İzole edilmemiş CC / CV mod anahtarı tasarımı PI kontrol yakıt hücresi takviye şarj cihazı
Yao Jin
(Makine ve Malzeme Mühendisliği Okulu, Wuzhou Üniversitesi, Wuzhou, Guangxi 543000)
Yakıt hücresi tarafından lityum polimer pilin şarj dalgalanmasını azaltmak için, izole edilmemiş bir sabit akım / sabit voltaj modu anahtarlamalı PI kontrol yakıt hücresi hızlı şarj cihazı tasarım yöntemi önerilmiştir. Yakıt hücrelerinin denge ekipmanını başlatmak için güce ihtiyaç duyması sorunu göz önüne alındığında, bunları lityum polimer piller için yedek şarj edilebilir pil olarak kullanın ve şarj işlemi sırasında geleneksel hızlı şarj cihazının dalgalanma genliği büyüktür, bu da pil ömrü sorununa elverişli değildir. Şarj cihazı sabit durum karakteristik analizi ve transfer fonksiyonu türetme, ticari entegre devre MAX745'e dayalı harici bir PI kontrolör tasarlayın, sabit akım (CC) ve sabit voltaj (Sabit voltaj, CV) şarj modu anahtarlama gerçekleştirin, daha iyi olun Dalgalanma bastırma ve kararlı şarj etkisi. Deneysel sonuçlar, önerilen algoritmanın daha yüksek bir kararlılık marjına sahip olduğunu ve daha hızlı bir şarj hızı ve daha düşük pil kaybı elde edebileceğini ve bu da tasarlanan şarj devresinin etkinliğini doğruladığını göstermektedir.
İzole edilmemiş; PI kontrolü; mod değiştirme; şarj cihazı takviye; yakıt hücresi
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TP371
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.06.037
Çince alıntı biçimi: Yao Jin. İzole edilmemiş CC / CV modu anahtarlama PI kontrol yakıt hücresi takviye şarj cihazı tasarımı.Elektronik teknoloji uygulaması, 2017, 43 (6): 147-150, 154.
İngilizce alıntı biçimi: Yao Jin.İzole edilmemiş CC / CV modu anahtarlama PI kontrol yakıt hücresi güçlendirici şarj cihazı tasarımı.Elektronik Tekniği Uygulaması, 2017, 43 (6): 147-150, 154.
0 Önsöz
Dizüstü bilgisayarlar gibi taşınabilir elektronik cihazlar gittikçe daha popüler hale geliyor ve güç kaynakları için enerji yoğunluğu gereksinimleri gittikçe artıyor.Birçok pil şirketi, bu mobil cihazların çalışma süresini iyileştirmenin yollarını bulmaya çalışıyor ve mikro yakıt hücreleri çok kullanışlıdır. Umut verici bir çözüm. Ancak, yakıt hücresi dengeleme ekipmanını başlatmak için güce ihtiyaç duyduğundan ve elektrik üretmesi belirli bir zaman aldığından, onu doğrudan bir güç kaynağı olarak kullanmak zor olabilir, ancak pili yeniden şarj etmek için yardımcı bir güç kaynağı olarak kullanılabilir.
Şu anda, kova dönüştürücü teknolojisi nispeten olgunlaşmıştır, ancak yakıt hücresi düşük voltaj özelliklerine sahiptir ve lityum pil şarj işlemini tamamlamak için bir yükseltici dönüştürücü gereklidir. İzole edilmemiş yükseltici dönüştürücü, basit devresi ve düşük maliyeti nedeniyle geniş çapta incelenmiştir. Bununla birlikte, izole edilmemiş yükseltici dönüştürücü, pil ömrü için elverişli olmayan yüksek bir dalgalı akım çıkışına sahiptir. Bu bağlamda, geleneksel izole edilmemiş yükseltici dönüştürücünün reaktif bileşeni çok büyük olamaz.İnvertör ile şebeke arasındaki dalgalanmayı azaltmak için L, LC, LCL vb. Gibi birçok yöntem vardır, invertör ile şebeke arasına bir indüktör eklemek En basit yöntem, harmonik modülasyon etkilerini telafi etmektir. Bu yöntem, şarj dalgalanmasını azaltmak ve DC dönüştürücünün tek kutuplu bir akım kaynağı olarak işlev görmesini sağlamak için pil şarj cihazlarında da kullanılabilir. Literatür, çıkış dalgalanmasının etkili bir şekilde zayıflatılmasını sağlamak için kova dönüştürücü ile yük arasında ek indüktörler kullanır, ancak dönüştürücü kararlılığı garanti edilemez.
Bu makalede, anahtarlama dalgalanmasını ve yüksek frekans harmoniklerini azaltmak için çıkış indüktörü eklenmiştir ve gerekli kapasitans büyük değildir. Ek olarak, ek indüktör ve çıkış kondansatörü, basit bir kontrol algoritması ile bir C-L filtresi oluşturur. Geleneksel yükseltici dönüştürücüden farklı olarak, PI denetleyici, sabit akım (CC) ve sabit voltaj (CV) şarj modu anahtarlaması elde etmek için çıkış akımını ve voltajını kontrol etmek için kullanılır.
1 Li-polimer pil hızlı şarj cihazı yapısı
Şekil 1, taşınabilir bir lityum polimer küçük proton değişim membranlı yakıt hücresi (Proton Değişim Membran Yakıt Hücresi, PEMFC) şarj sisteminin yapısını göstermektedir. PEMFC yığını on yakıt hücresinden oluşur, çıkış voltajı 6 V ila 10 V arasında değişir ve maksimum güç 180 W'tır. Üç hücre seri olarak bağlanır ve üç hücre paralel olarak 11,1 V nominal gerilim ve 12 A nominal akım ile paralel olarak bağlanır. Akü şarj cihazının 6 A şarj akımı ve 12,6 V şarj voltajı ile geleneksel şarj modunda çalışması gerekir.
Pil voltajı şarj sınırına ulaşana kadar devam etmek için CC modu kullanılarak şarj başlar. Şarj akımı 0,03C'nin altına düşene kadar CV moduna geçin. Basit bir lityum polimer pilin R-C eşdeğer devre modeli aşağıdaki gibidir.
Şekil 2, izole edilmemiş bir hızlı şarj cihazının yapısını gösterir Çıkış endüktif yük modeli, R-C devresi aracılığıyla oluşturulur. Ek endüktans (Lo), çıkış akımı dalgalanmasını azaltmaya yardımcı olduğundan, çıkış kapasitansının daha küçük olmasına izin verilirken yine de çıkış dalgalanma gereksinimi karşılanabilir. Çıkış indüktörünün tasarımı, sırasıyla 0,005 C ve% 0,5 olan çıkış akımı ve çıkış voltajı dalgalanma limitlerini karşılamalıdır.
2 Hızlı şarj cihazının sabit durum özellikleri
Şekil 2'de gösterilen eşdeğer devre AÇIK / KAPALI anahtarı ile kontrol edilebilir.Sadece lityum polimer pil ve çıkış kapasitörünün eşdeğer seri direnci (ESR) dikkate alındığında, analiz basittir çünkü diğer bileşenlerin eşdeğer direnci çok küçüktür. Giriş endüktansı, gerekli çıkış dalgalanması için istenen PEMFC akımına göre tasarlanmalıdır. Yakıt hücresinin çıkış akımı dalgalanmasını belirli bir aralıkta sınırlamak için gerekli minimum endüktans değeri şu şekilde hesaplanabilir:
Formül (4) 'e göre, çıkış voltajı dalgalanması, kapasitör ESR ile orantılı ve kapasitans ile ters orantılı olan paralel bir kapasitör tarafından kontrol edilebilir. Denklemin (4) sağ tarafındaki ilk terim ikinci terimden daha küçük olduğu için çıkış voltajı dalgalanması kapasitörün ESR değerine bağlıdır. % 0,5 (63 mV) çıkış voltajı dalgalanma gereksinimini karşılamak için, çıkış kondansatörü ESR 4,2 m'den çok daha küçük olmalıdır, çünkü yakıt hücresi yığınının minimum çıkış voltajı maksimum çıkış gücünü sağlamak için 6 V olduğunda, ön uç indüktörünün (L) maksimum ortalama akımı 15'tir. A. Piyasada bulunan elektrolitik kapasitörlerin minimum ESR değeri 49 m ve kapasitans değeri 1000 F'dir. Çıkış dalgalanma gereksinimini karşılamak için, en az 12 kapasitör paralel bağlanmalıdır, bu da ek hacimli dönüştürücülerle sonuçlanır.
Çıkış filtresinin boyutunu ve maliyetini azaltmak için çıkış kondansatörü ile pil arasında ek bir indüktör kullanılır. Önceki kapasitörün (2,25 A) dalgalanma akımı değeri göz önüne alındığında, paralel olarak üç kapasitörün bağlanması gerekir ve çıkış kapasitörünün rms dalgalanma akımı şu şekilde 6,3 A'dır:
Akü eşdeğer devre modelinde, çıkış gerilim dalgalanması ile çıkış akımı dalgalanması arasındaki ilişki formül (6) 'dan türetilebilir. Kirchhoff'un voltaj yasasını (KVL) kullanarak, çıkış kondansatöründeki voltaj şu şekilde ifade edilebilir:
3 Hızlı şarj cihazı aktarım işlevinin türetilmesi
Şekil 3, sürekli iletim modunda (CCM) bir R-C eşdeğer devre modeli içeren ek çıkışlı bir endüktif hızlı şarj cihazının küçük sinyal modelini göstermektedir. Anahtar AÇIK ve KAPALI olduğunda, sırasıyla Kirchhoff'un mevcut yasası (KCL) ve KVL uygulanır ve pil modeli dahil olmak üzere hızlı şarj cihazının durum alanı ortalama denklemi:
Kontrol parametrelerini, DC sabit durum değeri girişini ve durum değişkenlerini değiştirerek, küçük sinyalleri ve DC gücünü göz ardı ederek ve Laplace dönüşümü gerçekleştirerek, denklemler (9) ve (10) şu şekilde yeniden yazılabilir:
Eşdeğer devredeki büyük kapasitans, küçük bir süre içinde ihmal edilebilir voltaj değişikliklerine sahiptir. Bu nedenle, hızlı şarj cihazının çıkış akımı aktarım işlevi şu şekilde türetilebilir:
Formül (15) sayesinde, hızlı şarj cihazının çıkış akımı aktarım işlevi:
4 Boost şarj cihazı darbe genişliği modülasyon devresi tasarımı
MAX745, pil CC ve CV şarj işlevleri dahil olmak üzere lityum pil şarj cihazının gerekli işlevlerini sağlayabilir, giriş voltajı aralığı 6 ~ 24 V, darbe genişliği modülasyonu çalışma frekansı 300 kHz'dir. MAX745 devresi PWM kontrolörü CC / CV şarj kontrol algoritması kullanılarak Şekil 4'te gösterilmektedir.
Şekilde, Vm testere dişi dalga biçimi voltajı, Gvc voltaj denetleyici çıkışı ve Gic akım denetleyici çıkışıdır. Karşılaştırıcı karşılaştırıcı, Vm ve Gvc'nin (Gic) çıkış sinyallerini karşılaştırır ve geçitli yarı iletken anahtarın bir darbe genişlik modülasyon sinyali üretir. Karşılaştırıcı karşılaştırması2, kontrolör çıkışını karşılaştırır ve çıkış genliğine göre şarj modunu seçer. Akım denetleyici çıkışı, voltaj denetleyici çıkışından daha düşükse, sistem CC modunda çalışır ve bunun tersi de geçerlidir. Akım kontrolör çıkışını şarj ederken akü voltajının çok yüksek olmasını önlemek için Gvc çıkış voltajı Gic + 80 mV'den düşük ise CV moduna geçin.
Akım ve voltaj kontrolü için referans sinyali elde etmek üzere MOSFET anahtarı PWM dalga formu oluşturmak için PWM mantık bloğunu kullanın. Önerilen model aşağıdaki gibidir:
Mod 1 (yalnızca şarj): Hızlı şarj cihazı, tamamen şarj olana kadar pili CC / CV modunda şarj eder. Yakıt hücresi güç kaynağı yalnızca pili şarj eder.
Mod 2 (şarj ve güç kaynağı): Yük akımı (ILoad), nominal şarj akımından (6 A, 1 C) düşük olduğunda, şarj cihazı yüke güç sağlar ve kalan mevcut güç kaynakları pili şarj etmek için kullanılır. Çıkış voltajı terminal voltajına eşittir ve aralık 11,1 ~ 12,6 V'tur.
Mod 3 (güç kaynağı için): Yük akımı şarj akımına (6 A) eşit olduğunda, tüm şarj cihazı gücü yüke sağlanır ve pili şarj etmek için güç kaynağı yoktur.
Mod 4 (hibrit güç kaynağı): Yük akımı şarj akımından (6 A) daha yüksek olduğunda, şarj cihazı gücü yüke güç sağlamak için yeterli değildir ve şarj cihazı yüke ve aküye karışık güç beslemesi gerçekleştirir.
5 Deneysel analiz
Parametre ayarları: nominal güç 90 W, giriş gerilimi Vs = 6 ~ 10 V, şarj gerilimi Vo = 12,6 V, şarj akımı Io = 6 A, anahtarlama frekansı fs = 300 kHz, giriş endüktansı L = 45 A, çıkış endüktansı Lo = 0,7 H, çıkış kapasitansı C = 3000 F, akü direnci Rb = 0.116 , akü kapasitansı Cb = 21.500 F, çıkış voltaj dalgalanması vo = 63 mV (% 5), çıkış akımı dalgalanması io = 60 mA (% 5) , PEMFC çıkış akımı dalgalanması iL = 300 mA (% 2,5).
5.1 MATLAB'a dayalı kontrolör performans analizi
İlk olarak, tasarlanan devre PI denetleyicisinin spektrum yanıtını analiz etmek için MATLAB simülasyon platformunu kullanın ve deneysel sonuçlar Şekil 5'te gösterilmektedir.
Şekil 5'teki sonuçlara göre, PI kontrolörü, düşük frekans aralığında kazancı iyileştirmek ve frekans alanında istenen pozisyonda geçiş frekansını yapılandırmak için kullanılabilir. Çıkış voltajı kontrol döngüsünde, 3265 Hz'lik frekans bölme frekansının faz marjı, şarj etkisinin kararlı kontrolünü gerçekleştirebilen 56.2 ° 'dir.
5.2 Simülasyon deney analizi
Deneysel devre Şekil 6'da gösterilmektedir. İlk olarak, CC / CV mod değiştirmenin etkisini test etmek için PEMFC pil yığını şarj deneyi gerçekleştirilmiştir Deneysel sonuçlar Şekil 7'de gösterilmiştir.
Şekil 7'de gösterilen CC / CV şarj modu profilinin mevcut değeri 6 A (0,5 C), şarj voltajı 12,6 V ve PEMFC yığını operasyon modu 1'de. Hızlı şarj cihazı iyi çalışır ve pili tamamen boşalmış durumdan tam şarjlı duruma geçirmek yaklaşık 3 saat sürer. Şarj edilebilir pil takımının akımı 0,24 A (0,02 C) değerine düştüğünde, şarj işlemi tamamlanmış olur.
Şekil 8, CV modunda şarj cihazına bir çıkış akımı yükü uygulandığında hızlı şarj cihazının dinamik özelliklerini gösterir.
Şekil 8 CV modu sırasında, 12 A yük yüklendiğinde hızlı şarj cihazının dinamik özellikleri. Şarj işleminin başlangıcında, CC modu benimsenir ve ardından CV modu benimsenir. T1'de sisteme 12 A akım yükü uygulanır ve pil CV modunu benimser. Çalıştırma anahtarı, mod 4'e getirilir. Aynı zamanda, 12 A yüke güç sağlamak için pil 6 A'da deşarj edilir.
Algoritmanın performans avantajlarını doğrulamak için, standart bir PI kontrolörü ve literatür bir karşılaştırma olarak seçilir. Şarj edilebilir pilin kapasitesi 5000 mAh olarak seçilmiş, karşılaştırma göstergeleri olarak şarj edilebilir pilin şarj süresi ve kayıp oranı seçilmiştir Sonuçlar Tablo 1'de gösterilmiştir.
Tablo 1'e göre ortalama şarj süresi açısından bu yazıda algoritmanın şarj süresi yaklaşık 4,2 saat, literatürdeki şarj süresi yaklaşık 4,3 saat ve standart PI şarj süresi yaklaşık 4,4 saattir.Bu da bu makalenin pil şarj süresi göstergelerindeki karşılaştırmaya göre biraz daha iyi olduğunu göstermektedir. algoritması. Akaryakıt şarj edilebilir pillerin kayıp oranı açısından, bu makaledeki algoritma karşılaştırma algoritmasından daha küçüktür ve bu, bu makaledeki algoritmanın pil ömrünü etkin bir şekilde koruyabildiğini ve önerilen algoritmanın etkinliğini doğruladığını göstermektedir.
6. Sonuç
Bu makale, şarj güç kaynağı olarak yakıt hücresinin ve şarj edilebilir pil şarj cihazı olarak lityum polimer pilin tasarımını gerçekleştiren, izole edilmemiş sabit akım / sabit voltaj modu anahtarlamalı PI kontrol yakıt hücresi hızlı şarj cihazı tasarım yöntemini önermektedir. Geleneksel hızlı şarj cihazlarında aşırı dalgalanma sorununu etkili bir şekilde çözer ve nispeten kararlı şarj kontrolü sağlayabilir.Deneysel sonuçlar, önerilen yöntemin şarj süresi ve pil ömrü korumasındaki avantajlarını doğrular ve gerçek şarj cihazı tasarımı için belirli bir kılavuza sahiptir. Yol gösterici önemi.
Referanslar
Hu Jianpeng, Li Xiaojiang. Sınıf D güç amplifikatörleri için yeni bir AGC devre tasarımı türü.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (5): 46-52.
MESTRALLET F, KERACHEV L, CREBIER J C, ve diğerleri.Lityum pil aktif dengeleme için çok fazlı aralıklı dönüştürücü.Güç Elektroniği IEEE İşlemleri, 2014, 29 (6): 2874-2881.
Zhong Zhidan, Wang Bingxue, Yang Qingxia ve diğerleri.PEMFC akım dağılımının harici manyetik alanlar üzerindeki etkisi üzerine araştırma.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2014, 40 (3): 55-58.
Meng Jinhao, Luo Guangzhao, Gao Fei. Uyarlanabilir kokusuz Kalman filtresi ve destek vektör makinesine dayalı lityum polimer pil şarj durumu tahmini. Güç Elektroniği Üzerine IEEE İşlemleri, 2016, 31 (3): 2226-2238.
Wang Xianbing, Fei Shumian, Xu Qingyang ve diğerleri.BP sinir ağı PID tarafından kontrol edilen kalıcı mıknatıslı vakum anahtarı enerji depolama kapasitörlerinin sabit akım şarj özelliklerinin analizi. Acta Electrotechnique, 2015, 30 (10): 212-217.
Hu Weiqing, Yan Jianjun, Liu Zhewei.STM8S103'e dayalı dijital sabit voltaj ve sabit akım güç kaynağı tasarımı.Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2016, 35 (6): 29-31.
TRAN V L, TRAN N T, YU SH, et al. Düşük çıkış dalgalı lityum polimer piller için izole edilmemiş yakıt hücresi hızlı şarj cihazının tasarımı.Enerji Dönüştürme IEEE İşlemleri, 2015, 30 (2): 605-614.
Qian Suqin, Huang Xinming. LLC mikrodalga güç kaynağının PID kontrolüne dayalı simülasyonu. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2016, 35 (1): 88-90, 94.
Zhang Jin, Cheng Chonghu. Manyetik olarak bağlı rezonant kablosuz güç aktarımında KVL ve BPFT arasındaki karşılaştırmalı çalışmalar. IET Power Electronics, 2016, 9 (10): 2121-2129
