电池储能系统双向DC-DC变换器设计之电路拓扑

双向DC-DC变换器凭借自身独有优势，目前已经在电动汽车、工业控制以及电池研发等领域得到了广泛应用。在今天和明天的方案分享中，我们将会为大家分享一种电池储能系统双向DC-DC变换器的设计方案，今天我们先就这一方案的电路拓扑和工作原理情况来展开简要的分析和介绍。

首先我们来看一下，这一方案的设计原理。在电池电池储能系统中，如果是单组电池，则只需一个PWM双向并网变换器就可以实现电池的充放电功能。在多电池组储能系统中，各电池不能并联，需独立充放电，仅一个PWM双向并网变换器满足不了系统要求，虽然也可以每个电池组均配一个PWM双向并网变换器，但这样的成本较高，其完成后的DC-DC变换器体积较大，性价比整体也比较低。

在平时的实际应用过程中，由于双向型DC-DC变换器有时候也会被应用到多电池组的储能系统中，因此图1所示主电路拓扑结构是该种条件下常用到的，即多个DC-DC变换器+1个PWM双向并网变流器所组成的拓扑形式。这种拓扑结构最大的特点就是简洁紧凑，性价比也非常高，即在电网端配置一个PWM双向并网变流器，在电池端则根据电池组数量，配置相应数量的DC-DC变换器，如果将DC-DC变换器和PWM双向并网变流器连接点电压称为直流母线电压（Vdc），当电池充放电时，DC-DC变换器只需根据系统要求，往直流母线回馈或吸收能量，而PWM双向并网变流器则通过与电网能量的双向流动，保证直流母线电压（Vdc）的稳定。

图1 主电路拓扑

下图中，图2所示另一种比较常见的双向型DC-DC变换器拓扑结构。可以看到，使用该种拓扑的变换器，当电池放电时将会以Boost模式工作，而当电池充电时，变换器则会以Buck模式工作。该变换器的特点是结构简单、开关器件数量少、损耗小、驱动和控制电路简单、电池侧输出采用LCL滤波，能有效地减小电池端的纹波电压和纹波电流，该变换器的不足是电池和直流母线不隔离，共地。

图2 一种常见的双向DC-DC变换器拓扑

为了符合多锂电池组储能系统的工作要求，同时达到低能耗、高转化率的设计要求，我们所研制的120kW双向DC-DC变换器选择采用图2所示拓扑。在这一系统中共设计有3组独立电池，每组电池和变换器直流母线电压参数为：单组电池额定电压DC400V。单组电池电压范围DC330～DC460V。单组电池最大充电电流110A。单组电池最大放电电流110A。变换器直流母线额定电压Vdc为DC500V。

为了能够保持较好的兼容性，本文研制的120kW双向DC-DC变换器在图2所示的拓扑结构的基础上，选择采用2个三相IGBT全桥电路（PWM1和PWM2）构成，如下图图3所示。从图3中可以看到，在该系统中，两个半桥输出并联作为1路DC-DC变换器，其最大的优势在于双向DC-DC变换器与PWM双向并网变换器均是采用的三相IGBT全桥电路，因此二者的IGBT功率模块（IGBT、散热器、电容）IGBT的驱动及控制电路均可以借用，减少了开发时间，维护也比较方便。而一旦遇到电网断电的情况时，这一双向DC-DC变换器还能作为电压源输出，即以Boost模式工作，输出电压Vdc稳定，后级PWM双向并网变流器则做孤岛运行，断开KM1、闭合KM2，保证关键负荷供电。

图3 三组电池储能系统双向DC-DC变换器

以上就是本文针对一种电池储能系统专用的双向DC-DC变换器主电路拓扑，所进行的分享和简要介绍。在明天的文章中，我们将会继续就该种类型变换器的硬件及电路设计情况进行详细介绍，欢迎大家继续关注。