蓄电池储能系统的双向DC-DC降压升压

一、基本概念与工作原理

双向DC-DC变换器是蓄电池储能系统的核心功率转换装置，能够实现能量的双向流动：

• 降压模式(Buck)：当电网/直流母线向电池充电时，将高压侧电压降低至电池充电电压

• 升压模式(Boost)：当电池向电网/负载放电时，将电池电压升高至系统所需电压

典型拓扑结构

1. 非隔离型双向Buck-Boost拓扑

   • 由两个MOSFET、电感和电容组成

   • 结构简单、效率高

   • 适用于输入输出共地的应用场景

2. 隔离型双向拓扑

   • 全桥/半桥LLC谐振变换器

   • 带高频变压器实现电气隔离

   • 适用于需要隔离的场合

二、关键控制技术

1. 工作模式控制

• 电压模式控制：通过输出电压反馈调节占空比

• 电流模式控制：增加电感电流内环，动态响应更好

• 数字控制策略：采用DSP实现先进控制算法

2. 模式切换策略

 

// 伪代码示例：模式切换逻辑
if (V_bat < V_ref && I_demand > 0) {
    // 升压放电模式
    enable_boost_mode();
} else if (V_bat > V_ref && I_demand < 0) {
    // 降压充电模式
    enable_buck_mode();
} else {
    // 待机或关闭状态
    enter_idle_mode();
}

参考代码

3. 同步整流技术

• 采用MOSFET替代二极管整流

• 显著降低导通损耗

• 需要精确的死区时间控制

三、设计考虑因素

1. 参数设计

• 电感选择：

  L = (V_in × D × (1-D)) / (ΔI_L × f_sw)

  其中ΔI_L为纹波电流(通常取额定电流的20-30%)，f_sw为开关频率

• 电容选择：

  C_out = ΔI_L / (8 × f_sw × ΔV_out)

   

  ΔV_out为允许的输出电压纹波

2. 效率优化

• 选择低Rds(on)的MOSFET

• 优化PCB布局降低寄生参数

• 采用软开关技术(如ZVS/ZCS)

3. 保护功能

• 过压/欠压保护

• 过流保护

• 电池极性反接保护

• 温度监控

四、典型应用场景

1. 光伏储能系统

   • 白天光伏充电(降压模式)

   • 夜间电池放电(升压模式)

2. 电动汽车

   • 车载充电机(OBC)中的双向转换

   • 48V-400V电压转换

3. 微电网系统

   • 直流母线电压稳定

   • 多源能量协调管理

五、最新技术发展

1. 宽禁带器件应用

   • SiC/GaN器件提高开关频率

   • 减小无源元件体积

2. 智能预测控制

   • 基于电池SOC的预测能量管理

   • 人工智能优化控制参数

3. 模块化设计

   • 多相交错并联技术

   • 实现功率扩展和纹波抵消

六、设计实例

48V-400V双向DC-DC规格示例：

• 额定功率：5kW

• 电池侧电压：40-60V

• 高压侧电压：350-450V

• 峰值效率：>96%

• 开关频率：100kHz(SiC MOSFET)

• 控制方式：电流模式数字控制

双向DC-DC变换器作为蓄电池储能系统的"桥梁"，其性能直接影响整个系统的效率、可靠性和成本，需要根据具体应用场景优化设计。