双向DC-DC不间断电源管理系统的设计

王家麒,闫晓梅,侯宁波, 杜庆潮，贾尧尧，武宏兵

(太原科技大学华科学院，太原 030024)



双向DC-DC不间断电源管理系统的设计

王家麒,闫晓梅,侯宁波, 杜庆潮，贾尧尧，武宏兵

(太原科技大学华科学院，太原 030024)

本文设计了一种高效率、高精度、低成本的双向DC-DC锂电池充放电系统。该系统主要通过改变单片机输出信号的占空比来控制双向升降压电路工作，实现对锂电池的自动或手动的充放电管理 。实验表明充放电电流在1～2 A可调，步进精度0.8%，充放电效率可达90%.

双向半桥拓扑，电流采样，STM32F103ZET6单片机

随着科学技术的迅速发展,在电池的充放电供电系统、电动汽车、航空电源系统等场合中，为了减轻系统的重量、减低成本，双向DC-DC变换器(Bi-directional DC-DC Converter BDC)的需求也逐渐提升，应用也变得更加广泛[1]。

蓄电池作为储能的一种装置，其充放电的管理是研究重点。近年来，蓄电池的快速充电成为研究的重点，在尽可能短的时间内完成蓄电池充电，可使人们的生活和工作变得更加方便、快捷。传统的蓄电池充放电系统采用充电和放电回路分离的方法，使得充电电路和放电电路占用很大的体积，而且大都采用模拟技术，这样使得系统的可移植性、稳定性和寿命都降低许多。因此寻求一种合适的充放电方法和设计集充放电于一体的智能充放电系统成为本文研究的重点[2]。本文基于STM32F103ZET6单片机设计了一套双向DC-DC不间断电源，实现了数字化的电池充放电和电源稳压的智能管理，充放电模式可以自动和手动转换，充电电流在1～2 A，可调步进精度0.8%，充放电效率可达90%，此外，系统还有过充、过放的保护功能。本系统实现的全部功能主要由软件实现，因此电路具有结构简单、成本低、灵活性高和功能可扩展性优点。

1 原理介绍

在双向DC-DC不间断电源的系统中，设计到开关电源的半桥BOOST-BUCK拓扑结构和一些参数选择，，本文就系统的工作原理和主要参数计算的依据进行详细说明。

图1 双向DC-DC变换器系统框图

如图1所示：系统具有充电和放电两种工作模式。当处于充电模式时，为电池组进行充电，DC-DC变换器工作于降压状态，辅助电源提供个模块需要的直流电压。单片机通过电流反馈信号来控制输出占空比可调的PWM信号，PWM信号使得DC-DC使充电电流稳定可调。当DC-DC变换器处于放电模式时，电池组为电源，通过固定电阻放电，单片机通过电压反馈信号来控制输出占空比可调的PWM信号，PWM信号使得DC-DC使得放电电压恒定。充电电流值与充放电模式可由外部键盘设定，单片机根据键盘设定值与反馈值控制DC-DC变换器的输出电流和电压。液晶屏实时显示充电电流和放电电压的数值。

在DC-DC模块中，电感作为此电路的储能元件。在升降压中起重要作用，根据具体的要求，选取和绕制相应的电感尤为重要，设在辅助电源24～36 V可调，最大输出电流2 A，开关频率20 K，充电满幅21 V，按照辅助电源提供的最大值36 V的条件下，考虑到电感的纹波电流一般不超过最大输出电流的30%，电感值，要与标准之间20%的偏差和额定电流下有10%～35%降幅[3]。电感选取L=1.3 mH，峰值电流Ipeak=2.3 A.

工作频率为20 K，电感的工作状态为低频条件，所以电感磁环可选用磁导率为μ=11 530 μH/mm匝的锰锌铁氧体磁环。选取的磁环尺寸：D=25 mm、d=15 mm、h=10 mm.根据磁导率公式得N=12.

2 硬件电路实现

双向DC-DC不间断电源的硬件部分主要由DC-DC控制模块、电流电压采样模块和MOS管驱动电路模块组成。

2.1 DC-DC变换器

图2为双向DC-DC变换器的主电路结构。通过单片机输出的PWM信号G1和G2控制场效应管Q1和Q2的通断来实现正向升压、反向降压两种工作状态[4]。

图2 双向半桥拓扑电路

正向工作时，开关管Q2处于工作状态、Q1一直处于截止状态，此时电路为Boost升压变换电路，参与工作的器件为C4、L1、Q2、D1、D2、C5，B端接锂电池组，VIN接负载。开关管Q2导通时，电池经电感L1到达负载，电池处于放电模式，二极管D2的作用是防止电容对地放电。电池是直流电信号，电感上的电流会以一定的比率线性增加，这个比率与电感大小有直接的关系。随着电感电流的增加，电感中储存的能量会相应的增加。当开关管Q2截止时，由于电感中的电流具有不能突变的特性，流经电感的电流不会马上消失，而是由充加完毕时的值缓慢的变小，电感开始对电容C4进行充电，电容两端电压逐渐升高，此时VIN端的电压已经高于电池提供的电压，故为升压变换器。

反向工作时，开关管Q1工作、Q2一直截止。此时电路即为Buck降压电路。参与工作的器件为C4、L1、Q1、D1、D2、C5，B端接锂电池组，VIN为电源提供的直流电压信号。当开关管Q1导通时，电感线圈上的电流线性增加，电感储能，R(VIN和GND之间所加的负载电阻)上的电流增加，负载两端输出为上升的电压，极性上正下负，电容处于充电状态，这时二极管D1承受反向电压。当开关管Q1关断时,由于电感线圈的续流作用，其电流不能突变，负载R两端电压仍是上正下负，电容C4处于放电状态，维持负载电流和电压不变，此时二极管D1承受正向偏压，构成电压通路。由于电池两端电压小于电源电压VIN，故为降压变换器[5]。

由于电解电容的损耗和交叠损耗等电路损耗都与开关成比例增加，因此供给G1和G2频率应尽量降低。但为了使电路工作频率在人听力范围之外G1和G2频率应不小于20 kHz.综合考虑G1和G2频率选择为20 kHz[6].

2.2 MOS管驱动电路

采用IR2110典型驱动电路[7]。电源电压VCC为12 V，接通电源后，电源通过二极管D1、负载，给自举电容C3充电，以确保T2关闭、T1导通时T1管的栅极靠自举电容C3上足够的储能来驱动。自举电容选取过大，可能使电容两端在桥臂关断时还没有达到要求的电压；而电容选择较小，则会导致电容存储的能量不足以维持栅源电压在桥臂导通时间内为一定值。所以本系统选择1uf的陶瓷电容。另外，大功率MOS管栅极一般有大约20 pf的结电容，这样会影响其下降沿的垂直度，选择高频会影响电路性能，所以在MOS管G极接入由一个电阻和二极管并联的泄压电路，来有效改善MOS管的高频性能[8]。

2.3 电流检测电路

电流检测电路见图4.

MAX471芯片内部含精密检测电流大小为I0.电流从RS+流向RS-时，SIGN为高电平，8管脚输出大小与I0相等的电压值。在工作温度范围内精度可达2%.此电路有双向检测指示，可监控充电和放电状态检测电流最大可达3 A.

图3 MOS管驱动电路

图4 电流检测电路

3 软件部分

如图5所示，本系统主要实现的功能是系统上电复位后能进行模式转换。在充电模式下,通过按键步进输出电流I1,使其在0～2 A内变化并显示；在放电模式下能稳定放电电压U2在30 V左右小幅度变化；在自动模式下可以使系统在充电和放电模式中来回切换。

程序开始时先初始化所需的函数包括按键函数、LED显示函数、ADC函数、DMA函数、延时函数、外部中断函数、定时器函数和GPIO函数。PWM函数进入主函数main()，后先判断是否有按键按下，有以下三种情况：

(1)当按下按键且为1时，进入充电模式，调用已打包好的充电函数。首先ADC1采样B点检测其电压U1并与23.5 V进行比较。当其值大于23.5 V时，认为已超出充电电压上限，需采取充电保护，在BUCK电路中先降低PWM1输出30%,然后调用PWM函数关闭PWM；当其值小于23.5 V时，认为工作正常，此时，按键外部中断可以实时改变目标电流值，通过ADC采样的电流值I1与设定的目标电流进行比较。当小于I1时，增加PWM1占空比，使得BUCK电路中输出电压上升，电流I1增大，使I1趋近于目标值。当大于I1时，减小PWM1占空比，使得BUCK电路中输出电压下降，电流I1减小，使I1趋近于目标值。当目标值等于I1时，使PWM1占空比稳定，保持I1值并显示。

图5 程序流程图

(2)当按下按键，且为2时，进入放电模式，调用已打包好的放电函数。首先，ADC2的采样电压为U2，使U2与设定好的30 V进行比较。当U2大于30 V时，减小PWM2输出，U2下降，使U2趋近于30 V；当U2小于30 V时，增加PWM2占空比，使得在Boost电路中U2上升，反复循环使U2趋近于30 V；当U2等于30 V时，稳定PWM2输出，调用显示函数显示此时的测量值U2，以达到放电模式下输出稳定30 V的目的。

(3)当没有按键按下时，进入自动模式，调用自动函数。用ADC3采样电压值U3，使采样值与32 V进行比较。当采样值大于32 V时，认为充电电压大于放电电压，故进入充电模式，调用充电函数重复(1)中的步骤。当采样值小于32 V时，认为放电电压大于充电电压，故进入放电模式，调用放电函数重复(2)中的步骤。该系统在自动模式下通过U3与32 V的大小比较，使得系统在充电和放电模式下自动切换。

4 实验数据

表1 电流控制精度

Tab.1 Current control accuracy

设定电流/A11.21.41.61.82.0第一次测量/A1.011.191.401.581.812.02第二次测量/A1.001.181.391.601.812.01第三次测量/A1.011.181.361.591.792.00

根据eic=|I1-I10|×100%，求得电流控制精度为0.9%.

表2 电流变化率

Tab.2 Current change rate

输入电压U2/V243036充电电流第一次测量I1/A2.022.032.03充电电流第二次测量I1/A2.012.022.02充电电流第三次测量I1/A2.012.022.03

根据公式SI1=|(I11-I12)/I1|×100%，求得电流变化率0.7%.

表3 充电率效率

Tab.3 Charging efficiency

充电电流I1/A充电电压U1/V输入电流I2/A输入电压U2/V第一次测量2.0219.221.3430.08第二次测量2.0119.301.3430.10第三次测量2.0319.081.3330.02

根据公式η1=|(U1×I1)/(U2×I2)|×100%，求得充电效率为93.3%.

表4 放电效率

根据公式η2=|(U2×I2)/(U1×I1)|×100%，求得放电效率为96.4%.

由以上计算可以看到，此DC-DC变换器实现了高效、高精度的充放电功能。系统设定为充电模式：U2=30 V 条件下，实现对电池恒流充电。充电电流I1在1～2 A范围内步进可调，步进值不大0.1 A，电流控制精度不低于5%.当选择I1=2 A时，调整直流稳压电源输出电压，使U2在24～36 V范围内变化，充电电流I1的变化率不大于1%，在U2=30 V 条件下，变换器的效率90%.测量并显示充电电流I1，在I1=1～2 A 范围内测量精度不低于2%.具有过充保护功能，设定I1=2 A，当电池电压U1超过阈值U1th=24±0.5 V时，停止充电；系统设定为充电模式，设定负载两端电压U2为30 V时，测得流经负载的电流I2为1 A，电池电压为18 V，电池的电流为1.7 A，多次测量算出电池的放电效率为96.4%，基本满足了本设计预期要求。

[1] 李立,刘刚.电池组储能系统双向DC-DC变换器的研制[J].电力系统保护与控制,2011,39(3):90-94.

[2] 雷加智,王珂,成燕，等.一种蓄电池充电器的数字控制器优化设计[J].电工电能新技术,2014,33(11)：29-33.

[3] 秦硕,孙志毅,刘立群，等.光伏发电并网逆变器设计[J].太原科技大学学报,2015,36(1):6-11.

[4] 童亦斌，吴峂,金新民，等.双向DC-DC变换器的拓扑研究[J].中国电机工程学报,2007,27(13):81-86.

[5] 武红玉.双向DC-DC变换器在电动汽车中的应用[J]. 河南科技,2015(3):58-60.

[6] 王海英.蓄电池双向高频充放电装置研究[J].实验技术与管理,2013,30(6):39-41.

[7] 张耀,陈息坤,杨胜.锂电池化成双向DC-DC变换器研究[J].电工电能新技术,2014,33(8):32-36.

[8] 吴文进,郭仕林,苏建徽.一种双向反激变换器的设计及应用[J].电力电子技术,2014,28(10):6-8.

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

山西省大学生创新性实验项目(2014574)，太原科技大学华科学院UIT(2013),太原科技大学校级教改项目(201519)

王家麒(1993-)，主要从事信号与信息处理；通信作者：闫晓梅，E- mail:yanxm7980@126.com

TG156

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2016.06.002