中心議題：

• 基於PWM技術蓄電池充放電與檢測係統設計
• 探究PWM技術蓄電池能源的再利用的途徑

解決方案：

• 基於PWM整流的雙向蓄電池充放電裝置解決電能浪費
• 用SPWM調製方式可使網側電流正弦化

引言

dianlijicheyongxudianchichengdanzhejicheshenggongqianweifuzhuxitonggongdianderenwu


，xudianchidezhiliangxiandezhiguanzhongyao。muqiandianlijicheyongxudianchichongfangdianzhuangzhidaduoshiyongchuantongdexiangkongzhengliuchongdianjishu，suiranjishuchengshu、價格低廉，但調節周期長、動態響應慢
、功gong率lv因yin數shu低di，諧xie波bo汙wu染ran也ye比bi較jiao大da，易yi造zao成cheng對dui電dian網wang的de汙wu染ran。為wei保bao證zheng質zhi量liang，電dian力li機ji車che用yong蓄xu電dian池chi在zai出chu廠chang前qian需xu要yao進jin行xing老lao化hua試shi驗yan。目mu前qian的de出chu廠chang測ce試shi老lao化hua試shi驗yan大da多duo使shi用yong水shui泥ni電dian阻zu等deng能neng耗hao型xing負fu載zai充chong當dang被bei試shi電dian源yuan產chan品pin的de負fu載zai。能neng耗hao型xing負fu載zai雖sui然ran成cheng本ben低di廉lian
，但dan能neng量liang被bei白bai白bai消xiao耗hao掉diao
，會hui造zao成cheng電dian能neng的de大da量liang浪lang費fei。

本文研究了一種基於PWM逆(ni)變(bian)整(zheng)流(liu)的(de)新(xin)型(xing)蓄(xu)電(dian)池(chi)充(chong)放(fang)電(dian)裝(zhuang)置(zhi)，能(neng)耗(hao)低(di)，功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)大(da)，能(neng)實(shi)現(xian)恒(heng)流(liu)或(huo)恒(heng)壓(ya)充(chong)放(fang)電(dian)以(yi)及(ji)實(shi)現(xian)負(fu)載(zai)大(da)小(xiao)靈(ling)活(huo)調(tiao)節(jie)
，並(bing)能(neng)將(jiang)試(shi)驗(yan)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)能(neng)量(liang)反(fan)饋(kui)回(hui)電(dian)網(wang)，實(shi)現(xian)了(le)能(neng)源(yuan)的(de)再(zai)利(li)用(yong)。

1 蓄電池恒流／恒壓充放電裝置原理

本文蓄電池充放電裝置采用以電壓型脈衝整流器為核心的方案。PWM控製方式能方便地實現能量的雙向流動


，根據電網的不同，可以采用單相或三相PWM脈衝整流器。係統原理如圖1所示。 蓄電池充放電裝置主要由DC／DC變換器
、三相脈衝整流器(PWM整流器)、隔離變壓器
、控製係統等輔助電路共同組成。由於采用電壓型脈衝整流器
，直流輸入側接電壓型直流電源。

由圖1可(ke)知(zhi)

，老(lao)化(hua)實(shi)驗(yan)過(guo)程(cheng)中(zhong)蓄(xu)電(dian)池(chi)直(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)的(de)輸(shu)出(chu)能(neng)量(liang)，除(chu)少(shao)部(bu)分(fen)維(wei)持(chi)係(xi)統(tong)自(zi)身(shen)工(gong)作(zuo)產(chan)生(sheng)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)能(neng)量(liang)之(zhi)外(wai)
，絕(jue)大(da)多(duo)數(shu)都(dou)被(bei)反(fan)饋(kui)回(hui)了(le)電(dian)網(wang)，因(yin)此(ci)能(neng)夠(gou)大(da)幅(fu)度(du)降(jiang)低(di)試(shi)驗(yan)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)能(neng)量(liang)消(xiao)耗(hao)

，達(da)到(dao)節(jie)約(yue)電(dian)能(neng)的(de)目(mu)的(de)。

在(zai)對(dui)機(ji)車(che)蓄(xu)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)時(shi)
，為(wei)了(le)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)同(tong)時(shi)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)


，將(jiang)充(chong)電(dian)與(yu)放(fang)電(dian)過(guo)程(cheng)分(fen)成(cheng)不(bu)同(tong)的(de)階(jie)段(duan)
，可(ke)以(yi)視(shi)具(ju)體(ti)情(qing)況(kuang)分(fen)階(jie)段(duan)選(xuan)擇(ze)恒(heng)流(liu)或(huo)者(zhe)恒(heng)壓(ya)模(mo)式(shi)充(chong)放(fang)電(dian)。恒(heng)壓(ya)充(chong)放(fang)電(dian)模(mo)式(shi)采(cai)用(yong)電(dian)壓(ya)定(ding)向(xiang)控(kong)製(zhi)模(mo)式(shi)，控(kong)製(zhi)框(kuang)圖(tu)如(ru)圖(tu)2所(suo)示(shi)。控(kong)製(zhi)策(ce)略(lve)采(cai)用(yong)雙(shuang)閉(bi)環(huan)結(jie)構(gou)，外(wai)環(huan)控(kong)製(zhi)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)，內(nei)環(huan)控(kong)製(zhi)電(dian)流(liu)。電(dian)流(liu)內(nei)環(huan)作(zuo)用(yong)是(shi)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)的(de)動(dong)態(tai)性(xing)能(neng)和(he)實(shi)現(xian)限(xian)流(liu)保(bao)護(hu)，電(dian)壓(ya)外(wai)環(huan)的(de)作(zuo)用(yong)是(shi)保(bao)證(zheng)直(zhi)流(liu)側(ce)電(dian)壓(ya)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)。直(zhi)流(liu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)給(gei)定(ding)信(xin)號(hao)和(he)實(shi)際(ji)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)Vdc比較後的誤差信號送入P1調節器，PI調節器的輸出即為主電路交流輸入參考電流的幅值，比較得到電流誤差後
，對電流誤差進行PI調節，用以減緩電流在動態過程中的突變。然後再與輸入電壓的空間矢量進行比較控製，最後通過SPWM調製算法即可生成相應6路驅動脈衝控製三相整流橋IGBT的通斷
，間接地控製網側電流，實現網側功率因素的調節。 [page]
2 功率調控環節的設計與分析

2．1 升降壓斬波電路的設計

DC／DC變換器是整個係統中的能量調控環節，電路如圖3所示。T1～T4為IGBT，C為中間支撐電容。 為了提高充放電裝置的開關頻率，DC／DC部分采用頻率雙重化設計，如果單重IGBT的開關頻率為20 kHz
，則等效開關頻率可以提高到40 kHz。雙重化設計可以減小裝置體積，降低電壓與電流紋波。

為了使能量能夠雙向流動，功率調控環節采用Boost／Buck雙向變換器拓撲結構。充電時，相當於Buck降壓斬波變換器，T1，T3導通，能量從Ud傳到Uo
；T2

，T4充電過程中始終截止，但其內部反並聯的二極管VD2與VD4導通。其輸出電壓與充電電流為： 式中：ton為T1，T3處於通態的時間；toff為T1
，T3處於斷態的時間；T為開關周期；a1為占空比
；R為蓄電池內阻。由式(1)可知，調節T1

，T3的占空比a1，可以實現充電功率的調節。

放電時，相當於Boost升壓斬波變換器，T1
，T3截止
，T2，T4工作，與VD1，VD3構成升壓斬波電路

，能量從Uo傳到Ud，二者的關係為： 由式(3)、式(4)可知，調節T2
，T4的占空比a2，可以對放電功率進行調節。

圖3所示的DC／DC變換器不但能對直流輸入電壓進行變換處理，而且還可以對直流輸入電流進行調節和控製
，在DC／DC階段實現能量調控。

2．2 功率調控電路與充放電切換分析

充電與放電功率調控原理如圖4所示。 充電時，S1閉合，邏輯控製電路輸出的UL1為高電平
，UL2為低電平，與門D1輸出驅動脈衝，D2無驅動脈衝。由圖5可知
，改變PWM整流器載波信號uc的大小
，PWM電路的占空比將會隨之變化，從而達到改變功率的目的。當uc增加
，占空比a1增加，Uo增加，由式(1)可知，充電電流Io增加，充電功率增加。

放電時

，S2閉合
，邏輯控製電路輸出UL1為低電平
，UL2為高電平，與門D2輸出驅動脈衝，當uc增加
，占空比a2增加，Uo增加，由式(4)可知，放電電流Io增加，放電功率增大，從而實現由占空比控製放電功率的目的。

在充電切換到放電過程中
，當S1斷開


，S2閉合時，為防止T1，T4均導通，使電源E經T2，T4而直通短路，在D1與D2的輸出脈衝之間必須設置一定的死區時間，封鎖D1且延時一定時間後，再開放D2的輸出脈衝。
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3 PWM整流器的設計與分析

3．1 PWM整流與逆變的數學模型

蓄電池充放電裝置DC／AC部分采用三相PWM整流器，如圖2所示。三相PWM整流器的作用是將DC／DC變換器輸出的穩定直流電壓逆變為三相交流電壓
，通過調節PWM整流器三相輸出電壓的大小以及控製與電網電壓之間的相位差
，PWM整流器不但可以將DC／DC變換器送過來的能量饋入三相交流電網，而且還可以有效調控蓄電池充放電裝置交流側的功率因數。

本文采用SPWM調製方式。圖2中，三相調製信號uru

、urv和urw為相位依次相差120°的正弦波。a，b

，c相自關斷開關器件的控製方法相同
，現以a相為例：在uru>uc的各區間，給上橋臂電力晶體管V1以導通驅動信號，而給下橋臂V4以關斷信號。在uru<uc的各區間，給V1以關斷信號，V4以導通信號。圖5是三相橋式PWM逆變電路輸出三相對於負載中性點N的相電壓波形。 設開關器件為理想開關
，沒有過渡過程
，其通斷狀態由開關函數描述。開關函數表達式定義為： 電路的本質在於優化開關函數Sa，Sb，Sc
，使三相橋交流輸入端的交流輸入端電壓ua
，ub，uc等效為三相交流電壓源，實現整流與逆變的運行。

3．2 PWM整流與逆變的等效電路與向量分析

圖6是a相在整流運行、逆變運行時的相量圖。在SPWM調製方式下，電網電壓ua與ua產生的基波分量uao為正弦波
，流過電感La的電流也為正弦波。圖6所示，從a相電路的相量圖可以很容易地看出
，三相電壓源型PWM雙向變流器可以實現單位功率因數運行。 如圖6(a)為單位功率因數整流運行
，圖6(b)為單位功率因數逆變運行。由於相電流ia可以實現與電網電壓ua在相位上相差180°運行，因此
，可以向電網回饋能量
，從而實現能量雙向流動。從以上分析可知，通過設定三相電壓源型PWM雙向變流器的調製波uc，便可以控製三相電壓源型PWM雙向變流器的開關狀態
，從而使得輸入電流按給定規律變化。
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4 蓄電池充放電裝置檢測監控係統的設計

為了驗證課題所設計的蓄電池充放電裝置的功能
，設計了檢測與監控係統。軟件的部分界麵如圖7所示。

chongfangdianzhiqian，genjubutongdexudianchichongfangdianyaoqiu
，shouxianshedingdianyafanweiyudianliufanwei
，duichongfangdianxitongjinxingbaohu，yimianwushezhishishuchucanshuchaochukekongfanwei。

蓄電池充放電裝置有兩種運行模式：

(1)恒流模式。恒流模式是以輸出電流作為反饋量
，控製係統保持蓄電池充放電裝置輸出電流恒定；

(2)恒壓模式。恒壓模式是以輸出電壓作為反饋量，控製係統保持蓄電池充放電裝置輸出電壓恒定。

在(zai)蓄(xu)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)時(shi)
，為(wei)了(le)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)
，同(tong)時(shi)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)，在(zai)一(yi)個(ge)完(wan)整(zheng)的(de)充(chong)電(dian)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，將(jiang)整(zheng)個(ge)充(chong)電(dian)過(guo)程(cheng)分(fen)成(cheng)不(bu)同(tong)的(de)階(jie)段(duan)，不(bu)同(tong)的(de)階(jie)段(duan)采(cai)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)運(yun)行(xing)模(mo)式(shi)和(he)運(yun)行(xing)參(can)數(shu)，在(zai)不(bu)同(tong)階(jie)段(duan)之(zhi)間(jian)設(she)置(zhi)階(jie)段(duan)轉(zhuan)換(huan)條(tiao)件(jian)
，當(dang)蓄(xu)電(dian)池(chi)充(chong)放(fang)電(dian)裝(zhuang)置(zhi)的(de)運(yun)行(xing)狀(zhuang)態(tai)滿(man)足(zu)階(jie)段(duan)轉(zhuan)換(huan)條(tiao)件(jian)時(shi)，蓄(xu)電(dian)池(chi)充(chong)放(fang)電(dian)裝(zhuang)置(zhi)可(ke)以(yi)從(cong)當(dang)前(qian)運(yun)行(xing)階(jie)段(duan)變(bian)成(cheng)下(xia)一(yi)個(ge)階(jie)段(duan)運(yun)行(xing)。該(gai)蓄(xu)電(dian)池(chi)充(chong)放(fang)電(dian)裝(zhuang)置(zhi)可(ke)以(yi)將(jiang)一(yi)個(ge)充(chong)電(dian)過(guo)程(cheng)劃(hua)分(fen)成(cheng)1～4個運行階段
，放電過程劃分為1～2個運行階段。每個階段的運行參數包括：

(1)運行模式。恒流或恒壓。

(2)給定參數。如果運行模式是恒流方式
，給定參數為輸出給定電流；如果運行模式是恒壓方式
，給定參數為輸出給定電壓。

(3)限xian製zhi參can數shu。對dui於yu電dian池chi負fu載zai，在zai恒heng流liu條tiao件jian下xia，控kong製zhi係xi統tong為wei滿man足zu設she定ding的de輸shu出chu電dian流liu值zhi，可ke能neng導dao致zhi輸shu出chu電dian壓ya超chao過guo電dian池chi組zu的de最zui大da電dian壓ya限xian製zhi。在zai恒heng壓ya條tiao件jian下xia，控kong製zhi係xi統tong為wei滿man足zu設she定ding的de輸shu出chu電dian壓ya值zhi，可ke能neng導dao致zhi輸shu出chu電dian流liu超chao過guo電dian池chi的de最zui大da電dian流liu限xian製zhi。為wei了le解jie決jue這zhe個ge問wen題ti
，在zai蓄xu電dian池chi充chong放fang電dian裝zhuang置zhi的de控kong製zhi係xi統tong中zhong

，有you一yi個ge限xian製zhi輸shu出chu部bu分fen。在zai恒heng流liu狀zhuang態tai下xia，限xian製zhi輸shu出chu部bu分fen會hui對dui輸shu出chu電dian壓ya和he設she定ding的de最zui大da限xian製zhi電dian壓ya進jin行xing比bi較jiao，若ruo輸shu出chu電dian壓ya小xiao於yu最zui大da限xian製zhi電dian壓ya，控kong製zhi係xi統tong保bao持chi輸shu出chu電dian流liu等deng於yu給gei定ding電dian流liu
，若ruo輸shu出chu電dian壓ya大da於yu最zui大da限xian製zhi電dian壓ya
，控kong製zhi係xi統tong將jiang不bu再zai保bao持chi輸shu出chu電dian流liu等deng於yu給gei定ding電dian流liu，而er是shi保bao證zheng輸shu出chu電dian壓ya小xiao於yu最zui大da限xian製zhi電dian壓ya；恒(heng)壓(ya)狀(zhuang)態(tai)下(xia)限(xian)製(zhi)參(can)數(shu)與(yu)其(qi)類(lei)似(si)。采(cai)用(yong)以(yi)上(shang)措(cuo)施(shi)的(de)目(mu)的(de)
，就(jiu)是(shi)為(wei)了(le)保(bao)護(hu)電(dian)池(chi)
，防(fang)止(zhi)電(dian)池(chi)在(zai)充(chong)電(dian)過(guo)程(cheng)中(zhong)受(shou)到(dao)損(sun)傷(shang)。所(suo)以(yi)在(zai)每(mei)個(ge)階(jie)段(duan)的(de)運(yun)行(xing)參(can)數(shu)中(zhong)包(bao)括(kuo)一(yi)個(ge)限(xian)製(zhi)輸(shu)出(chu)值(zhi)。若(ruo)運(yun)行(xing)模(mo)式(shi)是(shi)恒(heng)流(liu)，限(xian)製(zhi)輸(shu)出(chu)值(zhi)為(wei)最(zui)大(da)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。若(ruo)運(yun)行(xing)模(mo)式(shi)是(shi)恒(heng)壓(ya)，限(xian)製(zhi)輸(shu)出(chu)值(zhi)為(wei)最(zui)大(da)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)。

(4)停ting止zhi參can數shu。停ting止zhi參can數shu的de含han義yi是shi當dang蓄xu電dian池chi充chong放fang電dian裝zhuang置zhi的de實shi際ji運yun行xing狀zhuang態tai滿man足zu設she定ding的de停ting止zhi參can數shu，自zi動dong轉zhuan入ru下xia一yi個ge階jie段duan運yun行xing，若ruo當dang前qian運yun行xing的de是shi最zui後hou一yi個ge階jie段duan，控kong製zhi係xi統tong會hui關guan閉bi蓄xu電dian池chi充chong放fang電dian裝zhuang置zhi。下xia麵mian以yi恒heng流liu模mo式shi說shuo明ming停ting止zhi參can數shu的de含han義yi
；當dang運yun行xing模mo式shi是shi恒heng流liu，用yong戶hu可ke以yi選xuan擇ze的de停ting止zhi條tiao件jian有you輸shu出chu電dian壓ya或huo運yun行xing時shi間jian兩liang種zhong。若ruo用yong戶hu選xuan擇ze停ting止zhi條tiao件jian是shi輸shu出chu電dian壓ya，在zai恒heng流liu充chong電dian過guo程cheng中zhong電dian池chi電dian壓ya上shang達da到dao設she定ding的de停ting止zhi輸shu出chu電dian壓ya值zhi時shi，係xi統tong結jie束shu本ben階jie段duan的de運yun行xing，轉zhuan入ru下xia一yi階jie段duan運yun行xing；若用戶選擇的停止條件是運行時間，若本階段的運行時間等於設定的停止時間，係統結束本階段的運行，轉入下一階段運行。
把運行模式和停止條件組合起來，蓄電池充放電裝置可以有4種運行模式：恒流限壓
、恒流定時、恒壓恨流、恒壓定時。同時除上述參數的設置以外，係統還可以實現循環充放電
，可以選擇循環起始點和終止點，以及充放電次數。

5 結語

本文所設計的蓄電池充電裝置設計的蓄電池充放電裝置技術參數為：

蓄電池側：額定功率15 kVA，額定電壓DC110 V。其中，充電時電壓變化範圍為60～160 V，放電時電壓變化範圍為75～160 V
；充電時額定電流為65 A
，放電時額定電流為130 A。

交流側：三相交流(380±76)V
，網側電流符合相關標準要求，功率因數高於0．95，電流畸變小於5％；

基於PWM整流的雙向蓄電池充放電裝置解決了傳統裝置的電能浪費問題，把90％的試驗能耗回饋電網，實現了能量雙向流動，采用SPWM調tiao製zhi方fang式shi可ke使shi網wang側ce電dian流liu正zheng弦xian化hua
，功gong率lv因yin數shu高gao，能neng夠gou實shi現xian充chong放fang電dian功gong率lv的de靈ling活huo調tiao節jie。放fang電dian功gong率lv的de可ke控kong性xing簡jian化hua了le操cao作zuo人ren員yuan的de工gong作zuo，同tong時shi也ye提ti高gao了le數shu據ju的de可ke靠kao性xing與yu設she備bei的de安an全quan性xing。