新能源船用双向DC-DC控制系统设计

2024-12-31李晖王婷

现代信息科技 2024年12期

摘" 要：为适应太阳能电池板昼夜输出电压变化较大的情况，保证母线上用电设备的电压稳定，设计一种新能源船用双向DC-DC控制系统。系统利用STM32作为主控芯片，主电路采用Buck-Boost拓扑结构，用隔离放大器采集电路中的电流和电压信号，电流电压信号经过预处理再经STM32内部A/D转换后作为被控参数，控制程序分为软启动和正常运行两部分，测试结果证明，所设计系统满足应用要求。

关键词：太阳能；双向DC-DC；升降压

中图分类号：TP39；TM46；U665 文献标识码：A 文章编号：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

全球能源需求在持续增长，且以石化燃料为能源的船舶在运营过程中有一定的污染，对生态环境有不利的影响。太阳能作为可再生清洁能源日益受重视，在船上通过太阳能光伏板利用光伏效应将太阳能转化电能，同时搭配储能系统，不但为船上电气设备提供能量来源，而且能将剩余电能储存起来。当光伏板不能提供能量来源时，可以通过储能系统为电气设备提供能量。今后太阳能及储能系统构成的新能源系统将在船舶上得到越来越广泛的推行[1-5]。

在新能源船舶中，太阳能电池通过光伏控制器的MPPT调整使组件工作达到最大功率点，并将电能传输到系统母线上，为推进电机、舵机及生活等用电设备提供电能，同时还通过DC-DC变换器为铅酸电池进行恒压充电，当没有太阳光、太阳能板不足以提供电能时，蓄电池通过DC-DC变换器对母线进行放电，船舶能源采用蓄电池提供。新能源船舶电气系统框图如图1所示。

1" 硬件电路设计

双向DC-DC变换器根据隔离形式分类，可以分为隔离型和非隔离型[6，7]。隔离型是指输入级和输出级间有电气隔离装置，如变压器等；非隔离型是指输入级和输出级间电气线路相通没有电气隔离装置。在新能源船用双向DC-DC控制系统中采用非隔离型升降压拓扑结构，当太阳光充足时，母线对电池充电，DC-DC变换器工作于降压模式；当电池对母线放电时，DC-DC变换器工作于升压模式[8-11]。硬件系统总体结构框图如图2所示，主要分为主电路、信号变换电路、功率管驱动电路、最小系统及人机交互电路。主电路主要包括滤波电容、开关管和储能电感；信号变换电路将各个端口的电压和电流变换为适合微处理器输入的电压信号；功率管驱动电路将微处理器产生的PWM波变换为可以控制开关管的PWM波信号；人机交互系统提供各种状态指示、指令输入及参数显示功能。

1.1" 主电路参数计算

当太阳能光伏板工作时，DC-DC变换器工作于Buck降压模式，太阳能电池板向母线提供316.8 V的额定电压，需要通过DC-DC变换器将额定电压降压为48 V后对蓄电池进行恒压充电。充电电流不大于10 A，功率管的开关频率为250 kHz，系统中电流纹波取10%，电压纹波取1%。由上面的设计要求可知，电路中PWM控制的信号占空比为：

（1）

储能电感上的电压降为：

（2）

其中：

（3）

得到电感量L的值为：

（4）

电容C充电的电荷为：

（5）

当没有太阳光时，光伏板所产生的电量不足以为整个系统提供能源，母线电压下降，当母线电压下降到286.9 V时，DC-DC变换器工作于Boost升压模式，电路输入电压为48 V，输出电压为316.8 V，额定输出电流为10 A，开关管工作频率为250 kHz，由上面设计要求可知电路中PWM控制的信号占空比为：

（6）

Boost模式下定义电感的电流波动量：

（7）

在Boost升压模式下电路系统需要的最小电感：

（8）

定义输出电压的纹波为0.1 V，输出电容计算：

（9）

结合上述计算，电路中储能电感选用F5032大功率电感，额定电流为60 A，电感量为94 μH。结合余量问题，母线端和蓄电池端均采用6个耐压450 V、容量为100 μF的高频电解电容并联，这样的设计既减少了电容的内阻，又增加了系统的散热能力。

主电路的功率开关管采用N沟道增强型MOSFET，采用两管并联结构，型号选用FHA24N50，该管的主要参数如表1所示。

1.2" 信号采集电路设计

1.2.1" 电压信号采集电路

电压信号采集电路需要将母线端和蓄电池端的电压进行变换，将这两个电压实时变换为微处理器输入电压，让微处理检测这两个电压的变化，以切换DC-DC变换电路的工作模式。检测母线电压是先采用两个分压电阻将母线电压分为9：1。然后将10%的母线电压输入到由集成运放（GS8552）构成的减法电路中，减法电路的同相端接分压电阻的高电位端，减法电路的反相输入端连接分压电阻的低电位端，运放的放大倍数为0.049倍。如果母线电压为316.8 V，经分压电阻后变为31.68 V，然后经过差分放大器输出1.552 V电压，这个电源值再经过一级电压跟随器后进入控制器进行AD转换。图3为电压采样电路原理图，采用减法电路可以避免电路中的大电流使电源参考地的电压不一致。蓄电池端的电压信号采集电路除了没有分压部分，其他和母线端电路一致。

1.2.2" 电流信号采集电路

不管电路工作于哪种模式，为了整个系统的安全都要对电路的最大电流进行限制。同时为了得到准确的电流值，系统在母线端和蓄电池端都采用了两个0.01 Ω的电流取样电阻，将电流信号转换为等比例的电压信号，然后通过集成运放（GS8525）构成减法电路，减法电路的放大倍数为100倍，减法运算放大电路的同相输入端输入1.65 V的固定偏置电压，当DC-DC变换电路工作于降压模式时，电流从母线流入蓄电池，取样电阻右端比左端电位高，计算取样电路输出电压为：1.65+100I；当DC-DC变换电路工作于升压模式时，电流从蓄电池流入母线，取样电阻右端比左端电位低，计算取样电路输出电压为：1.65-100I。

1.3" 开关管及其驱动电路设计

开关管驱动芯片采用隔离互补双通道驱动芯片Si8233，该方案外围电路简单，芯片的最大电源电压为24 V，该芯片具有输入输出隔离功能，隔离耐压为4 000 V，可大大降低功率级电路对控制级电路的直接干扰程度，4 A的输出驱动电流能力保证MOS能够快速导通；同时芯片的DT管脚具备输入信号死区设置功能，保障输出两路驱动信号不会出现直通，增加系统可靠性。增加两个PNP型三极管Q3与Q4，当驱动信号从高电平转低电平时，由于两个驱动电阻的作用，三极管快速导通，加快驱动信号至下降沿，保证MOS快速关断，降低MOS关断损耗。

2" 软件电路设计

在实际的光伏发电系统中，光照强度的不同将导致系统母线上的电压有波动，母线上的电压不会严格稳定在额定电压，如果将电池充放电切换模式固定于额定电压点，当母线上低于额定电压时，DC-DC变换器工作于升压模式，蓄电池放电；当母线上的电压等于额定电压时，DC-DC变换器工作于降压模式，为蓄电池充电。但由于光照强度的不同，导致母线电压有一定的波动，完全以额定电压点为切换条件，将导致系统将不断来回在切换升压和降压两种工作状态。为避免这种情况的发生，系统采用分段控制策略：母线上的电压为额定电压的负5%范围内，太阳能电池向蓄电池充电，DC-DC变换器工作于降压状态；如果低于额定电压5%～12%范围内，由光伏电站单独供电，DC-DC变换器不工作，蓄电池不放电也不充电；母线电压低于额定电压12%，DC-DC变换器工作于升压状态，蓄电池开始放电，维持母线电压。

2.1" 主程序设计

系统采用STM32F334作为电路主控，控制器在上电/复位后，初始化控制器的系统时钟、IO端口、定时器及模数转换及其他外设，打开各组模块功能所需的中断，随后进入主循环，在主循环中处理时间资源占用较多但优先级不高的显示程序。程序的主体采用中断触发方式进行控制，由三个重要的中断内容构成，分别为HrPWM中断、TIM2中断（1 ms）、TIM3中断（5 ms）。其优先级从高到低顺序分别为HrPWM中断、TIM2中断（1 ms）、TIM3中断（5 ms），各个中断运行过程中均使用中断嵌套功能，即优先级高的中断可以任意时刻打断优先级较低的中断，每个中断有其对应的处理事件内容，如图4主程序流程图中中断内容所示。

2.2" 系统软启动

为减少电路的冲击，系统采用软启动，系统软启动分为两个阶段，一个为软启动前期准备初始化阶段SSInit，另外一个为正式软启动阶段。

在软启动前期准备初始化阶段SSInit，上管、下管PWM依旧并未使能。同时将上管和下管的最大占空比限制值设定为最小，上下管占空比同时也设置为最小。根据工作模式不同初始化目标电压值，当工作于Buck模式下时，目标电压从0开始启动；当工作于Boost模式时，目标电压从输入电压开始启动。初始化目标电流为0时开始启动，将Q1和Q2的PWM软起计数器复位0。

正式软起动阶段，在正式使能PWM前，再次复位环路计算的所有相关参量。程序根据模块工作于Buck模式或Boost模式决定软起方式。当电源工作Buck模式时，主控为Q1管，Q2为互补管，软起为Q1的占空比逐渐增加，直至Q1软起结束后再使能Q2使其占空比逐渐增加；当电源工作Boost模式时，主控为Q2管，Q1为互补管，软起为Q2的占空比逐渐增加，直至Q2软起结束后再使能Q1使其占空比逐渐增加。互补管在主控管软起结束后再软起的方式能有效抑制启动过程中电流过冲。

当Q1和Q2管的软起结束后，状态机跳转至正常运行状态，系统启动完成。

3" 系统测试

为了进一步验证该方案，根据计算参数和控制方案，搭建了新能源船用双向DC-D控制实验系统进行实验验证，太阳能发电侧采用12块550 W太阳能光伏板进行串并联，经过控制器后使母线电压上的电压为318.6 VDC，蓄电池采用6个铅酸电池串并联构成48 VDC，DC-DC控制器接在母线和蓄电池中间。当系统启动时功率开关管Q1、Q2PWM波形图如图5所示。母线在不同电压下DC-DC变换器模式切换及运行状态如表2所示。

由图5和表2可知，系统可以切换升压和降压工作状态，符合双向变换器设计要求。

4" 结" 论

通过对双向DC-DC变换器的参数计算、控制策略的选取，设计了一款在新能源船上使用的DC-DC升降压系统。满足新能源船的使用要求，为新能源船舶节能减排提供参考方案。

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