钜大LARGE | 点击量：261次 | 2023年10月25日
新型电池充电器，具备优良的耐温特性以及长循环寿命!
本文介绍了一种基于多相谐振变换器的新型电池充电器，适用于高容量48V的LiFePO4锂离子电池。锂铁PO4电池是目前应用最广泛的电池之一，具有高能效、高安全性能、非常好的温度特性和较长的循环寿命。为了维护电池的健康，必须对充电电流进行准确控制。根据在实验室获得的实验数据，将充电器的设计与电池模型紧密相关。研究人员以降低传导损耗为目的，对N类D级LCpCs谐振逆变器并联得到的逆变级进行了总体分析。
相关论文以题为“BatteryChargerBasedonaResonantConverterforHigh-PowerLiFePO4Batteries”与2021年01月23日发表在《Electronics》上。
磷酸铁锂(LiFePO4)电池具有很好的电化学性能和良好的热稳定性，使其更安全、更坚固。这种以锂为基础的技术具有非常低的内阻，可提供高额定电流。与其他技术相比，其循环寿命明显更长。LiFePO4电池的应用包括可再生能源设施中的存储系统，为电动汽车和数据中心、电信和医院的不间断电源（UPS）供电。
电池模型是设计充电器的重要工具，它允许研究电池充电器系统在整个充电过程中的动态响应，其中转换器负载，即电池的等效电阻，从几乎短路到开路值变化。
大多数电池模型都是以改善电池管理系统（BMS）性能为目的，提供电池的重要参数信息，如充电状态（SOC）。电池SOC和功率容量的估计通常应用三种方法解决，即查表法、基于模型的方法和人工智能法。除此之外，BMS还负责保证电池在温度的安全裕度内运行，并设置过压和欠压保护限值。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
充电方式
本工作所采用的商用48NPFC50LiFePO4电池的主要特点是标称电压为48V，标称容量(Cn)为50Ah，即功率容量为2.4kWh。该电池由十五个（Ns=15）串联的堆叠电池组成，并加入了一个BMS，以保证所有电池的正确充电平衡。
因此，假设每个电池的电压与任何其他电池相同。电池充电器的设计要满足BMS确定的所有操作限制。
推荐用于LiFePO4电池的充电协议是著名的恒定电流（CC）-恒定电压（CV）方法（即CC-CV）。在CC阶段，电池以最大电流率充电，该电流率取决于电池容量和技术。
一旦电池电压达到电池数据表中规定的最大充电电压，就开始进入CV阶段。此时，从充电器中抽取的功率是最大的，大约在SOC的90%时发生。
在CV阶段，充电电流减小。在图1所示的电池实验室设施中进行了三种实验性充电曲线。它们是在室温（25℃）下使用电池测试设备PECSBT-10050（PEC，比利时鲁汶）进行评估，并考虑到电池完全放电作为初始条件。
图1.电池测试的实验室设施。(左)电池测试的实验室设施。(右)连接到SBT-10050测试设备的电池。
这些曲线对应的是在CC阶段的电流率等于Cn/5、Cn/2和Cn时的电池充电情况。结果如图2所示。
图2.48NPFC50LiFePO4电池在10、25、50A时的实验充电曲线。
在整个充电过程中，BMS对温度进行观察，并实施相应的保护（充电时最高值55℃），防止电池老化。研究锂离子电池温度作为充放电电流函数的电热模型已经有报道。
在本工作中，为了缩短充电时间，选择最大充电电流率为20A（约Cn/2）的充电器设计。根据电池的实验特性，在Cn/2下充电可使电池的温度远低于55℃。
蓄电池型号
虽然LiFePO4电池是一个复杂的物理系统，涉及多个变量，但基于电参数的模型[25]可以在简单性、准确性和洞察力信息之间取得良好的权衡，如图3所示。在假设所有电池完全相同的情况下，通过影响所有参数的电池总数Ns，对单电池模型进行泛化，如图3所示。
图3.考虑Ns串联堆积电池的电池模型。
结论
本文介绍了电池充电器应用的多相谐振变换器的一般设计程序。由于交流侧的输出电流由N个相等的逆变器部分共享，因此该电路使用低成本的功率MOSFET呈现了高输出电流能力，并且简化了谐振电感的设计。所提出的输出整流器是基于M绕组电流倍增器整流器，同时通过使用无源元件来减小传导损耗。
所提出的充电器的效率曲线呈现出宽阔的平坦区域，保证了即使在轻载条件下也有恒定的效率值。考虑到在整个充电过程中，尽管负载变化很大，但高效率是可取的，这一特点对电池充电器的应用非常有趣。变压器Lk的漏感对交流侧的影响被串联电容Cs抵消。最大充电电流是由电路以固有的方式限制的，没有任何控制的必要。
然而，输出电压通过带有I型误差放大器的电压控制回路被限制在对电池推荐的最大值内。控制动作是通过调整控制角Ψ来保持开关频率恒定，同时在任何操作点保持ZVS模式。
通过实现一个实验样机为一个容量为50Ah的商用48VLiFePO4电池充电，验证了一般建议。使用SiMOSFET的N=4逆变器在Vdc=400V时实现的效率与使用SiCMOSFET的N=2逆变器在Vdc=800V时预测的效率相似。
