雙向DC-DC不間斷電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王家麒,閆曉梅,侯寧波, 杜慶潮，賈堯堯，武宏兵

(太原科技大學(xué)華科學(xué)院，太原 030024)

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雙向DC-DC不間斷電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王家麒,閆曉梅,侯寧波, 杜慶潮，賈堯堯，武宏兵

(太原科技大學(xué)華科學(xué)院，太原 030024)

本文設(shè)計(jì)了一種高效率、高精度、低成本的雙向DC-DC鋰電池充放電系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過改變單片機(jī)輸出信號(hào)的占空比來控制雙向升降壓電路工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的自動(dòng)或手動(dòng)的充放電管理 。實(shí)驗(yàn)表明充放電電流在1～2 A可調(diào)，步進(jìn)精度0.8%，充放電效率可達(dá)90%.

雙向半橋拓?fù)洌娏鞑蓸?，STM32F103ZET6單片機(jī)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,在電池的充放電供電系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、航空電源系統(tǒng)等場(chǎng)合中，為了減輕系統(tǒng)的重量、減低成本，雙向DC-DC變換器(Bi-directional DC-DC Converter BDC)的需求也逐漸提升，應(yīng)用也變得更加廣泛[1]。

蓄電池作為儲(chǔ)能的一種裝置，其充放電的管理是研究重點(diǎn)。近年來，蓄電池的快速充電成為研究的重點(diǎn)，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成蓄電池充電，可使人們的生活和工作變得更加方便、快捷。傳統(tǒng)的蓄電池充放電系統(tǒng)采用充電和放電回路分離的方法，使得充電電路和放電電路占用很大的體積，而且大都采用模擬技術(shù)，這樣使得系統(tǒng)的可移植性、穩(wěn)定性和壽命都降低許多。因此尋求一種合適的充放電方法和設(shè)計(jì)集充放電于一體的智能充放電系統(tǒng)成為本文研究的重點(diǎn)[2]。本文基于STM32F103ZET6單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套雙向DC-DC不間斷電源，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的電池充放電和電源穩(wěn)壓的智能管理，充放電模式可以自動(dòng)和手動(dòng)轉(zhuǎn)換，充電電流在1～2 A，可調(diào)步進(jìn)精度0.8%，充放電效率可達(dá)90%，此外，系統(tǒng)還有過充、過放的保護(hù)功能。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的全部功能主要由軟件實(shí)現(xiàn)，因此電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、靈活性高和功能可擴(kuò)展性優(yōu)點(diǎn)。

1 原理介紹

在雙向DC-DC不間斷電源的系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)到開關(guān)電源的半橋BOOST-BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和一些參數(shù)選擇，，本文就系統(tǒng)的工作原理和主要參數(shù)計(jì)算的依據(jù)進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1 雙向DC-DC變換器系統(tǒng)框圖

如圖1所示：系統(tǒng)具有充電和放電兩種工作模式。當(dāng)處于充電模式時(shí)，為電池組進(jìn)行充電，DC-DC變換器工作于降壓狀態(tài)，輔助電源提供個(gè)模塊需要的直流電壓。單片機(jī)通過電流反饋信號(hào)來控制輸出占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，PWM信號(hào)使得DC-DC使充電電流穩(wěn)定可調(diào)。當(dāng)DC-DC變換器處于放電模式時(shí)，電池組為電源，通過固定電阻放電，單片機(jī)通過電壓反饋信號(hào)來控制輸出占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，PWM信號(hào)使得DC-DC使得放電電壓恒定。充電電流值與充放電模式可由外部鍵盤設(shè)定，單片機(jī)根據(jù)鍵盤設(shè)定值與反饋值控制DC-DC變換器的輸出電流和電壓。液晶屏實(shí)時(shí)顯示充電電流和放電電壓的數(shù)值。

在DC-DC模塊中，電感作為此電路的儲(chǔ)能元件。在升降壓中起重要作用，根據(jù)具體的要求，選取和繞制相應(yīng)的電感尤為重要，設(shè)在輔助電源24～36 V可調(diào)，最大輸出電流2 A，開關(guān)頻率20 K，充電滿幅21 V，按照輔助電源提供的最大值36 V的條件下，考慮到電感的紋波電流一般不超過最大輸出電流的30%，電感值，要與標(biāo)準(zhǔn)之間20%的偏差和額定電流下有10%～35%降幅[3]。電感選取L=1.3 mH，峰值電流Ipeak=2.3 A.

工作頻率為20 K，電感的工作狀態(tài)為低頻條件，所以電感磁環(huán)可選用磁導(dǎo)率為μ=11 530 μH/mm匝的錳鋅鐵氧體磁環(huán)。選取的磁環(huán)尺寸：D=25 mm、d=15 mm、h=10 mm.根據(jù)磁導(dǎo)率公式得N=12.

2 硬件電路實(shí)現(xiàn)

雙向DC-DC不間斷電源的硬件部分主要由DC-DC控制模塊、電流電壓采樣模塊和MOS管驅(qū)動(dòng)電路模塊組成。

2.1 DC-DC變換器

圖2為雙向DC-DC變換器的主電路結(jié)構(gòu)。通過單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)G1和G2控制場(chǎng)效應(yīng)管Q1和Q2的通斷來實(shí)現(xiàn)正向升壓、反向降壓兩種工作狀態(tài)[4]。

圖2 雙向半橋拓?fù)潆娐?/p>

正向工作時(shí)，開關(guān)管Q2處于工作狀態(tài)、Q1一直處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)電路為Boost升壓變換電路，參與工作的器件為C4、L1、Q2、D1、D2、C5，B端接鋰電池組，VIN接負(fù)載。開關(guān)管Q2導(dǎo)通時(shí)，電池經(jīng)電感L1到達(dá)負(fù)載，電池處于放電模式，二極管D2的作用是防止電容對(duì)地放電。電池是直流電信號(hào)，電感上的電流會(huì)以一定的比率線性增加，這個(gè)比率與電感大小有直接的關(guān)系。隨著電感電流的增加，電感中儲(chǔ)存的能量會(huì)相應(yīng)的增加。當(dāng)開關(guān)管Q2截止時(shí)，由于電感中的電流具有不能突變的特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì)馬上消失，而是由充加完畢時(shí)的值緩慢的變小，電感開始對(duì)電容C4進(jìn)行充電，電容兩端電壓逐漸升高，此時(shí)VIN端的電壓已經(jīng)高于電池提供的電壓，故為升壓變換器。

反向工作時(shí)，開關(guān)管Q1工作、Q2一直截止。此時(shí)電路即為Buck降壓電路。參與工作的器件為C4、L1、Q1、D1、D2、C5，B端接鋰電池組，VIN為電源提供的直流電壓信號(hào)。當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，電感線圈上的電流線性增加，電感儲(chǔ)能，R(VIN和GND之間所加的負(fù)載電阻)上的電流增加，負(fù)載兩端輸出為上升的電壓，極性上正下負(fù)，電容處于充電狀態(tài)，這時(shí)二極管D1承受反向電壓。當(dāng)開關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí),由于電感線圈的續(xù)流作用，其電流不能突變，負(fù)載R兩端電壓仍是上正下負(fù)，電容C4處于放電狀態(tài)，維持負(fù)載電流和電壓不變，此時(shí)二極管D1承受正向偏壓，構(gòu)成電壓通路。由于電池兩端電壓小于電源電壓VIN，故為降壓變換器[5]。

由于電解電容的損耗和交疊損耗等電路損耗都與開關(guān)成比例增加，因此供給G1和G2頻率應(yīng)盡量降低。但為了使電路工作頻率在人聽力范圍之外G1和G2頻率應(yīng)不小于20 kHz.綜合考慮G1和G2頻率選擇為20 kHz[6].

2.2 MOS管驅(qū)動(dòng)電路

采用IR2110典型驅(qū)動(dòng)電路[7]。電源電壓VCC為12 V，接通電源后，電源通過二極管D1、負(fù)載，給自舉電容C3充電，以確保T2關(guān)閉、T1導(dǎo)通時(shí)T1管的柵極靠自舉電容C3上足夠的儲(chǔ)能來驅(qū)動(dòng)。自舉電容選取過大，可能使電容兩端在橋臂關(guān)斷時(shí)還沒有達(dá)到要求的電壓；而電容選擇較小，則會(huì)導(dǎo)致電容存儲(chǔ)的能量不足以維持柵源電壓在橋臂導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)為一定值。所以本系統(tǒng)選擇1uf的陶瓷電容。另外，大功率MOS管柵極一般有大約20 pf的結(jié)電容，這樣會(huì)影響其下降沿的垂直度，選擇高頻會(huì)影響電路性能，所以在MOS管G極接入由一個(gè)電阻和二極管并聯(lián)的泄壓電路，來有效改善MOS管的高頻性能[8]。

2.3 電流檢測(cè)電路

電流檢測(cè)電路見圖4.

MAX471芯片內(nèi)部含精密檢測(cè)電流大小為I0.電流從RS+流向RS-時(shí)，SIGN為高電平，8管腳輸出大小與I0相等的電壓值。在工作溫度范圍內(nèi)精度可達(dá)2%.此電路有雙向檢測(cè)指示，可監(jiān)控充電和放電狀態(tài)檢測(cè)電流最大可達(dá)3 A.

圖3 MOS管驅(qū)動(dòng)電路

圖4 電流檢測(cè)電路

3 軟件部分

如圖5所示，本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能是系統(tǒng)上電復(fù)位后能進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。在充電模式下,通過按鍵步進(jìn)輸出電流I1,使其在0～2 A內(nèi)變化并顯示；在放電模式下能穩(wěn)定放電電壓U2在30 V左右小幅度變化；在自動(dòng)模式下可以使系統(tǒng)在充電和放電模式中來回切換。

程序開始時(shí)先初始化所需的函數(shù)包括按鍵函數(shù)、LED顯示函數(shù)、ADC函數(shù)、DMA函數(shù)、延時(shí)函數(shù)、外部中斷函數(shù)、定時(shí)器函數(shù)和GPIO函數(shù)。PWM函數(shù)進(jìn)入主函數(shù)main()，后先判斷是否有按鍵按下，有以下三種情況：

(1)當(dāng)按下按鍵且為1時(shí)，進(jìn)入充電模式，調(diào)用已打包好的充電函數(shù)。首先ADC1采樣B點(diǎn)檢測(cè)其電壓U1并與23.5 V進(jìn)行比較。當(dāng)其值大于23.5 V時(shí)，認(rèn)為已超出充電電壓上限，需采取充電保護(hù)，在BUCK電路中先降低PWM1輸出30%,然后調(diào)用PWM函數(shù)關(guān)閉PWM；當(dāng)其值小于23.5 V時(shí)，認(rèn)為工作正常，此時(shí)，按鍵外部中斷可以實(shí)時(shí)改變目標(biāo)電流值，通過ADC采樣的電流值I1與設(shè)定的目標(biāo)電流進(jìn)行比較。當(dāng)小于I1時(shí)，增加PWM1占空比，使得BUCK電路中輸出電壓上升，電流I1增大，使I1趨近于目標(biāo)值。當(dāng)大于I1時(shí)，減小PWM1占空比，使得BUCK電路中輸出電壓下降，電流I1減小，使I1趨近于目標(biāo)值。當(dāng)目標(biāo)值等于I1時(shí)，使PWM1占空比穩(wěn)定，保持I1值并顯示。

圖5 程序流程圖

(2)當(dāng)按下按鍵，且為2時(shí)，進(jìn)入放電模式，調(diào)用已打包好的放電函數(shù)。首先，ADC2的采樣電壓為U2，使U2與設(shè)定好的30 V進(jìn)行比較。當(dāng)U2大于30 V時(shí)，減小PWM2輸出，U2下降，使U2趨近于30 V；當(dāng)U2小于30 V時(shí)，增加PWM2占空比，使得在Boost電路中U2上升，反復(fù)循環(huán)使U2趨近于30 V；當(dāng)U2等于30 V時(shí)，穩(wěn)定PWM2輸出，調(diào)用顯示函數(shù)顯示此時(shí)的測(cè)量值U2，以達(dá)到放電模式下輸出穩(wěn)定30 V的目的。

(3)當(dāng)沒有按鍵按下時(shí)，進(jìn)入自動(dòng)模式，調(diào)用自動(dòng)函數(shù)。用ADC3采樣電壓值U3，使采樣值與32 V進(jìn)行比較。當(dāng)采樣值大于32 V時(shí)，認(rèn)為充電電壓大于放電電壓，故進(jìn)入充電模式，調(diào)用充電函數(shù)重復(fù)(1)中的步驟。當(dāng)采樣值小于32 V時(shí)，認(rèn)為放電電壓大于充電電壓，故進(jìn)入放電模式，調(diào)用放電函數(shù)重復(fù)(2)中的步驟。該系統(tǒng)在自動(dòng)模式下通過U3與32 V的大小比較，使得系統(tǒng)在充電和放電模式下自動(dòng)切換。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 電流控制精度

Tab.1 Current control accuracy

設(shè)定電流/A11.21.41.61.82.0第一次測(cè)量/A1.011.191.401.581.812.02第二次測(cè)量/A1.001.181.391.601.812.01第三次測(cè)量/A1.011.181.361.591.792.00

根據(jù)eic=|I1-I10|×100%，求得電流控制精度為0.9%.

表2 電流變化率

Tab.2 Current change rate

輸入電壓U2/V243036充電電流第一次測(cè)量I1/A2.022.032.03充電電流第二次測(cè)量I1/A2.012.022.02充電電流第三次測(cè)量I1/A2.012.022.03

根據(jù)公式SI1=|(I11-I12)/I1|×100%，求得電流變化率0.7%.

表3 充電率效率

Tab.3 Charging efficiency

充電電流I1/A充電電壓U1/V輸入電流I2/A輸入電壓U2/V第一次測(cè)量2.0219.221.3430.08第二次測(cè)量2.0119.301.3430.10第三次測(cè)量2.0319.081.3330.02

根據(jù)公式η1=|(U1×I1)/(U2×I2)|×100%，求得充電效率為93.3%.

表4 放電效率

根據(jù)公式η2=|(U2×I2)/(U1×I1)|×100%，求得放電效率為96.4%.

由以上計(jì)算可以看到，此DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)了高效、高精度的充放電功能。系統(tǒng)設(shè)定為充電模式：U2=30 V 條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池恒流充電。充電電流I1在1～2 A范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)，步進(jìn)值不大0.1 A，電流控制精度不低于5%.當(dāng)選擇I1=2 A時(shí)，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，使U2在24～36 V范圍內(nèi)變化，充電電流I1的變化率不大于1%，在U2=30 V 條件下，變換器的效率90%.測(cè)量并顯示充電電流I1，在I1=1～2 A 范圍內(nèi)測(cè)量精度不低于2%.具有過充保護(hù)功能，設(shè)定I1=2 A，當(dāng)電池電壓U1超過閾值U1th=24±0.5 V時(shí)，停止充電；系統(tǒng)設(shè)定為充電模式，設(shè)定負(fù)載兩端電壓U2為30 V時(shí)，測(cè)得流經(jīng)負(fù)載的電流I2為1 A，電池電壓為18 V，電池的電流為1.7 A，多次測(cè)量算出電池的放電效率為96.4%，基本滿足了本設(shè)計(jì)預(yù)期要求。

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Design of Two-way DC-DC Uninterruptable Power Management System

WANG Jia-lu, YAN Xiao-mei , HOU Ning-bo, DU Qing-chao, JIA Yao-yao , WU Hong-bing

( Huake Institute of Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

A kind of high efficiency, high precision and low cost Lithium battery with two-way charging and discharging management system is designed. The system mainly controls two-way fluctuation voltage circuit through changing the duty ratios of microcontroller output signal. This experiment indicates that the charge current can regulate from 1A to 2A, and the step precision is zero point eight percent, the efficiency of charge and discharge can reach ninety percent.

two-way half-bridge topology, current sample, STM32F103ZET6 SCM

1673-2057(2016)06-0424-05

2015-11-09

山西省大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(2014574)，太原科技大學(xué)華科學(xué)院UIT(2013),太原科技大學(xué)校級(jí)教改項(xiàng)目(201519)

王家麒(1993-)，主要從事信號(hào)與信息處理；通信作者：閆曉梅，E- mail:yanxm7980@126.com

TG156

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2016.06.002