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(nèi)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(zhì)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(chǎn)、使用過程中的關(guān)鍵工序關(guān)系到電池的品質(zhì)和質(zhì)量，并直接影響電池的生產(chǎn)成本和使用壽命。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集。PC0是主控機(可以是幾臺)用于對整個生產(chǎn)車間的管理，對各工作之間的工況轉(zhuǎn)換實行模糊控制，保證整個生產(chǎn)流程順暢，并作數(shù)據(jù)處理的保存、備案。

1.工作說明：

單只電池充電時由電網(wǎng)提供能量，經(jīng)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(jīng)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(jīng)過電網(wǎng)，整流柜從電網(wǎng)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)非常關(guān)鍵， 是鑒別電池好壞和電池分組篩選的依據(jù)，必須通過計算機系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)庫來存儲這些數(shù)據(jù)。

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(wǎng)絡。目前，CAN網(wǎng)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(guān)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(wǎng)能量以維持母線電壓穩(wěn)定。其拓撲結(jié)構(gòu)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(jīng)PFC(功率因數(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，利用變壓器對高壓側(cè)與低壓側(cè)進行隔離，開關(guān)管V1,V2,V3,V4采用固定脈沖控制，實現(xiàn)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(gòu)成，開關(guān)管V5,V6采用閉環(huán)閉環(huán)控制，實現(xiàn)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(cè)3V電壓，經(jīng)C11濾波后，送至由V6、V5、L1、C0構(gòu)成BOOST升壓變換器，BOOST變換器將電壓從3V升至15V, 調(diào)節(jié)送到TG6的脈沖占空比，可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓;由第一級變換器升壓至15V的電壓經(jīng)C3、C4分壓， 送至半橋變換器，給固定脈沖至TG3和TG4 , 使開關(guān)管V3、V4工作在開關(guān)狀態(tài)，經(jīng)變壓器升壓至200V，由D1、D2 以及C1、C2構(gòu)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(guān)系式：

式中：N1變壓器高壓側(cè)匝數(shù); N2變壓器低壓側(cè)匝數(shù);Vb電池電壓; D2 開關(guān)管V6的輸入脈沖占空比。

2.降壓工作模式

母線側(cè)輸入電壓400 V，經(jīng)C1和C2分壓，上下橋臂輸入電壓為200 V?？刂破鲗⒐潭}沖送至TG1和TG2，使開關(guān)管V1， V2工作在開關(guān)狀態(tài)。由D3、D4構(gòu)成全波整流電路，經(jīng)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(guān)管V5 , 使V5、D6、L1、C11構(gòu)成BUCK降壓變換器，將電壓從24V降至3V。調(diào)節(jié)輸入開關(guān)管V5 的驅(qū)動波形占空比，可以調(diào)節(jié)輸出電壓。降壓變換時輸入電壓與輸出電壓關(guān)系式：

式中：N1變壓器高壓側(cè)匝數(shù)，N2變壓器低壓側(cè)匝數(shù)，V400高壓側(cè)輸入電壓，D1 開關(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)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(jīng)電流PI 調(diào)節(jié)器和驅(qū)動電路，控制開關(guān)管導通與關(guān)斷。由于PI調(diào)節(jié)器可以實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)電池充電電流的恒定。為防止鋰電池充電可能出現(xiàn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(wǎng)絡通訊卡 ,使得該系統(tǒng)很容易與其他生產(chǎn)管理部門聯(lián)網(wǎng) ,便于統(tǒng)一調(diào)度和管理。另外,選用 PC 機還可以充分利用現(xiàn)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(shù)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(shù)據(jù);(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(jié)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(nèi)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。