锂电池化成用双向DC-DC变换器设计

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。

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（对应国产替代品CH701)，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(CH701)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(CH701)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。

ACS712/CH701芯片完全是基于霍尔感应原理设计，由一个精确的低偏移线性霍尔传感器电路与位于接近芯片表面的铜箔组成，当电流流过铜箔时，产生一个磁场，霍尔元件根据磁场强度感应出一个线性的电压信号，经过内部的放大、滤波、斩波与修正电路，输出一个电压信号，由该芯片的7号管脚输出，直接反应出流经铜箔电流的大小。因为斩波电路的原因，其输出将加载于0 .5*Vcc上，其输出与输入的关系为Vout=0 .5*Vcc+Ip*Sensitivity。

CH701霍尔电流传感器IC，是工业、汽车、商业和通信系统中交流或直流电流传感的经济而精确的解决方案。小封装是空间受限应用的理想选择，同时由于减少了电路板面积而节省了成本。典型应用包括电机控制、负载检测和管理、开关电源和过电流故障保护。

参考文章：霍尔传感器芯片该如何选型

CH701可以检测到50A峰值的电流。

如果需要检测更大电流，需要更高的隔离电压，可以选择更大电流范围的产品，比如16脚的CH701W系列，电流范围可以到70A，绝缘耐压可以到4800Vrms：

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 uH，输出滤波电容为3 300uF，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。

审核编辑：汤梓红