用于電池測試系統(tǒng)的雙向DCDC變換器的研究

1、 用于電池測試系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器的研究魏克新，高國振，李華平，孫強（天津理工大學(xué)，自動化學(xué)院，天津 300384）（天津市復(fù)雜控制系統(tǒng)理論及應(yīng)用重點實驗室）摘要：針對蓄電池常見的充放電過程，本文介紹了一種基于DSP的雙向升降壓DC/DC變換器。電路采用全橋式拓撲結(jié)構(gòu)，通過雙閉環(huán)串級PWM控制開關(guān)元件的通斷，以實現(xiàn)變換器的雙向升降壓。全文重點介紹了變換器數(shù)學(xué)模型的分析以及基于LQR的最優(yōu)參數(shù)整定方法。在此基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)設(shè)計的方式對其進行了SIMULINK仿真以及樣機的測試。實驗結(jié)果保持了良好的動靜態(tài)特性，證明了方案的可行性。本裝置與高功率因數(shù)可逆整流器級聯(lián)可用于電池測試系統(tǒng)，實現(xiàn)能量的雙

2、向流動。關(guān)鍵詞：雙向DC/DC變換器;雙閉環(huán)串級控制;全橋式拓撲;狀態(tài)空間平均法;LQR控制中圖分類號：TM351 文獻標識碼：AThe Research of Bi-Directional DC / DC Converter Using in the Battery Test SystemWEI Ke-xin，GAO Guo-zhen，LI Hua-ping，SUN Qiang(School of Electrical Engineering, Tianjin University of Technology,Tianjin 300384, China)（Tianjin Key Labora

3、tory of Control Theory and Applications in Complicated Systems）Abstract:For the charging and discharging process of battery,a kind of bi-directional buck-boost DC / DC converter based on DSP is introduced.The circuit adopts the full-bridge topology and the dual-loop cascade PWM control method in ord

4、er to achieve the buck-boost of two-quadrant. The full text focuses on the mathematical analysis of converter model and the optimal parameter tuning methods based on LQR.On this basis, its SIMULINK simulation and prototype testing is carried out .The experimental results has a good static and dynami

5、c characteristics and it proves the feasibility of designing.The device can be used for the battery test system with a high power factor rectifier and achieve the Bi-Directional flow of energy finally.Key Words: Bi-directional DC/DC converter;the dual-loop cascade control;full-bridge topology; State

6、-space averaging ;LQR control1 引言日常生活中，蓄電池的充、放電是必不可少的，例如在電池測試系統(tǒng)中，電池生產(chǎn)廠家需要對新電池進行充、放電以及容量的校核。在這類應(yīng)用中，涉及到直流電壓的變換，常用到DC/DC變換器。其中輸入端接直流母線,輸出端接儲能裝置(蓄電池)。此外為了實現(xiàn)充、放電，能量還必須能夠雙向流動，即變換器不僅能夠通過各種變換得到滿足要求的輸出電壓，而且能夠反向吸收輸出端多余的能量，實現(xiàn)能量回饋，從而可以提高整個系統(tǒng)的效率。而由于通常的單向DC/DC變換器中，主功率傳輸通道上一般都有二極管這個環(huán)節(jié)，因此能量經(jīng)由變換器流動的方向只能是單向的，不能反向流動。有

7、鑒于此，本文介紹了一種基于DSP的全橋式雙向升降壓DC/DC變換器。此變換器與PWM可逆整流器級聯(lián)，可用于各類電池的充、放電以及大功率直流電源的核心部分。2 系統(tǒng)分析2.1 主電路拓撲結(jié)構(gòu)圖1為雙向升降壓DC/DC變換器的主電路結(jié)構(gòu)，功率開關(guān)管T1T4組成橋的4個橋臂。電感L作為儲能元件在電路的升降壓中起到了重要的作用，直流側(cè)的電容C為直流濾波器。圖1 雙向升降壓DC/DC變換器主電路拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 The main topology of system2.2 工作原理該電路結(jié)構(gòu)不同于全橋四象限D(zhuǎn)C/DC的拓撲結(jié)構(gòu)，后者主要是用于直流電機調(diào)速方面。而此DC/DC變換器不僅可實現(xiàn)電壓升與降的

8、調(diào)節(jié)，并且開關(guān)的利用率比全橋電路高。此外該結(jié)構(gòu)還降低了電感和電容上的電氣應(yīng)力。通過對四個開關(guān)管的控制，可以分別實現(xiàn)正向降壓、正向升壓、反向降壓、反向升壓四個工作狀態(tài)。開關(guān)通斷與工作模式的關(guān)系見表1。表1 開關(guān)通斷與工作模式關(guān)系Tab.1 The relationship of switch mode and working status3 數(shù)學(xué)模型分析以正向降壓為例，應(yīng)用狀態(tài)空間平均法1,2，首先分別建立功率開關(guān)T1導(dǎo)通和關(guān)斷時刻的狀態(tài)空間平均方程，如式（1）（2）所示。(1) (2)然后對方程（1）和方程（2）進行平均化得到基本狀態(tài)空間平均方程： (3)在此基礎(chǔ)上，通過對穩(wěn)態(tài)及擾動條件下的方

9、程求解可以進而得到動態(tài)小信號傳遞函數(shù)3，其中：占空比到輸出電壓的傳遞函數(shù)為： (4)占空比到輸入電流的傳遞函數(shù)為： (5)在控制方式上，采用雙環(huán)串級控制4,5，外環(huán)是電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，外環(huán)輸出作為內(nèi)環(huán)電流的參考值。設(shè)計時要求內(nèi)環(huán)的響應(yīng)速度比外環(huán)更快，這樣整個結(jié)構(gòu)在這種控制下具有較大的系統(tǒng)增益以及快速的電流跟隨性能，從而使系統(tǒng)能夠獲得很好的動態(tài)和抑制干擾的能力。假設(shè)電感內(nèi)阻為0，基于（4）、（5）兩式，可以得到系統(tǒng)的電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如式（6）和圖2所示。 (6)圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 The framework diagram of system由系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)和系統(tǒng)

10、結(jié)構(gòu)框圖可知：由于被控對象是一階慣性環(huán)節(jié)，閉環(huán)系統(tǒng)等效為二階模型，當(dāng)時，系統(tǒng)能夠獲得較大的相角穩(wěn)定裕量，系統(tǒng)響應(yīng)快，電流跟蹤能力強。4LQR參數(shù)整定為了獲得優(yōu)良的控制性能，系統(tǒng)參數(shù)的整定起到至關(guān)重要的作用。由于內(nèi)環(huán)和外環(huán)均采用PID控制器進行調(diào)節(jié)，控制器各參數(shù)之間互相影響。因此合理的整定相應(yīng)的PID參數(shù)，是研究過程中必須解決的一個問題。參數(shù)整定的方法有很多種，大多數(shù)是依靠實際的經(jīng)驗，這里采用基于LQR的線性二次型最優(yōu)控制進行調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定6,7。參數(shù)整定結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，即首先對內(nèi)環(huán)電流環(huán)進行參數(shù)整定，然后在此基礎(chǔ)上，將內(nèi)環(huán)電流環(huán)與控制對象G2(S)整合為外環(huán)電壓環(huán)的控制對象，并做進一步的

11、參數(shù)整定。圖3 基于LQR的PID參數(shù)整定法結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The frameof LQR parameter tuning method 這里以內(nèi)環(huán)電流環(huán)的參數(shù)整定為例，由公式(5)可以得到內(nèi)環(huán)控制對象的傳遞函數(shù)如式， (7)對其進行PID控制，有 (8)為了利用LQR設(shè)計方法獲取最優(yōu)PID控制參數(shù),引入狀態(tài)空間方程式: (9)其中，狀態(tài)向量：。根據(jù)被控對象傳遞函數(shù)，可得(10)從而得到相應(yīng)狀態(tài)方程中的矩陣為，(11)根據(jù)LQR方法,對公式(9)定義如下性能指標: （12）其中，加權(quán)矩陣，為最小化上述指標函數(shù)，系統(tǒng)的最優(yōu)控制信號為:(13)為系統(tǒng)最優(yōu)反饋矩陣，矩陣且滿足如下RICCATI方

12、程： (14)對式(13)積分并與式(8)進行比較有: (15)從而獲得了基于LQR的PID最佳控制參數(shù)。4系統(tǒng)仿真分析基于上述模型分析以及參數(shù)整定方法，可以通過MALAB/SIMULINK對系統(tǒng)進行仿真。系統(tǒng)仿真框圖如圖4所示。圖4 系統(tǒng)仿真原理圖Fig.4 The simulation principle of system其中,系統(tǒng)參數(shù)為輸入電壓130V，電感1.5mH, 電容6900uF,負載電阻2。系統(tǒng)在0.02s處進行給定切換，切換前給定值為83V,切換后給定值突變?yōu)?3V。仿真結(jié)果如圖5(a)所示。此外，在給定電壓為73V時的穩(wěn)態(tài)電壓紋波波形如圖5(b)所示。(a) 輸出電壓動態(tài)

13、波形(a)輸出電壓紋波波形圖5 系統(tǒng)仿真圖Fig.5 The simulation waveform of system由此可見，所構(gòu)建系統(tǒng)的電壓跟隨性較好，魯棒性強。在給定電壓突變的情況下能保持良好的動靜態(tài)性能，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)抗擾性較好；穩(wěn)態(tài)時電壓精度高。5 系統(tǒng)實驗與分析5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計雙向升降壓DC/DC變換器系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。利用DSP2812搭建試驗樣機，檢測和給定信號通過信號調(diào)理電路進入DSP，經(jīng)由數(shù)據(jù)處理，并借助驅(qū)動電路，對主電路的功率開關(guān)管進行相應(yīng)的控制，以實現(xiàn)雙向升降壓。圖6 雙向升降壓DC/DC變換器系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The control fram

14、ework of system5.2 實驗分析系統(tǒng)中，輸入電壓為130V，儲能電感L為1.5mH，輸出濾波電容為6900uF，負載為大功率電阻箱，實驗結(jié)果如圖7所示。圖a為輸出電壓為73V時開關(guān)管T1的PWM驅(qū)動信號，從圖中可以看出，開關(guān)頻率近似為20KHz，PWM的占空比近似50%。圖b為DC/DC裝置的輸入電壓和輸出電壓的紋波圖。輸入電壓紋波有效值1.52V，輸入電壓紋波系數(shù)1.17%；輸出電壓為73V，輸出電壓紋波有效值0.21V，輸出電壓紋波系數(shù)0.27%。負載側(cè)輸出電流16.6A。圖c為輸出電壓的動態(tài)響應(yīng)圖，顯示了輸出電壓從83V降壓到73V的動態(tài)響應(yīng)過程。 圖a 輸出電壓為73V時

15、開關(guān)管的PWM驅(qū)動信號圖b 輸入電壓和輸出電壓的紋波圖圖c 輸出電壓的動態(tài)響應(yīng)圖圖7 系統(tǒng)實驗結(jié)果分析Fig.7 The analysis of system expriment6結(jié)論綜上所述，針對電池的充放電過程，本文介紹了一種基于DSP的雙向升降壓DC/DC變換器設(shè)計方法。通過實驗分析，該策略與數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)相吻合，具有較高的精度和動、靜態(tài)響應(yīng)，體現(xiàn)了良好的電源特性，符合電能質(zhì)量標準，滿足設(shè)計指標。采用本文提出的雙向全橋DC/DC變換器，可以有效的減少電池測試系統(tǒng)的電流紋波，降低損耗，提高效率，改善電池的綜合測試性能。參考文獻1 王興貴,鄒應(yīng)煒,劉金龍. 全橋型DC/DC開關(guān)電源的建模與控制

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