本文介紹了一種基于多相諧振變換器的新型電池充電器，適用于高容量48V的LiFePO4鋰離子電池。鋰鐵PO4電池是目前應(yīng)用最廣泛的電池之一，具有高能效、高安全性能、非常好的溫度特性和較長的循環(huán)壽命。為了維護電池的健康，必須對充電電流進行準確控制。根據(jù)在實驗室獲得的實驗數(shù)據(jù)，將充電器的設(shè)計與電池模型緊密相關(guān)。研究人員以降低傳導損耗為目的，對N類D級LCpCs諧振逆變器并聯(lián)得到的逆變級進行了總體分析。

相關(guān)論文以題為“BatteryChargerBasedonaResonantConverterforHigh-PowerLiFePO4Batteries”與2021年01月23日發(fā)表在《Electronics》上。

磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池具有很好的電化學性能和良好的熱穩(wěn)定性，使其更安全、更堅固。這種以鋰為基礎(chǔ)的技術(shù)具有非常低的內(nèi)阻，可提供高額定電流。與其他技術(shù)相比，其循環(huán)壽命明顯更長。LiFePO4電池的應(yīng)用包括可再生能源設(shè)施中的存儲系統(tǒng)，為電動汽車和數(shù)據(jù)中心、電信和醫(yī)院的不間斷電源（UPS）供電。

電池模型是設(shè)計充電器的重要工具，它允許研究電池充電器系統(tǒng)在整個充電過程中的動態(tài)響應(yīng)，其中轉(zhuǎn)換器負載，即電池的等效電阻，從幾乎短路到開路值變化。

大多數(shù)電池模型都是以改善電池管理系統(tǒng)（BMS）性能為目的，提供電池的重要參數(shù)信息，如充電狀態(tài)（SOC）。電池SOC和功率容量的估計通常應(yīng)用三種方法解決，即查表法、基于模型的方法和人工智能法。除此之外，BMS還負責保證電池在溫度的安全裕度內(nèi)運行，并設(shè)置過壓和欠壓保護限值。

充電方式

本工作所采用的商用48NPFC50LiFePO4電池的主要特點是標稱電壓為48V，標稱容量(Cn)為50Ah，即功率容量為2.4kWh。該電池由十五個（Ns=15）串聯(lián)的堆疊電池組成，并加入了一個BMS，以保證所有電池的正確充電平衡。

因此，假設(shè)每個電池的電壓與任何其他電池相同。電池充電器的設(shè)計要滿足BMS確定的所有操作限制。

推薦用于LiFePO4電池的充電協(xié)議是著名的恒定電流（CC）-恒定電壓（CV）方法（即CC-CV）。在CC階段，電池以最大電流率充電，該電流率取決于電池容量和技術(shù)。

一旦電池電壓達到電池數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最大充電電壓，就開始進入CV階段。此時，從充電器中抽取的功率是最大的，大約在SOC的90%時發(fā)生。

在CV階段，充電電流減小。在圖1所示的電池實驗室設(shè)施中進行了三種實驗性充電曲線。它們是在室溫（25℃）下使用電池測試設(shè)備PECSBT-10050（PEC，比利時魯汶）進行評估，并考慮到電池完全放電作為初始條件。

圖1.電池測試的實驗室設(shè)施。(左)電池測試的實驗室設(shè)施。(右)連接到SBT-10050測試設(shè)備的電池。

這些曲線對應(yīng)的是在CC階段的電流率等于Cn/5、Cn/2和Cn時的電池充電情況。結(jié)果如圖2所示。

圖2.48NPFC50LiFePO4電池在10、25、50A時的實驗充電曲線。

在整個充電過程中，BMS對溫度進行觀察，并實施相應(yīng)的保護（充電時最高值55℃），防止電池老化。研究鋰離子電池溫度作為充放電電流函數(shù)的電熱模型已經(jīng)有報道。

在本工作中，為了縮短充電時間，選擇最大充電電流率為20A（約Cn/2）的充電器設(shè)計。根據(jù)電池的實驗特性，在Cn/2下充電可使電池的溫度遠低于55℃。

蓄電池型號

雖然LiFePO4電池是一個復雜的物理系統(tǒng)，涉及多個變量，但基于電參數(shù)的模型[25]可以在簡單性、準確性和洞察力信息之間取得良好的權(quán)衡，如圖3所示。在假設(shè)所有電池完全相同的情況下，通過影響所有參數(shù)的電池總數(shù)Ns，對單電池模型進行泛化，如圖3所示。

圖3.考慮Ns串聯(lián)堆積電池的電池模型。

結(jié)論

本文介紹了電池充電器應(yīng)用的多相諧振變換器的一般設(shè)計程序。由于交流側(cè)的輸出電流由N個相等的逆變器部分共享，因此該電路使用低成本的功率MOSFET呈現(xiàn)了高輸出電流能力，并且簡化了諧振電感的設(shè)計。所提出的輸出整流器是基于M繞組電流倍增器整流器，同時通過使用無源元件來減小傳導損耗。

所提出的充電器的效率曲線呈現(xiàn)出寬闊的平坦區(qū)域，保證了即使在輕載條件下也有恒定的效率值。考慮到在整個充電過程中，盡管負載變化很大，但高效率是可取的，這一特點對電池充電器的應(yīng)用非常有趣。變壓器Lk的漏感對交流側(cè)的影響被串聯(lián)電容Cs抵消。最大充電電流是由電路以固有的方式限制的，沒有任何控制的必要。

然而，輸出電壓通過帶有I型誤差放大器的電壓控制回路被限制在對電池推薦的最大值內(nèi)。控制動作是通過調(diào)整控制角Ψ來保持開關(guān)頻率恒定，同時在任何操作點保持ZVS模式。

通過實現(xiàn)一個實驗樣機為一個容量為50Ah的商用48VLiFePO4電池充電，驗證了一般建議。使用SiMOSFET的N=4逆變器在Vdc=400V時實現(xiàn)的效率與使用SiCMOSFET的N=2逆變器在Vdc=800V時預測的效率相似。

論文鏈接：www.mdpi.com/2079-9292/10/3/266/htm