CN103762843A - 用于蓄电池储能***的双向升降压电路及其数字控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于蓄电池储能***的双向升降压电路及其数字控制方法。双向升降压电路包括储能电感LP、功率管Sbuck、功率管Sboost、缓冲电容Cs、谐振电感Lr、谐振电容Cr和二极管。其控制装置包括控制核心、驱动电路、采样电路、上位机和LCD显示屏；控制核心通过采样电路获取蓄电池组的电压、电流、输出电压、缓冲电容Cs的电压、功率管Sbuck的电压，并经过相应的控制算法通过驱动电路输出驱动波形，以驱动功率管Sbuck和Sboost，控制核心将蓄电池的电压及电流送入LCD显示屏，上位机从控制核心采集当前工作状况的各变量值，并在上位机软件显示，同时上位机还能向控制核心发送控制命令。本发明其应用于蓄电池储能***中，可以很好地实现电能双向流动。

Description

用于蓄电池储能***的双向升降压电路及其数字控制方法
技术领域
本发明涉及储能***的双向变换器，尤其涉及一种用于蓄电池储能***的双向升降压电路及其数字控制方法。 
背景技术
近几年来，新能源技术快速发展，为了解决风能、太阳能、海洋能等具有间歇性、波动性和不稳定性等缺点，储能***的研究与开发就显得尤为重要，现阶段蓄电池储能***的应用范围最为广泛，也取得了较好的经济效益，但是为了提高蓄电池的使用寿命，蓄电池需要可靠的充电和放电，则必须要有合适的双向变换电路和对应的控制方法。 
现阶段电路常存在以下缺点：（1）开关管采用的是硬开关，开关损耗极大，降低了蓄电池组的使用效率；（2）无软启动控制，在蓄电池初始放电时，储能电感可能会由于瞬间电流过大而饱和，可靠性大大降低。 
随着现代电力电子技术的发展，出现了软启动技术和软开关技术：使用软启动技术，会极大增加电路的可靠性和安全性，使电路在启动瞬间不致损坏；软开关技术有零电压和零电流两种技术，使用软开关技术可以大大降低功率器件的开关损耗，降低开关应力。 
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，本发明提供了一种用于蓄电池储能***的双向升降压电路，其具有零电压软开关功能，能够有效降低地开关损耗。本发明的另外一个目的是提供一种该双向升降压电路的数字控制方法，能够实现软启动功能，同时能可靠地实现对蓄电池充放电功能，将其应用于蓄电池储能***中，可以很好地实现电能双向流动。 
本发明的目的是通过以下技术方案实现的； 
用于蓄电池储能***的双向升降压电路，其连接方式为：蓄电池组的正极接储能电感LP的一端，电感LP的另一端接功率管Sbuck的发射极和功率管Sboost的集电极的公共结合点，同时与缓冲电容Cs的一端和谐振电感Lr一端的公共结合点相接，谐振电感Lr的另一端和谐振电容Cr串联形成谐振支路，缓冲电容Cs的另一端和谐振支路的公共结合点与蓄电池组的负极相接；输出电容的一端接Sbuck的集电极，同时另一端接蓄电池组的负极；所述功率管Sbuck和功率管Sboost均带有反并联二极管。
其中，所述蓄电池组由多块蓄电池串联组成。谐振电感Lr和谐振电容Cr组成串联谐振支路，并和缓冲电容Cs一起实现功率管的零电压软开关。缓冲电容Cs用于吸收串联谐振支路的电荷暂态转移； 
当所述双向升降压电路工作于升压模式时，功率管Sboost工作于PFM（脉冲频率调制）模式，同时功率管Sbuck截止，其反并联二极管D1作为续流二极管；所述双向升降压电路工作于降压模式时，功率管Sbuck工作于PFM模式，同时功率管Sboost截止，其反并联二极管D2作为续流二极管。
一种用于蓄电池储能***的双向升降压电路的控制方法，其控制装置包括控制核心、驱动电路、采样电路、上位机和LCD显示屏；控制核心通过采样电路获取蓄电池组的电压V bat及电流I bat、输出电压V out、缓冲电容Cs的电压V Cs、功率管Sbuck的电压，并经过相应的控制算法通过驱动电路输出驱动波形，以驱动功率管Sbuck和功率管Sboost，控制核心将蓄电池的电压及电流送入LCD显示屏，上位机从控制核心采集当前工作状况的各变量值，并在上位机软件显示，同时上位机还能向控制核心发送控制命令。 
所述控制核心为单片机或DSP（数字信号处理器），内部带有Epwm模块和边沿捕获模块，用于产生占空比和周期均可调的驱动波形并能捕获所需采集量的边沿变化情况。 
采样电路用于对采集的所需电流电压信号进行处理，得到合适的信号送入到所述微控制器中。LCD显示屏用于人机交互；驱动电路用于驱动功率管Sbuck和Sboost。 
所述功率管的驱动波形的生成方式采用脉冲频率调制生成，设定控制核心的周期寄存器可以改变载波频率，设定设定控制核心的比较寄存器可以改变占空比，设定控制核心的周期寄存器和比较寄存器都可以影响功率管驱动波形的输出。 
利用上述双向升降压电路及其数字控制方法的控制策略，主要包括电路升降压控制策略、零电压软开关控制策略和软起动控制策略；双向升降压电路的升降压控制策略具体为：双向升降压电路工作于升压模式时，在一个开关周期内，通过检测输出电容Cout端电压和蓄电池电流，采用数字PI（比例积分）控制，以设定控制核心的下一个开关周期的周期寄存器值，实现蓄电池的放电；双向升降压电路工作于降压模式时，在一个开关周期内，通过检测蓄电池组的电压V bat及电流I bat，采用数字PI控制，以设定控制核心的下一个开关周期的周期寄存器值，实现蓄电池的充电； 
零电压软开关控制策略具体为：双向升降压电路工作于升压模式时，在一个开关周期内，通过检测缓冲电容Cs端电压的边沿变化，以设定控制核心的下一个开关周期的比较寄存器值，实现Sboost零电压开关；双向升降压电路工作于降压模式时，在一个开关周期内，通过检测功率管Sbuck电压的边沿变化，以设定控制核心的下一个开关周期的比较寄存器值，实现Sbuck零电压开关；
软起动控制策略具体为：蓄电池组初始放电时，设定控制核心的周期寄存器的值缓慢增大，使驱动波形的占空比缓慢增大，以达到软起动目的，降低蓄电池组初始瞬间放电电流，防止储能电感LP的快速饱和。
本发明提供了一种用于电能双向流动的一种新型电压型软开关变换器，将此变换器用于蓄电池充放电***中，可以有效改善当前充放电***的功率损耗大、开关管应力大等问题。 
附图说明
图1是一种用于蓄电池储能***的双向升降压电路及数字控制方法示意图； 
图2是主函数流程图；
图3是定时器中断调度流程图；
图4是蓄电池组具体放电流程图；
图5是放电时零电压开关控制流程图；
图中的主要符号名称：V bat、I bat分别为蓄电池组的电压、电流，V bat-max、V bat-min分别为蓄电池组电压上限和下限，V out为所需输出电压，V Sbuck为功率管Sbuck电压，V out-max、V out-min分别为所需输出电压上限和下限，ctrl_do为动作命令标志位，ctrl_flag为通讯控制标志位，Abs（E-V dc-out）为所需输出电压的误差值的绝对值，Eref为所需输出电压的误差值的控制参考值。
具体实施方式
下面结合说明书附图并结合具体实施方案对本发明的技术方案进一步详细描述； 
图1所示为一种用于蓄电池储能***的双向升降压电路及数字控制方法，图中：一种应用于蓄电池储能***的双向升降压电路101，其连接方式为：蓄电池组的正极接储能电感LP的一端，电感LP的另一端接功率管Sbuck的发射极和功率管Sboost的集电极的公共结合点，同时与缓冲电容Cs的一端和谐振电感Lr一端的公共结合点相接，谐振电感Lr的另一端和谐振电容Cr串联形成谐振支路，缓冲电容Cs的另一端和谐振支路的公共结合点与蓄电池组的负极相接；输出电容的一端接功率管Sbuck的集电极，同时另一端接蓄电池组的负极，D1为功率管Sbuck的反并联二极管，D2为功率管Sboost的反并联二极管。
所述数字控制方法为：DSP控制器104通过采样电路103获取蓄电池组的电压V bat及电流I bat、输出电压V out、缓冲电容Cs电压V Cs、功率管Sbuck电压，并经过相应的控制算法通过驱动电路102输出驱动波形，以驱动功率管Sbuck、Sboost，DSP控制器104将蓄电池的电压及电流送入LCD105显示，上位机106从DSP控制器104采集当前工作状况的各变量值，并在上位机106软件显示，同时上位机106还能向DSP控制器104发送控制命令。其中，双向升降压电路的工作方式为两个开关管分别单独工作，即工作于升压模式中，驱动功率管Sboost工作于开关模式，功率管Sbuck截止，蓄电池组放电；工作于降压模式中，驱动功率管Sbuck工作于开关模式，功率管Sboost截止，蓄电池组充电。 
图2所示为主函数流程图，主函数主要完成硬件初始化、参数配置、中断配置，再根据动作命令标志位ctrl_do的值，负责循环调用蓄电池充放电子程序和电路保护子程序。 
图3所示为定时器中断调度流程图，定时器中断调度子程序，首先读取蓄电池组的电压、电流和所需输出电压，结合设定的蓄电池组的电压电流上下限及所需输出电压上下限，设定动作命令标志位ctrl_do的值，并能够根据通讯控制标志位ctrl_flag及时设定动作命令标志位ctrl_do的值。 
图4所示为蓄电池具体放电流程图，具体控制步骤如下： 
Figure 492123DEST_PATH_IMAGE001
配置EPWM模块的周期寄存器的初始值，预设控制PI（积分微分）参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE002
读取蓄电池电流、电压值及所需当前输出电压值；蓄电池电流值大于最大预设电流，则调用保护子程序；蓄电池电流值小于最大预设电流，且蓄电池电压值大于最小预设电压，所需输出当前电压值小于所需输出电压值，则计算输出当前电压值与所需输出电压值的差值；
Figure 409263DEST_PATH_IMAGE003
若所需输出电压的误差值大于所需输出电压的误差值的控制参考值，则调用开环子程序，开环子程序用于设定DSP的周期寄存器的值缓慢增大；否则调用双闭环子程序，配置EPWM模块的周期寄存器值，输出驱动波形。
零电压开关控制主要利用DSP的捕获模块，本发明需要两个捕获单元，ECAP1用作放电时零电压开关控制，ECAP2用作充电时零电压开关控制；放电时，本发明双向升降压电路可以自然实现零电压关断，在一个开关周期内，通过检测缓冲电容Cs端电压下降沿的变化，设定DSP的比较寄存器值，可以实现零电压开通；充电时，本发明双向升降压电路可以自然实现零电压关断，在一个开关周期内，通过检测功率管Sbuck电压的下降沿的变化，设定DSP的比较寄存器值，可以实现零电压开通。 
图5所示为放电时零电压开关控制流程图，具体控制步骤如下： 
Figure 251317DEST_PATH_IMAGE001
捕获到电容Cs端电压下降沿后，触发ECAP1进入中断服务程序；
Figure 646527DEST_PATH_IMAGE002
检测当前动作命令标志位ctrl_do的值，若为charge，该中断程序结束；若为discharge，则设定DSP的比较寄存器值。

Claims (7)

1.用于蓄电池储能***的双向升降压电路，其特征在于，该电路的连接方式为：蓄电池组的正极接储能电感LP的一端，电感LP的另一端接功率管Sbuck的发射极和功率管Sboost的集电极的公共结合点，同时与缓冲电容Cs的一端和谐振电感Lr一端的公共结合点相接，谐振电感Lr的另一端和谐振电容Cr串联形成谐振支路，缓冲电容Cs的另一端和谐振支路的公共结合点与蓄电池组的负极相接；输出电容的一端接Sbuck的集电极，同时另一端接蓄电池组的负极；所述功率管Sbuck和功率管Sboost均带有反并联二极管。
2.根据权利要求1所述的用于蓄电池储能***的双向升降压电路，其特征在于，所述蓄电池组由多块蓄电池串联组成。
3.根据权利要求1或2所述的用于蓄电池储能***的双向升降压电路，其特征在于，所述双向升降压电路工作于升压模式时，功率管Sboost工作于脉冲频率调制模式，同时功率管Sbuck截止，其反并联二极管D1作为续流二极管；所述双向升降压电路工作于降压模式时，功率管Sbuck工作于脉冲频率调制模式，同时功率管Sboost截止，其反并联二极管D2作为续流二极管。
4.如权利要求1所述的用于蓄电池储能***的双向升降压电路的数字控制方法，其特征在于，其控制装置包括控制核心、驱动电路、采样电路、上位机和LCD显示屏；控制核心通过采样电路获取蓄电池组的电压V bat及电流I bat、输出电压V out、缓冲电容Cs的电压V Cs、功率管Sbuck的电压，并经过相应的控制算法通过驱动电路输出驱动波形，以驱动功率管Sbuck和功率管Sboost，控制核心将蓄电池的电压及电流送入LCD显示屏，上位机从控制核心采集当前工作状况的各变量值，并在上位机软件显示，同时上位机还能向控制核心发送控制命令。
5.根据权利要求4所述的数字控制方法，其特征在于，所述控制核心为单片机或数字信号处理器，其内部带有Epwm模块和边沿捕获模块，用于产生占空比和周期均可调的驱动波形并能捕获所需采集量的边沿变化情况。
6.根据权利要求4或5所述的数字控制方法，其特征在于，所述功率管Sbuck和功率管Sboost的驱动波形的生成方式采用脉冲频率调制生成。
7.利用如权利要求4所述数字控制方法的控制策略，其特征在于，包括电路升降压控制策略、零电压软开关控制策略和软起动控制策略；
所述电路升降压控制策略具体为：双向升降压电路工作于升压模式时，在一个开关周期内，通过检测输出电容Cout端电压和蓄电池电流，采用数字PI控制，以设定控制核心的下一个开关周期的周期寄存器值，实现蓄电池的放电；双向升降压电路工作于降压模式时，在一个开关周期内，通过检测蓄电池组的电压V bat及电流I bat，采用数字PI控制，以设定控制核心的下一个开关周期的周期寄存器值，实现蓄电池的充电；
所述零电压软开关控制策略具体为：双向升降压电路工作于升压模式时，在一个开关周期内，通过检测缓冲电容Cs端电压的边沿变化，以设定控制核心的下一个开关周期的比较寄存器值，实现功率管Sboost零电压开关；双向升降压电路工作于降压模式时，在一个开关周期内，通过检测功率管Sbuck电压的边沿变化，以设定控制核心的下一个开关周期的比较寄存器值，实现功率管Sbuck零电压开关；
所述软起动控制策略具体为：蓄电池组初始放电时，设定控制核心的周期寄存器的值缓慢增大，使驱动波形的占空比缓慢增大，以达到软起动目的。
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