雙向DC—DC鋰電池充放電硬件電路設(shè)計(jì)

付帥++趙俊哲

[摘 要]以雙向DC-DC Buck-Boost變換器為核心，用STC12C5A60S2單片機(jī)，差分式放大器，電阻分壓電路，繼電器等組成測(cè)控電路，來實(shí)現(xiàn)鋰電池自動(dòng)充放電的控制與狀態(tài)檢測(cè)。使鋰電池充電更安全高效。

[關(guān)鍵詞]雙向DC-DC Buck-Boost變換器 鋰電池充放電 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TM911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）03-0130-01

1、總體框架設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由一個(gè)雙向DC-DC變換電路、電壓采集和電流采集電路、鋰電池組、測(cè)控電路、直流穩(wěn)壓電源以及輔助電源組成。其基本原理如下：

由直流穩(wěn)壓電源輸出得到穩(wěn)定的30V電壓，通過雙向DC-DC變換電路對(duì)鋰電池組進(jìn)行恒流充電并通過脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流步進(jìn)調(diào)整。測(cè)控電路測(cè)量并顯示當(dāng)前的充電電流，并且實(shí)時(shí)監(jiān)控電池組兩端電壓進(jìn)行過充保護(hù)。

2、雙向DC-DC變換器設(shè)計(jì)

雙向Buck-Boost的主電路如圖所示，電路圖中包括兩個(gè)開關(guān)管、兩個(gè)二極管、一個(gè)電感、兩個(gè)電容和兩個(gè)電源。其中兩個(gè)開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，即Q1開通時(shí)Q2關(guān)斷，Q2開通時(shí)Q1關(guān)斷。Q2 保持關(guān)斷，Q1 采用 PWM 方式工作，變換器實(shí)際為一個(gè) Buck 電路，能量從V 1傳輸?shù)絍2 ；Q1保持關(guān)斷，Q 2采用 PWM 方式工作，變換器實(shí)際為一個(gè) Boost 電路，能量從V2傳輸?shù)絍 1。交替工作方式。即電感電流有正有負(fù)，1）在t0到t1期間，Q1導(dǎo)通但不通過電流，從而實(shí)現(xiàn)零電壓開通，電流通過D1，期間iL為負(fù)值；2）在t1到ton期間，Q1導(dǎo)通并通過電流，iL為為正值并逐漸增加；3）在ton到t2期間，Q2導(dǎo)通但不通過電流，實(shí)現(xiàn)零電壓開通，電流通過D2續(xù)流，iL為正值并逐漸減小；4）在ton到T期間，Q2導(dǎo)通并通電流，iL為負(fù)值并逐漸增加。

為了防止兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，應(yīng)通過合理設(shè)計(jì)電感L大小制造死區(qū)時(shí)間，即使開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通，并避免二極管的反向恢復(fù)問題。

與傳統(tǒng)的采用雙-單向 DC/DC 變換器來達(dá)到能量雙向傳輸?shù)姆桨赶啾?，雙向 DC/DC變換器應(yīng)用一個(gè)變換器來控制能量的雙向傳輸，使用的總體開關(guān)器件數(shù)目少，且可以更快的進(jìn)行功率傳輸方向的切換。而且，一般雙向 DC/DC 變換器更方便在現(xiàn)有的電路上使用同步整流工作方式，有利于降低通態(tài)損耗?？傊p向 DC/DC 變換器具有高效率、體積小、動(dòng)態(tài)性能好和成本低等優(yōu)勢(shì)。

3、 電壓電流采樣電路設(shè)計(jì)

外部電壓輸入到采樣電路第一級(jí)電壓跟隨器，電阻R1、R2進(jìn)行分壓，實(shí)現(xiàn)10倍衰減，進(jìn)而匹配ADC的基準(zhǔn)電壓，由于單片機(jī)內(nèi)部阻抗較小，因此在最后一級(jí)加入電壓跟隨器將衰減后的采樣電壓輸入到單片機(jī)內(nèi)部的ADC。

下圖中R0為阻值為0.1Ω的康銅絲，具有阻值小功率大的特點(diǎn)，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，后級(jí)采用OP07進(jìn)行電壓信號(hào)的比例放大，放大倍數(shù)為15倍，進(jìn)而匹配ADC的基準(zhǔn)電壓。

4、 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

保護(hù)電路是由三極管、保護(hù)二極管和繼電器構(gòu)成。其中三極管的基極通過一個(gè)電阻連接到單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)控制端給三極管的基極送低電平時(shí)三極管Q2導(dǎo)通，繼電器吸合；當(dāng)單片機(jī)控制端給三極管送高電平時(shí)，三極管截止，繼電器斷開。在繼電器上反接了一個(gè)二極管，線圈通電正常工作時(shí)，二極管對(duì)電路不起作用。當(dāng)繼電器線圈在斷電的一瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的反電動(dòng)勢(shì)，在繼電器線圈兩段反向并聯(lián)二極管就是消耗這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)的。

結(jié)束語(yǔ)

本產(chǎn)品通過雙向DC-DC變換電路對(duì)鋰電池組進(jìn)行恒流充電并通過脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流步進(jìn)調(diào)整，以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心的測(cè)控電路測(cè)量并顯示當(dāng)前的充電電流，并且實(shí)時(shí)監(jiān)控電池組兩端電壓進(jìn)行過充保護(hù)。使鋰電池充電更安全高效。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭天祥 《新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程》，電子工業(yè)出版社。

[2] 肖金球 《增強(qiáng)型51單片機(jī)與仿真技術(shù)》，清華大學(xué)出版社。

[3] 王兆安，劉進(jìn)軍《電力電子技術(shù)（第五版）》，機(jī)械工業(yè)出版社。

作者簡(jiǎn)介

付帥（1994-12），男，安徽宿州人，北華航天工業(yè)學(xué)院，本科在讀，研究方向：測(cè)控技術(shù)與儀器（智能儀器儀表） 趙俊哲（1994-11）女，河北省石家莊市人，北華航天工業(yè)學(xué)院，本科在讀，研究方向：自動(dòng)化