蓄电池储能双向DC/DC变换器的设计

邵建设，马颖杰，聂合文，胡梓明，殷　爽，吴　璐

(黄冈师范学院 电子信息学院，湖北 黄州 438000)



蓄电池储能双向DC/DC变换器的设计

邵建设，马颖杰，聂合文，胡梓明，殷爽，吴璐

(黄冈师范学院 电子信息学院，湖北 黄州 438000)

为了研究蓄电池的充放电特性，利用性价比高的MSP430F149单片机作为中心控制芯片，采用脉冲宽度调制(PWM)控制方法，搭建了一个蓄电池储能实验装置。该装置由双向DC/DC变换电路、测控电路、开关保护电路、开关管驱动电路、彩屏显示电路、电源电路组成，该装置实现了对电池恒流充电、恒压放电、过充保护、电路中电流电压彩屏显示等功能。该系统具有操作简便、测试方便和成本低廉的特点。

蓄电池储能；DC/DC变换器；PWM；恒流充电；恒压放电；过充保护

双向DC/DC变换器越来越多地应用在需要能量双向流动的场合，例如在直流不停电电源系统、航天电源系统和电动汽车驱动控制系统等工程应用场合有重要的应用[1]。双向DC/DC变换器的应用可以大幅度地减轻系统的体积和重量，从而减小制造成本。在双向DC/DC变换电路中，往往采用蓄电池来进行储能，怎样可靠地高效地实现蓄电池的储能充电和放电控制，是一个值得深入研究的课题[2]。

本文为了研究蓄电池的充放电特性，设计并制作了一个蓄电池储能实验装置。在该实验装置中蓄电池的充放电由双向DC/DC变换器来实现，采用MSP430F149单片机用于装置的中心控制，各种控制功能均由按键设定和控制。蓄电池储能装置结构框图如图1所示。电池组由5节18650型、容量为3 000mAh锂电子电池串组成。双向DC/DC变换电路采用非隔离型的Buck/Boost拓扑结构。辅助电源对测控电路和双向DC/DC控制电路提供电源。测控电路检测和测量双向DC/DC变换电路的两侧的输入电压U1和电流I1、输出电压U2和电流I2、以及直流稳压电源的输出电压US。RL为模拟负载，阻值为30Ω。RS模拟直流稳压电源的内阻，阻值为5Ω。S1、S2和S3为模拟开关。实验研究电池组在恒流充电、恒压放电以及充放电制动切换三种模式下的充放电特性。

图1　蓄电池储能装置结构框图

1　蓄电池储能装置电路方案选择

1.1双向DC/DC电路主电路方案选择

方案一：非隔离开关转换器。结构简单、体积小、成本较低；输出电压调节范围宽且适合用于低电压场合；只能升压或降压或极性转换，输出电压不能与输入电压相等。输入和输出不隔离，如果用市电供电，人接触电源的输出端或地端可能有触电危险。方案二：隔离式开关转换器。体积较大，同等体积的功率较小。输入和输出隔离，后级对大地无危险电压，输出电压可以与输入电压相等或是一个可以包含输入电压的范围。比较以上两种方案，由于方案一相比于方案二具有结构简单、体积小、成本低，且输出电压范围宽适用于低电压场合，故选择方案一[3-4]。

1.2双向DC/DC电路控制方案选择

方案一：采用传统的PWM脉宽调制技术，控制可靠，性能价格比高。双向DC/DC电路的控制可以采用此方案。方案二：采用DSP(数字信号处理芯片)TMS320LF2407A作为电路的控制。DSP芯片价格较高，编程控制是技术关键，便于实现智能化控制。当控制电路的控制策略复杂时，采用此方案是一个不错的选择。方案三：采用EDA(电路辅助设计)芯片作为电路的控制。SPWM波形的产生硬件电路，通过EDA芯片完成，编程控制是关键。EDA芯片价格较高。当控制电路比较复杂时，采用EDA软件编程的方法来实现，使用很方便。鉴于本文所述的双向DC/DC电路的控制电路的复杂程度，采用方案一，系统具有较高的性能价格比[5]。

2　电路理论分析与设计

2.1系统总体框图

图2为蓄电池储能模拟装置系统总体原理框图。采用美国德州仪器(TI)MSP430F149单片机作为主控制器。MSP430系列单片机是1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)，它具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等特点[6]。电阻R1和R2组成分压电路,通过单片机A/D采样端口采样电池组端电压。C1为电池组侧滤波电容。I1和I2通过电流测量电路后分别输出至单片机的A/D采样端口。U1通过电阻R1和R2分压、U2通过电阻R3和R4分压、US通过电阻R5和R6分压后分别输出至单片机的A/D采样端口。S1、S2和S3分别为三个继电器的常开触点，这三个继电器的线圈的通电和断电受到单片机的控制。

图2　蓄电池储能模拟装置总体原理框图

Buck/Boost双向DC/DC变换器有三种工作模式[7],开关管Q1和Q2的控制信号采用脉冲调制宽度(PWM)来控制。

(1)Buck工作模式：在此模式下，锂电池充电。开关管Q2保持关断状态，当开关管Q1导通时，二极管D1和D2承受方向电压关断，储能电池组向锂电池充电，同时给L储能；当开关管Q1关断时，电感电流二极管D2构成续流回路，对锂电池充电，电容C2用来维持锂电池端电压的稳定并进行滤波。

(2)Boost工作模式：在此模式下，锂电池放电。开关管Q1保持关断状态，当开关管Q2导通时，锂电池给电感L充电储能；当开关管Q2关断时，锂电池和电感L同时给锂电池充电，电容C2用来维持储能电池组端电压的稳定并进行滤波。

(3)关机模式：再此模式下，开关管Q1和Q2保持关断状态，双向DC/DC变换器停止工作，锂电池停止充电。

2.2双向DC/DC主回路参数选择及计算

2.2.1滤波电感L的确定

滤波电感大，系统响应速度慢，但纹波系数小；如果滤波电感小，系统响应速度就快，但纹波系数大。综合上述两点，选取的电感应保证流过其中的电流纹波不超过额定输出电流的10%。最大充电电流为2A，整个工作过程中电感的峰值电流不会超过2.7A。选取电感大小为0.25mH。开关管Q1和Q2额定工作频率选取为7 000Hz。

2.2.2滤波电容C2的确定

电容C2参数的选定思想：稳态工作时，电感中电流是含有纹波的直流量，因滤波器对直流量不起作用，故这里只考虑纹波，按线性电路原理把直流量和纹波量分离，将电感中纹波等效成纹波电流源，电流源主要包含频率为fs的基波，其他高次谐波含量很少忽略不计，故进一步将纹波源看成频率为fs的交流源，这样就可以把变换器等效成交流电路，用向量法设计出合理的参数。恒流时滤波电容C2要求满足当电感纹波电流最大时，变换器的纹波系数仍能满足要求。选取C2=1000μF。

2.2.3输入侧电容C1的确定

变换器工作在BOOST模式下时，电容C1起着储能和滤波的作用，选取C1=1000μF。

2.3单片机控制电路及显示电路

图3为单片机控制电路及显示电路原理图。从MSP430F149单片机的P3.1和P3.2端口产生两路脉冲宽度调制PWM1和PWM2，分别对双向DC/DC变换器的开关管Q1和Q2进行控制。S1、S2、S3三个开关触点的控制，由单片机来进行控制。三个开关构成五种控制模式，控制分别如下：接通S1和S3，断开S2，为充电模式；断开S1，接通S2，为放电模式；接通S1和S2，断开S3，为自动化模式；S1、S2、S3三个开关全部接通的控制为全开模式；S1、S2、S3三个开关全部断开的控制为全断模式。连接于单片机的P1.0～P1.4端口的四个按键，分别作为开关管Q1和Q2的脉宽增加和减少的控制按键。

图3　单片机控制电路及显示电路

2.4开关管驱动电路

开关管Q1和Q2驱动电路如图4所示。单片机产生的两路互补的PWM信号PWM1和PWM2。PWM1分别经过光耦U7隔离，输出至U3(IR2110S)的14脚，经过隔离放大后从第1脚和第6脚输出PWM信号用于开关管Q1的控制。PWM1分别经过光耦U8隔离，输出至U4(IR2110S)的14脚，经过隔离放大后从第1脚和第6脚输出PWM信号用于开关管Q2的控制。

图4　开关管Q1和Q2驱动电路原理图

2.5单片机电流采样电路

电流采样电路原理图如图5所示。电流I1和I2分别经过acs712芯片电路，将其转换为电压信号PTi1和PTi2，送入到单片机A/D采样电路。

图5　电流采样电路原理图

2.6单片机程序控制思想

图6为单片机程序控制流程图。系统程序开始执行后，先进行系统的初始化设置，再执行按键扫描程序，当程序扫描到充电按键按下时系统切换到充电模式工作，当扫描到放电按键按下时系统切换到放电工作模式，当扫描到自动按键按下时系统切换到自动工作模式。

图6　单片机程序控制流程图

3　实验结果及分析

(1)接通S1、S3，断开S2，将装置设置为充电模式，进行以下实验：

①在U2=30V条件下，实现对电池恒流充电。充电电流I1在1～2A范围内步进调整，步进值不大于0.1A，实验结果表明电流控制精度不低于5%;

②设定I1=2A，调整直流稳压电源的输出电压，使U2在24～36V内变化时，实验结果表明充电电流的变化率不大于1%;

③设定I1=2A，在U2=30V条件下，实验结果表明变换器效率;

④测量并显示充电电流I1，在I1=1～2A范围内测量精度不低于2%;

⑤具有过充保护功能。设定I1=2A,当电压超过阀值时，停止充电。

(2)断开S1，接通S2，将装置设置为放电模式，进行以下实验：

保持此时变换器效率。

(3)接通S1、S2，断开S3，将装置设置为充电和放电自动切换模式，进行以下实验：

调整直流稳压电源的输出电压，使在32～38V内变化时，双向DC/DC电路能够自动转换工作模式并保持。

实验结果表明：电池模拟装置达到预定的控制要求。

本文为了研究蓄电池的充放电特性，利用性价比高的MSP430F149单片机作为中心控制芯片，采用脉冲宽度调制(PWM)控制方法，搭建了一个蓄电池储能实验装置，并进行了电池恒流充电、恒压放电、充放电自动切换等实验，达到了预定的控制功能。本研究具有一定的理论和工程实践价值。

[1]牛金红.数字控制双向全桥DC/DC变换器的应用[D].武汉:华中科技大学，2006年.

[2]郭熠.电动汽车双向DC/DC的研究[D].天津:天津大学,2004年.

[3]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，1999.

[4]张建荣.直流开关电源的软开关技术[M].北京：科学出版社，2003.

[5]吴守箴，臧英杰. 电气传动的脉宽调制技[M].北京：机械工业出版社，1997.

[6]沈建华. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[7]邵丙衡. 电力电子技术[M]. 北京：中国铁道出版社，1997.

责任编辑王菊平

A design of a two-way DC/DC Converter in the battery energy storage system

SHAO Jian-she, MA Ying-jie, NIE He-wen, HU Zi-ming, YIN Shuang, WU Lu

(School of Electronic Information, Huanggang Normal University, Huangzhou 438000, Hubei, China)

In order to study the characteristics of battery charging and discharging, a battery energy storage experimental system was established, in which a high utilization ratio MSP430F149 single chip microcomputer was used as key control chip and Pulse Width Modulation (PWM) control strategy was used. The device comprised a two-way DC/DC transform circuit, measuring circuit, switch protecting circuit, switching driving circuit, color screen display circuit, and power supply. The device could realize the function of battery constant current charge, constant voltage discharge, overcharge protection function, and color screen display. The device was characteristics of simple operation, convenient measurement and low cost.

battery energy storage; DC/DC convertor; pulse width modulation; constant current discharge; constant voltage discharge; over discharge protection

TN710

A

1003-8078(2016)03-0071-05

2015-12-07

10.3969/j.issn.1003-8078.2016.03.18

邵建设，男，湖北英山人，教授，博士，主要研究方向为电力电子技术、高电压与绝缘技术。

黄冈师范学院2014年校级科研项目(2014016203);黄冈师范学院2013年大学生创新创业训练项目(201310514013);黄冈师范学院2015年大学生创新创业训练项目(sy201518)。