)穩(wěn)壓電路Va啟動，串聯(lián)充電電流流經(jīng)三極管Q2，不再對E1充電，E1的端電壓也不再上升;與此同時，串聯(lián)充電電流繼續(xù)對E2充電，直到E2充到額定值時，充電電源V1才斷開，串聯(lián)恒流充電終止。

圖8 整體串聯(lián)恒流、單體并聯(lián)恒壓充電原理電路圖

圖8右邊分別是鋰離子電池E1、E2充電電壓的仿真波形，E1從2.5V開始充電，當(dāng)其端電壓充到3.75V后，充電曲線成直線，端電壓不再上升，率先進(jìn)入充滿和并聯(lián)穩(wěn)壓狀態(tài)，V1繼續(xù)對E2充電;E2從2.0V開始充電，其端電壓充到額定值時，充電曲線也成一直線，和E1的充電曲線重合，因?yàn)镋2起始充電電壓較低，恒流充電時間較長，較后進(jìn)入充滿和并聯(lián)穩(wěn)壓狀態(tài)。

圖9是無損充電機(jī)放電(包括充電)的原理電路，Q5控制充電電源V1的接入和斷開，Q6控制電池組的放電全過程。開關(guān)S3和S4連同控制邊的D3、R6和D5、R8組成兩個開關(guān)電路SW1和SW2，分別和單體電池E1、E2并聯(lián)，在放電過程中，E1、E2的端電壓總是大于D3、D5的擊穿電壓，開關(guān)S3、S4閉合;同樣道理，開關(guān)S2的控制邊(包括D4、R7)和整個電池組并聯(lián)，在放電過程中，整個電池組的端電壓總是大于D4的擊穿電壓，開關(guān)S2閉合。開關(guān)S1的控制邊通過電阻R5和開關(guān)S2、S3、S4和整個電池組并聯(lián)，于是開關(guān)S1也閉合，驅(qū)動電壓V2加在Q6的柵源極，Q6導(dǎo)通，電池組向負(fù)載R4放電。

在放電過程中，當(dāng)電池組中有一個單體電池，例如E1的端電壓低于額定放電電壓，即低于齊納二極管D3的擊穿電壓時，S3控制邊失電，S3斷開，于是S1控制邊也失電，S1斷開，驅(qū)動電壓V2加不到Q6的柵極，Q6關(guān)斷，電池組放電終止。當(dāng)電池組過放、過流或外部短路時，電池組端電壓小于D1的擊穿電壓，S2控制邊失電，S2斷開，于是S1控制邊也失電，S1斷開，驅(qū)動電壓V2加不到Q6的柵極，Q6關(guān)斷，電池組停止放電，當(dāng)過流或外部短路故障解除后，蓄電池組端電壓恢復(fù)正常，高于D4的擊穿電壓，S2控制邊得電，S2閉合，同時單體電池若無過放電，則S3、S4閉合，于是S1也閉合，V2加到Q6的柵源極，Q6開通，電池組繼續(xù)對負(fù)載放電。

圖9 無損充電機(jī)放電原理電路圖

單體電池E1，連同與之并聯(lián)的并聯(lián)穩(wěn)壓電路Va和開關(guān)電路SW1，構(gòu)成一個基本單元，此基本單元可以任意級聯(lián)，對任意數(shù)目的鋰離子動力單體電池組成的電池組進(jìn)行充放電。

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圖10是電動轎車96V鋰離子動力電池組充電電壓的仿真波形，單體電池26個，端電壓3.7V，26個單體電池端電壓從2V到3.3V不等，依次相差0.05V，充電終了時，每個單體電池端電壓完全相等，都等于與每個單體電池并聯(lián)的穩(wěn)壓電源輸出電壓的設(shè)定值3.75V。單體電池充電終止端電壓，等于與其并聯(lián)的并聯(lián)穩(wěn)壓電路輸出電壓的設(shè)定值，此設(shè)定值可以人為調(diào)整，所以單體電池充電終止端電壓可以人為控制，電動轎車96V鋰離子動力電池組的充電電路參考文獻(xiàn)[5]。

電動轎車采用三相電機(jī)驅(qū)動，則鋰離子動力電池組端電壓為288V，需3.7V單體電池78個串聯(lián)，充電電路略顯復(fù)雜，但由于整個充電電路完全由相同的簡單電路級聯(lián)而成，且無大電流、高電壓開關(guān)的通斷操作，實(shí)現(xiàn)起來非常容易，具體電路和仿真波形參考文獻(xiàn)[5]{5}。

圖10 電動轎車96V鋰離子動力電池組充電電壓的仿真波形

6 蓄電池特性的選擇

6.1 普通鉛酸蓄電池

免維護(hù)鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)，由于自身結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，在使用壽命期間基本不需要補(bǔ)充蒸餾水，具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小等特點(diǎn)，采用鉛鈣合金柵架后，充電時產(chǎn)生的水分解量少，水份蒸發(fā)量低，加上外殼采用密封結(jié)構(gòu)，釋放出來的硫酸氣體也很少，所以它與傳統(tǒng)蓄電池相比，具有不需添加任何液體，對接線樁頭、電線腐蝕少，抗過充電能力強(qiáng)，起動電流大，電量儲存時間長等優(yōu)點(diǎn)。

因此，免維護(hù)鉛酸蓄電池相對于一般蓄電池有非常大的優(yōu)勢，但在使用過程中會發(fā)生減液現(xiàn)象，這是因?yàn)闁偶苌系匿R會污染負(fù)極板上的海綿狀純鉛，完全充電后蓄電池內(nèi)的反電動勢，造成水的過度分解，大量氧氣和氫氣分別從正負(fù)極板上逸出，使電解液減少。由于其結(jié)構(gòu)上的原因，正常使用中，只能以3C以下倍率充電、放電，其比能量、比功率、循環(huán)壽命等難以適應(yīng)電動汽車、智能電網(wǎng)、清潔能源系統(tǒng)儲能等領(lǐng)域的時代要求。

6.2 鋰離子動力蓄電池

鋰離子蓄電池對充放電的要求，與鉛酸等可逆電化學(xué)反應(yīng)類蓄電池完全不同。由于鋰離子蓄電池成組應(yīng)用技術(shù)、系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵零部件及產(chǎn)品研究，嚴(yán)重滯后于鋰離子蓄電池的發(fā)展，電池成組后發(fā)生過充電、過放電、超溫和過流等問題，致使成組鋰離子蓄電池使用壽命大幅縮短，安全性大幅下降，甚至發(fā)生燃燒、爆炸等惡性事故，已經(jīng)成為制約鋰離子蓄電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要問題，也是當(dāng)前節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

我國電動汽車技術(shù)發(fā)展到今天，在車用動力電池、電機(jī)、電傳動等領(lǐng)域，已經(jīng)取得了一批不錯的成果。車用動力電池技術(shù)雖然還不是很成熟，但發(fā)展的速度與發(fā)達(dá)國家相比并不算慢。對電池單體進(jìn)行測量時，顯示出的各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計要求。但是，真正集成為一個動力總成，或者集成到整車上的時候，卻發(fā)現(xiàn)與單體測量時的情況有很大出入。車用動力電池總成并非將一個個單體電池串聯(lián)或并聯(lián)在一起就行了那么簡單。將數(shù)10個甚至上百個電池集成在一起，并將它們集成到車上，在世界范圍內(nèi)都是一項(xiàng)高新技術(shù)，絕不是看起來那么容易的事情，有能力解決這一難題的單位或個人也不是太多。鋰離子蓄電池系統(tǒng)主要包括電池系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、放電系統(tǒng)和維護(hù)管理系統(tǒng)，是一個函括多個技術(shù)領(lǐng)域和行業(yè)的高技術(shù)集成系統(tǒng){6}。

綜上所述，就目前電力電子技術(shù)而論，鋰離子動力電池的應(yīng)用仍處于研發(fā)階段，還沒有形成一個商業(yè)運(yùn)營的系統(tǒng)，在可預(yù)見的將來，也不可能形成市場。

6.3 千網(wǎng)水平蓄電池

鑒于世界能源危機(jī)即將來臨，鑒于千網(wǎng)水平蓄電池相對于傳統(tǒng)蓄電池的強(qiáng)大優(yōu)勢，鑒于鋰離子動力電池應(yīng)用技術(shù)的研究現(xiàn)狀，現(xiàn)在正是千網(wǎng)水平蓄電池異軍突起的大好時機(jī)。全世界生產(chǎn)千網(wǎng)水平蓄電池只有兩個地方，一個在美國，一個在包頭，但市場需求卻是無限的，電動汽車動力、智能電網(wǎng)貯能、清潔能源系統(tǒng)貯能等等，這些都關(guān)系到一個國家的戰(zhàn)略、命運(yùn)、未來，千網(wǎng)水平蓄電池能在包頭落地生根，則中國幸甚，人民幸甚。

表1 千網(wǎng)水平電池與傳統(tǒng)電池比較

千網(wǎng)水平蓄電池具有以下的優(yōu)勢。

⑴ 因?yàn)闃O板采用水平放置，可以避免電池的電解液濃度差的極化現(xiàn)象，而電解液濃度差的極化現(xiàn)象是傳統(tǒng)鉛蓄電池容量下降及壽命縮短的主要原因之一。

⑵ 極板陰陽直接連通，因此內(nèi)阻小，極板活物質(zhì)利用比較均勻，且節(jié)省極群并聯(lián)鉛材，大電流放電，電壓降比較小。

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⑶ 采用鉛網(wǎng)替代傳統(tǒng)的柵板﹝grid﹞，減輕電池重量節(jié)省耗材，讓電池的重量比能量大為提高﹝≧40wh/kg﹞，同時電池的充電接受率也提高，因此有利于快速充電。

⑷ 因?yàn)殂U網(wǎng)抗拉強(qiáng)度大，能耐充放電循環(huán)中極板活物質(zhì)的形狀變化，因此循環(huán)壽命次數(shù)也相對提高。

⑸ Horizon使用專有的材料與制造設(shè)備，可快速的連續(xù)性生產(chǎn)Horizon高功率環(huán)保鉛酸電池，從包鉛、織網(wǎng)至組裝成品約僅需4h，最后化成充電時間約3d。而傳統(tǒng)電池的制造時間必需耗費(fèi)7d，最后化成最長需15d時間。

⑹ 本產(chǎn)品過去經(jīng)過多個獨(dú)立單位測試，其整個電池的生產(chǎn)技術(shù)及表現(xiàn)應(yīng)無問題。唯公司導(dǎo)入自動化量產(chǎn)設(shè)備，設(shè)廠后仍然需要時間調(diào)整以提高效率。

⑺ 產(chǎn)品環(huán)保。采用玻璃纖維復(fù)合材料板柵極大地降低了電池極板的重量，比普通鉛酸蓄電池輕約30%。

⑻ 生產(chǎn)環(huán)保。水平電池采用的復(fù)合玻璃鉛絲擠壓成型和編織工藝，過程中沒有鉛蒸汽產(chǎn)生;采用完全的內(nèi)化成，避免了外化成酸霧的產(chǎn)生;整條生產(chǎn)線在封閉環(huán)境內(nèi)，生產(chǎn)線空氣經(jīng)過嚴(yán)格高效的凈化處理，極板干燥所產(chǎn)生以及沖洗設(shè)備產(chǎn)生的廢水都經(jīng)中和、沉淀、過濾凈化后循環(huán)使用，對環(huán)境沒有污染。

⑼ 千網(wǎng)水平電池的制程本身完全可回收，以目前工廠的報廢品也都可以回收。

⑽ 1顆高功率環(huán)保鉛酸電池可抵4顆 Group 31 傳統(tǒng)電池，可減少卡車重量負(fù)荷 200 P以上，重量減輕可減少燃油耗損、提高啟動能力的可靠性并增加負(fù)載能力。

⑾ 電池具備質(zhì)量輕、高電流容量、深度放電及快速充電特性。

7 直流逆變器

直流逆變器采用簡單的電容網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了直流電壓的逆變。其最大特點(diǎn)是，電路簡單，所有器件工作在工頻，不產(chǎn)生EMI干擾，因此，功耗極小而壽命極長，安全可靠，節(jié)能環(huán)保，成本低，制作安裝容易。

7.1 直流逆變器工作原理

圖11是微功耗直流逆變器工作原理示意圖，工作過程如下。

⑴ 正弦波前10ms面積沿Y軸N等分，此處以4等分為例。

⑵ 每個等分以下底為一邊作4個長方形，堆累成塔形如圖示。

⑶ 利用電容網(wǎng)絡(luò)由輸入直流電壓產(chǎn)生塔形波，這是實(shí)施直流逆變的第一步。

⑷ 用正弦波從內(nèi)部切割此塔形，正弦波的幅值選擇原則，是使得正弦波在內(nèi)部剛好和塔形波的直角邊相切。

⑸ 塔形波被切去多余部份后的實(shí)體正弦波，剛好是輸出的正弦波電壓Va。

⑹ 塔形波切下來的多余部份打散、揉合，變換成正弦波電壓Vb，與前述Va同時輸出，產(chǎn)生輸出電壓Vo的前10ms波形。

⑺ 正弦波后10ms處理方法同上，產(chǎn)生輸出電壓Vo的后10ms波形。

圖11 直流逆變器工作原理示意圖

7.2 四階塔形波產(chǎn)生電路

塔形波產(chǎn)生電路，實(shí)際上是一個電容升壓網(wǎng)絡(luò)，圖12是4階塔形波產(chǎn)生電路，為了簡化說明，以電源V3、V5、V7、V9、V11、V13、V15、V17代表網(wǎng)絡(luò)電容上的電壓。圖12中，MOS管Q4、Q6、Q8、Q10等組成4階電容網(wǎng)絡(luò)的正臂，MOS管Q2、Q5、Q7、Q9等組成4階電容網(wǎng)絡(luò)的負(fù)臂，其中Q6、Q5、V7、V9、D3、D4組成了電容網(wǎng)絡(luò)的一階，從下到上階數(shù)遞增。有關(guān)電容升壓網(wǎng)絡(luò)，參考文獻(xiàn)[4]、[5]。

圖12 塔形波(4階)產(chǎn)生電路

前10ms，電容網(wǎng)絡(luò)的正臂啟動，各階MOS管柵極驅(qū)動信號導(dǎo)通時間隨階數(shù)增加按每次2ms遞減，各階MOS管柵極驅(qū)動信號延時時間按每次1ms遞增，第一階MOS管Q10的驅(qū)動信號V16的導(dǎo)通時間為10ms，延時時間為0ms，依此類推。Q1、Q3柵極所加驅(qū)動信號是周期20ms的等幅方波電壓，前10ms期間，Q1飽和導(dǎo)通。在V16高電平期間(脈寬10ms，延時0ms),Q10飽和導(dǎo)通，V15上的電壓通過Q10的漏源極、D2、Q1的漏源極，在負(fù)載電阻R1上產(chǎn)生持續(xù)時間10ms、幅值為V15的方形電壓S1;在V12高電平期間(脈寬8ms，延時1ms),Q8飽和導(dǎo)通，V11上的電壓通過Q8的漏源極、D6、Q1的漏源極，在負(fù)載電阻R1上產(chǎn)生持續(xù)時間8ms、幅值為V11的方形電壓S2，S2左右對稱地堆在S1之上;在V8高電平期間(脈寬6ms，延時2ms),Q6飽和導(dǎo)通，V7上的電壓通過Q6的漏源極、D3、Q1的漏源極，在負(fù)載電阻R1上產(chǎn)生持續(xù)時間6ms、幅值為V7的方形電壓S3，S3左右對稱地堆在S2之上;在V4高電平期間(脈寬4ms，延時3ms),Q4飽和導(dǎo)通，V3上的電壓通過Q4的漏源極、D1、Q1的漏源極，在負(fù)載電阻R1上產(chǎn)生持續(xù)時間4ms、幅值為V3的方形電壓S4，S4左右對稱地堆在S3之上;在前10ms到來的最后時刻，在負(fù)載電阻R1上形成S1在下、S4在上、持續(xù)時間遞減的寶塔波電壓。

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后10ms期間，電容網(wǎng)絡(luò)的負(fù)臂啟動，同樣道理，在負(fù)載電阻R1上形成S1在上、S4在下、持續(xù)時間遞減的負(fù)方向?qū)毸妷骸?0ms到來的最后時刻，在電阻R1上形成了一個完整的寶塔波電壓，圖12右邊是所產(chǎn)生的寶塔波電壓的仿真波形。

7.3 寶塔波驅(qū)動信號產(chǎn)生電路

圖13是16階微功耗微分逆變器驅(qū)動信號的實(shí)際電路，電路由4片16個LM339比較器組成，參考電壓V2是直流電壓，阻值相同的16個電阻串聯(lián)后與V2并聯(lián)，16個比較器的反相端順序、依次接在串聯(lián)電阻上，第1個比較器接1個電阻，第2個比較器接2個電阻，余類推如圖8。另有交流參考電壓V1，全波整流后直接接到每一個比較器的同相輸入端，同時設(shè)交流、直流參考電壓V1、V2的幅值都是16V。

圖13逆變器(16階)寶塔波電壓驅(qū)動信號實(shí)際電路

前10ms，當(dāng)交流參考電壓V1的幅值小于1V時，沒有一個比較器的同相端電壓大于反相端電壓，所有比較器都輸出低電平。當(dāng)V1的幅值大于等于1V時，第1個比較器的同相端電壓大于其反相端電壓，輸出高電平。當(dāng)V1的幅值大于等于2V時，第2個比較器的同相端電壓大于其反相端電壓，輸出高電平，其余類推。當(dāng)最后一個，即第16個比較器輸出高電平以后，交流參考電壓V1將到達(dá)極值，隨著時間的推移，V1將下降。當(dāng)交流參考電壓V1的幅值下降到小于16V時，第16個比較器的同相端電壓小于其反相端電壓，其輸出端電壓產(chǎn)生負(fù)跳變，電壓由高變低，產(chǎn)生了第1個、也是持續(xù)時間最短的脈沖信號。當(dāng)交流參考電壓V1的幅值下降到小于15V時，第15個比較器的同相端電壓小于其反相端電壓，其輸出端電壓產(chǎn)生負(fù)跳變，電壓由高變低，產(chǎn)生了第2個脈沖信號，其余類推。當(dāng)交流參考電壓V1的幅值下降到小于1V時，第1個比較器的同相端電壓小于其反相端電壓，其輸出端電壓產(chǎn)生負(fù)跳變，電壓由高變低，產(chǎn)生了第16個、也是最后1個、同時是持續(xù)時間最長的脈沖信號。當(dāng)?shù)诙€10ms到來的時候，重復(fù)上述工作過程。所產(chǎn)生的16個持續(xù)時間由短到長的脈沖驅(qū)動信號，也就是形成寶塔電壓的各個微分電壓，參考圖14的仿真波形。

圖14 逆變器(16階)寶塔波電壓驅(qū)動信號仿真波形

顯然，交流參考電壓V1的頻率決定了所產(chǎn)生的脈沖信號的持續(xù)時間，即決定了微分逆變器輸出交流電壓的頻率，而參考電壓V1、V2的幅值決定了所產(chǎn)生的脈沖信號的高度，即決定了微分逆變器輸出交流電壓的幅值，V1的頻率和V1、V2幅值是可以任意調(diào)節(jié)的，所以，微分逆變器輸出交流電壓的頻率和幅值也是可以任意調(diào)節(jié)的。

圖15是微功耗直流逆變器(8階)輸出電壓仿真波形，左邊是輸出正弦波電壓Vo，右邊是寶塔波的切割過程。從圖可以看到，當(dāng)寶塔波的階數(shù)N增加時，例如N=8，所產(chǎn)生的寶塔波非常接近正弦波，可以省去電壓切割這一環(huán)節(jié)。

圖15 直流逆變器(8階)輸出電壓仿真波形

由圖15右邊仿真波形可以看出，從寶塔波切割下來的邊角料，隨著階數(shù)N的增加，總面積越來越小，這是因?yàn)閷毸梢钥闯煽v軸上的N個微分疊加而成，當(dāng)N趨于無窮大時，寶塔波趨于正弦波，這時候，用正弦波切割寶塔波，切下來的邊角料總面積等于零。

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一般多電平FBI逆變器[1]，例如三電平逆變、五電平逆變，七電平逆變等，增加輸出電壓電平數(shù)N的目的，是為了減少輸出電壓波形中的諧波含量，但所需功率器件和電路復(fù)雜性呈指數(shù)增加，必須要有N個隔離的、獨(dú)立的電壓源，而且每個FBI中功率器件的驅(qū)動信號也是隔離的、獨(dú)立的。三相二電平逆變，功率器件6個，三相三電平逆變，功率器件12個，三相五電平逆變，功率器件24個。如果要實(shí)現(xiàn)16電平逆變，所需功率器件P=2N=216=65536，需要隔離的、獨(dú)立的驅(qū)動信號65536個，這種紙上談兵的逆變電路，在實(shí)際上是完全不可能實(shí)現(xiàn)的。所有有關(guān)逆變器的教科書都提及多電平逆變，但沒有哪一本教科書能畫出五電平以上逆變器的實(shí)際電路，因?yàn)樘珡?fù)雜，畫也畫不出來，怎么能實(shí)際做出來。

SPWM全橋逆變電路(FBI)，不僅僅是功率器件呈指數(shù)增加的問題，更要命的是，在進(jìn)行多電平疊加的同時，還要在每一個電平中進(jìn)行SPWM脈寬調(diào)制，一個FBI的SPWM控制已經(jīng)夠復(fù)雜，現(xiàn)在要對多達(dá)2N=65536個SPWM驅(qū)動信號進(jìn)行控制，其空間矢量的復(fù)雜程度，是不可想像的。

微功耗直流耗逆變器所需功率器件和電路復(fù)雜性呈線性增加，即所需功率器件P=2N，其中N為電平數(shù)。圖4是4電平微功耗直流逆變器的實(shí)際電路，所需功率器件P=2N=2*4=8，實(shí)現(xiàn)16電平逆變器，所需功率器件P=2N=2*16=32，限于文章篇幅，本處不宜畫完整電路圖，僅在圖13畫出了微功耗直流逆變器(16階)寶塔波電壓驅(qū)動信號產(chǎn)生電路及圖14的寶塔波電壓驅(qū)動信號仿真波形，16電平微功耗直流逆變器的完整電路請參考文獻(xiàn)[3]。

圖16是直流逆變器(16階)寶塔波電壓仿真波形，圖中曲線可以看到，N=16的寶塔波已經(jīng)趨近正弦波，根本用不著進(jìn)行電壓切割。

圖16 直流逆變器(16階)輸出電壓仿真波形

7.4電壓切割電路

用正弦波波形切割寶塔波，設(shè)切去正弦波后剩下來的部份面積為S0，當(dāng)寶塔波的階數(shù)N=1時，S0=A(1-SinX)，其中A是輸入電壓的幅值，根據(jù)計算，這部份面積占總面積的36%。當(dāng)寶塔波的階數(shù)N=16，或大于某個正整數(shù)時，寶塔波已經(jīng)趨近正弦波，根本用不著進(jìn)行電壓切割。當(dāng)階數(shù)N在1和某個正整數(shù)之間時，切割下來的面積S0所代表的功率比較可觀，必須通過功率變換，或反饋，或輸出，提高整機(jī)效率。

圖17是電壓切割電路[2][4]，功率MOS管Q5、Q6和磁芯變壓器TX1組成了主電路，100kHz的方波驅(qū)動信號V1、V5分別加在Q5、Q6的柵極，V2是輸入正弦波電壓Vi，Vi為幅值360V的正弦波電壓，負(fù)載R6接在Q6的源極。

輸入電壓的正半周，當(dāng)驅(qū)動方波電壓V5為高電平時，Q6飽和導(dǎo)通，輸入電壓Vi通過Q5的體內(nèi)二極管和Q6的漏源極，加在負(fù)載電阻R5和變壓器TX1的原邊;在輸入電壓的負(fù)半周，當(dāng)驅(qū)動方波電壓V1為高電平時，Q5飽和導(dǎo)通，輸入電壓Vi通過Q6的體內(nèi)二極管和Q5的漏源極，加在負(fù)載電阻R5和變壓器TX1的原邊。適當(dāng)選擇變壓器原邊的電感量和驅(qū)動信號V1、V5的脈寬，可便負(fù)載電阻R5上的電壓為輸出額定值。

變壓器TX1的附邊接有由Q1-Q4組成的動態(tài)整流電路[1]，可將TX1付邊產(chǎn)生的包絡(luò)為正弦波的雙邊帶方波電壓Vs整流為正弦波電壓，適當(dāng)選擇TX1的變比和驅(qū)動信號V1、V5的脈寬，可使得動態(tài)整流電路輸出的正弦波電壓(由Q3、Q4的源極取出)為額定輸出電壓，此電壓與輸入電壓同頻、同相、同步，與電阻R5產(chǎn)生的額定電壓同頻、同相，同幅，共同形成輸出電壓Vo。由于整機(jī)不采用鐵芯，并不利用磁飽和現(xiàn)象穩(wěn)定交流電壓，因而不會產(chǎn)生正弦波波形失真，有關(guān)動態(tài)整流的論述請參考文獻(xiàn)[2]。

圖17右邊是切割電路各點(diǎn)電壓的仿真波形，最外層是幅值360V的輸入電壓Vi，下面是電阻R5上被切去頭部后的輸入電壓和TX1付邊產(chǎn)生的動態(tài)整流電壓共同形成的輸出電壓Vo，最里層是變壓器原邊產(chǎn)生的包絡(luò)為正弦波的雙邊帶方波電壓Vp，付邊電壓Vs由TX1的變比決定，是Vp的n倍。

圖17 電壓切割電路

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8 微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)實(shí)際電路

圖18是微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)實(shí)際電路，其中充電恒流、恒壓電源由Q3、Q8等組成的正負(fù)整流升壓器完成，蓄電池充電部份由Q1、Q2和Q19、Q20等組成無損充電機(jī)完成，逆變部份由Q12、Q13、Q14、Q16、Q17、Q18等組成的三相微分逆變器完成。

圖18 微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)實(shí)際電路

單相交流電壓V4以倍壓整流方式進(jìn)入A、B兩點(diǎn)，正負(fù)對稱整流升壓器完成正負(fù)直流電壓的升壓、穩(wěn)定、恒流、恒壓，輸入直流電壓的穩(wěn)定和升壓，前已詳述。恒流功能是檢測電阻R11上的直流電壓完成的，根據(jù)輸入正負(fù)對稱直流電壓的高低，選擇最佳充電電池的個數(shù)N。選擇的原則，是使得N個蓄電池的端電壓等于或高于輸入直流電壓，這樣整流升壓器可以根據(jù)電阻R11上的直流電壓調(diào)整充電流電流達(dá)恒定值，如果N個蓄電池的端電壓低于輸入直流電壓，則充電電流將會失去控制。恒壓功能是檢測C、D兩點(diǎn)的直流電壓完成的，根據(jù)各種蓄電池不同的端電壓，確定恒流轉(zhuǎn)恒壓、恒壓充電的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，根據(jù)輸入正負(fù)對稱直流電壓的高低，選擇最佳充電電池的個數(shù)N，選擇的原則與上述恒流的情況相同。

圖18所示輸入電壓是單相倍壓整流電路，正負(fù)對稱310V，如果是正負(fù)對稱直流電壓，直接接入A、B兩點(diǎn)，如果是三相交流電壓，以雙半波整流方式接入A、B兩點(diǎn)。

整流升壓電路產(chǎn)生的恒流、恒壓電源直接進(jìn)入由Q1、Q2和Q19、Q20組成的無損充電部份，由Q12、Q13、Q14、Q16、Q17、Q18等組成的三相微分逆變器從E、F兩點(diǎn)獲得電池正負(fù)對稱直流電壓，這里寶塔波產(chǎn)生電路和電壓切割電路省略，無損充電、逆變原理已于前述。

9 結(jié)語

采用PWM脈寬調(diào)制、以磁芯變壓器或電感傳遞功率、對電網(wǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈污染為其主特征的一切功率變換器，統(tǒng)稱為傳統(tǒng)功率變換器，與傳統(tǒng)功率變換器相對應(yīng)的是微功耗功率變換器，或稱綠色功率變換器，微功耗功率變換器采用的是微功耗電力電子變換技術(shù)。

微功耗電力電子變換技術(shù)，把與輸入總功率有固定比例的損耗降至最低，只要把輸入功率中極小部份進(jìn)行功率變換，就可以得到全部輸出功率，即輸入功率中極大部份既不必進(jìn)行實(shí)際的功率變換，也不必通過磁芯變壓器或電感傳遞，直接到達(dá)輸出端，成為輸出功率，器件都工作在工頻，不產(chǎn)生EMI干擾，因此功耗極小而壽命極長。這里的所有功率損耗，只與極小部份的輸入功率有關(guān)，而與輸入總功率無關(guān)，例如功率器件的飽和、截止的靜態(tài)損耗、高頻開關(guān)過程的動態(tài)損耗、磁芯變壓器或電感的傳遞損耗等等，都只與極小部份輸入功率有關(guān)，絕大部份輸入功率直接到達(dá)輸出端，成為輸出功率。

參考文獻(xiàn)

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[3] 郁百超. 百超功率變換器的原理和應(yīng)用. 中國電源學(xué)會第18屆學(xué)術(shù)年會論文集P301.

[4] 專利文獻(xiàn). 微功耗功率因數(shù)校正器. 專利申請?zhí)? 201110166360.5. 2011年6月13日

[5] 專利文獻(xiàn). 微功耗直流逆變器. 專利申請?zhí)? 201110166349.9. 2011年6月13日

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