模块化电池储能系统(ess)有助于有效利用可再生电力，是构建绿色能源生态系统的关键技术。二次电池ess的应用越来越受欢迎。在这个细分市场中，高达80%的废弃电池预计将被重新用于固定电网服务的ess，从而将电池的使用寿命从5年增加到15年。预计到2030年，这些系统将增加1太瓦时的电网容量。(1)在不久的将来，这一新兴应用必将在能源市场中获得更多的重视。

一个典型的实现由不同的电池模块堆栈组成，通过电源转换器将它们的能量传输到集中的交流或直流总线(用于某种形式的后续能量分配给负载)。这种类型系统的挑战在于每个模块具有不同的化学成分、容量和老化情况。在传统的模块化拓扑中，最弱的模块会影响整个堆栈的总可用容量(图1)。

为了解决这一限制，在图2所示的架构中，堆栈中的能量通过每个电池模块的单独DC- DC转换器传输到公共的中间DC总线。然后，该能量通过主电源转换器用于支持集中的中压(MV)交流或直流母线。图2中的电压和功率级别是根据市场上ess的典型数字选择的:48v电池模块，400v (DC)中间直流母线，超过20kw(大功率)的主电源转换器，以及高达1500v的集中母线。

在图2中，由于堆叠中每个模块的接地参考是不同的，因此需要隔离来实现每个电池模块的单独dc - dc转换器。此外，为了支持像二次电池ess这样的混合系统，每个转换器还必须能够双向传输功率。这样就可以很容易地实现各个模块的独立充放电和电荷平衡。因此，本文讨论的应用的中心模块是dc - dc转换器，它同时是隔离的和双向的。

在以下章节中，用于功率转换的专用数字控制器被证明是通过将这些控制器(通常仅用于单向功率传输)调整为双向操作来安全可靠地实现所需类型的dc - dc转换器的良好替代方案。

电源转换应用专用数字控制器

对于高功率dc - dc转换器(大于1 kW)中的开关器件的控制，数字控制是工业中的当前标准，它通常基于微控制器单元(mcu)。(3)尽管如此，对工业应用中功能安全(FS)的日益关注可能有利于使用专用数字控制器。从系统设计的角度来看，更简单的FS认证在模块化实现中特别有益，因为它简化了设计过程，因此减少了获得收入的总体时间。

下面概述了一些支持专用数字控制器而不是mcu的原因。

• 微控制器依赖于软件，直到IEC 61508的发展是不允许在安全系统中，因为它被认为是不稳定的，因为它包含状态的数量。因此，许多FS的努力与MCU进入用于开发软件的过程。

• 除了软件之外，MCU本身也必须经过认证。

• 尽管专用数字控制器(作为可配置设备)仍然是数据驱动的，但它们的配置过程涉及有限可变性语言(LVL)，而不是完全可变性语言(FVL)，这是mcu的特点。

• 专用数字控制器作为一种顺序数字机，其功能可以完全通过测试来验证，这是一般单片机中的软件所无法做到的。因此，当使用专用控制器时，核心安全功能由设备集成。

• 与专用控制器中的集成安全功能相比，MCU实现的附加安全功能可能需要相当多的额外硬件。在使用故障模式、影响和诊断分析(FMEDA)时，这很容易增加系统级别的复杂性。

• 当使用专用控制器时，额外的安全性(如果需要)可以在外部MCU中编程，通常在系统级可用。

ADP1055是一款专为隔离dc - dc高功率转换而设计的数字控制器，提供了一系列提高效率和安全性的功能。这些功能包括可编程过流保护(OCP)，过压保护(OVP)，欠压锁定(UVLO)和过温(OTP)。像市场上许多同等的现成部件一样，这个控制器被设计为只在一个方向上传输能量，即FPT。为了实现双向操作，带有控制器的应用程序必须适应在RPT中工作。下一节将探讨FPT和RPT模式中的一个重要方面，这是在适应过程之前理解的必要条件。这是目标dc - dc转换器的效率。

实现高效的能源转换

在用于直流隔离和双向功率传输的不同技术中，图3a中的架构由于其实现简单性而成为商业上使用最多的架构之一。

这种拓扑结构既可以看作是FPT中的电压馈电全桥到中心抽头同步整流器，也可以看作是RPT中电流馈电推挽变换器到全桥同步整流器。对于大于1kw的高功率水平，描述了一次(直流母线)400 V (DC)和二次(电池模块)48 V (DC)的案例研究，以说明该应用的常见挑战。使用LTspice 来模拟典型宽带隙(WBG)功率器件在100 kHz切换时的操作。仿真中使用的参数如表1所示。

表1、模拟研究参数

图3b中的结果显示，当使用常规硬开关(HS) PWM时，更高功率水平的效率会迅速下降。在比较RPT和FTP时，这一点更加突出。为了改善操作，确定了两种主要的损耗机制，可以通过下面描述的相应开关技术来减轻损耗。

• 软开关:图4a显示了在这种低漏感设计中，当使用常规PWM时，主开关MA和MB在无源到有源开关转换时不会快速关断。这种情况在整个系统中造成更高的开关损耗。在这种情况下，使用相移(PS) PWM(又名零电压开关(ZVS)，又名软开关)有助于在这些转换期间将漏源电压降至零。这可以通过提供适当的、与负载相关的死区时间来实现，该死区时间允许开关的漏源电容完全放电。应用PS的结果如图4b所示。

• 有源箝位:图5a显示了在二次开关MR1和MR2关断期间，在它们的漏源电压上观察到一个大的尖峰和振铃。这些瞬态事件危及开关的完整性，浪费能量，并导致电磁干扰(EMI)。使用附加开关(例如，图3中的M(CLAMP))的数字控制主动箝位是减轻该尖峰的负面影响的最佳选择。(6)这可以进一步提高该架构的效率。应用一种主动夹紧形式的结果如图5b所示。

这些策略的实施将转换器的效率从低于80%提高到超过90%，在5kw的RPT中。这些模拟研究也预测了FPT和RPT的相似效率，如图3b所示。

为了实现这些开关功能，ADP1055提供了6个可编程PWM输出来形成开关的时序，以及两个可配置为有源钳位缓冲器的gpio。这两个功能都可以在用户友好的GUI中轻松编程。这个数字控制器的这些和其他功能的好处可以在ADP1055-EVALZ用户指南中进一步研究，其中考虑了标准的FPT应用。

一旦确定了实现可行效率水平的机制，即适合本应用中FPT和RPT模式的机制，下一步将最终探索对RPT的适应。

反向功率传输适应

为了证明在RPT中研究的应用程序的运行，创建了一个低电压(LV)实验装置作为概念验证。该设置基于ADP1055- evalz用户指南中的硬件，最初设计为48 V(DC)至12 V(DC)/240 W FPT，使用ADP1055作为主控制器，开关频率f(SW) = 125 kHz，作为标准情况。RPT操作的适应包括适当的硬件和软件修改。图6(上)显示了该任务在硬件端提出的信号链，其中有以下亮点:

• 四个主开关使用两个匹配的ADuM3223隔离半桥栅极驱动器接通和关断。精确的定时特性(最大54 ns)。这些驱动器的隔离器和驱动器传播延迟)准确地将控制信号反映到PWM中。

• ADP1055-EVALZ用户指南中的隔离电源单元重新布线并补充了辅助精密LDO (ADP1720)，以考虑系统中的两个接地参考，并为应用程序的所有不同ic供电。

• 在测量端，对并联电阻上的电流测量端子进行交换，使控制器的CS2+和CS2 -端子上整体变换器变压器二次输出电流的测量方向正确。

• 最后，ADuM4195隔离放大器用于提供安全准确的直流母线电压测量，这是RPT模式下的输出变量，与FPT相比，电池侧电压是受控输出。

基于adum4195的测量方案是控制环路硬件中最重要的补充之一。除了安全的5 kV隔离电压(从高压初级电压到低压控制侧)，高达4.3 V的宽输入范围以及在其参考电压下约0.5%的精度外，ADuM4195还具有200 kHz的高最小带宽。与典型的分流稳压器和光耦合器解决方案相比，这允许更快的环路运行以获得更好的瞬态响应，这对于在125 kHz开关频率下运行应用程序至关重要。图7显示了最终的实验设置，其中在ADP1055-EVALZ用户指南中添加到原始评估板中的基于adum4195的测量子卡中实现了图6的硬件添加。

图6(底部)还描述了在软件端为RPT适配执行的配置。对数字控制系统进行了深入研究。结果总结为该过程的描述性块，如下:

• 通过改变PWM设置，使其占空比变化与次级电感充电成正比，可以实现正确的稳态响应。这取决于体系结构在RPT模式下的提升类型操作。

• (7)在ADP1055-EVALZ用户指南上设计LCL输出滤波器，用交流小信号等效电路技术确定了该装置在拉普拉斯域中的传递函数Gp(s)。与FPT不同，RPT中的植物响应是一个具有右侧零(RHZ)的二阶系统，这是CCM中升压变换器的典型特征。注意，这种类型的系统本质上是不稳定的，需要减少误差放大器的带宽。

• 通过使用MATLAB 系统识别工具箱，将反馈测量Gm(s)建模为ADuM4195作为孤立从动器的频率响应(图8)。确认了200 kHz左右的主导极点，因此保证了保持在控制系统目标带宽以上的快速响应(约为250 kHz可观察双频的10%)。

• 在控制器的标准数字补偿器中增加一个极，从而减少整个控制系统的带宽，这在非最小相位升压式变换器装置中是必要的。因此，使用式1中的数字控制器(常数在ADP1055用户指南中定义)。

为了使分析保持在拉普拉斯域中，根据数字控制理论，建立了Gc(z)的连续时间模型Gc(s)。(9)因此，首先添加了计算延迟(x z-(1))，并使用(a) Tustin近似实现了连续时间的最终表示

(b)对离散PWM (DPWM)延迟(T(sa)/2=1/4f(sw))建模的pad近似，则:

• 最后，研究了开环传递函数Gol(s) = Gp(s) Gm(s) Gc(s)的稳定响应设计，利用MATLAB控制系统设计器作为规则的连续时间控制回路。

本练习中的一个主要观察结果是，如果使用与FPT相同的控制常数，RPT中的响应将是不稳定的。因此，正确设计Gc中常量的最终值对于可靠的操作至关重要。一旦通过设计获得稳定的开环传递函数，控制器就被转换回数字域。图9(左)显示了所设计的数字滤波器Gc(z)的频率响应，可以通过图9(右)上ADP1055的GUI轻松地进行图形化配置。

还配置了上一节中研究的提高效率的功能(具有自适应死区和主动箝位的PS PWM)。实验结果表明，为了在RPT的主动到被动转换中实现适当的ZVS，有必要修改PWM序列中的死区时间。也就是说，二次开关的导通被修改为在每次从有源到无源间隔转换之前发生，以允许电流反转。

对RPT的适应进行了成功的测试，从次级电源的12 V输入获得初级电源的48 V。输出电压对负载和输入电压变化的调节效果非常好，相对标准偏差(RSTDEV)分别为0.1%和0.02%，如图10a所示。图10b和图10c分别显示了50%负载变化时的转换效率和阶跃响应。在两种情况下，RPT模式的效率水平与FPT模式相似，在中功率范围内均达到94%的峰值。阶跃响应参数(超调量和稳定时间)为(1%;1.5 ms)，相比之下(2%;800 μs)。观察到较低的超调和稍慢的稳定时间，构成稳定的瞬态响应。这些结果验证了数字控制器设计过程的有效性和成功，使其能够在双向功率传输中工作。

结论

用于功率转换的专用数字控制器是在能源市场中实现安全可靠应用的良好替代方案。这是因为，与微控制器设备相比，它们可以帮助更容易的FS认证，从而减少系统级设计的时间。由于这些设备通常是为单向传输电力而建造的，因此本文探讨了它们对双向运行的适应性。理论模型、仿真和实验研究证明了一种隔离的双向dc - dc转换器在基于电池的ess中的应用。结果验证了该应用的可行性，在两个能量传递方向上都取得了相似的性能。

参考电路

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