储能型高频开关变换恒流驱动电源技术研究

2020-03-06任先文谭志远

通信电源技术 2020年21期

任先文，谭志远，谢利，胡斌，余涛

（中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳 621900）

0 引言

在储能领域，锂离子电池是新能源代表技术之一，在便携式电源、电动汽车以及储能系统等领域应用广泛[1-4]。高倍率锂离子电池单体作为高功率锂离子蓄电池组的核心器件，很早就引起了研究人员和工程技术人员的广泛关注[5-7]在电能变换领域，随着功率半导体技术的发展，开关电源逐渐向小型化和轻量化发展，并在通信、新能源等领域验证了其成熟性和可靠性[8,9]。

本文根据激光二极管阵列驱动和移动平台对大功率电源小型化的要求，开展储能型激光恒流驱动电源技术研究。

1 储能型激光恒流驱动电源

1.1 激光二极管驱动特性

光纤激光器为主震荡功率结构，并采用多阵列模块构建系统以提高功率输出。高亮度抽运激光二极管作为激光器的主要器件[10]，其驱动恒流变换模块必须严格满足其非线性电学特性，同时电源系统必须满足多阵列模块的驱动需求。图1（a）是典型激光二极管图片，图1（b）为输入功率与电压的特性曲线。

图1 光纤耦合模块与电学特性

1.2 储能型恒流驱动电源系统构建

恒流驱动电源系统如图2所示。系统采用激光恒流变换模块作为激光二极管阵列的驱动电源，并采用高功率锂离子蓄电池组作为激光恒流变换模块为大功率元器件供电。

激光恒流变换模块组成如图2（b）所示。激光恒流变换模块由4个子束驱动电源组成。为满足主震荡功率结构需求，每个子束驱动电源包括1个振荡级驱动源和3个放大级驱动源。

图2 储能激光恒流驱动电源系统及恒流变换模块

2 高功率储能技术发展

2.1 技术继承与发展

20世纪60年代初，各国研究人员开始研发锂二次电池，但发展缓慢；20世纪80年代，Armand提出了“摇椅电池”的概念；1990年Sony公司研发出了锂离子电池，在全球范围掀起了产业化浪潮。21世纪初，为减小对化石能源的依赖、保障能源安全和减少环境污染，世界主要国家都大力发展新能源汽车、风光放电技术和电力储能技术，促进了大规模储能电源技术的发展[1-4,11,13]。

高功率储能电源技术主要继承和发展新能源电动汽车储能技术，主要包括高倍率锂离子电池单体、电池管理和集成技术。表1列出了技术继承和发展的状况。

表1 高功率储能电源技术继承和发展新能源汽车技术的状况

2.2 高倍率锂离子电池单体

高倍率锂离子电池的主要材料包括正极材料、负极材料、电池隔膜和电解液[13]。表2列出了各种材料的特点和改善方法。

表2 高倍率锂离子电池材料和改善方法

2.3 典型高倍率锂离子电池单体充放电特性

洛阳储变电公司和天津空间电源公司研发了高倍率锂离子电池单体。例如，AA20F-P型号，LiFePO4/C材料体系，方形铝壳，容量20 Ah，高度105 mm，宽度148 mm，厚度26.7 mm，极柱中心距离104 mm，质量790 g。常温下AA20F-P的放电曲线如图3（a）所示，在25 C放电条件下AA20F-P的温升特性如图3（b）所示，极柱温升10 ℃，壳体温升18 ℃。在50 C放电条件下，它有极高的库伦转换效率，放出90%的容量，表现出完美的高功率放电特性。该电芯在脉冲功率状态，最高放电电流可以达到1 500 A。

图3 AA20F-P的放电特性和温升特性

2.4 储能型驱动电源

2.4.1 电池组

由于方向铝壳在机械强度和导热方面有相当的优势，成组效率较高，因此本项目采用的电池模组如图4所示。首先，在每两只电池之间贴附一片2 mm后的硅胶垫片和2.1 mm厚的导热绝缘垫片，然后通过压力工装或者压力机将模组压缩到一定长度，套上钢带，通过硅胶垫片的弹性回复力来达到箍紧钢带的目的。其中，硅胶垫片的主要作用是绝缘和配合钢带使模组被箍紧；导热绝缘垫片的主要作用是在各个单体电池之间导热和绝缘，达到模组内部单体电池温度均匀的效果，保证单体电池在放电过程中温度的一致性。

图4 方形铝壳模组设计

以放电90 kW的电池包设计为例，如图5所示。每个电池箱内包含4个18串电池模组和1个20串电池模组。模组与模组之间的连接选择焊接方式，模组的输出采用线缆的形式从汇流排上引出，最后通过接插件对外输出。

图5 放电90 kW电池组设计

2.4.2 激光恒流驱动变换模块

根据激光二极管的特性和大功率激光系统的需要，研制了激光恒流驱动变换模块。

每台激光恒流变换模块包含4个子束驱动源，每个子束驱动电源包含3个放大级驱动输出和1个振荡级输出。它可以完成4台恒流驱动电源Can的组网通信，可以通过计算机控制任何一台恒流源任何一路的启动和停止，同时可向计算机返回测量电压、电流数据以及故障状态。

该项目要求体积小、效率高、高可靠及高稳定性，能够适应各种恶劣环境的工作，因此在电路形式上宜采用简洁可靠的电路形式。选用非隔离降压型BUCK开关变换电路，这种电路形式使用的元件数量少，工作原理简单，电路结构如图6所示。该电路采用非隔离降压DC-DC变换电路，包含过压过流保护电路、BUCK功率变换电路、滤波电路、电流采样、PID闭环电路和输出保护电路。

图6 放大级电路原理框图

振荡级驱动电源输出电压较低，只有10～35 V，输入电压可高达200～400 V。一级变换降压比不足，因此采用两级变换实现。前级变换采用DC-DC转换模块将输入电压从200～400 V降至24 V定值，后级变换采用BUCK电路完成24 V至10～35 V的变换输出，采用与放大级相同的技术路线实现恒流变换。

研制了4台20 kW的激光恒流变换模块，单个模块如图7所示。

图7 20 kW激光恒流变换模块

2.4.3 测试结果

完成研制后，在激光二极管阵列模拟负载上进行测试。具体地，在输入电压值210 V、300 V、350 V、400 V的输入条件下和75 V、150 V、165 V的输出条件下，对4台储能型激光恒流变换模块进行测试。结果显示：输出功率分别达到21.8 kW、21.0 kW、21.2 kW、21.3 kW，总功率85.3 kW；激光恒流变换模块能量转换效率分别为93.1%、93.3%、94%、93.5%；电流纹波最大值50 mA；电流超调最大值1.8%；电流上升时间最大值16 ms；过压保护值最大180 V；功率比质量的最小值为1.2 kW/kg。