电池充放电系统的设计

引言

近年，随着汽车的普及，NOx、COx的排量不断增加，环境污染及地球温暖化等问题日益严峻。为此，很多国家正在积极地推行混合动力电动车及电动汽车来取代传统汽车。但更为重要的是这些新能源汽车需要高能源密度、高电压、快速充放电等特性的能源存储媒介来支持，比如锂离子电池。电池作为实用性充放电装置，为发挥其最大的作用，对其大容量、高精度、可靠性的要求也相应提高。为有效发挥电池性能，本文将提供一种大容量电池充放电系统的设计方法。

1 系统构成

(1)概述

电池充放电装置的电路构成主要有两种。一种由线性放大器(充电器)+阻抗负载(放电器)等组成，以下简称构成1；而另一种由系统逆变器+双方向变频器(充放电器)组成，以下简称构成2，先来比较一下这两者的优越性。

现在市面上销售的电池充电器一半左右都是构成1，由于该构成的充电器装置有发热现象，且体积较大，对于放置使用的场所具有一定的限制。而作为放电器工作时，如果希望能量双向传输的话，构成2是最理想的。

这里针对构成2，对下述两种不同电路设计方式展开讨论。

第一种设计方式为将电压型系统联合逆变器和双向升压降压变频器组合作为电池充放电装置，第二种设计方式则采用大容量电源及电子负载装置(以下简称APL2)。通过APL2可以任意变换电池电压、电流，作为电源或负载，可以进行1 0kW的输入输出(运行电压为0～200V或400V)。

第一种设计方式中，系统和电网间的绝缘变压器，升降压变频器部分的电抗器，开关单元等的小型化方面，存在一定问题。同时，在高频变压器附属绝缘电路中，为抑制电池的脉动电流，升降压转换器和电抗器必不可少。

第二种设计方式中，即采用APL2，不需要根据电池额定容量的变更而改变电路。同时，具有通过串联回路增大充放电电流以及小型轻量的特点。

作为设计方案的一个案例，在相同额定容量1 0kVA的设计条件下，设计比较的结果是第二种设计方式的装置体积是第一种设计方式的1／2。基于上述分析比较，本文采用了APL2方式电池充放电装置。

(2)基本构成

本系统设置简单，只须通过一根光缆线就可以连接APL2和用户的电脑。同时，使用本系统，可以实现在windows系统下电池充放电系统的开发，如图1所示。

(3)控制框图

图2为APL2定电流模式运行时的控制框图。进行充放电运行时，从计算机下载下来的模式数据作为电流指令值，进行定电流控制。在充电过程中，电池电压达到预先设定的最大电压值时，自动切换到定电压控制方式和涓流充电模式。

由图2看出，回路中充放电指令由接点电路来切换，但实际上是使用DSP由程序进行切换，几乎不发生切换时间延迟。APL2作为电池充放电装置时，不需要变更任何内部构成，就可以直接应用其电路特性进行控制。

2 应用示例

下面介绍一种应用APL2组成的大容量、高电压离子电池的充放电系统。蓄电池单元作为充放电对象，其最大电压为336V，充放电电流为±1 00A。图3为该系统的构成，表1为APL2的基本规格。

本系统中APL2的额定电压电流为400V／25A，为了扩大容量，使用主从功能，最大可以并联四台APL2，可使充放电电流达到100A。图4所示为0～+90A肘的充电电压电流波形，蓄电池充电时，电流呈阶跃式变化时的响应波形；图5所示为0～-90A时的充电压电流波形，蓄电池放电时，电流呈阶跃式变化时的响应波形。关于蓄电池电流，先指定主机APL2的输出端电流，而从机则跟随主机的充放电电流指令值而变化。

本系统可在1 00A左右的电流下进行快S速充放电控制，可用于锂离子蓄电池的基本充放电特性试验。

3 结束语

根据本设计方法，可将APL2装置直接用于大容量电池充放电系统中，实现系统小型和轻便化，并相应缩短了系统开发日寸间。在本文中，介绍了APL2应用于锂离子蓄电池充放电系统的情况，它还可用于双层电容器的充放电系统，以及HEV·EV用电机9区动系统等多种电源领域，并具有节约空间和节省能源的特点。