關(guān)志艷

(山西工程科技職業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，山西 太原 030619)

1 概述

1.1 任務(wù)

依據(jù)2021年11月全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽本科組C題三端口DC-DC變換器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。變換器有兩種工作模式：模式Ⅰ，模擬光伏電池向負(fù)載供電的同時(shí)為電池組充電(IB>0)；模式Ⅱ，模擬光伏電池和電池組同時(shí)為負(fù)載供電(IB>0)。根據(jù)模擬光照(US的大小)和負(fù)載情況，變換器可以工作在模式Ⅰ或模式Ⅱ，并可實(shí)現(xiàn)工作模式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，在各種情況下均應(yīng)保證輸出電壓UO穩(wěn)定在30 V。

圖1 三端口DC-DC變換器結(jié)構(gòu)框圖

圖1中直流穩(wěn)壓電源、二極管D、電阻RS構(gòu)成模擬光伏電池。直流穩(wěn)壓電源建議使用輸出電壓不小于60 V(可兩路串聯(lián)獲得)，額定電流不小于3 A的成品電源；二極管D、電阻RS的選用應(yīng)注意電流、功率等指標(biāo)，必要時(shí)加裝散熱裝置。電池組由4節(jié)容量2000～3000 mA的18650型鋰離子電池串聯(lián)組成，采用自帶管理功能(或自帶保護(hù)板)的電池。

1.2 要求

1)Us=50 V、Io=1.2 A條件下，變換器工作在模式Ⅰ，Uo=30 V±0.1 V，IB≥0.1 A。

4)IO=1.2 A、US由55 V減小至25 V，要求：變換器能夠從模式I自動(dòng)轉(zhuǎn)換到模式Ⅱ。工作模式Ⅰ為模擬光伏電池向負(fù)載供電的同時(shí)為電池組充電；工作模式Ⅱ?yàn)槟M光伏電池和電池組同時(shí)為負(fù)載供電。

2 方案比較、思路分析和模塊選擇

根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由電壓調(diào)節(jié)器模塊、單片機(jī)模塊、顯示模塊、繼電器模塊等構(gòu)成。

2.1 電壓調(diào)節(jié)器模塊

1) 負(fù)載端供電

方案一：LM2596S降壓模塊。輸入電壓4.75 V～40 V,輸出電壓0 V～37 V,輸出電流不超過3 A?？赏ㄟ^此降壓模塊使輸出電壓滿足用電負(fù)載的需求30 V，防止燒壞設(shè)備[2]。

方案二：LM317穩(wěn)壓可調(diào)電路。輸入電壓范圍為3.5 V～40 V,輸出電壓范圍1.2 V～37 V時(shí)能夠提供超過1.5 A的電流，此穩(wěn)壓器易于使用穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大。

綜合以上兩種方案，選擇方案一。

2) 鋰電池端供電

采用4節(jié)18650型的鋰電池組成的電池組，每節(jié)3.7 V，共14.8 V，所以輸入最高為14.7 V。LM2596電壓調(diào)節(jié)器的輸出最高為40 V以上。所以滿足此要求可在不同模式下實(shí)現(xiàn)充放電功能。

2)相比于還需要借助眼鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)的VR技術(shù)的AR，已經(jīng)可以擺脫智能眼鏡的捆綁，因此也獲得了更大的發(fā)展空間，得到了很多科技企業(yè)和景區(qū)的青睞。

3) 單片機(jī)供電

市面上的單片機(jī)的供電電壓一般為3.3 V～5 V之間，在此情況下，可滿足LM2596的使用。

2.2 單片機(jī)模塊

方案一：STC89C52是8位的控制芯片，有256 B的片內(nèi)RAM，8 kB的Flash ROM，32個(gè)I/O口，4個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,4個(gè)中斷，但內(nèi)部并沒有集成ADC/DAC，在本系統(tǒng)中要檢測(cè)模擬光伏端的電壓值，就必須使用單獨(dú)的ADC來(lái)測(cè)。

方案二：STM32F103是32位的控制芯片，內(nèi)部硬件資源功能強(qiáng)大。在本系統(tǒng)中要檢測(cè)模擬光伏端的電壓值，可以直接使用其自帶的ADC即可，方便準(zhǔn)確，且團(tuán)隊(duì)成員更熟悉STM32F103。

最終選擇以STM32F103單片機(jī)為控制核心。

2.3 顯示模塊

由于單片機(jī)采用STM32F103,則用OLED液晶顯示器搭配使用完成顯示功能，可以顯示漢字、圖像等，比常用的LCD1602可顯示的內(nèi)容量、內(nèi)容種類更豐富。

2.4 繼電器模塊

繼電器實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”。本系統(tǒng)利用STM32F103檢測(cè)模擬光伏端電壓，當(dāng)電壓值低于閾值，控制使用繼電器來(lái)進(jìn)行工作模式切換。由于單片機(jī)的工作電壓在3.3 V，因此選用4路5 V繼電器，在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用[3]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 理論分析與計(jì)算

1) 模擬光伏電池

RS=10 Ω、IS=3 A，則PS=90 W，所以選擇RS為10 Ω/100 W的規(guī)格。

2) 測(cè)試采樣點(diǎn)

單片機(jī)需要檢測(cè)模擬光伏電池端電壓，而單片機(jī)承載電流在20 mA,可檢測(cè)電壓在3.3 V以內(nèi)，因此需要并聯(lián)兩個(gè)電阻R1與R2，其中一個(gè)電阻分壓在3.3 V內(nèi)，才可檢測(cè)出電壓，再經(jīng)過等比計(jì)算可推算出模擬光伏電池端的電壓值[4]。

R1+R2=10k Ω、UR1=2 V、UR2=53 V，

計(jì)算得到：R2=27R1

只要符合電阻比率即可，因此取R1為500 Ω/2 W的規(guī)格，R2為10k Ω/2 W的規(guī)格。

3.2 整體電路結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控制器,設(shè)計(jì)并制作用于電池儲(chǔ)能裝置的雙向DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)可按鍵設(shè)定亦可自動(dòng)轉(zhuǎn)換電池充放電模式的功能。系統(tǒng)由STM32內(nèi)部寄存器及擴(kuò)展口功能，加上電壓調(diào)節(jié)器模塊、單片機(jī)模塊、顯示模塊、繼電器模塊等組成，如圖2所示。

圖2 整體電路結(jié)構(gòu)

3.3 主程序流程圖

本編程主要采用KEIL5軟件來(lái)編譯程序。圖3是三端口變換器中STM32智能切換工作模式的流程圖。

圖3 主程序流程

4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試儀器

測(cè)試儀器包括6個(gè)數(shù)字萬(wàn)用表和直流穩(wěn)壓電源，直流穩(wěn)壓電源建議使用輸出電壓不小于60 V(可兩路串聯(lián)獲得)，額定電流不小于3 A的成品電源。

圖4 三端口DC-DC變換器測(cè)試接線圖

4.2 測(cè)試結(jié)果

1)Us=50 V，Io=1.2 A條件下，變換器工作在模式Ⅰ，UO=30 V±0.1 V，IB≥0.1 A。

表1 測(cè)試結(jié)果1

2)Io=1.2 A，Us由45 V增加至55 V，電壓調(diào)整率Su≤0.5%。

表2 測(cè)試結(jié)果1

3)Us=50 V，Io由1.2 A減小至0.6 A，負(fù)載調(diào)整率SI≤0.5%。

表3 測(cè)試結(jié)果1

5 結(jié)語(yǔ)

該三端口DC-DC變換器主要實(shí)現(xiàn)了模擬光伏電池端、充放電鋰電池組與負(fù)載端的相互關(guān)系，主要利用LM2596DC-DC變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載端和STM32端所需要的穩(wěn)定電壓。STM32利用自帶的ADC來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模擬光伏電池端電壓，到達(dá)閾值切換繼電器R1、R2、R3來(lái)實(shí)現(xiàn)鋰電池的充放電。