CC BY
30УДК 629.7.064.52
ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКОВОЛЬТНОГО ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНОГО УСТРОЙСТВА ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Е. А. Копылов, Е. А. Мизрах, Д. К. Лобанов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: u649@yandex.ru
Проведено исследование статических и динамических характеристик низковольтного импульсного преобразователя напряжения зарядно-разрядного устройства литий-ионных аккумуляторов космических аппаратов.
Ключевые слова: зарядно-разрядное устройство, аккумулятор, импульсный преобразователь.
LITHIUM-ION CELLS CHARGE-DISCHARGE DEVICE LOW-VOLTAGE PULSE
CONVERTER INVESTIGATION
Е. А. Kopylov, Е. А. Mizrakh, D. К. Lobanov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: u649@yandex.ru
Authors investigated static and dynamic characteristics of the low-voltage pulse converter for spacecraft lithium-ion cells charge-discharge device.
Keywords: charge-discharge device, battery cell, pulse converter.
Для наземных испытаний литий-ионных аккумуляторов используются зарядно-разрядные устройства (ЗРУ) [1; 2], содержащие в себе: источник питания, два преобразователя, систему управления и четыре ключа, позволяющие менять направление тока через аккумуляторный элемент (АЭ), тем самым обеспечивает смену режимов заряд-разряд.
Два импульсных преобразователя были применены для обеспечения требуемых характеристик заряд-но-разрядного устройства. Причем, первый преобразователь стабилизирует ток аккумулятора, а второй преобразователь стабилизирует выходное напряжение первого преобразователя, что определяет систему управления как двухконтурную. Поскольку между преобразователями существует взаимовлияние, то обеспечить устойчивость такой системы относительно сложно [3-5]. С целью упрощения в данной работе было предложено объединить два преобразователя в один и упростить систему управления до одноконтурной. При этом необходимо сохранить широкий диапазон регулирования входного тока преобразователя (от 0 до 160 А).
Для достижения поставленной цели в работе была разработана структурная схема ЗРУ (рис. 1), составлено математическое описание импульсного преобразователя напряжения (ИПН), проведен анализ его статических и динамических характеристик, разработана имитационная модель преобразователя для пакета схемотехнического моделирования Мюго-САР, проведены вычислительные эксперименты.
Для обеспечения режима стабилизации тока заряда/ разряда АЭ, основу ЗРУ (рис. 1) составляет стабилизатор входного тока, содержащий импульсный повышающий преобразователь (ИПП) и мостовой трансформаторный преобразователь (МТП), объединенные в один ИПН, датчик тока (ДТ) и систему управления (СУ). ИПП обеспечивает низкие пульсации входного тока за счет наличия входного дросселя, что позволяет поддерживать удовлетворительный режим токов входной емкости импульсного преобразователя тока. ИПП работает с постоянным коэффициентом заполнения. МТП представляет собой мостовой преобразователь с трансформаторной гальванической развязкой. За счёт использования трансформатора обеспечивается относительно большой коэффициент трансформации напряжения. Входной ток ИПН регулируется путем соответствующего изменения коэффициента заполнения сигнала управления МТП.
Для проверки принятых схемотехнических решений и исследования статических и динамических свойств была разработана имитационная модель ИПН в пакете схемотехнического моделирования Мюго-САР и проведены вычислительные эксперименты (рис. 2).
Из рис. 2 видно, что ИПН обеспечивает широкий диапазон регулирования тока аккумулятора. Расхождение графиков связано с тем, что при математическом расчете не учитывалось «мёртвое» время (временная задержка коммутации ключей, необходимая для исключения возникновения сквозных токов).
Решетневскуе чтения. 2018
Рис. 1. Структурная схема ЗРУ: ИП - источник питания; ОС - обратная связь; ИПП - импульсный повышающий преобразователь; МТП - мостовой трансформаторный преобразователь; ИПН - импульсный преобразователь напряжения; ДТ - датчик тока; ДН1 - датчик напряжения; УГР - устройство гальванической
развязки; АЭ - аккумуляторный элемент; СУ - система управления; 51-54 - ключи; ЯН - сопротивление нагрузки; и1 - входное напряжение ИПН; П2 - входное напряжение ИПН; и3 - выходное напряжение ИПН; 11 - входной ток ИПН; /2 - входной ток МТП; /3 - выходной ток ИПН
Коэффициент заполнения ** График полученный в результате математического расчета Расчетный график
Рис. 2. Регулировочная характеристика ИПН
Таким образом, в ходе данной работы была разработана структурная схема ИПН, составлено математическое описание ИПН, были разработаны функциональные схемы, проведен анализ статической погрешности, устойчивости и коррекция, разработана методика синтеза ИПН, разработана имитационная модель для пакета Мюго-САР.
Библиографические ссылки
1. Патент на полезную модель 123530 Российская Федерация, МПК7 в0Ш 27/416. Устройство для ис-
пытания аккумуляторного элемента / Мизрах Е. А., Копылов Е. А., Нестеришин М. В., Козлов Р. В., Лобанов Д. К. № 2012127508/28 ; заявл. 02.07.2012 ; опубл. 27.12.2012, Бюл. № 36.
2. Патент на полезную модель 153595 Российская Федерация, МПК7 H02M 3/335, H02M 3/337, H02M 3/28, H02M 3/24. Преобразователь напряжения / Мизрах Е. А., Лобанов Д. К., Федченко А. С. Копылов Е. А. № 2014147920/07 ; заявл. 27.11.2014 ; опубл. 27.07.2015, Бюл. № 21.
3. Kopylov E. A., Lobanov D. K., Mizrakh E. A. Control process absolute stability analysis of charge-
discharge device with load converter in constant power mode // Siberian Journal of Science and Technology. 2018. Vol. 19, No. 2. P. 281-292.
4. Study of a lithium-ion battery charge-discharge test unit characteristics / Fedchenko A. S., Kopylov E. A., Lobanov D. K., Mizrah E. A. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 122. P. 012015. Doi: 10.1088/1757- 899X/122/1/012015.
5. Static accuracy of the automated stand for lithiumion batteries testing. Fedchenko A. S., Kopylov E. A., Lobanov D. K., Mizrah E. A. 18th Mediterranean Electro-technical Conference (MELECON), 2016. P. 7495336. Doi: 10.1109/MELC0N.2016.7495336.
References
1. Mizrakh Е. А., Kopylov Е. А., Nesterishin М. V., Kozlov R. V., Lobanov D. K Ustroystvo dlya ispytaniya akkumulyatornogo elementa [Device for battery cell testing]. Patent RF, No. 123530, 2012.
2. Mizrakh Е. А., Lobanov D. К., Fedchenko A. S., Kopylov Е. А. Preobrazovatel napryajeniya [Voltage converter]. Patent RF, No. 153595, 2015.
3. Kopylov E. A., Lobanov D. K., Mizrakh E. A. Control process absolute stability analysis of charge-discharge device with load converter in constant power mode. Siberian Journal of Science and Technology. 2018, Vol. 19, No. 2. P. 281-292.
4. Fedchenko A. S., Kopylov E. A., Lobanov D. K., Mizrah E. A. Study of a lithium-ion battery chargedischarge test unit characteristics. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 122. P. 012015. Doi: 10.1088/1757- 899X/122/1/012015.
5. Fedchenko A. S., Kopylov E. A., Lobanov D. K., Mizrah E. A. Static accuracy of the automated stand for lithiumion batteries testing. 18th Mediterranean Electro-technical Conference (MELECON), 2016. P. 7495336. Doi: 10.1109/MELC0N.2016.7495336.
© Копылов Е. А., Мизрах Е. А., Лобанов Д. К., 2018
