一种基于混合法充电模式的混合电源均衡充电控制单元设计

2015-07-20沈庆宏南京大学金陵学院江苏南京0089南京大学电子科学与工程学院江苏南京0093

中国新技术新产品 2015年17期

丁　尧　　袁　杰　　沈庆宏（.南京大学金陵学院，江苏南京 0089；.南京大学电子科学与工程学院，江苏南京 0093）

丁尧1袁杰2沈庆宏2
（1.南京大学金陵学院，江苏南京 210089；2.南京大学电子科学与工程学院，江苏南京 210093）

为了满足目前电子设备对离线供电的要求，特别是分布式电源管理和大电流放电的具体目的。本文在分析研究均衡充电和超级电容的工作原理基础上，提出了一种基于打断式充电方法。通过仿真和对四节单体样品充电，得出这种DC/DC+开关矩阵的充电方法，在对单体数目较少的分布式电源进行充电时，可以起到均衡充电的作用。

分布式电源管理；超级电容；均衡充电；DC/DC

一、前言

随着便携式电子仪器设备、数字移动终端、电动力机车等电子技术装备的高速发展，特别是一些负载用电子设备的投入使用，由于其具有峰值功率高但平均功率低的特点，因此在峰值期间，需要电源提供较大的电流输出。广泛使用的蓄电池具有功率密度小、充放电慢等缺点，如果要满足大电流输出的需求，需要蓄电池具有很大的容量，这会增加设备负载，同时大电流放电也会对电池的寿命产生影响。超级电容作为一种新型储能元件，具有快速充放电、循环使用寿命长、功率密度大、工作环境适应性强、安全无毒等优点，这些优点非常适用于脉动性负载，但其能量密度低，无法取代传统蓄电池来独立给负载进行供电。目前常见的是将蓄电池能量密度大、超级电容功率密度大等特点结合，设计一种混合电源来提高电源峰值输出功率、减少电源体积质量投入应用。

图1 目前常用均衡充电方法分类

图2 多绕组变压器法原理图

然而单模块的混合电源额定电压为3.2V，无法满足高电压设备的输出需求，因此需要将这种混合电源进行串并联，来满足设备的供电需求。而组合电源中单体的过度充放电则会降低电源组使用寿命，甚至可能会发生爆炸威胁设备安全。造成单体电源过度充放电的最根本原因是由于电源组内各单体电源间的容量差异，解决这个问题的方法之一是均衡充电，目前研究主要侧重于两部分：一部分是对均衡充电电路拓扑的设计，另一部分是对均衡控制策略的研究。关于对均衡充电电路拓扑的设计，主要有电阻放电均衡法、开关电容法、开关电感法、DC/DC法、多绕组变压器法等。目前常用的均衡法主要存在均衡时间长、缺乏普适性等问题，同时采用基于电池外压一致性来判据均衡存在不稳定性等因素。如何快速高效的对电源组内单体电源均衡充电，是目前业内研究的一个重要方向。

本项目从超级电容入手，以四个混合电源串联为研究对象，基于DC/DC法，利用开关矩阵，采用多平衡充电复合设计思路，提出交叉充电设计理念，设计一种电源管理系统，建立相关充放电数学模型，提出一种快速充电方法，并通过实验验证了该系统的可行性。

二、常用均衡充电方法介绍

如图1所示，常用的均衡充电方法可以依据能量损耗分为能耗型和非能耗型，其中能耗型均衡是通过在电源组中各单体电源两端分别并联分流电阻，通过分流电阻对容量高的单体电池进行放电，直至所有单体电池容量在同一水平。这种电路设计简单，成本低，但分流电阻会一直处在工作状态，将单体电源的能量以热量的形式消耗掉，一般适用于能量充足、散热良好的场合。本项目主要就非耗散型均衡电路进行研究，常见的非能耗型均衡电路有多绕组变压器法、开关电容法、开关矩阵串并联转换充电法、DC/DC法，其原理如图2、图3、图4、图5所示，上述各种方法的优缺比较见表1。

图3 开关电容法原理简图

图4串并联转换充电法

常见的DC/DC有升压型、降压型和升降压型三种，考虑到适用范围，本文选取了升降压型DC/DC转换器。升降压电路原理如图5所示，既可以作为降压电路来使用，又可以做为升压电路来使用，其中L为电感，D为单向导通二极管，C为电容，T为功率管，当T的控制端输入整脉冲电压时，T正向导通，为零时截止。功率管导通阶段，由于D的存在，输入电流通过T和L后返回，此时VL=Vi，电感电流逐步增大。当到t1时刻，T断开，输入电压Vi与后端断开，L的电流经过负载后通过D返回，同时电容C上的电流也通过负载返回负端。电感电流逐步减少，电压反向，电感作为能量源，此时电感电压VL=Vo。

功率管导通阶段，电感电流：

功率管关断阶段，电感电流：

根据电流平衡原理：

其中D=t1/T为占空比。

从上述可以看出，输入电压与输出电压的比值可以通过输入方波的占空比进行调节，即依据输入电压的变化，通过控制DC/DC电路控制端的方波输入，实现输出电压恒定。

DC/DC充电法的原理如图6所示，是利用DC/DC模块并联充电单体来进行恒压充电，当电源单体电压低于其额定值时进行充电，监测到其电压值达到额定电压时关闭该DC/DC模块。该方法系统电源可以同时对各个电源单体进行充电，精度高，损耗少，充电速度快，但是由于DC/DC模块的数量与电源单体数量相等，当电源单体串联数量较多时，整个电路系统会变得非常庞大、复杂，成本也变得比较高。

图5 升降压型DC/DC转换器原理简图

三、一种改进新型的均衡充电电路设计

对比上述几种均衡充电电路，针对其优缺点，设计一种以FPGA为核心，基于开关矩阵和DC/DC组合的新型的均衡充电电路，这种电路仅采用一个DC/DC模块，通过开关矩阵进行循环充电。由于采用一个DC/DC模块保证了均衡充电的精确性，同时电路成本也有所降低，但这种方法受开关矩阵工作限制，不适用于过多的电容充电，如果需要对多个超级电容充电，则可以将其分组采用该方法，然后组间采用并联模式进行均衡充电。

该系统原理如图7所示，其中左侧为充电模块，右侧为监控模块。系统具体工作流程如下：FPGA对DC/DC模块进行波形控制，变压后输出对各个单体电源进行充电，充电目标由FPGA控制开关矩阵进行选择。开关矩阵由SW1、SW2、SW3、SW4单刀四置开关和一个单刀开关SW5组成，充电时，首先将SW5断开，当四个四置开关均至1位置时，DC/DC模块将对单体电源1进行充电。同理可以分别对单体电源2、3、4进行充电，充电完毕后四个四置开关断开，SW5闭合。FPGA通过AD1实时监控充电电流，并依据采样值对DC/DC模块和开关网络进行控制。在充电过程中，系统实时监测电源单体电压，监测值通过光耦将数据耦合到AD2，采样后送至FPGA分析，来控制开关矩阵，分别对单体电源模块1、2、3、4充电。

图7 一种复合式均衡充电设计原理框图

四、针对超级电容的打断法充电方式的改进

传统的充电方式多采用“先恒流后恒压”的两段式充电方式，该方法可以避免尖峰电流对单体电源和DC/DC电路的冲击，起到保护设备的作用。第一阶段采用恒流方式，单体电源电压随着时间的逐步升高，当单体电源电压达到一定值后，转入恒压模式，充电电流逐步降低，直至充满。本项目就第一阶段充电过程进行分段处理，采用打断方式进行充电，既保护了单体电源中的超级电容，对充电时间也没有明显的影响。具体工作原理如下：FPGA通过A/D采样系统电压电流，当电流值过大时，则 FPGA 芯片关闭 DC/DC 模块的控制端几个周期，此时 DC/DC 模块处于不工作状态，则充电电流迅速下降，超级电容器单体电压值不再上升，然后 FPGA芯片打开开关，继续对 PWM 端进行控制，这样就可以维持充电电流基本恒定，当电源单体电压升高到一定值后，充电方式改为恒压充电，即将DC/DC模块PWM控制端的方波占空比固定，直至单体电源充电到额定电压，完成对该电源单体的充电，然后切换开关位置，对下一个电源模块充电。

根据充电方法，FPGA的控制流程如图8所示，系统启动时，所有开关均置1的位置对超级电容器C1进行充电控制，DC/DC电路的PWM端采用占空比D=d的波形进行充电，当检测到充电电流偏大时，关闭PWM端，此时D=0，充电电流下降，当充电电流I下降至所要求电流以下时打开PWM端的控制继续进行D=d的充电模式，直至超级电容器C1的电压值已充至要求值，然后采用恒压的方式进行充电即D为固定值充电至其额定电压，然后转换开关至下一个超级电容器单体，如此轮循，最后完成对整个超级电容器组的均衡充电。

图8 FPGA控制流程图

图9 间断式充电仿真效果

五、总结与分析

本项目综合几种均衡充电方法，提出一种基于开关矩阵和DC/DC的均衡充电系统，根据设计的充电系统建立相关模型，充电过程中采用间断式充电方法，保证单体电源中的超级电容工作在额定电流范围内，充电过程仿真如图9所示。

项目以四节maxwell的BCAP0350超级电容为充电单体样本，其额定电压为2.7V，额定容量为350F。采用该方法充电，均衡完成后，四个电容器单体电压值如表1所示，同组最大单体误差为0.07V，基本达到了均衡充电目的。

从本项目仿真及验证效果来看，采用了DC/DC+开关矩阵模式，减少了直流转换模块，增加了开关矩阵网络，当电源组中电源单体数目增加时，开关矩阵的复杂度会成本增加。本项目提出的系统设计方法可以应用与单体数目较少的工作环境，针对单体数目较多的情况，可以采用多组并联的方式进行。如何平衡组内单体充电时间与单体成组数目，是下一个阶段的研究方向。