Yao Jin
(Wuzhou School of Mechanical Engineering and Materials, Guangxi Wuzhou 543000)
Pour parvenir à la pile à combustible pour réduire l'ondulation de la batterie rechargeable lithium polymère, proposé chargeur de contrôle non isolé mode de courant constant / tension constante commutation PI boost la conception de pile à combustible. Les problèmes pour les piles à combustible exigent de concilier la puissance de l'appareil des problèmes, les batteries lithium-polymère comme batterie de secours rechargeable, et le processus de charge de l'amplitude d'ondulation chargeur traditionnel coup de pouce est grand, n'est pas propice à la vie de la batterie, par le coup de pouce caractéristiques du chargeur à l'état stable et la fonction de transfert est dérivée, sur la base de la conception du dispositif de commande commercial externe MAX745 de circuit intégré à PI, pour obtenir un courant constant (courant, CC constant) et de la tension constante (tension constante, CV) commutateur de mode de charge, pour obtenir un meilleur l'effet stabilisateur de charge et le rejet d'entraînement. Les résultats expérimentaux montrent que l'algorithme proposé a grande marge de stabilité et d'obtenir une vitesse de charge rapide et une faible consommation de la batterie, est conçue la validité du circuit de charge.
Non isolé, le contrôle PI, les modes de commutation, chargeur augmenter, une pile à combustible
CLC: TP371
Code de document: A
DOI: 10,16157 / j.issn.0258-7998.2017.06.037
format de citation chinois: or Yao. chargeur de contrôle en mode CC non isolé / CV commutation PI conception de pile à combustible boost Technologie électronique, 2017,43 (6): 147-150,154.
Anglais format de citation: Yao Jin. Conception de chargeur élévateur de pile à combustible commande en mode CC / CV non isolé de commutation de PI .Application Technique électronique, 2017,43 (6): 147-150,154.
0 introduction
ordinateurs portables et autres appareils électroniques portables sont de plus en plus populaire pour les besoins de densité d'énergie d'alimentation sont également de plus en plus, de nombreuses entreprises de la batterie tentent de trouver des moyens d'améliorer la durée de fonctionnement de ces appareils mobiles, et micro-pile à combustible est un très solution prometteuse . Toutefois, étant donné la puissance nécessaire pour démarrer l'équipement d'équilibrage pile à combustible, et nécessite un certain temps pour produire de l'électricité, qui utilisent de façon directe la puissance peut être difficile, mais peut être utilisé comme une batterie secondaire puissance de charge .
À l'heure actuelle, la technologie est mature relativement convertisseur abaisseur, la pile à combustible ayant une caractéristique basse tension, la nécessité d'achever un processus de charge convertisseur de survoltage de la batterie au lithium . En raison de son circuit de convertisseur élévateur de tension non-isolé est simple, à faible coût, a été largement étudiée. Cependant, convertisseur élévateur non isolé ayant un courant d'ondulation de sortie élevée, la durée de vie de la batterie est pas propice à . À cet égard, le convertisseur classique boost non isolé n'est pas composant réactif est trop grande, il y a eu de nombreuses méthodes pour réduire l'ondulation entre l'onduleur et le réseau électrique, par exemple L, LC, LCL, etc., est ajouté entre l'inducteur et l'onduleur est grille la méthode la plus simple, l'effet de modulation harmonique peut être compensée. La méthode peut également être utilisé pour le chargeur de batterie pour réduire une charge d'entraînement du convertisseur de courant continu unipolaires comme source de courant. Document implémenté en utilisant une inductance de sortie supplémentaire d'entraînement atténuation efficace entre le convertisseur abaisseur et la charge, mais ne peut garantir la stabilité du convertisseur.
Ici par l'ajout de l'inducteur de sortie, le passage d'ondulation et une réduction des harmoniques de fréquence élevée, et non pas la capacité désirée. En outre, l'inducteur et le condensateur supplémentaire filtre de sortie C-L forment un algorithme de commande simple. Différent du convertisseur élévateur classique, le régulateur PI pour commander le courant de sortie et la tension pour obtenir un courant constant (CC) et à tension constante (CV) de charge commutateur de mode.
Une batterie polymère au lithium structure d'élévation de chargeur
La figure 1 montre une des cellules mobiles à combustible à membrane échangeuse de protons au lithium-polymère compact (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) Architecture de charge. Empilement de piles à combustible PEMFC composé de dix cellulaire, varient de 10 V à 6 V tension de sortie, une puissance maximale de 180 W. Trois yuans série de cellules, connecté en parallèle avec trois chaînes de tension nominale cellulaire 11.1 V, 12 A courant nominal sont disposés en parallèle. Le chargeur de batterie besoin de travailler en mode de charge classique, courant de charge de 6 A, la tension de charge de 12,6 V.
Démarrer la charge en utilisant le mode CC dure jusqu'à ce que la tension de la batterie atteint la limite de charge. Passez en mode CV jusqu'à ce que le courant de charge tombe en dessous de 0.03C. Les batteries au lithium de polymères simples modèle de circuit équivalent R-C comme suit.
La figure 2 boost chargeur structure non isolée, un modèle de charge inductif de sortie établi par le circuit R-C. En raison de l'inductance supplémentaire (Lo) permet de réduire le courant de sortie d'entraînement permettant la taille du condensateur de sortie peut être petite, tout en respectant les exigences de l'ondulation de sortie. inductance de sortie doit être conçu pour respecter les limites de courant de sortie et la tension de sortie d'entraînement sont 0,005 C et 0,5%, respectivement.
2 du chargeur de gain de performances de l'état d'équilibre
Le circuit équivalent représenté sur la. Figure 2 par une commande interrupteur marche / arrêt, en considérant seulement ESR (résistance série équivalente, ESR) de la batterie au lithium-polymère et une analyse de condensateur de sortie tout simplement parce que d'autres éléments de résistance équivalente est faible. Entrée inductance PEMFC courant doit être conçu pour une valeur de consigne sur la base de l'ondulation de sortie souhaitée. Pour limiter l'ondulation du courant de sortie de la pile à combustible dans un certain intervalle, la valeur d'inductance minimale souhaitée peut être calculée comme suit:
La formule (4), l'ondulation de la tension de sortie peut être commandé par un condensateur de dérivation, qui est proportionnelle à l'ESR du condensateur, et le condensateur est inversement proportionnelle. Par la formule (4) est plus petit que le premier terme sur les termes d'ordre du côté droit, l'ondulation de la tension de sortie dépend de ESR du condensateur. Lorsque satisfaisant 0,5% (63 mV), la tension de sortie de l'exigence d'ondulation, l'ESR du condensateur de sortie à être beaucoup moins de 4,2 mQ, l'empilement de piles à combustible en raison de la tension de sortie minimale pour fournir une puissance de sortie maximale de 6 V, l'inductance d'extrémité distale (L) de courant moyen maximal de 15 A. ESR disponible dans le commerce condensateur électrolytique de la valeur minimale de 49 mQ, la valeur de capacité de la taille de 1000 pF. Pour répondre aux exigences d'onde de sortie, au moins 12 en parallèle avec le condensateur, ce qui entraîne dans le convertisseur encombrant supplémentaire.
Entre le condensateur et l'inductance de sortie emploient cellule supplémentaire, afin de réduire la taille et le coût du filtre de sortie. Considérons le condensateur précédent (2,25 A) Intensité d'entraînement, pour être connecté à trois condensateur parallèle, le condensateur de sortie efficace de courant d'ondulation est de 6,3 A, sous forme:
Le modèle de circuit équivalent de la batterie, l'ondulation de la tension de sortie et la relation entre la sortie de courant d'ondulation peut être exporté vers le formulaire de formule (6). L'utilisation KVL (KVL) , la tension sur le condensateur de sortie peut être exprimée comme suit:
3 fonction de transfert d'amplification de charge est dérivé
La figure 3 montre la sortie supplémentaire ayant une faible inductance de boost chargeur de modèle de signal, qui est le mode de conduction continue (mode de conduction continue, CCM) comprenant le modèle de circuit équivalent R-C. Lorsque l'interrupteur est ON et OFF, respectivement, la loi actuelle de Kirchhoff (KCL) et KVL, comprenant un modèle de chargeur de batterie stimuler l'équation de la moyenne de l'espace d'état:
En modifiant les paramètres de commande, l'entrée à courant continu des valeurs d'état d'équilibre et de variables d'état, en ignorant petit signal et une alimentation en courant continu, et transformée de Laplace, la formule (9), la formule (10) peut être réécrite comme:
Circuit équivalent d'une grande capacité, une période de faible variation de tension peut être ignorée. Ainsi, la fonction de transfert de sortie du chargeur courant de boost peut être calculée comme:
Par la formule (15), le courant de sortie de la fonction de transfert de gain de chargeur:
4 boost chargeur conception de circuit de modulation de largeur d'impulsion
MAX745 chargeur de batterie au lithium disponible fonctionnalité souhaitée, CC et CV comprend une fonction de charge de la batterie, la tension d'entrée compris entre 6 ~ 24 V, une fréquence de modulation de largeur d'impulsion de fonctionnement de 300 kHz. MAX745 circuit en utilisant un algorithme de commande de charge de commande PWM CC / CV représenté sur la figure 4.
La figure, la tension Vm est une forme d'onde en dents de scie, la tension de sortie du régulateur Gvc, la sortie du régulateur de courant GC. comparateur COMP1 comparatif Vm et le signal de sortie Gvc (Gic) pour produire le signal de modulation de largeur d'impulsion fermée de l'interrupteur à semi-conducteur. comparateur COMP2 comparer la sortie du contrôleur, et sélectionner un mode de charge selon la prendre amplitude de sortie. sortie du régulateur de courant est inférieure à la commande de tension de sortie, le système fonctionne en mode CC, et vice versa. Lorsque la sortie du régulateur de courant de charge, afin d'éviter que la tension de la batterie est trop élevée, si la tension de sortie est inférieure à Gvc Gic + 80 mV, doit être commuté en mode CV.
Générer une forme d'onde PWM obtenu MOSFET commutateur signal de référence courant et de tension par le bloc logique de commande PWM. modes mentionnés sont les suivants:
Mode 1 (charge uniquement): en augmentant le chargeur en mode CC / CV pour charger la batterie jusqu'à complète. Seule la puissance de la pile à combustible pour recharger la batterie.
Mode 2 (de charge et d'alimentation): Quand un courant de charge (ICharge) plus petit que le courant de charge nominale (6 A, C 1), la puissance de charge à la charge, la puissance disponible restante pour charger la batterie. la tension aux bornes est égale à la tension de sortie, dans la plage de 11,1 ~ 12,6 V.
Mode 3 (uniquement électrique): lorsque la charge de courant égal au courant de charge (6 A), sont de toute la puissance de charge fournie à la charge, sans l'alimentation pour charger la batterie.
Mode 4 (puissance de mélange): Quand une charge plus élevée de courant que le courant de charge (6 A), la puissance de charge est insuffisante pour alimenter la charge, le chargeur et la batterie d'alimentation hybride à la charge.
5 Analyse expérimentale
Paramètres: puissance nominale de 90 W, la tension d'entrée Vs = 6 ~ 10 V, la tension de charge Vo = 12,6 V, la l'inductance d'entrée L = 45 uA, la sortie inductance de courant de charge Io = 6 A, la fréquence de commutation fs = 300 kHz, Lo = 0,7 uH, capacité de sortie C = 3000 uF, la résistance de la batterie Rb = 0,116 , la batterie de capacité Cb = 21500 F, la tension de sortie ondulation AVo = 63 mV (5%), le courant de sortie d'entraînement io = 60 mA (5%) , courant de sortie PEMFC ondulation iL = 300 mA (2,5%).
5.1 Analyse des performances des contrôleurs basée sur MATLAB®
En premier lieu, l'analyse du spectre de réponse du régulateur PI circuit conçu en utilisant la plate-forme de simulation MATLAB, les résultats expérimentaux présentés sur la figure 5.
Le résultat peut être vu dans. La figure 5, le régulateur PI peut améliorer le gain dans la gamme des basses fréquences, et l'emplacement souhaité dans le domaine de fréquence la fréquence de coupure de configuration. La boucle de commande de tension de sortie de marge de phase de la fréquence de coupure est de 3265 Hz est de 56,2 °, la commande peut être de performances de charge stable.
5.2 Analyse Simulation
ligne expérimental représenté sur la figure 6, tout d'abord, la charge de test PEMFC, le test en mode CC / CV effet de commutation, les résultats expérimentaux présentés sur la Figure 7.
Comme représenté sur la Fig. 7 mode de charge CC / CV profil de valeur de courant 6 A (0,5 C), la tension de charge de 12,6 V, le mode de fonctionnement d'une pile PEMFC. Stimuler chargeur fonctionne bien, il faut environ trois heures, la batterie passe d'un état complètement déchargé à un état complètement chargé. Lorsque le courant de charge de la batterie est réduite à 0,24 A (0,02 C), le processus de charge est terminé.
La figure 8 montre le mode de CV, le courant de sortie quand une charge est appliquée sur le chargeur, les caractéristiques dynamiques d'amplification de charge.
La figure 8 en mode CV, la poussée du chargeur de caractéristiques de charge dynamique 12 Une charge. Lorsque la charge commence, en utilisant le mode CC, en utilisant par la suite en mode CV. Au temps t1, 12 une charge de courant est appliquée au système, la batterie en utilisant le mode de CV. commutateur de mode de fonctionnement à 4. Pendant ce temps, la batterie déchargée à 6 A, 12 A afin d'obtenir une puissance de charge.
Pour vérifier les avantages de performance de l'algorithme, et choisissez un contrôleur standard PI document contraste. Sélectionnez la capacité de la batterie rechargeable 5000 mAh, le temps contraste de l'indice de sélection de charge, le taux de perte de la batterie rechargeable, les résultats présentés dans le tableau 1.
Selon une table, la durée moyenne de la charge, le temps de charge de l'algorithme est d'environ 4,2 heures, tandis que le document temps de charge est d'environ 4,3 heures, temps de charge standard de PI est d'environ 4,4 heure indiquant que les indicateurs de temps de charge de batterie ici mineure meilleurs algorithmes d'alignement. Les indicateurs de taux de consommation de carburant de la batterie rechargeable, l'algorithme est moins que les algorithmes de comparaison, qui montrent que l'algorithme proposé peut préserver la vie de la batterie, afin de vérifier l'efficacité de l'algorithme proposé.
6 Conclusion
Dans cet article, la méthode de conception de la cellule chargeur commande de mode courant constant non isolé / tension constante commutation PI boost carburant met en uvre une pile à combustible comme source d'énergie de charge, une batterie rechargeable en tant que polymère de lithium conception de suralimentation du chargeur de batterie. Une solution efficace à un gros problème, il est l'ondulation du chargeur de boost traditionnel aussi, peut obtenir un contrôle de charge plus stable, les résultats expérimentaux démontrent les avantages de la méthode proposée sur le temps de charge et la protection de la vie de la batterie, pour guider la conception réelle du chargeur a un certain importance.
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