高效節(jié)能動力鋰電池檢測及化成系統(tǒng)

隨著電池工業(yè)的迅速發(fā)展，國內外主要的電池廠家都投入大量資金和研發(fā)人員在原有小容量電池基礎上開發(fā)大容量高能量密度動力型電池。鋰電池由于工作電壓高、體積小、質量輕、無記憶效應、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長等特點，廣泛應用于電動車汽車能源系統(tǒng)、航空航天電源系統(tǒng)、太陽能光伏電源系統(tǒng)等設備中。蓄電池的檢測及化成作為電池生產、使用過程中的關鍵工序關系到電池的品質和質量，并直接影響電池的生產成本和使用壽命。

一、系統(tǒng)結構

系統(tǒng)的整體結構如圖 1 所示。

整個系統(tǒng)主要由四部分組成：整流柜、貯能電池組、化成模塊(雙向DC/DC)、集中式計算機控制系統(tǒng)組成。

①整流柜

主要用于貯能電池組的初充和日常的補充充電。

②貯能電池組

用于平衡各化成單元之間充/放電過程對400V直流母線造成的沖擊(類似于水池的作用)可由成本較低的或不同型號的電池組成。

③化成模塊(雙向DC/DC)

在電池單元充電時以單元取直流母線電源用于充電。放電時DC/DC換能器將單體電池的能量轉換成高于400V的能量，通過母線給貯能電池組充電。DC/DC單元為最新型的高頻高效模塊，效率為94~96%，可節(jié)省放電過程造成的電能損失節(jié)能約90~93%。

④集中式計算機控制系統(tǒng)

PC1至PCN用于各化成/檢測工作的操作控制及數據采集。PC0是主控機(可以是幾臺)用于對整個生產車間的管理，對各工作之間的工況轉換實行模糊控制，保證整個生產流程順暢，并作數據處理的保存、備案。

1.工作說明：

單只電池充電時由電網提供能量，經整流柜和化成模塊(雙向DC/DC)為電池進行恒流充電;放電時將電池的能量經化成模塊(雙向DC/DC)對貯能電池組進行放電

系統(tǒng)更重要的優(yōu)勢在于多只電池同時進行化成，其中部分電池充電，部分電池放電。為此設計了一條直流母線，用于連接整流柜和多個化成模塊(雙向DC/DC)。 這樣能量就可以通過直流母線在不同電池單體之間流動， 避免每個放電模塊單獨設計回饋能量的電路，可提高整個設備的效率，同時降低設備成本。此外，在控制系統(tǒng)的控制下，采用能量平衡的控制策略，通過控制不同充放電模塊的工作時間， 盡可能使充電能量等于放電能量， 大部分能量只在直流母線和單體電池之間流動不經過電網，整流柜從電網轉化的能量和貯能電池組貯存的能量來平衡充放電的能量差，可進一步提高效率。

直流母線的電壓選定為 400V，主要目的高電壓直流母線設計對于化成模塊(雙向DC/DC)同時并聯(lián)在直流母線上很重要，直流母線電壓越高線路損耗越小，但也不宜太高，否則會帶來選擇電力電子器件的困難和雙向DC/DC壓比或降壓比太大的問題。

集中式計算機控制系統(tǒng)設計主要是針對電池化成工藝要求，在電池化成過程中需要利用少量人員監(jiān)控大量的化成電池，為提高效率和降低勞動強度必須采用集中式的管理和監(jiān)控。 在電池化成中電池充電或放電電量數據非常關鍵， 是鑒別電池好壞和電池分組篩選的依據，必須通過計算機系統(tǒng)建立數據庫來存儲這些數據。

控制系統(tǒng)和化成模塊(雙向DC/DC)以及整流柜之間采用CAN通信網絡。目前，CAN網絡得到廣泛的應用。

二、整流柜設計

采用主流的LLC諧振軟開關整流器電路，充電效率大于96%。輸入總諧波畸變小于 5%。整流柜的作用是補充電池化成過程中的電量損耗。當放電能量大于充電能量時，母線電壓會升高，母線會對貯能電池組進行充電。當充電能量大于放電能量時，母線電壓會降低，整流器吸收電網能量以維持母線電壓穩(wěn)定。其拓撲結構如圖 2 所示。[!--empirenews.page--]

其拓撲為LLC諧振全橋 Vin為交流電整流(三相無源PFC)或經PFC(功率因數校正)后電壓

T1、T2、T3、T4為MOSFET Lr為諧振電感 Cr為諧振電容 D5、D6為高頻整流二極管 Cf為濾波電容。

三、化成模塊(雙向DC/DC)

結構如圖3所示。包括雙向DC/DC模塊。第一級采用隔離式半橋變換結構，利用變壓器對高壓側與低壓側進行隔離，開關管V1,V2,V3,V4采用固定脈沖控制，實現從400V母線電壓和15V中間電壓進行變換，第二級采用非隔離式Buckboost 變換器構成，開關管V5,V6采用閉環(huán)閉環(huán)控制，實現15V中間電壓和3V鋰電池電壓之間進行二次變換。

1.升壓工作模式

電池側3V電壓，經C11濾波后，送至由V6、V5、L1、C0構成BOOST升壓變換器，BOOST變換器將電壓從3V升至15V, 調節(jié)送到TG6的脈沖占空比，可以實現調節(jié)輸出電壓;由第一級變換器升壓至15V的電壓經C3、C4分壓， 送至半橋變換器，給固定脈沖至TG3和TG4 , 使開關管V3、V4工作在開關狀態(tài)，經變壓器升壓至200V，由D1、D2 以及C1、C2構成全波倍壓整流電路，將輸出電壓穩(wěn)定在400 V。

升壓變換時輸入電壓與輸出電壓關系式：

式中：N1變壓器高壓側匝數; N2變壓器低壓側匝數;Vb電池電壓; D2 開關管V6的輸入脈沖占空比。

2.降壓工作模式

母線側輸入電壓400 V，經C1和C2分壓，上下橋臂輸入電壓為200 V。控制器將固定脈沖送至TG1和TG2，使開關管V1， V2工作在開關狀態(tài)。由D3、D4構成全波整流電路，經C0濾波，使電壓從400V降至24V;閉環(huán)控制器輸出PWM 信號，送至開關管V5 , 使V5、D6、L1、C11構成BUCK降壓變換器，將電壓從24V降至3V。調節(jié)輸入開關管V5 的驅動波形占空比，可以調節(jié)輸出電壓。降壓變換時輸入電壓與輸出電壓關系式：

式中：N1變壓器高壓側匝數，N2變壓器低壓側匝數，V400高壓側輸入電壓，D1 開關管V5的輸入脈沖占空比。

3.化成模塊(雙向DC/DC)控制策略

為了完成對鋰電池的管理與監(jiān)控，本設計的雙向DC/DC變換器以MCU為核心控制器件。對各個開關管的控制、鋰電池電流、電壓，溫度測量、上位機通信、電量計量等功能，硬件結構如圖4所示。

控制電路采用電流閉環(huán)和電壓限定控制方法，利用高精度霍爾電流傳感器測量電池充電電流，與電流給定信號(CPU系統(tǒng)給出)一起經電流PI 調節(jié)器和驅動電路，控制開關管導通與關斷。由于PI調節(jié)器可以實現無差調節(jié)，從而實現電池充電電流的恒定。為防止鋰電池充電可能出現的過充影響電池的性能，控制電路加入了電壓限制環(huán)節(jié)，使得電壓達到限制電壓時減小充電電流。

四、 集中式計算機控制系統(tǒng)

為了實現上位機與化成通道的實時通訊 ,兩者通過CAN總線進行通信。[!--empirenews.page--]

上位機采用了PC機，并配置了一塊ISA結構的雙端口CAN接口卡。選用 PC機，有如下好處： PC機上面有多條擴展槽，利用局域網絡通訊卡 ,使得該系統(tǒng)很容易與其他生產管理部門聯(lián)網 ,便于統(tǒng)一調度和管理。另外,選用 PC 機還可以充分利用現有的軟件工具和開發(fā)環(huán)境 ,方便快捷地設計功能豐富的軟件。上位機的作用是： (1)將需要的各種參數發(fā)送給化成通道; (2)對化成的工作過程進行干預;(3)接收化成通道發(fā)回的工作狀態(tài)數據;(4)如果工藝流程改變 ,把改變后的流程下載到化成通道;(5)實時顯示化成曲線等。

五、結論

按本方案設計交付使用的電池化成系統(tǒng)，充放電電流100A，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，充電時整機效率92%，放電時整機效率 90%。循環(huán)效率82.8%。按照常規(guī)的化成系統(tǒng)計算，充電效率為80%。放電為直接功率電阻耗能0%。綜合效率為-125%。本系統(tǒng)比傳統(tǒng)的化成系統(tǒng)節(jié)能727%。實際工作中釋放的熱量很少，大大的降低了車間的溫度，改善了作業(yè)環(huán)境。并為企業(yè)節(jié)省了能源開支。整個化成過程中 ,可以做到對充放電電流、 電池電壓、 電池內阻、電池溫度、 環(huán)境溫度、 充電/放電時間進行實時監(jiān)控和自動控制 ,并可以繪制電流/電壓的實時曲線和每節(jié)電池的柱狀圖等。由于本系統(tǒng)采用了軟件集中式管理，大大降低了員工的作業(yè)強度，提高了對鋰電池化成的效率。