摘 要： 針對鋰電池化成過程中采用電阻放電帶來的大量能量浪費現象，設計了一個雙向DC-DC變換器，可以實現化成放電能量的高效回收。該變換器以Buck/Boost雙向DC-DC變換器作為主電路拓撲，主要由Buck驅動電路、Boost驅動電路、電壓/電流采樣電路等部分構成。介紹了系統的基本結構，分析了電路的工作原理，并對方案設計給予了詳細說明。實驗結果表明，該變換器可以實現電池充電、放電功能，控制精度高，具有良好的穩定性。
關鍵詞： 鋰電池化成；雙向DC-DC；能量回收；電路拓撲
0 引言
鋰電池作為直流電源和備用電源，具有供電可靠、電壓穩定、體積小、移動方便等優點，在電力、通信、交通和日常生活等眾多領域有著廣泛的應用。鋰電池化成是鋰電池生產過程中必須經過的一道工序，即每個鋰電池從生產到出廠至少要進行三次充電和兩次放電過程[1]。由于成本和技術因素，目前國內的鋰電池化成設備主要通過充電電源對電池進行充電，放電時采用并聯電阻的方式，將鋰電池內部的能量消耗在電阻上。這種化成方式雖然設備結構簡單，成本低，但是存在大量能量浪費現象[2]。
作為一種新型的電力電子變換器，雙向DC-DC變換器可以在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，根據應用需要改變工作電流的方向，實現能量的雙向流動[3-5]。由于雙向DC-DC變換器可實現兩個單向變換器的功能，在實際應用中，可以減少元器件數目，降低產品成本，具有重要的應用價值。
本文給出了一種實現鋰電池充放電管理的雙向DC-DC變換器設計方案。該方案可以對鋰電池充放電過程中的電壓、電流進行實時監控調節，同時將放電能量進行回收再利用，避免了能量浪費，大大提高了鋰電池化成過程中的能量利用效率。
1 雙向DC/DC主電路拓撲及工作原理
雙向DC-DC變換器采用非隔離型的Buck/Boost拓撲結構，如圖1所示。Vdc為儲能電池組側母線電壓，C1為母線電容，V1、V2采用MOSFET，D1、D2為不同工作模式下的續流二極管，L1為儲能電感，C2為鋰電池側濾波電容，Vbat為鋰電池側端電壓。
Buck/Boost雙向DC-DC變換器的拓撲。主要有三種工作模式：
?。?）Buck工作模式：在此模式下，鋰電池充電。開關管V2保持關斷狀態，當開關管V1導通時，二極管D1和D2承受反向電壓關斷，儲能電池組向鋰電池充電，同時給電感L1儲能；當開關管V1關斷時，電感電流經二極管D2構成續流回路，對鋰電池充電，電容C2用來維持鋰電池端電壓的穩定并進行濾波。
?。?）Boost工作模式：在此模式下，鋰電池放電。開關管V1保持關斷狀態，當開關管V2導通時，鋰電池給電感L1充電儲能；當開關管V2關斷時，鋰電池和電感L1同時給儲能電池組充電，電容C1用來維持儲能電池組端電壓的穩定并進行濾波。
（3）關機模式：在此模式下，開關管V1和V2保持關斷狀態，雙向DC-DC變換器停止工作，鋰電池停止充放電。
2 系統硬件設計
2.1 Buck驅動電路設計
雙向DC-DC變換器中工作在Buck模式下的開關管V1選用P溝道MOSFET IRF5210，并采用PWM集成控制器TL5001進行驅動電路設計，如圖2所示。UC1、Ubat分別為控制器輸出的控制電壓和鋰電池端電壓，經過運放OP07構成的減法電路，并由R8與R9分壓后供給TL5001的FB端（內部誤差放大器的反相端）。由于內部誤差放大器的同相端輸入為1 V的參考電壓，當系統運行穩定時，內部誤差放大器的凈輸入為0，則有：
將相關參數帶入式（1），得到鋰電池端電壓與控制電壓的關系式為：
Ubat=UC1+2（2）
圖2中，SCP為短路保護端，當該端口電壓高于1 V時，TL5001將禁止PWM輸出。因此設計了一個三極管開關電路，用來控制SCP的端口電壓，從而控制驅動信號的輸出與禁止。R2用來設置芯片內部振蕩頻率，C4、C5、R7構成閉環補償網絡，TL5001為集電極開路輸出，因此輸出需接上拉電阻R6。
2.2 Boost驅動電路設計
雙向DC-DC變換器中工作在Boost模式下的開關管V2選用N溝道MOSFET IRF3710，并采用PWM集成控制器UC3842進行驅動電路設計，如圖3所示。UC2、Ud分別為控制器輸出的控制電壓和儲能電池組端電壓1/3分壓值，經過運放OP07構成的減法電路，供給UC3842的Vfb端（內部誤差放大器的反相端），由于內部誤差放大器的同相端輸入為2.5 V的參考電壓，當系統運行穩定時，內部誤差放大器的凈輸入為0，則有：
將相關參數帶入式（3），得到儲能電池組端電壓與控制電壓的關系為：
Udc=3Ud=3（Uc2+2.5）=3Uc2+7.5（4）
當UC3842的Ise端電壓高于1 V時，將禁止PWM輸出，因此可以設計一個外部控制電路，通過控制Ise端的電壓來控制驅動信號的輸出與禁止。
2.3 采樣電路設計
要實現對鋰電池充放電過程進行準確檢測及控制，需要對鋰電池的端電壓及充放電電流進行A/D采樣，具體采樣電路如圖4所示。
鋰電池在進行充電和放電時，其電流的傳輸方向是反向的，如果采用串聯采樣電阻進行電流采樣，其兩端的取樣電壓在鋰電池不同的工作模式下有正負變化，這將給A/D轉換帶來不便。為了能夠精確檢測鋰電池的工作電流，本設計采用線性電流傳感器ACS712，該器件能夠輸出與檢測的交流或直流電流成比例的電壓，具有低噪聲、響應快、靈敏度高等優點[6]。將ACS712與鋰電池串聯，輸出電壓經過電壓跟隨電路送入控制器進行A/D轉換處理。ACS712檢測電流與輸出電壓關系為：
VOUT=0.185IP+2.5（5）
鋰電池在充放電過程中最大電流設定為1 A，即IP范圍為-1~+1 A，對應輸出電壓為2.315~2.685 V，滿足控制器A/D轉換要求。
鋰電池在充放電過程中，其充電限制電壓為4.2 V，過放終止電壓為3 V，則鋰電池的端電壓Vbat范圍為3~4.2 V，本系統中控制器A/D轉換的參考電壓為3.3 V，因此通過兩個等值電阻進行分壓，并經過一級運放電壓跟隨后送入A/D進行轉換，此時轉換電壓范圍為1.5~2.1 V，滿足要求。
3 系統軟件設計
鋰電池化成過程分為鋰電池充電和放電兩個部分[7]。鋰電池充電，即Buck模式下，包括兩個階段：（1）恒流限壓充電，檢測電池電壓，當電池電壓達到充電限制電壓時，就進入恒壓限流充電；（2）恒壓限流充電，檢測電池電流，當電池電流降低到規定值后，電池電量充滿，自動停機。鋰電池放電，即Boost模式下，采用恒流放電，當達到放電終止電壓時，停止放電，自動停機。根據上述過程，具體的程序設計流程圖如圖5所示。
系統上電初始化完成之后，變換器默認處于待機狀態，當檢測到鋰電池充電或放電模式設置完畢后，將根據采樣電壓、電流值判斷系統當前所處的工作階段，及時進行反饋計算并調整驅動信號的輸出。如果電壓、電流值達到充電或放電的結束條件，變換器將進入待機狀態。
4 系統測試
本系統中，儲能電池組電壓為15 V，儲能電感L為260 
H，輸出濾波電容為3 300
F，鋰電池端測試電壓范圍為2.7~4.2 V，測試電流為0.1~1 A。
在鋰電池充放電過程中，通過檢測多組電壓、電流數據，可以判斷該系統實際運行狀況是否與設計要求的充放電過程相吻合，得到的數據如表1、表2所示。測試中使用的儀器為GDM-8055。
由表1、表2可以看出，雙向DC-DC變換器在工作時，檢測到的電壓相對誤差小于0.5%，電流相對誤差為絕對值小于5%，滿足設計要求。
雙向DC-DC變換器是鋰電池充放電管理的重要部分。針對鋰電池化成設備的發展現狀，本文提出了一種基于鋰電池化成的雙向DC-DC變換器的設計，通過儲能電池組對鋰電池進行充電，并對鋰電池放電能量進行存儲再利用。系統以Buck/Boost雙向DC-DC變換器作為主電路拓撲，主要由Buck驅動電路、Boost驅動電路、電壓/電流采樣電路構成。系統可以根據鋰電池充電和放電工作模式的選擇，實現能量的雙向流動。實驗測試表明，該變換器的原理正確，工作可靠，輸出穩壓、穩流精度高，具有良好的控制性能，可用于需對單體鋰電池進行充放電管理的化成設備中，具有良好的應用前景。
參考文獻
[1] 張雪圓.用于電池化成設備的雙向DC-DC變換器的研究[D].北京：北京交通大學，2011.
[2] 王術，郗曉田，游林儒.鋰動力電池化成能量回饋控制系統的研究[J].電源技術，2011，4（35）：393-395.
[3] CORRADINI L， SELTZER D， BLOOMQUIST D， et al. Zero voltage switching technique for bi-directional DC/DC converters[C]. ECCE， 2011：2215-2222.
[4] 童亦斌，吳峂，金新民，等.雙向DC-DC變換器的拓撲研究[J].中國電機工程學報，2007，13（27）：81-86.
[5] 張方華，朱成花，嚴仰光.雙向DC-DC變換器的控制模型[J].中國電機工程學報，2005，11（25）：46-49.
[6] 董建懷.電流傳感器ACS712的原理與應用[J].中國科技信息，2010（5）：92-93.
[7] 馮晶晶，肖華鋒，謝少軍.大功率鋰電池的充放電管理器控制技術研究[J].信息化研究，2009，12（35）：14-17.