新能源船用雙向DC-DC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘" 要：為適應(yīng)太陽(yáng)能電池板晝夜輸出電壓變化較大的情況，保證母線上用電設(shè)備的電壓穩(wěn)定，設(shè)計(jì)一種新能源船用雙向DC-DC控制系統(tǒng)。系統(tǒng)利用STM32作為主控芯片，主電路采用Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用隔離放大器采集電路中的電流和電壓信號(hào)，電流電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理再經(jīng)STM32內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后作為被控參數(shù)，控制程序分為軟啟動(dòng)和正常運(yùn)行兩部分，測(cè)試結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)滿足應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；雙向DC-DC；升降壓

中圖分類號(hào)：TP39；TM46；U665 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2024）12-0014-04

Design of New Energy Marine Bidirectional DC-DC Control System

LI Hui1， WANG Ting2

（1.Hunan Vocational Institute of Technology， Xiangtan" 411104， China; 2.Hengyang Technician College， Hengyang" 421101， China）

Abstract： In order to adapt to the significant changes in the output voltage of solar panels during the day and night， and ensure the voltage stability of electrical equipment on the bus， a new energy marine bidirectional DC-DC control system is designed. The system uses STM32 as the main control chip， and the main circuit adopts a Buck-Boost topology structure. Isolation amplifiers are used to collect current and voltage signals in the circuit. The current and voltage signals are preprocessed and then converted into controlled parameters through internal A/D conversion in STM32. The control program is divided into two parts： soft start and normal operation. The test results show that the designed system meets the application requirements.

Keywords： solar energy; bidirectional DC-DC; buck-boost

0" 引" 言

全球能源需求在持續(xù)增長(zhǎng)，且以石化燃料為能源的船舶在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中有一定的污染，對(duì)生態(tài)環(huán)境有不利的影響。太陽(yáng)能作為可再生清潔能源日益受重視，在船上通過(guò)太陽(yáng)能光伏板利用光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化電能，同時(shí)搭配儲(chǔ)能系統(tǒng)，不但為船上電氣設(shè)備提供能量來(lái)源，而且能將剩余電能儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)光伏板不能提供能量來(lái)源時(shí)，可以通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)為電氣設(shè)備提供能量。今后太陽(yáng)能及儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成的新能源系統(tǒng)將在船舶上得到越來(lái)越廣泛的推行[1-5]。

在新能源船舶中，太陽(yáng)能電池通過(guò)光伏控制器的MPPT調(diào)整使組件工作達(dá)到最大功率點(diǎn)，并將電能傳輸?shù)较到y(tǒng)母線上，為推進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)及生活等用電設(shè)備提供電能，同時(shí)還通過(guò)DC-DC變換器為鉛酸電池進(jìn)行恒壓充電，當(dāng)沒有太陽(yáng)光、太陽(yáng)能板不足以提供電能時(shí)，蓄電池通過(guò)DC-DC變換器對(duì)母線進(jìn)行放電，船舶能源采用蓄電池提供。新能源船舶電氣系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1" 硬件電路設(shè)計(jì)

雙向DC-DC變換器根據(jù)隔離形式分類，可以分為隔離型和非隔離型[6，7]。隔離型是指輸入級(jí)和輸出級(jí)間有電氣隔離裝置，如變壓器等；非隔離型是指輸入級(jí)和輸出級(jí)間電氣線路相通沒有電氣隔離裝置。在新能源船用雙向DC-DC控制系統(tǒng)中采用非隔離型升降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)太陽(yáng)光充足時(shí)，母線對(duì)電池充電，DC-DC變換器工作于降壓模式；當(dāng)電池對(duì)母線放電時(shí)，DC-DC變換器工作于升壓模式[8-11]。硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要分為主電路、信號(hào)變換電路、功率管驅(qū)動(dòng)電路、最小系統(tǒng)及人機(jī)交互電路。主電路主要包括濾波電容、開關(guān)管和儲(chǔ)能電感；信號(hào)變換電路將各個(gè)端口的電壓和電流變換為適合微處理器輸入的電壓信號(hào)；功率管驅(qū)動(dòng)電路將微處理器產(chǎn)生的PWM波變換為可以控制開關(guān)管的PWM波信號(hào)；人機(jī)交互系統(tǒng)提供各種狀態(tài)指示、指令輸入及參數(shù)顯示功能。

1.1" 主電路參數(shù)計(jì)算

當(dāng)太陽(yáng)能光伏板工作時(shí)，DC-DC變換器工作于Buck降壓模式，太陽(yáng)能電池板向母線提供316.8 V的額定電壓，需要通過(guò)DC-DC變換器將額定電壓降壓為48 V后對(duì)蓄電池進(jìn)行恒壓充電。充電電流不大于10 A，功率管的開關(guān)頻率為250 kHz，系統(tǒng)中電流紋波取10%，電壓紋波取1%。由上面的設(shè)計(jì)要求可知，電路中PWM控制的信號(hào)占空比為：

（1）

儲(chǔ)能電感上的電壓降為：

（2）

其中：

（3）

得到電感量L的值為：

（4）

電容C充電的電荷為：

（5）

當(dāng)沒有太陽(yáng)光時(shí)，光伏板所產(chǎn)生的電量不足以為整個(gè)系統(tǒng)提供能源，母線電壓下降，當(dāng)母線電壓下降到286.9 V時(shí)，DC-DC變換器工作于Boost升壓模式，電路輸入電壓為48 V，輸出電壓為316.8 V，額定輸出電流為10 A，開關(guān)管工作頻率為250 kHz，由上面設(shè)計(jì)要求可知電路中PWM控制的信號(hào)占空比為：

（6）

Boost模式下定義電感的電流波動(dòng)量：

（7）

在Boost升壓模式下電路系統(tǒng)需要的最小電感：

（8）

定義輸出電壓的紋波為0.1 V，輸出電容計(jì)算：

（9）

結(jié)合上述計(jì)算，電路中儲(chǔ)能電感選用F5032大功率電感，額定電流為60 A，電感量為94 μH。結(jié)合余量問(wèn)題，母線端和蓄電池端均采用6個(gè)耐壓450 V、容量為100 μF的高頻電解電容并聯(lián)，這樣的設(shè)計(jì)既減少了電容的內(nèi)阻，又增加了系統(tǒng)的散熱能力。

主電路的功率開關(guān)管采用N溝道增強(qiáng)型MOSFET，采用兩管并聯(lián)結(jié)構(gòu)，型號(hào)選用FHA24N50，該管的主要參數(shù)如表1所示。

1.2" 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

1.2.1" 電壓信號(hào)采集電路

電壓信號(hào)采集電路需要將母線端和蓄電池端的電壓進(jìn)行變換，將這兩個(gè)電壓實(shí)時(shí)變換為微處理器輸入電壓，讓微處理檢測(cè)這兩個(gè)電壓的變化，以切換DC-DC變換電路的工作模式。檢測(cè)母線電壓是先采用兩個(gè)分壓電阻將母線電壓分為9：1。然后將10%的母線電壓輸入到由集成運(yùn)放（GS8552）構(gòu)成的減法電路中，減法電路的同相端接分壓電阻的高電位端，減法電路的反相輸入端連接分壓電阻的低電位端，運(yùn)放的放大倍數(shù)為0.049倍。如果母線電壓為316.8 V，經(jīng)分壓電阻后變?yōu)?1.68 V，然后經(jīng)過(guò)差分放大器輸出1.552 V電壓，這個(gè)電源值再經(jīng)過(guò)一級(jí)電壓跟隨器后進(jìn)入控制器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。圖3為電壓采樣電路原理圖，采用減法電路可以避免電路中的大電流使電源參考地的電壓不一致。蓄電池端的電壓信號(hào)采集電路除了沒有分壓部分，其他和母線端電路一致。

1.2.2" 電流信號(hào)采集電路

不管電路工作于哪種模式，為了整個(gè)系統(tǒng)的安全都要對(duì)電路的最大電流進(jìn)行限制。同時(shí)為了得到準(zhǔn)確的電流值，系統(tǒng)在母線端和蓄電池端都采用了兩個(gè)0.01 Ω的電流取樣電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為等比例的電壓信號(hào)，然后通過(guò)集成運(yùn)放（GS8525）構(gòu)成減法電路，減法電路的放大倍數(shù)為100倍，減法運(yùn)算放大電路的同相輸入端輸入1.65 V的固定偏置電壓，當(dāng)DC-DC變換電路工作于降壓模式時(shí)，電流從母線流入蓄電池，取樣電阻右端比左端電位高，計(jì)算取樣電路輸出電壓為：1.65+100I；當(dāng)DC-DC變換電路工作于升壓模式時(shí)，電流從蓄電池流入母線，取樣電阻右端比左端電位低，計(jì)算取樣電路輸出電壓為：1.65-100I。

1.3" 開關(guān)管及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

開關(guān)管驅(qū)動(dòng)芯片采用隔離互補(bǔ)雙通道驅(qū)動(dòng)芯片Si8233，該方案外圍電路簡(jiǎn)單，芯片的最大電源電壓為24 V，該芯片具有輸入輸出隔離功能，隔離耐壓為4 000 V，可大大降低功率級(jí)電路對(duì)控制級(jí)電路的直接干擾程度，4 A的輸出驅(qū)動(dòng)電流能力保證MOS能夠快速導(dǎo)通；同時(shí)芯片的DT管腳具備輸入信號(hào)死區(qū)設(shè)置功能，保障輸出兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)直通，增加系統(tǒng)可靠性。增加兩個(gè)PNP型三極管Q3與Q4，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)從高電平轉(zhuǎn)低電平時(shí)，由于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電阻的作用，三極管快速導(dǎo)通，加快驅(qū)動(dòng)信號(hào)至下降沿，保證MOS快速關(guān)斷，降低MOS關(guān)斷損耗。

2" 軟件電路設(shè)計(jì)

在實(shí)際的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光照強(qiáng)度的不同將導(dǎo)致系統(tǒng)母線上的電壓有波動(dòng)，母線上的電壓不會(huì)嚴(yán)格穩(wěn)定在額定電壓，如果將電池充放電切換模式固定于額定電壓點(diǎn)，當(dāng)母線上低于額定電壓時(shí)，DC-DC變換器工作于升壓模式，蓄電池放電；當(dāng)母線上的電壓等于額定電壓時(shí)，DC-DC變換器工作于降壓模式，為蓄電池充電。但由于光照強(qiáng)度的不同，導(dǎo)致母線電壓有一定的波動(dòng)，完全以額定電壓點(diǎn)為切換條件，將導(dǎo)致系統(tǒng)將不斷來(lái)回在切換升壓和降壓兩種工作狀態(tài)。為避免這種情況的發(fā)生，系統(tǒng)采用分段控制策略：母線上的電壓為額定電壓的負(fù)5%范圍內(nèi)，太陽(yáng)能電池向蓄電池充電，DC-DC變換器工作于降壓狀態(tài)；如果低于額定電壓5%～12%范圍內(nèi)，由光伏電站單獨(dú)供電，DC-DC變換器不工作，蓄電池不放電也不充電；母線電壓低于額定電壓12%，DC-DC變換器工作于升壓狀態(tài)，蓄電池開始放電，維持母線電壓。

2.1" 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F334作為電路主控，控制器在上電/復(fù)位后，初始化控制器的系統(tǒng)時(shí)鐘、IO端口、定時(shí)器及模數(shù)轉(zhuǎn)換及其他外設(shè)，打開各組模塊功能所需的中斷，隨后進(jìn)入主循環(huán)，在主循環(huán)中處理時(shí)間資源占用較多但優(yōu)先級(jí)不高的顯示程序。程序的主體采用中斷觸發(fā)方式進(jìn)行控制，由三個(gè)重要的中斷內(nèi)容構(gòu)成，分別為HrPWM中斷、TIM2中斷（1 ms）、TIM3中斷（5 ms）。其優(yōu)先級(jí)從高到低順序分別為HrPWM中斷、TIM2中斷（1 ms）、TIM3中斷（5 ms），各個(gè)中斷運(yùn)行過(guò)程中均使用中斷嵌套功能，即優(yōu)先級(jí)高的中斷可以任意時(shí)刻打斷優(yōu)先級(jí)較低的中斷，每個(gè)中斷有其對(duì)應(yīng)的處理事件內(nèi)容，如圖4主程序流程圖中中斷內(nèi)容所示。

2.2" 系統(tǒng)軟啟動(dòng)

為減少電路的沖擊，系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)，系統(tǒng)軟啟動(dòng)分為兩個(gè)階段，一個(gè)為軟啟動(dòng)前期準(zhǔn)備初始化階段SSInit，另外一個(gè)為正式軟啟動(dòng)階段。

在軟啟動(dòng)前期準(zhǔn)備初始化階段SSInit，上管、下管PWM依舊并未使能。同時(shí)將上管和下管的最大占空比限制值設(shè)定為最小，上下管占空比同時(shí)也設(shè)置為最小。根據(jù)工作模式不同初始化目標(biāo)電壓值，當(dāng)工作于Buck模式下時(shí)，目標(biāo)電壓從0開始啟動(dòng)；當(dāng)工作于Boost模式時(shí)，目標(biāo)電壓從輸入電壓開始啟動(dòng)。初始化目標(biāo)電流為0時(shí)開始啟動(dòng)，將Q1和Q2的PWM軟起計(jì)數(shù)器復(fù)位0。

正式軟起動(dòng)階段，在正式使能PWM前，再次復(fù)位環(huán)路計(jì)算的所有相關(guān)參量。程序根據(jù)模塊工作于Buck模式或Boost模式?jīng)Q定軟起方式。當(dāng)電源工作Buck模式時(shí)，主控為Q1管，Q2為互補(bǔ)管，軟起為Q1的占空比逐漸增加，直至Q1軟起結(jié)束后再使能Q2使其占空比逐漸增加；當(dāng)電源工作Boost模式時(shí)，主控為Q2管，Q1為互補(bǔ)管，軟起為Q2的占空比逐漸增加，直至Q2軟起結(jié)束后再使能Q1使其占空比逐漸增加?；パa(bǔ)管在主控管軟起結(jié)束后再軟起的方式能有效抑制啟動(dòng)過(guò)程中電流過(guò)沖。

當(dāng)Q1和Q2管的軟起結(jié)束后，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至正常運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)啟動(dòng)完成。

3" 系統(tǒng)測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方案，根據(jù)計(jì)算參數(shù)和控制方案，搭建了新能源船用雙向DC-D控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，太陽(yáng)能發(fā)電側(cè)采用12塊550 W太陽(yáng)能光伏板進(jìn)行串并聯(lián)，經(jīng)過(guò)控制器后使母線電壓上的電壓為318.6 VDC，蓄電池采用6個(gè)鉛酸電池串并聯(lián)構(gòu)成48 VDC，DC-DC控制器接在母線和蓄電池中間。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)功率開關(guān)管Q1、Q2PWM波形圖如圖5所示。母線在不同電壓下DC-DC變換器模式切換及運(yùn)行狀態(tài)如表2所示。

由圖5和表2可知，系統(tǒng)可以切換升壓和降壓工作狀態(tài)，符合雙向變換器設(shè)計(jì)要求。

4" 結(jié)" 論

通過(guò)對(duì)雙向DC-DC變換器的參數(shù)計(jì)算、控制策略的選取，設(shè)計(jì)了一款在新能源船上使用的DC-DC升降壓系統(tǒng)。滿足新能源船的使用要求，為新能源船舶節(jié)能減排提供參考方案。

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作者簡(jiǎn)介：李暉（1982—），男，漢族，湖南衡陽(yáng)人，副教授，本科，研究方向：嵌入式技術(shù)及電力電子技術(shù)。