殷果 簡正波 李嘉豪 陳東升 楊奧成 郭茁蓬 祝秋香

關(guān)鍵詞：BUCK-BOOST 拓撲電路；PID 算法；高效率

0 引言

隨著社會的進步與科技的發(fā)展，傳統(tǒng)能源迅速消耗給整個世界都帶來了能源危機和環(huán)境污染問題，人們逐漸將焦點轉(zhuǎn)移到了可再生能源如太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電和燃料電池動力系統(tǒng)，但是以太陽能及風能為主導的新能源在供電方面又存在易受環(huán)境影響的缺點，提供的電能波動起伏大且不穩(wěn)定[1]。為了滿足大眾對電力的需求，需要用蓄電池對電能進行存儲，然后對外恒壓供電。雙向DC-DC變換器由于其能量可以雙向流動，使用的設(shè)備總數(shù)小，可以快速切換兩個方向的能量傳輸，并且具有效率高、體積小、成本低的優(yōu)點，對改善系統(tǒng)在需要雙向能量流動時的體積和重量具有重要的意義[2-3]。雙向DC-DC變換器作為蓄電池的主要儲能結(jié)構(gòu)，其在電動汽車系統(tǒng)、航天電源系統(tǒng)等場合的需求不斷增加[4]。而市場現(xiàn)存的單向DC-DC變換器能量僅能單向傳輸，且存在輸出電壓低、輸出電壓不可調(diào)的弊病。隨著新能源發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展和電動汽車電池技術(shù)的持續(xù)進步，雙向DC-DC變換器也將會被廣泛應(yīng)用于市場，給人們?nèi)粘Ｉ钐峁└蟮谋憷?。馬等人采用PID 閉環(huán)控制實現(xiàn)蓄電池升壓和恒流充電的一種雙向DC-DC 變換器，同步整流以提高變換器效率[2]。王等人又設(shè)計了一種基于STM32 的雙向DC-DC 變換器，實現(xiàn)對電池恒壓恒流充電[5]。本文以STM32單片機作為核心，采用PID 算法，通過PWM 控制MOS 開關(guān)管，改變占空比，實現(xiàn)了充電和放電的功能，測試結(jié)果表明，該設(shè)計實現(xiàn)了恒流充電、恒壓放電、過壓保護等功能，具有較高的電壓、電流控制精度和較高的轉(zhuǎn)換效率。

1 項目方案

雙向DC-DC變換器是在保持設(shè)備輸入、輸出電壓極性恒定的前提下，按照具體要求調(diào)節(jié)電流的方向，實現(xiàn)雙象限運行的雙向直流/直流變換器。雙向DC-DC變換器系統(tǒng)以STM32單片機作為控制核心，主要由BUCK-BOOST拓撲電路、PWM控制信號驅(qū)動電路、輔助電源電路和電壓電流采樣電路構(gòu)成[6-8]。該系統(tǒng)引入PID算法，利用PWM控制MOS開關(guān)管，調(diào)節(jié)占空比，實現(xiàn)充電和放電的功能。在充電模式下，直流電源直接對電池組恒流充電，1～2A步進可調(diào)，步進值為0.1A ，充電效率超過90%；放電模式下，由電池組恒壓輸出30V驅(qū)動負載，放電效率超過90%。其系統(tǒng)設(shè)計總圖如圖1所示。

1.1 單片機的選擇

方案1：采用STM32F103系列單片機。STM32單片機是意法半導體公司開發(fā)的一款32位基于ARMCortex-O 內(nèi)核的微控制器，工作頻率高達72 MHz，128 Kbytes的閃存，高達20 Kbytes的靜態(tài)隨機存儲器（SRAM），2個12位的ADC、3個通用16位定時器和1 個PWM定時器，外圍接口豐富：2個12C接口和SPI接口、3個USART 接口、一個USB 接口和一個CAN接口。故STM32具有數(shù)據(jù)處理快、傳輸效率高、功耗低、體積小、重量輕等優(yōu)點。

方案2：采用51系列單片機。AT89C52單片機是由ATMEL公司生產(chǎn)的一款CMOS 8位微控制器，該芯片包含8Kbytes 的Flash ROM和256 bytes的RAM，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，40個引腳，32個I/O端口，2 個外部中斷，3個16位定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可按常規(guī)方法編程，但不可在線編程。

綜上所述，由于雙向DC-DC變換器對單片機的數(shù)據(jù)處理速度、數(shù)據(jù)采集功能和數(shù)據(jù)傳輸效率等要求比較高，因此選擇了STM32作為變換器的控制芯片。

1.2 雙向DC-DC 電路的論證與選擇

方案一：采用Bi BUCK/BOOST變換器，沒有電感電流斷續(xù)工作，變換效率高，可以同時升、降壓，但是輸入輸出電壓極性相反，難以控制電路雙向轉(zhuǎn)換。

方案二：采用正極性輸出的雙向BUCK/BOOST直流變換器，輸出電壓極性相同，可以同時升、降壓，但是由于需要控制四個開關(guān)管工作，控制較為復雜，且四個開關(guān)管影響整機轉(zhuǎn)換效率。

方案三：采用Bi BUCK-BOOST變換器，控制方法簡單，轉(zhuǎn)化效率高，單向升壓或降壓能更好地滿足題目要求。

綜上所述，選擇方案三。

1.3 驅(qū)動電路的論證與選擇

方案一：采用IR2104為驅(qū)動核心，IR2104由IR公司生產(chǎn)的大功率MOSFET 和IGBT 專用驅(qū)動集成電路。它既能實現(xiàn)MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動，又具有快速完整的保護功能，從而提高了控制系統(tǒng)的可靠性，降低了電路的復雜性。相比于用分立元器件搭建的驅(qū)動電路，選用IR2104芯片構(gòu)成的驅(qū)動電路外圍電路簡單。

方案二：采用TLP250作為驅(qū)動核心，TLP250的優(yōu)點是可靠性高，但電路比較復雜，需要三路電源。

綜上所述，選用方案一。

2 項目設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

1）STM32單片機

STM32單片機是意法半導體公司開發(fā)的一款32 位基于ARM內(nèi)核的微控制器，其具有價格便宜、外設(shè)功能多、兼容性強、操作方便等特點，能以最小的硬件變化來滿足個性化的需求，適合嵌入式應(yīng)用。它的操作編程方式多種多樣，不但能夠通過寄存器進行編程，同時也能夠使用官方給出的庫文件進行編程。STM32單片機采用的是C語言來進行程序設(shè)計。C語言具有語言簡潔緊湊、運算符豐富、結(jié)構(gòu)清晰等特點，它與STM32單片機的結(jié)合能使項目編程方便、操作簡便等特點[9]。

2）BUCK-BOOST拓撲電路

BUCK-BOOST拓撲電路，又稱升降壓拓撲電路，是一種輸出電壓比輸入電壓高也可比輸入電壓低的單管且不隔離直流電路，其輸出電壓與輸入電壓的極性相反[5]。該電路可看成是BUCK電路和BOOST電路的一個結(jié)合。它的特點是溫度漂移小、輸出電壓穩(wěn)定度高，有很好的負載和線性調(diào)整率。當Q2關(guān)閉，Q1開通時，可以將BUCK-BOOST 拓撲電路看成是一個BUCK電路，能量從U2傳輸至U1；當Q1關(guān)閉，Q2開通時，可以將拓撲電路看成是一個BOOST電路，能量從U1 傳輸?shù)経2。BUCK-BOOST 拓撲電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3）驅(qū)動電路

驅(qū)動電路是由6N137光耦合器與IR2104芯片所構(gòu)成，該電路可以將STM32單片機產(chǎn)生的PWM，通過6N137與驅(qū)動芯片進行隔離，從而保護單片機；再利用驅(qū)動芯片IR2104形成兩路反相帶死區(qū)的PWM驅(qū)動開關(guān)管，避免兩個開關(guān)管同時導通而破壞開關(guān)管。驅(qū)動電路如圖3所示。

4）輔助電源的設(shè)計

輔助電源的作用是給系統(tǒng)一個穩(wěn)定的電壓。在變換器中，STM32單片機的供電電壓是3～5V，霍爾元件及其他芯片的供電電壓是12V。因此，輔助電源電路的三端穩(wěn)壓芯片一般是7905和7912。三端穩(wěn)壓芯片能起到一個過壓保護、過流保護及過熱保護的作用，在其工作時一般給它們配置散熱片。

5）信息采集及保護模塊

信號采集模塊選用16位的ADS1118芯片進行采樣。過流保護電路通過單片機采樣輸入電壓和輸出電流，當電壓低于24±0.5V或高于36±0.5V、電流超過2±0.1A時，單片機通過控制繼電器的開、關(guān)向PA.2口發(fā)送電平，實現(xiàn)對電路的保護功能，過流保護通過軟件控制，具有自恢復功能。

使用C語言進行程序設(shè)計，利用Keil 5可以將程序燒錄至STM32單片機。而STM32單片機作為整個的控制核心，對BUCK-BOOST拓撲電路、輔助電源電路等其他電路起到一個調(diào)節(jié)的作用，并且實現(xiàn)了電壓電流采集、過充保護、按鍵掃描等功能。該項目的程序設(shè)計的思路是首先啟動系統(tǒng)，對按鍵等部分硬件進行初始化，接下來雙向DC-DC變換器進入充電模式，然后系統(tǒng)進行判斷，如果電壓沒有超過24V，則繼續(xù)充電模式；如果電壓超過24V，則進入放電模式，最后測試結(jié)束。程序設(shè)計如圖4所示。

3 實驗結(jié)果

3.1充電電流的測量

當I1=2A，U2在24～36V范圍變換時，用數(shù)字萬用表測量實際輸出電流。其中I1為設(shè)定電流，U2為充電輸入電壓，I10為實際測量值。根據(jù)相關(guān)公式：e=|（I10-I1）|/I1×100%，計算充電電流的變換率。由表1可知充電電流的變化率滿足要求。

3.2 變換器的效率測量

當I1=2A，U2=30V時，用數(shù)字萬用表測量充電電壓U1和放電電流I2，根據(jù)公式η=|P1/P2|×100%、η=|P2/P1|×100%，其中P1=U1·I1，P2=U2·I2。經(jīng)過數(shù)字萬用表測量后輸出U1=21.67V，I1=1.996A，輸入U2=30.24V，I2=1.475A，計算可得DC-DC變換器的效率符合要求。

3.3 電流顯示精度測量

在輸出電流I1=1～2A 范圍內(nèi)，用數(shù)字萬用表測量輸出電流，將測量電流與顯示電流記錄，經(jīng)計算電流顯示精度測量不低于4%，符合要求數(shù)據(jù)如表2所示。

3.4 過充保護測試

在輸出電流2A下，在額定電流輸出端口將電池間接插入一個滑線變阻器，以調(diào)節(jié)滑線變阻器，并在輸出電壓超過24V時，開啟過充保護，并暫停充電，符合題目要求。

4 結(jié)束語

通過團隊的努力，雙向DC-DC變換器的實驗數(shù)據(jù)基本達標，滿足項目創(chuàng)新的要求。雙向DC-DC變換器電路簡單、效率高、性能穩(wěn)定，可以適用于直流不停電系統(tǒng)、電動汽車系統(tǒng)等方面。它作為蓄電池的一部分，被廣泛應(yīng)用于實際生活中，給人們的日常生活提供了較大的便利。該項目的實施，不僅推動了團隊對專業(yè)知識的學習，而且提高了動手的能力，具有實踐意義。