双向DC-DC变换器作为储能系统中的功率变换装置,能够实现电池的充电与放电双向能量流动,其广泛应用于电化学储能、电动汽车等领域。
本篇中我们基于EasyGo实时仿真器EGBox Mini,对双向DC-DC电池充放电系统进行仿真实验。通过离线与实时仿真对比,验证了EasyGo实时仿真平台在双向DC-DC电池充放电系统中的准确性与可靠性,可在科研与教学中替代真实设备完成仿真验证。
双向DC-DC电池充放电系统
DC-DC电池模型常用于控制电池的充电与放电,其广泛运用于储能系统中,电路拓扑结构如下图。

其中低压侧为电池模型,额定电压3.7V,高压侧为直流电源,电压24V;为使直流侧电流波形更加平滑,整体拓扑采用3路双向DC-DC并联的形式。
控制策略采用恒定电流闭环控制,该控制方式适用于储能类电源正常的充电或放电,其控制框图如下图。

通过改变电流给定值的正负可以实现对电池的充电或者放电。当电流给定值为正时,电流从电池流出,电池放电;当电流给定值为负时,电流流入电池,电池充电。
离线仿真
搭建双向DC-DC电池充放电模型如下所示。上方为主拓扑部分,下方为控制策略以及观测窗口。
56ceed7e-b340-11f1-90a1-92fbcf53809c.png
模型运行时,设置初始电流给定值为3A,此时电池放电;在0.15s时,电流设定值变化为-3A,此时电池充电。0.01s时,脉冲发出。
实际波形如下图所示:

从波形可以看出:在0.01s使能信号发出之后,电流在短时间被控制到设定值 3A,SOC开始逐步减小,此时电池放电;在0.15s时,电流设定值变化为-3A,SOC开始逐步增大,此时电池充电。
EasyGo 实时仿真
EGBox Mini产品系列是基于CPU+FPGA 硬件架构设计的一体式紧凑型实时仿真产品,属于 EGBox 系列实时仿真器的入门级产品。其不同型号可完成硬件在环测试系统(HIL)或者快速控制原型系统(RCP)。 将控制模型和拓扑模型分别通过仿真上位机部署进两个实时仿真器(EGBox Mini),整体架构如下图所示:

运行模型,设定初始电流给定值为3A,实时模型运行结果如下图所示,视图参数如下表。

改变电流设定值变化为-3A,运行结果如下图:


可以看到:启动控制后,电流快速稳定至设定值3A,SOC 逐步减小,电池处于放电状态,功率约12W,系统响应迅速。电流设定值变为-3A后,电流反向,功率反向,电池从放电切换为充电状态,电池电流以及功率相应变化,与离线结果一致。

实验证明,EasyGo实时仿真平台可精准复现双向DC-DC电池充放电系统动态过程,仿真结果准确可靠,可替代真实设备完成控制算法验证、动态性能测试与系统调试。