基于移相多重的电池充放电设备

王 锐，李 俊，阮 会



基于移相多重的电池充放电设备

王 锐，李 俊，阮 会

（武汉船用电力推进装置研究所, 武汉 430064）

本文主要介绍了锂电池充放电设备的应用，分析了移相多重算法、PWM整流原理及硬件实现，并且首次将移相多重算法应用于大功率电池充放电设备中，实验结果表明：设备能够在不增加体积和散热面积下，系统容量提高一倍，等效控制频率提高一倍，响应速度加快，系统谐波和纹波降低，其噪声也大大降低，具有很好的应用前景。

移相多重 电池充放电设备 整流斩波

0 引言

近年来随着国家对环保越来越重视，社会对电力设备容量和质量的需求日益增加，带动了新能源行业的迅猛发展。在新能源行业，电动汽车的充电桩及各种电力电子装置，尤其是对单体电池、动力电池组进行性能测试的电池充放电设备，都是影响新能源发展的非常重要和关键的设备。如何提高电力电子变流装置的容量，改善其输出性能是现代电力电子技术重要的发展方向之一。

本文介绍的电池充放电设备采用了先进的电力电子器件和现在流行的人际界面和模块化控制，使用了先进的多重移相技术，各种指标和性能达到国际先进水平，整套装置容量最高可达240 kW,分四路可独立和并联运行，每个模块可输出最大电压750 V，最大电流250 A，前段采用IGBT全控整流和逆变，后段采用buck降压电路和boost升压电路进行斩波，整流和斩波部分采用多重移相化技术如图1。整流部分为两组IGBT全控桥并联，相位角180°，输出部分由两个IGBT作移相控制，相位相差半个周期，实验结果证明其性能指标都能满足大功率电池充放电测试的要求。

1 多重化移相方式及实现原理

随着整流装置功率的进一步扩大，它所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，为减轻干扰，采用多重化整流电路。PWM整流器的多重叠加法，可以使低开关频率的SPWM整流器获得较好的输入电流波形，使交流输入电流更接近于正弦波形，电流和电压同相位，提高功率因数。由于PWM控制的整流器，容易产生载波及其边频带的的谐波，但加大载波频率，又会产生较高的开关损耗和IGBT发热，使装置的效率下降，多重化PWM整流电路中载波频率无需选得很高，可以更有效地降低开关损耗和谐波含量，实现用较低的开关频率等效更高的开关频率的效果，这对由GTO和IGBT等构成的高压大功率装置非常有利，所以多重化PWM整流器适合于高压、大电流等大功率应用场合。

1.1 三相电压型二重整流电路

三相电压型二重化整流电路的基本构成如图2所示，该电路由两个三相桥式整流电路构成，既可以作整流电路，也可以逆变输出。输入电压通过变压器T1和T2并联。 两个整流电路均为180°导通方式，工作时，整流单元II和整流单元I三角载波用同一个正弦波进行调制。

由式(5)可知，采样叠加后是交流输入电流波形变成4阶梯的PWM波，在输入电流中双重傅里叶级数中将不再含2F±1次以下的低谐波成分，只包含2F±1次以上的谐波成分，使输入交流电流波形得到明显改善。

1.2 PWM整流器实现原理

PWM整流器实现原理如图3所示，母线电压控制采用PI控制器，母线控制参考电压通过初始化直接给定，反馈采样母线电压的值，PI输出经限幅后作电流id控制环的给定，然后通过2r/2s、2s/3s变换输出作PWM控制的参考输入电压信号，再经SVPWM调制控制IGBT的占空比（CMPR值），交流电压通过3s/2s计算电角度、电流通过3s/2s、2s/2r变换作有功电流环和无功电流环的反馈。

1.3 二重化整流器硬件的实现

二重化整流器控制器硬件总体结构如图4，控制核心为TI公司TMS320F2812DSP芯片，其晶振频率为120 MHz，控制周期1/8ms，加上相应的硬件电路，完成交流电压和电流信号、直流母线的采样、调理、A/D变换，脉冲控制信号的产生，放大，及控制信号的输出。

1.4 二重化斩波

2 结论

多重化PWM整流器在某些方面要优于提高开关频率的单整流系统。在不改变开关频率,即不增加开关损耗的情况下，通过采样周期移相控制能有效降低网侧电流的谐波，功率因数达到0.99，THD也达到3.3%。二重化斩波不降低开关频率情况下，电流输出能力提高一倍，纹波大大减低如上图6、7。将移相多重技术应用在我们充放电设备上将大大提高我们设备的输出能力，并且能够保证其性能指标。

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Battery-Charging and Discharging Device with Carrier-shifting

Wang Rui, Li Jun, Ruan Hui

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

This paper mainly introduces a charging and discharging device of lithium batteries, and gives the carrier-shifting algorithm, PWM rectifier principle and hardware. It is the first time to apply carrier-shifting multiple algorithm to harging and discharging device of high power batteries. Experimental results show that when the capacity and heat dissipation area of the device is not increased , the system capacity is doubled while equivalent control frequency is doubled and response speed is picked up, the harmonic and ripple of the system is reduced ,and the noise is greatly reduced.

carrier-shifting; battery-charging and discharging device; equipment rectifier chopper

TM911

A

1003-4862（2015）07-0053-04

2015-03-09

王锐(1985-)，男， 工程师，硕士。专业方向：电力电子。