邵建設，馬穎杰，聶合文，胡梓明，殷　爽，吳　璐

(黃岡師范學院 電子信息學院，湖北 黃州 438000)

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蓄電池儲能雙向DC/DC變換器的設計

邵建設，馬穎杰，聶合文，胡梓明，殷爽，吳璐

(黃岡師范學院 電子信息學院，湖北 黃州 438000)

為了研究蓄電池的充放電特性，利用性價比高的MSP430F149單片機作為中心控制芯片，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制方法，搭建了一個蓄電池儲能實驗裝置。該裝置由雙向DC/DC變換電路、測控電路、開關(guān)保護電路、開關(guān)管驅(qū)動電路、彩屏顯示電路、電源電路組成，該裝置實現(xiàn)了對電池恒流充電、恒壓放電、過充保護、電路中電流電壓彩屏顯示等功能。該系統(tǒng)具有操作簡便、測試方便和成本低廉的特點。

蓄電池儲能；DC/DC變換器；PWM；恒流充電；恒壓放電；過充保護

雙向DC/DC變換器越來越多地應用在需要能量雙向流動的場合，例如在直流不停電電源系統(tǒng)、航天電源系統(tǒng)和電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)等工程應用場合有重要的應用[1]。雙向DC/DC變換器的應用可以大幅度地減輕系統(tǒng)的體積和重量，從而減小制造成本。在雙向DC/DC變換電路中，往往采用蓄電池來進行儲能，怎樣可靠地高效地實現(xiàn)蓄電池的儲能充電和放電控制，是一個值得深入研究的課題[2]。

本文為了研究蓄電池的充放電特性，設計并制作了一個蓄電池儲能實驗裝置。在該實驗裝置中蓄電池的充放電由雙向DC/DC變換器來實現(xiàn)，采用MSP430F149單片機用于裝置的中心控制，各種控制功能均由按鍵設定和控制。蓄電池儲能裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電池組由5節(jié)18650型、容量為3 000mAh鋰電子電池串組成。雙向DC/DC變換電路采用非隔離型的Buck/Boost拓撲結(jié)構(gòu)。輔助電源對測控電路和雙向DC/DC控制電路提供電源。測控電路檢測和測量雙向DC/DC變換電路的兩側(cè)的輸入電壓U1和電流I1、輸出電壓U2和電流I2、以及直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓US。RL為模擬負載，阻值為30Ω。RS模擬直流穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻，阻值為5Ω。S1、S2和S3為模擬開關(guān)。實驗研究電池組在恒流充電、恒壓放電以及充放電制動切換三種模式下的充放電特性。

圖1　蓄電池儲能裝置結(jié)構(gòu)框圖

1　蓄電池儲能裝置電路方案選擇

1.1雙向DC/DC電路主電路方案選擇

方案一：非隔離開關(guān)轉(zhuǎn)換器。結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本較低；輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬且適合用于低電壓場合；只能升壓或降壓或極性轉(zhuǎn)換，輸出電壓不能與輸入電壓相等。輸入和輸出不隔離，如果用市電供電，人接觸電源的輸出端或地端可能有觸電危險。方案二：隔離式開關(guān)轉(zhuǎn)換器。體積較大，同等體積的功率較小。輸入和輸出隔離，后級對大地無危險電壓，輸出電壓可以與輸入電壓相等或是一個可以包含輸入電壓的范圍。比較以上兩種方案，由于方案一相比于方案二具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，且輸出電壓范圍寬適用于低電壓場合，故選擇方案一[3-4]。

1.2雙向DC/DC電路控制方案選擇

方案一：采用傳統(tǒng)的PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，控制可靠，性能價格比高。雙向DC/DC電路的控制可以采用此方案。方案二：采用DSP(數(shù)字信號處理芯片)TMS320LF2407A作為電路的控制。DSP芯片價格較高，編程控制是技術(shù)關(guān)鍵，便于實現(xiàn)智能化控制。當控制電路的控制策略復雜時，采用此方案是一個不錯的選擇。方案三：采用EDA(電路輔助設計)芯片作為電路的控制。SPWM波形的產(chǎn)生硬件電路，通過EDA芯片完成，編程控制是關(guān)鍵。EDA芯片價格較高。當控制電路比較復雜時，采用EDA軟件編程的方法來實現(xiàn)，使用很方便。鑒于本文所述的雙向DC/DC電路的控制電路的復雜程度，采用方案一，系統(tǒng)具有較高的性能價格比[5]。

2　電路理論分析與設計

2.1系統(tǒng)總體框圖

圖2為蓄電池儲能模擬裝置系統(tǒng)總體原理框圖。采用美國德州儀器(TI)MSP430F149單片機作為主控制器。MSP430系列單片機是1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集(RISC)的混合信號處理器(Mixed Signal Processor)，它具有處理能力強、運算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富等特點[6]。電阻R1和R2組成分壓電路,通過單片機A/D采樣端口采樣電池組端電壓。C1為電池組側(cè)濾波電容。I1和I2通過電流測量電路后分別輸出至單片機的A/D采樣端口。U1通過電阻R1和R2分壓、U2通過電阻R3和R4分壓、US通過電阻R5和R6分壓后分別輸出至單片機的A/D采樣端口。S1、S2和S3分別為三個繼電器的常開觸點，這三個繼電器的線圈的通電和斷電受到單片機的控制。

圖2　蓄電池儲能模擬裝置總體原理框圖

Buck/Boost雙向DC/DC變換器有三種工作模式[7],開關(guān)管Q1和Q2的控制信號采用脈沖調(diào)制寬度(PWM)來控制。

(1)Buck工作模式：在此模式下，鋰電池充電。開關(guān)管Q2保持關(guān)斷狀態(tài)，當開關(guān)管Q1導通時，二極管D1和D2承受方向電壓關(guān)斷，儲能電池組向鋰電池充電，同時給L儲能；當開關(guān)管Q1關(guān)斷時，電感電流二極管D2構(gòu)成續(xù)流回路，對鋰電池充電，電容C2用來維持鋰電池端電壓的穩(wěn)定并進行濾波。

(2)Boost工作模式：在此模式下，鋰電池放電。開關(guān)管Q1保持關(guān)斷狀態(tài)，當開關(guān)管Q2導通時，鋰電池給電感L充電儲能；當開關(guān)管Q2關(guān)斷時，鋰電池和電感L同時給鋰電池充電，電容C2用來維持儲能電池組端電壓的穩(wěn)定并進行濾波。

(3)關(guān)機模式：再此模式下，開關(guān)管Q1和Q2保持關(guān)斷狀態(tài)，雙向DC/DC變換器停止工作，鋰電池停止充電。

2.2雙向DC/DC主回路參數(shù)選擇及計算

2.2.1濾波電感L的確定

濾波電感大，系統(tǒng)響應速度慢，但紋波系數(shù)?。蝗绻麨V波電感小，系統(tǒng)響應速度就快，但紋波系數(shù)大。綜合上述兩點，選取的電感應保證流過其中的電流紋波不超過額定輸出電流的10%。最大充電電流為2A，整個工作過程中電感的峰值電流不會超過2.7A。選取電感大小為0.25mH。開關(guān)管Q1和Q2額定工作頻率選取為7 000Hz。

2.2.2濾波電容C2的確定

電容C2參數(shù)的選定思想：穩(wěn)態(tài)工作時，電感中電流是含有紋波的直流量，因濾波器對直流量不起作用，故這里只考慮紋波，按線性電路原理把直流量和紋波量分離，將電感中紋波等效成紋波電流源，電流源主要包含頻率為fs的基波，其他高次諧波含量很少忽略不計，故進一步將紋波源看成頻率為fs的交流源，這樣就可以把變換器等效成交流電路，用向量法設計出合理的參數(shù)。恒流時濾波電容C2要求滿足當電感紋波電流最大時，變換器的紋波系數(shù)仍能滿足要求。選取C2=1000μF。

2.2.3輸入側(cè)電容C1的確定

變換器工作在BOOST模式下時，電容C1起著儲能和濾波的作用，選取C1=1000μF。

2.3單片機控制電路及顯示電路

圖3為單片機控制電路及顯示電路原理圖。從MSP430F149單片機的P3.1和P3.2端口產(chǎn)生兩路脈沖寬度調(diào)制PWM1和PWM2，分別對雙向DC/DC變換器的開關(guān)管Q1和Q2進行控制。S1、S2、S3三個開關(guān)觸點的控制，由單片機來進行控制。三個開關(guān)構(gòu)成五種控制模式，控制分別如下：接通S1和S3，斷開S2，為充電模式；斷開S1，接通S2，為放電模式；接通S1和S2，斷開S3，為自動化模式；S1、S2、S3三個開關(guān)全部接通的控制為全開模式；S1、S2、S3三個開關(guān)全部斷開的控制為全斷模式。連接于單片機的P1.0～P1.4端口的四個按鍵，分別作為開關(guān)管Q1和Q2的脈寬增加和減少的控制按鍵。

圖3　單片機控制電路及顯示電路

2.4開關(guān)管驅(qū)動電路

開關(guān)管Q1和Q2驅(qū)動電路如圖4所示。單片機產(chǎn)生的兩路互補的PWM信號PWM1和PWM2。PWM1分別經(jīng)過光耦U7隔離，輸出至U3(IR2110S)的14腳，經(jīng)過隔離放大后從第1腳和第6腳輸出PWM信號用于開關(guān)管Q1的控制。PWM1分別經(jīng)過光耦U8隔離，輸出至U4(IR2110S)的14腳，經(jīng)過隔離放大后從第1腳和第6腳輸出PWM信號用于開關(guān)管Q2的控制。

圖4　開關(guān)管Q1和Q2驅(qū)動電路原理圖

2.5單片機電流采樣電路

電流采樣電路原理圖如圖5所示。電流I1和I2分別經(jīng)過acs712芯片電路，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號PTi1和PTi2，送入到單片機A/D采樣電路。

圖5　電流采樣電路原理圖

2.6單片機程序控制思想

圖6為單片機程序控制流程圖。系統(tǒng)程序開始執(zhí)行后，先進行系統(tǒng)的初始化設置，再執(zhí)行按鍵掃描程序，當程序掃描到充電按鍵按下時系統(tǒng)切換到充電模式工作，當掃描到放電按鍵按下時系統(tǒng)切換到放電工作模式，當掃描到自動按鍵按下時系統(tǒng)切換到自動工作模式。

圖6　單片機程序控制流程圖

3　實驗結(jié)果及分析

(1)接通S1、S3，斷開S2，將裝置設置為充電模式，進行以下實驗：

①在U2=30V條件下，實現(xiàn)對電池恒流充電。充電電流I1在1～2A范圍內(nèi)步進調(diào)整，步進值不大于0.1A，實驗結(jié)果表明電流控制精度不低于5%;

②設定I1=2A，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓，使U2在24～36V內(nèi)變化時，實驗結(jié)果表明充電電流的變化率不大于1%;

③設定I1=2A，在U2=30V條件下，實驗結(jié)果表明變換器效率;

④測量并顯示充電電流I1，在I1=1～2A范圍內(nèi)測量精度不低于2%;

⑤具有過充保護功能。設定I1=2A,當電壓超過閥值時，停止充電。

(2)斷開S1，接通S2，將裝置設置為放電模式，進行以下實驗：

保持此時變換器效率。

(3)接通S1、S2，斷開S3，將裝置設置為充電和放電自動切換模式，進行以下實驗：

調(diào)整直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓，使在32～38V內(nèi)變化時，雙向DC/DC電路能夠自動轉(zhuǎn)換工作模式并保持。

實驗結(jié)果表明：電池模擬裝置達到預定的控制要求。

本文為了研究蓄電池的充放電特性，利用性價比高的MSP430F149單片機作為中心控制芯片，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制方法，搭建了一個蓄電池儲能實驗裝置，并進行了電池恒流充電、恒壓放電、充放電自動切換等實驗，達到了預定的控制功能。本研究具有一定的理論和工程實踐價值。

[1]牛金紅.數(shù)字控制雙向全橋DC/DC變換器的應用[D].武漢:華中科技大學，2006年.

[2]郭熠.電動汽車雙向DC/DC的研究[D].天津:天津大學,2004年.

[3]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，1999.

[4]張建榮.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)[M].北京：科學出版社，2003.

[5]吳守箴，臧英杰. 電氣傳動的脈寬調(diào)制技[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[6]沈建華. MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[7]邵丙衡. 電力電子技術(shù)[M]. 北京：中國鐵道出版社，1997.

責任編輯王菊平

A design of a two-way DC/DC Converter in the battery energy storage system

SHAO Jian-she, MA Ying-jie, NIE He-wen, HU Zi-ming, YIN Shuang, WU Lu

(School of Electronic Information, Huanggang Normal University, Huangzhou 438000, Hubei, China)

In order to study the characteristics of battery charging and discharging, a battery energy storage experimental system was established, in which a high utilization ratio MSP430F149 single chip microcomputer was used as key control chip and Pulse Width Modulation (PWM) control strategy was used. The device comprised a two-way DC/DC transform circuit, measuring circuit, switch protecting circuit, switching driving circuit, color screen display circuit, and power supply. The device could realize the function of battery constant current charge, constant voltage discharge, overcharge protection function, and color screen display. The device was characteristics of simple operation, convenient measurement and low cost.

battery energy storage; DC/DC convertor; pulse width modulation; constant current discharge; constant voltage discharge; over discharge protection

TN710

A

1003-8078(2016)03-0071-05

2015-12-07

10.3969/j.issn.1003-8078.2016.03.18

邵建設，男，湖北英山人，教授，博士，主要研究方向為電力電子技術(shù)、高電壓與絕緣技術(shù)。

黃岡師范學院2014年校級科研項目(2014016203);黃岡師范學院2013年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目(201310514013);黃岡師范學院2015年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目(sy201518)。