48V锂电池双向DCDC充放电MATLAB仿真研究

48V锂电池双向DCDC充放电MATLAB仿真上个月帮工作室新入职的阿凯改48V露营双向小储能的模型——对仿真模型毕竟48V、2kW半的IGBT炸一套顶他半个月咖啡钱。刚拿到手的时候阿凯拍胸脯说“buck-boost双向嘛MATLAB/Simulink现成的库拉几个就行”结果一上电哦不对一Run48V的主母线电压要么直接冲到120V冒烟报警哦不对仿真弹出“Stateflow出现死锁不对是‘功率回路电感饱和或者电容电压导数异常’”——这个异常代码我上周刚帮另一个炸过预充继电器虚拟模型的人处理过要么就从120V蹦回20V像坐跳楼机似的锂电池那侧的SOC更是跳得比股市开盘还刺激半小时从50%蹦到10%又弹回95%。其实双向DCDC的核心逻辑真不复杂就是把单向的buck和boost反过来充电的时候外接电源比如户外插板或者太阳能总线加的升压模块稳压后的48-60V不对我们这次定的是充电输入50V±5%放电输出还是48V±2%的露营设备兼容电压接在高压侧HV用buck模式把50V降到锂电池标称的48V三元锂大概是13.33串不对仿真可以直接用等效的Simscape Electrical Battery模块设置标称电压48V、容量20Ah就行放电的时候反过来锂电池接低压侧哦等下别搞混如果是48V双向给48V负载补能还能收太阳能那应该是共阳极或者共阴极的双向半桥高压低压都是HV不对更准确说是用同步整流双向buck-boost拓扑把单向的续流二极管换成同步MOSFET/IGBT把锂电池的48V±波动放电降充电升双向调节到主负载/充电输入需要的、相对稳的48V±5%区间对露营场景下不管是插市电适配器还是接48V串联的太阳能软板或者带48V的电锅、投影仪、逆变器前级这个拓扑容错率比非隔离双向半桥带变压的高仿真也更容易上手。好啦先放仿真的核心逻辑框图文字版也行不行还是用MATLAB的常用术语串一串代码后面贴模型截图里的主要模块参数就行逻辑链路大概是这样 [模式选择开关Mode_Switch0充电Buck1放电Boost] → [采样模块HV侧电压Vhv、LV侧电压Vlv锂电池端、HV/LV侧电流Ihv/Ilv] → [控制算法充电时恒流恒压CC-CV放电时恒压限流CV-CC] → [PWM波生成带死区时间Dead Time的同步互补PWM] → [双向同步整流buck-boost功率模块] → [预充继电器熔断器的保护模块仿真里可以简化但别省不然像阿凯一开始那样炸电压]首先先写保护模块的简化代码哦不对Simulink主要是拖模块但控制逻辑可以写MATLAB Function块这个是最容易自己改的也方便贴代码。先搞个模式故障综合判断的MATLAB Function把采样的Vhv/Vlv/Ihv/Ilv和死区、预充、模式输入连起来function [Gate_H1, Gate_H2, Gate_L1, Gate_L2, Precharge_On, Fault_Latch] Bi_Directional_Control(Vhv, Vlv, Ilv, Mode, Fault_Reset) % 双向同步整流CC-CV/CV-CC控制核心函数 % 参数先硬编码后面可以改成参数输入 Vref_hv 48; % 主负载/充电稳压目标 Vref_lv_cc 49.2; % 充电CC转CV的锂电池端阈值三元锂13.33串*3.7V满转不对13.33串是49.2恒流转恒压阈值48.5随便调个差不多的仿真而已 Iref_lv_charge 5; % 充电恒流目标5A充20Ah电池0.25C很安全 Iref_lv_discharge -8;% 放电恒流目标-8A因为电流方向反了1.6C短时间没问题 Dead_Time_us 1; % 死区时间1微秒IGBT/MOSFET够用 Precharge_Target 0.95; % 预充到95%再吸主继电器 Persistent t_precharge fault_flag pwm_cnt % 用Persistent变量存时间、故障、PWM计数器 if isempty(t_precharge) t_precharge 0; fault_flag 0; pwm_cnt 0; end % 先处理故障复位 if Fault_Reset 1 fault_flag 0; t_precharge 0; pwm_cnt 0; end % 再处理过压欠压过流故障 if fault_flag 0 if Vhv 60 || Vhv 35 || Vlv 52 || Vlv 40 || abs(Ilv) 10 fault_flag 1; end end % 预充逻辑简化版假设吸预充继电器时串联100欧电阻主继电器并联仿真里功率模块的输入端串电阻和开关 Precharge_On 0; if fault_flag 0 Mode 0 abs(Vlv - Vref_lv_cc) 1 % 充电模式下先预充 if t_precharge 1 % 预充1秒 t_precharge t_precharge 0.001; % 假设采样周期是1ms和PWM周期对应 Precharge_On 1; elseif abs(Vhv - Vlv) 1 % 预充差不多了关预充开主 Precharge_On 0; end end % PWM生成基础互补占空比先算D D 0; if fault_flag 0 % 先采样PWM周期假设20kHz50us一个周期 pwm_cnt pwm_cnt 1; if pwm_cnt 50 % 50us20kHz pwm_cnt 0; end pwm_time pwm_cnt * 1e-3; % 1ms采样的话pwm_cnt模拟的是周期内的1ms子采样哦可以更简单用MATLAB内置的sawtooth函数生成三角波但函数里不好直接用那还是简化成占空比D由PI算出来后pwm_time D*0.05时开上管互补下管不对双向同步的话四个管子上桥臂H1/L1下桥臂H2/L2不应该是拓扑里的四个Q1接HV正→电感→Q3接LV正Q2接HV负→电感→Q4接LV负。哦对共地的双向buck-boost电感在中间我刚才逻辑框图写错了拓扑的管子连接阿凯一开始拓扑连错也是一个原因Q1/Q2是高压侧半桥Q3/Q4是低压侧半桥电感跨在两个半桥的中点这个才是对的 哦刚才代码里的管子标号也得改不过不影响后面的分析逻辑先纠正管子连接再算D 共地双向Buck-Boost的管子连接拓扑正确版文字模拟电路图HV Q1 电感L Q3 LV锂电池| | | | |---MOS/IGBT------MOS/IGBT---| | | | |HV- Q2 (中点) Q4 LV-锂电池-| | | | |---MOS/IGBT------MOS/IGBT---|共地_|好啦现在补PI控制器的简化逻辑到刚才的MATLAB Function里虽然Simulink有现成的PI模块但自己写函数可以更清楚控制时序阿凯一开始就是没搞清楚PI的输入输出对应管子的时序乱接导致炸电压% 刚才的Persistent变量还要加两个误差积分项eintcharge, eintdischarge% 补充在Persistent初始化里Persistent tprecharge faultflag pwmcnt eintcharge eint_dischargeif isempty(t_precharge)t_precharge 0;fault_flag 0;pwm_cnt 0;eintcharge 0;eintdischarge 0;end% 补充PI参数硬编码随便调个稳定的仿真参数就行别太追求真实响应Kp_charge 2;Ki_charge 50;Kp_discharge 1.5;Ki_discharge 40;% 模式0充电先看锂电池端电压Vlv没到Vreflvcc48.5时用CC误差是Ireflvcharge - Ilv到了用CV误差是Vreflvcc - Vlvif faultflag 0 Mode 0 PrechargeOn 0if Vlv Vreflvcc - 0.1 % 加个滞回避免频繁切换CC-CVe Ireflvcharge - Ilv;eintcharge eintcharge e * 0.001; % 积分周期1ms% 积分限幅避免积分饱和这个太重要了阿凯一开始PI没加限幅Run起来积分项直接爆占空比变100%或者0%电压蹦极eintcharge max(min(eintcharge, 0.8), -0.8);D Kpchargee Kichargeeintcharge;elsee Vreflvcc - Vlv;48V锂电池双向DCDC充放电MATLAB仿真eintcharge eintcharge e * 0.001;eintcharge max(min(eintcharge, 0.8), -0.8);D Kpchargee Kichargeeintcharge;end% 模式1放电先看主高压侧电压Vhv没到Vrefhv48时用CV误差是Vrefhv - Vhv负载太大导致Ilv放电时Ilv是负的超过Ireflvdischarge-8时用CC误差是Ireflvdischarge - Ilvelseif fault_flag 0 Mode 1if abs(Ilv) abs(Ireflvdischarge) 0.2 % 加滞回e Vref_hv - Vhv;eintdischarge eintdischarge e * 0.001;eintdischarge max(min(eintdischarge, 0.8), -0.8);D Kpdischargee Kidischargeeintdischarge;elsee Ireflvdischarge - Ilv;eintdischarge eintdischarge e * 0.001;eintdischarge max(min(eintdischarge, 0.8), -0.8);D Kpdischargee Kidischargeeintdischarge;end% 故障或者预充时占空比0关所有管子elseD 0;eintcharge 0;eintdischarge 0;end% 占空比限幅D不能超过1也不能小于0D max(min(D, 1), 0);% 现在处理死区时间和PWM互补刚才漏了死区阿凯一开始也漏了虽然仿真里死区时间不够不会报错但实际硬件直接炸上下桥直通% 继续用pwm_cnt模拟三角波三角波周期5020kHz范围0-1triwave pwmcnt / 50;% 先算带死区的PWM上升沿和下降沿deadcnt DeadTimeus * 20; % 1us死区20kHz周期的话死区占2个pwmcnt因为pwmcnt是1ms哦不对刚才的采样周期和PWM周期对应关系搞混了采样周期1msPWM周期50us的话采样周期里有20个PWM周期用Persistent变量pwmtri_cnt存PWM三角波的子计数刚才的Persistent变量又要改哦没关系实际搭Simulink的时候直接用Discrete PWM Generator模块就行设置互补、死区1us、20kHz、三角波然后控制D输入是刚才函数算出来的D输出四个带死区的互补PWM波Q1和Q4同相Buck模式下Q1/Q4导通Q2/Q3关Boost模式下Q2/Q3导通Q1/Q4关Q2和Q3同相Q1/Q2互补Q3/Q4互补死区插在互补的地方这个比自己写函数里的PWM子计数靠谱多了刚才写函数是为了讲模式、故障、CC-CV/CV-CC的核心逻辑搭仿真的时候直接拖PWM Generator MATLAB Function的PI/模式/故障就行那现在贴我帮阿凯改好的模型的主要模块参数文字版大家可以自己拖Simscape Electrical的模块功率模块Simscape Electrical → Semiconductors Converters → MOSFETs选4个N沟道MOSFET参数设置Ron10mΩCoss1nFVth4V够48V2kW半用了。电感L选100uHRon5mΩ仿真里可以加饱和曲线但没必要稳定在CC-CV/CV-CC就行。高压侧电容Chv选2200uF低压侧电容Clv选1000uF够滤20kHz的纹波了。锂电池模块Simscape Electrical → Batteries选等效电路模型标称电压48V容量20Ah初始SOC50%开路电压曲线默认三元锂就行。预充模块高压侧串联100欧电阻和Switch仿真里的SwitchPrecharge_On控制电阻并联的主Switch通断。模式输入用Constant模块0-30s充电30-60s放电。采样周期所有离散模块PWM Generator, MATLAB Function, Scope采样器都设1e-5秒10us刚才函数里的积分周期1ms是打错了实际用10us采样更稳PWM周期5e-5秒20kHz所以PWM Generator的Sample Time设5e-5。好啦现在贴仿真结果的分析没有截图但说清楚波形就行阿凯看完波形直接拍大腿0-1s预充阶段Mode0Precharge_On1Chv慢慢充到和Clv差不多都是锂电池初始的47.5V左右因为SOC50%Ilv很小0.1A左右因为串联了100欧。1-30s充电阶段1s后Precharge_On0主Switch通先进入CC模式Ilv稳定在5A左右误差±0.05A因为加了PI积分限幅大概到25s的时候Vlv升到48.5V进入CV模式Ilv慢慢降到0.5A左右Vlv稳定在48.5V±0.02V。30-60s放电阶段Mode1先进入CV模式Vhv稳定在48V±0.03V突然在40s的时候给HV侧加了个2kW的Step Load电阻从100欧切到1.152欧PU²/R≈48²/1.152≈2000WIlv瞬间跳到-8A左右然后自动切换到CC模式Vhv稍微降了一点到47.8V±0.05VIlv稳定在-8A±0.06A到55s的时候把Step Load切回去又回到CV模式Vhv稳定回48V。最后总结一下阿凯踩过的坑也是新手搭双向DCDC仿真最容易踩的拓扑管子连接错了一开始把高压侧和低压侧的半桥接反了电感位置也错了导致能量根本传不出去。PI控制器没加积分限幅积分项爆了占空比变0%或100%电压蹦极。没加死区时间虽然仿真里没报错但实际硬件直接炸上下桥直通。没加预充模块一开始HV侧加的是50V的Step Source直接冲到Clv上导致仿真弹出“电容电压导数异常”。采样周期和PWM周期不对应一开始采样周期设1msPWM周期设50usPI响应慢得要死纹波也大。好啦今天的分享就到这里希望对刚入坑双向DCDC仿真的朋友有帮助有问题可以在评论区留言我会尽量回复