模块化电池储能系统是构建绿色能源生态系统的关键技术，因为它们有助于有效利用可再生电力。一种越来越受欢迎的应用是二次电池储能系统。在这个子市场中，预计多达 80% 的废弃电池将被重新用于固定电网服务的储能系统，从而将电池的使用寿命从 5 年延长到 15 年。预计到 2030 年，这些系统将为电网容量增加 1 TWh。这种新兴应用必将在不久的将来在能源市场中变得更加重要。
典型的实现方式包括不同的电池模块堆栈，它们通过电源转换器将能量传输到集中式交流或直流总线（用于随后以某种形式向负载分配能量）。这种类型的系统面临的挑战是每个模块都有不同的化学性质、容量和老化曲线。在传统的模块化拓扑中，弱的模块会影响整个堆栈的总可用容量（图 1）。
图 1. 模块化储能系统面临的挑战。图片由 Bodo's Power Systems提供
为了解决这一限制，在图 2 所示的架构中，电池组中的能量通过每个电池模块的单独 DC-DC 转换器传输到公共中间 DC 总线。然后，该能量通过主电源转换器用于支持集中式中压 (MV) AC 或 DC 总线。图 2 中的电压和功率水平是根据市场上储能系统的典型数据选择的：48 V 电池模块、400 V (DC) 中间 DC 总线、超过 20 kW（高功率）的主电源转换器和高达 1500 V 的集中式总线。
在图 2 中，由于堆栈中每个模块的接地参考不同，因此需要隔离才能为每个电池模块实现单独的 DC-DC 转换器。此外，为了支持混合系统（如二次电池储能系统），这些转换器中的每一个还必须能够双向传输电力。这样，可以轻松实现每个模块的独立充电/放电和充电平衡。因此，本文讨论的应用的模块是隔离和双向 DC-DC 转换器。
图 2. 基于电池的模块化 ESS。图片由 Bodo's Power Systems提供
适用于电源转换应用的专用数字控制器
对于大功率 DC-DC 转换器（大于 1 kW）中开关设备的控制，数字控制是当前行业标准，通常基于微控制器单元 (MCU)。尽管如此，工业应用对功能安全 (FS) 的日益关注可能更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 在模块化实施中尤其有益，因为它简化了设计过程，从而缩短了总体收益时间。与 MCU 相比，专用数字控制器更受青睐的一些原因包括：
微控制器依赖于软件，在 IEC 61508 开发之前，软件不允许用于安全系统，因为软件包含的状态数量太多，因此被认为不稳定。因此，使用 MCU 进行 FS 的大量工作都花在了软件开发过程中。
除了软件之外，MCU 本身也必须经过。尽管专用数字控制器（作为可配置设备）仍是数据驱动的，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 独有的。
专用数字控制器作为顺序数字机器，其功能可以通过测试完全验证，而 MCU 中的软件通常无法做到这一点。因此，使用专用控制器时，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，为 MCU 实现添加安全功能可能需要大量额外硬件。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的复杂性。
使用专用控制器时，可以在外部 MCU 中对额外的安全性（如果需要）进行编程，通常在系统级可用。
ADI 公司的 ADP1055 是一款专为隔离式 DC-DC 高功率转换而设计的数字控制器，可提供一系列功能以提高效率和安全性。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)。与市场上许多同类现成器件一样，该控制器设计用于单向能量传输，即 FPT。为了实现双向操作，必须对带有控制器的应用程序进行调整，使其也能在 RPT 下工作。下一节将探讨 FPT 和 RPT 模式下的一个重要方面，在进行调整之前必须了解这一点。这就是目标 DC-DC 转换器的效率。
实现高效能源转换
在可用于直流隔离和双向电能传输的不同技术中，图 3a 中的架构由于其实施简单而成为商业上使用广泛的架构之一。
该拓扑结构既可以看作是 FPT 中中心抽头同步整流器的电压馈电全桥，也可以看作 RPT 中全桥同步整流器的电流馈电推挽式转换器。本文以 1kW 以上高功率水平的初级 (DC 总线) 为 400 V (DC) 和次级 (电池模块) 为 48 V (DC) 的研究为例，说明了该应用的常见挑战。LTspice 用于模拟典型宽带隙 (WBG) 功率器件以 100 kHz 切换的运行。模拟中使用的参数如表 1 所示。
图 3b 中的结果显示，当使用常规硬开关 (HS) PWM 时，功率水平较高时效率会迅速下降。将 RPT 与 FTP 进行比较时，这一点更加突出。为了改善操作，确定了两种主要损耗机制，可以使用下文所述的相应开关技术来缓解这些损耗。
图 3.电源转换拓扑仿真：(a) 模型和 (b) 标准操作下的效率。图片由Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
软开关
图 4a 显示了在这种低漏电感设计中，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闭。这种情况会导致整个系统的开关损耗增加。 在这种情况下，使用相移 (PS) PWM（如 零电压开关 (ZVS) 或软开关）有助于在这些转换期间将漏极-源极电压降至零。 这可以通过提供适当的、与负载相关的死区时间来实现，从而使开关的漏极-源极电容完全放电。应用 PS 的结果如图 4b 所示。
图 4. 初级开关从被动到主动的转换，使用 (a) HS 和 (b) PS PWM。图片由 Bodo's Power Systems 提供
有源钳位
图 5a 显示了次级开关 MR1 和 MR2 关断期间，在其漏极-源极电压上观察到的较大尖峰和振铃。这些瞬态事件会危及开关的完整性、浪费能源并造成电磁干扰。使用附加开关（例如，图 3 中的 MCLAMP）进行数字控制有源钳位是缓解此尖峰负面影响的替代方案。这可以进一步提高此架构的效率。应用某种形式的有源钳位的结果如图 5b 所示。
图 5. 初级开关从被动到主动的转换，使用 (a) HS 和 (b) PS PWM。图片由 Bodo's Power Systems提供
实施这些策略可将转换器的效率从 RPT 中 5 kW 时的不到 80% 提高到 90% 以上。这些模拟研究还预测 FPT 和 RPT 的效率相似，如图 3b 所示。
为了实现这些开关功能，ADP1055 提供六个可编程 PWM 输出以形成开关时序，以及两个可配置为有源钳位缓冲器的 GPIO。这两个功能均可通过用户友好的 GUI 轻松编程。您可以在 ADP1055 EVALZ 用户指南中进一步了解这些功能以及该数字控制器的其他功能的优势，其中考虑了标准 FPT 应用。
一旦确定了实现可行效率水平的机制（适用于此应用中的 FPT 和 RPT 模式），接下来终将探索对 RPT 的适应。
反向功率传输适配
为了演示 RPT 中正在研究的应用的运行情况，我们创建了一个低压 (LV) 实验装置作为概念验证。该装置基于 ADP1055 EVALZ 用户指南中的硬件，初设计用于 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 操作调整随后涉及适当的硬件和软件修改。图 6（顶部）显示了此任务硬件方面的拟议信号链，重点如下：
四个主开关使用两个匹配的 ADuM3223 隔离式半桥栅极驱动器进行打开和关闭。这些驱动器的时序特性（ 54 ns 隔离器和驱动器传输延迟）可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经过重新布线，并补充了辅助精密 LDO (ADP1720)，以解决系统中的两个接地参考，并为应用的所有不同 IC 供电。
在测量侧，分流电阻上的电流测量端子被交换，以便在控制器的端子 CS2+ 和 CS2- 上以正确的方向测量总转换器变压器次级中的输出电流。
ADuM4195隔离放大器可以安全、准确地测量直流总线电压，这是RPT模式下的输出变量，而FPT中电池侧电压是受控输出。
图 6. 使用专用数字控制器调整 RPT 的信号链。图片由 Bodo's Power Systems提供
基于 ADuM4195 的测量方案是控制环路硬件重要的附加功能之一。除了安全的 5 kV 隔离电压（从高压初级到 LV 控制侧）、高达 4.3 V 的宽输入范围以及基准电压约 0.5% 的精度外，ADuM4195 还具有 200 kHz 的高带宽。与典型的分流调节器和光耦合器解决方案相比，这允许更快的环路操作以获得更好的瞬态响应，这对于 125 kHz 开关频率下的应用操作至关重要。图 7 显示了终的实验设置，其中图 6 的硬件附加功能在基于 ADuM4195 的测量子卡中实现，该子卡已添加到 ADP1055 EVALZ 用户指南中的原始评估板中。
图 7. RPT 概念验证的实验装置。图片由 Bodo's Power Systems 提供
图 6（底部）还描述了在软件端执行的 RPT 适配配置。对数字控制系统进行了深入研究。结果总结在流程的描述块中，如下所示：
通过改变 PWM 设置，使占空比变化与次级电感充电成比例，实现了正确的稳态响应。这是根据架构在 RPT 模式下的升压型操作实现的。
拉普拉斯域中设备的传递函数 Gp(s) 是使用交流小信号等效电路技术识别的，其中考虑了 ADP1055-EVALZ 用户指南中设计的 LCL 输出滤波器。与 FPT 不同，RPT 中的设备响应是具有右侧零点 (RHZ) 的二阶系统，这是 CCM 中升压转换器的典型特征。请注意，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。
使用 MATLAB 系统识别工具箱，根据 ADuM4195 作为隔离跟随器的频率响应（图 8）对反馈测量 Gm(s) 进行建模。确认主极点在 200 kHz 左右，因此保证快速响应保持在控制系统目标带宽之上（约为 250 kHz 可观察倍频的 10%）。
选择了在控制器的标准数字补偿器上添加极点的选项，从而降低了整个控制系统的带宽，而这对于这种非相位升压型转换器装置来说是必要的。因此，使用了公式 1 中的数字控制器（常数定义见 ADP1055 用户指南）。
图 8. ADuM4195 的频率响应。图片由 Bodo's Power Systems 提供
为了使分析保持在拉普拉斯域中，根据数字控制理论，创建了 Gc(z) 的连续时间模型 Gc(s)。因此，首先添加计算延迟 (× z -1 )，然后使用以下公式实现连续时间的终表示：
（是=（4Fs瓦+s）（4Fs瓦?s））
（b）使用 Padé 近似法模拟离散 PWM（DPWM）延迟（T sa /2=1/4f sw）
因此，，研究了开环传递函数 Gol(s) = Gp(s) Gm(s) Gc(s)，以设计稳定的响应，使用 MATLAB 控制系统设计器作为常规连续时间控制环。
本练习的主要观察之一是，如果使用与 FPT 相同的控制常数，RPT 中的响应将不稳定。因此，正确设计 Gc(s) 中常数的终值对于可靠运行至关重要。一旦通过设计实现了稳定的开环传递函数，控制器就会转换回数字域。图 9（左）显示了设计的数字滤波器 Gc(z) 的频率响应，可以使用图 9（右）中 ADP1055 的 GUI 轻松以图形方式配置。
图 9. ADP1055 上配置的数字滤波器响应。图片由 Bodo's Power Systems [PDF]提供
还配置了上一节中研究的提高效率的功能（具有自适应死区时间和有源钳位的 PS PWM）。实验表明，为了在 RPT 的主动到被动转换中实现适当的 ZVS，必须修改 PWM 序列中的死区时间。也就是说，修改了次级开关的开启时间，使其在每次从主动到被动间隔的转换之前发生，以允许电流反转。
成功测试了 RPT 适配性，初级侧从次级侧 12 V 输入获得 48 V。如图 10a 所示，实现了出色的输出电压调节，分别对负载和输入电压变化具有 0.1% 和 0.02% 的相对标准偏差 (RSTDEV)。图 10b 和图 10c 分别显示了转换效率和对 50% 负载变化的阶跃响应。在两种情况下，RPT 中的效率水平与 FPT 模式相似，在中功率范围内峰值均为 94%。RPT 中的阶跃响应参数（过冲和稳定时间）为 (1%；1.5 毫秒)，而 FPT 为 (2%；800 微秒)。观察到较低的过冲和稍慢的稳定时间，构成稳定的瞬态响应。这些结果验证了使数字控制器适应双向功率传输的设计过程的有效性和成功性。
图 10. 结果 (a) 输出电压调节、(b) 效率和 (c) RPT 模式下 50% 负载阶跃响应。图片由 Bodo's Power Systems提供 [PDF]
用于电源转换的专用数字控制器和微控制器
专用于电源转换的数字控制器是实现能源市场中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，它们可以帮助更轻松地进行 FS ，从而缩短系统级设计的收入时间。由于这些设备通常是为单向电力传输而构建的，因此本文探讨了它们对双向操作的适应性。理论模型、模拟和实验研究证明了隔离双向 DC-DC 转换器在基于电池的储能系统中的应用。结果验证了该应用的可行性，两个能量传输方向均实现了相似的性能。
