摘 要： 针对锂电池化成过程中采用电阻放电带来的大量能量浪费现象，设计了一个双向DC-DC变换器，可以实现化成放电能量的高效回收。该变换器以Buck/Boost双向DC-DC变换器作为主电路拓扑，主要由Buck驱动电路、Boost驱动电路、电压/电流采样电路等部分构成。介绍了系统的基本结构，分析了电路的工作原理，并对方案设计给予了详细说明。实验结果表明，该变换器可以实现电池充电、放电功能，控制精度高，具有良好的稳定性。
关键词： 锂电池化成；双向DC-DC；能量回收；电路拓扑
0 引言
锂电池作为直流电源和备用电源，具有供电可靠、电压稳定、体积小、移动方便等优点，在电力、通信、交通和日常生活等众多领域有着广泛的应用。锂电池化成是锂电池生产过程中必须经过的一道工序，即每个锂电池从生产到出厂至少要进行三次充电和两次放电过程[1]。由于成本和技术因素，目前国内的锂电池化成设备主要通过充电电源对电池进行充电，放电时采用并联电阻的方式，将锂电池内部的能量消耗在电阻上。这种化成方式虽然设备结构简单，成本低，但是存在大量能量浪费现象[2]。
作为一种新型的电力电子变换器，双向DC-DC变换器可以在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，根据应用需要改变工作电流的方向，实现能量的双向流动[3-5]。由于双向DC-DC变换器可实现两个单向变换器的功能，在实际应用中，可以减少元器件数目，降低产品成本，具有重要的应用价值。
本文给出了一种实现锂电池充放电管理的双向DC-DC变换器设计方案。该方案可以对锂电池充放电过程中的电压、电流进行实时监控调节，同时将放电能量进行回收再利用，避免了能量浪费，大大提高了锂电池化成过程中的能量利用效率。
1 双向DC/DC主电路拓扑及工作原理
双向DC-DC变换器采用非隔离型的Buck/Boost拓扑结构，如图1所示。Vdc为储能电池组侧母线电压，C1为母线电容，V1、V2采用MOSFET，D1、D2为不同工作模式下的续流二极管，L1为储能电感，C2为锂电池侧滤波电容，Vbat为锂电池侧端电压。
Buck/Boost双向DC-DC变换器的拓扑。主要有三种工作模式：
（1）Buck工作模式：在此模式下，锂电池充电。开关管V2保持关断状态，当开关管V1导通时，二极管D1和D2承受反向电压关断，储能电池组向锂电池充电，同时给电感L1储能；当开关管V1关断时，电感电流经二极管D2构成续流回路，对锂电池充电，电容C2用来维持锂电池端电压的稳定并进行滤波。
（2）Boost工作模式：在此模式下，锂电池放电。开关管V1保持关断状态，当开关管V2导通时，锂电池给电感L1充电储能；当开关管V2关断时，锂电池和电感L1同时给储能电池组充电，电容C1用来维持储能电池组端电压的稳定并进行滤波。
（3）关机模式：在此模式下，开关管V1和V2保持关断状态，双向DC-DC变换器停止工作，锂电池停止充放电。
2 系统硬件设计
2.1 Buck驱动电路设计
双向DC-DC变换器中工作在Buck模式下的开关管V1选用P沟道MOSFET IRF5210，并采用PWM集成控制器TL5001进行驱动电路设计，如图2所示。UC1、Ubat分别为控制器输出的控制电压和锂电池端电压，经过运放OP07构成的减法电路，并由R8与R9分压后供给TL5001的FB端（内部误差放大器的反相端）。由于内部误差放大器的同相端输入为1 V的参考电压，当系统运行稳定时，内部误差放大器的净输入为0，则有：
将相关参数带入式（1），得到锂电池端电压与控制电压的关系式为：
Ubat=UC1+2（2）
图2中，SCP为短路保护端，当该端口电压高于1 V时，TL5001将禁止PWM输出。因此设计了一个三极管开关电路，用来控制SCP的端口电压，从而控制驱动信号的输出与禁止。R2用来设置芯片内部振荡频率，C4、C5、R7构成闭环补偿网络，TL5001为集电极开路输出，因此输出需接上拉电阻R6。
2.2 Boost驱动电路设计
双向DC-DC变换器中工作在Boost模式下的开关管V2选用N沟道MOSFET IRF3710，并采用PWM集成控制器UC3842进行驱动电路设计，如图3所示。UC2、Ud分别为控制器输出的控制电压和储能电池组端电压1/3分压值，经过运放OP07构成的减法电路，供给UC3842的Vfb端（内部误差放大器的反相端），由于内部误差放大器的同相端输入为2.5 V的参考电压，当系统运行稳定时，内部误差放大器的净输入为0，则有：
将相关参数带入式（3），得到储能电池组端电压与控制电压的关系为：
Udc=3Ud=3（Uc2+2.5）=3Uc2+7.5（4）
当UC3842的Ise端电压高于1 V时，将禁止PWM输出，因此可以设计一个外部控制电路，通过控制Ise端的电压来控制驱动信号的输出与禁止。
2.3 采样电路设计
要实现对锂电池充放电过程进行准确检测及控制，需要对锂电池的端电压及充放电电流进行A/D采样，具体采样电路如图4所示。
锂电池在进行充电和放电时，其电流的传输方向是反向的，如果采用串联采样电阻进行电流采样，其两端的取样电压在锂电池不同的工作模式下有正负变化，这将给A/D转换带来不便。为了能够精确检测锂电池的工作电流，本设计采用线性电流传感器ACS712，该器件能够输出与检测的交流或直流电流成比例的电压，具有低噪声、响应快、灵敏度高等优点[6]。将ACS712与锂电池串联，输出电压经过电压跟随电路送入控制器进行A/D转换处理。ACS712检测电流与输出电压关系为：
VOUT=0.185IP+2.5（5）
锂电池在充放电过程中最大电流设定为1 A，即IP范围为-1~+1 A，对应输出电压为2.315~2.685 V，满足控制器A/D转换要求。
锂电池在充放电过程中，其充电限制电压为4.2 V，过放终止电压为3 V，则锂电池的端电压Vbat范围为3~4.2 V，本系统中控制器A/D转换的参考电压为3.3 V，因此通过两个等值电阻进行分压，并经过一级运放电压跟随后送入A/D进行转换，此时转换电压范围为1.5~2.1 V，满足要求。
3 系统软件设计
锂电池化成过程分为锂电池充电和放电两个部分[7]。锂电池充电，即Buck模式下，包括两个阶段：（1）恒流限压充电，检测电池电压，当电池电压达到充电限制电压时，就进入恒压限流充电；（2）恒压限流充电，检测电池电流，当电池电流降低到规定值后，电池电量充满，自动停机。锂电池放电，即Boost模式下，采用恒流放电，当达到放电终止电压时，停止放电，自动停机。根据上述过程，具体的程序设计流程图如图5所示。
系统上电初始化完成之后，变换器默认处于待机状态，当检测到锂电池充电或放电模式设置完毕后，将根据采样电压、电流值判断系统当前所处的工作阶段，及时进行反馈计算并调整驱动信号的输出。如果电压、电流值达到充电或放电的结束条件，变换器将进入待机状态。
4 系统测试
本系统中，储能电池组电压为15 V，储能电感L为260 
H，输出滤波电容为3 300
F，锂电池端测试电压范围为2.7~4.2 V，测试电流为0.1~1 A。
在锂电池充放电过程中，通过检测多组电压、电流数据，可以判断该系统实际运行状况是否与设计要求的充放电过程相吻合，得到的数据如表1、表2所示。测试中使用的仪器为GDM-8055。
由表1、表2可以看出，双向DC-DC变换器在工作时，检测到的电压相对误差小于0.5%，电流相对误差为绝对值小于5%，满足设计要求。
双向DC-DC变换器是锂电池充放电管理的重要部分。针对锂电池化成设备的发展现状，本文提出了一种基于锂电池化成的双向DC-DC变换器的设计，通过储能电池组对锂电池进行充电，并对锂电池放电能量进行存储再利用。系统以Buck/Boost双向DC-DC变换器作为主电路拓扑，主要由Buck驱动电路、Boost驱动电路、电压/电流采样电路构成。系统可以根据锂电池充电和放电工作模式的选择，实现能量的双向流动。实验测试表明，该变换器的原理正确，工作可靠，输出稳压、稳流精度高，具有良好的控制性能，可用于需对单体锂电池进行充放电管理的化成设备中，具有良好的应用前景。
参考文献
[1] 张雪圆.用于电池化成设备的双向DC-DC变换器的研究[D].北京：北京交通大学，2011.
[2] 王术，郗晓田，游林儒.锂动力电池化成能量回馈控制系统的研究[J].电源技术，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，吴峂，金新民，等.双向DC-DC变换器的拓扑研究[J].中国电机工程学报，2007，13（27）：81-86.
[5] 张方华，朱成花，严仰光.双向DC-DC变换器的控制模型[J].中国电机工程学报，2005，11（25）：46-49.
[6] 董建怀.电流传感器ACS712的原理与应用[J].中国科技信息，2010（5）：92-93.
[7] 冯晶晶，肖华锋，谢少军.大功率锂电池的充放电管理器控制技术研究[J].信息化研究，2009，12（35）：14-17.