一种复合储能系统两相交错并联双向DC-DC变换器的研究＊

曹洪奎，杨钦鹏，岳城，彭冲

一种复合储能系统两相交错并联双向DC-DC变换器的研究＊

曹洪奎，杨钦鹏，岳城，彭冲

（辽宁工业大学 电子与信息工程学院，辽宁 锦州 121001）

为了提高复合储能系统双向DC-DC变换器的效率，减小输出电流纹波系数，研究一种复合储能系统两相交错并联双向DC-DC变换器，主要由主功率变换电路、隔离驱动电路、单片机控制电路、A/D转换电路、显示电路和辅助电源电路组成。主功率变换电路由两个DC/DC变换器单体并联构成，单片机作为控制核心，通过A/D转换器PCF8591T采集双向DC/DC变换器两端的电压信号，自动判断升降压模式，采用PI算法产生PWM输出信号，驱动主功率变换电路中功率MOS管的导通和关断，从而达到升压或降压的目的。两个双向DC/DC变换器单体并联，相位相差180°，实现12 V和5 V电压双向转换。测试表明，变换器的功率可以达到30 W，效率达到85%以上，系统各项功能满足实际应用的要求。

双向DC/DC变换器；交错并联；PI算法；PWM

1 引言

随着科技的不断发展，电子技术已经有了很大的变革，很多的电子设备已经不再是依赖单一电源供电。在微电网中，储能装置是重要组成部分，它不但有着消峰填谷的作用，还起到稳定直流母线电压和功率补偿的作用。储能装置主要包括需燃料电池、超级电容器、蓄电池等，不同的储能电池具有不同的优缺点，而由多种储能电池构成的复合储能系统能克服单一电池的缺点，发挥不同电池的优势，由于不同储能电池的电压-电流特性不同，所以不能直接并联使用，需要通过双向DC-DC变换器来控制复合储能系统的充电和放电。交错并联双向DC-DC变换器可以实现在储能装置和母线之间能量的双向交换，它可以根据需求实现电流的双向流动，电流波动小、开关管平均电流小、成本低，因此在不间断的电源系统、电动汽车、航天领域都有着十分广泛的应用。本文设计两相交错并联双向DC-DC变换器，实现复合储能系统的并联充放电功能，输入输出电压要实现5 V与12 V之间双向转换，两个双向DC-DC变换器180°交错并联。

2 两相交错并联双向DC/DC变换器设计与分析

两相交错并联双向DC-DC变换器主要由单片机控制电路、A/D转换电路、隔离驱动电路、双向DC-DC变换器单体、显示电路、辅助电源电路构成。

系统结构如图1所示。

主功率变换电路由两个DC/DC变换器单体并联构成，实现两相交错并联双向DC-DC变换器12 V和5 V电压双向变换。STC89C51单片机作为控制核心，通过双通道10位A/D转换器PCF8591采集双向DC-DC变换器两端的电压信号，自动判断升降压模式，采用PID算法产生PWM输出信号，驱动主功率变换电路中功率MOS管的导通和关断，从而达到升压或降压的目的。在单片机和主功率变换电路之间采用由光耦和集成驱动芯片IR2104构成的隔离驱动电路，起到保护控制电路的作用，两个隔离驱动电路分别控制两个双向DC-DC变换器单体电路，两个双向DC-DC变换器单体并联，相位相差180°，达到交错并联的目的。同时，通过LCD显示电路显示变换器的工作模式和输入输出电压。

图1 两相交错并联双向DC/DC变换器总体设计框图

2.1 主功率变换电路的设计与分析

本文设计的主功率变换电路由两个DC/DC变换器单体并联组成，双向DC/DC变换器单体采用非隔离型Buck/Boost直流变换器拓扑结构。非隔离型的DC/DC变换器不但可靠性高，而且体积小、效率高。

两相交错并联双向DC/DC变换器实际上就是将两个双向半桥DC/DC变换器单体进行并联，两个变换器相位相差180°，在双向DC/DC变换器中加入交错并联技术，其优势在于，不仅能够提高变换器的暂态响应速度，而且能够减小总输入输出的电流波纹以及开关管的电流应力。本设计中的主功率变换电路主要采用APM3116N的MOS管，该芯片漏源电压为30 V，连续漏极电流为12 A。主功率变换电路拓扑如图2所示。

由图2可知，当变换器是升压模式时，电路是处于Boost模式，是从低压端向高压端流动，即V1端流向V2端，假设电路处于理想状态，而且两个并联电路的参数一致，电路中的占空比为。当变换器是降模式时，电路是处于Buck模式，是从高压端向低压端流动，即V2端流向V1端。

2.2 隔离驱动电路的设计与分析

隔离驱动电路采用了以半桥时式驱动电路IR2104为核心的MOS驱动，在驱动电路上加入了光耦隔离，起到保护单片机I/O口的作用，防止被驱动电路额外的电流烧坏单片机的I/O口。保证各个模块电压隔离的安全性，驱动电路的作用就是将控制电路和光耦隔离后产生的弱信号放大，变成足够驱动主功率变换电路运行的栅极驱动信号，使得主功率变换电路按照其控制目标的要求，进行开通或关断的操作。

隔离驱动电路如图3所示。

图2 主功率变换电路拓扑图

图3 隔离驱动电路电路图

2.3 A/D转换电路的设计与分析

采用了LM358通用运算放大器和10位逐次逼近式型A/D PCF8591T，对变换器两端的输入输出电压进行数据采集，通过A/D转换器来将采集单的模拟信号转化为数字信号输入单片机，LM358包含两个运算放大器，刚好可以对变换器两端的12 V和5 V两种电压信号进行调理，使得电路升压或降压时，可以达到目标值。

3 系统程序设计

本文设计的两相交错并联双向DC-DC变换器以STC89C51单片机为核心，通过程序PI算法控制实现DC-DC升压和降压变换。

系统工作时，对定时器0和1先进行初始化，A/D模数转换开始，通过判断采集的能量大小来控制电路进行升压或降压操作，如果降压，则D1通道进行模数转换；如果不降压，则D0通道进行模数转换。两个通道再去判断能量是否大于一定数值，如果大于，则停止传输；反之，继续传输，直到能量大于一定数值。在停止传输后，计算PI参数，进行限幅，调制信号加PI参数，最后给定时器赋值，一个循环结束后再次回到PI周期之前。

4 系统的测试与分析

本文设计两相交错并联双向DC/DC变换器要求能够实现12 V和5 V相互转化，输入输出电压要实现5 V与12 V之间双向转换；拓扑双路180°交错并联；功率要达到30 W；效率不低于85%。进行系统测试时，需要用到直流稳压电源、数字万用表和电子负载，电子负载可以精确检测出负载电压，调整负载电流。

4.1 升压模式测试

转化效率是衡量两相交错并联双向DC/DC变换器好坏的一项重要标准，测试时，一端提供5 V电压，接上电子负载，用数字万用表的红黑表笔去接另一侧的接线端子，万用表分别调到电压档和电流档，对此，测试出了升压状态时的一些实验数据。升压状态下的输出电压测试如图4所示。

升压模式下的测量结果如表1所示。由表1可以分析出，升压状态下，电路的功率基本可以达到30 W，转化效率不低于86%，本次设计的要求为，功率可以达到30 W，转化效率不低于85%。所以，升压状态下各项参数符合设计要求。

4.2 降压模式测试

降压模式测试时，一端提供12 V电压，接上电子负载，用数字万用表的红黑表笔去接另一侧的接线端子，万用表分别调到电压档和电流档，对此，测试出了降压状态时的一些实验数据。表2为降压模式下的测量结果。

图4 升压状态下的输出电压测试

表1 升压模式下的测量结果

V1/VI1/AP1/WV2/VI2/AP2/Wη/（%） 4.986.9134.4111.892.5229.9687.07 5.086.8134.5911.952.5230.1187.05 5.126.7634.6211.982.5029.9586.52 5.136.7134.4112.032.4629.5985.99 5.156.6234.1012.072.4930.0588.12

表2 降压模式下的测量结果

V2/VI2/AP2/WV1/VI1/AP1/Wη/（%） 11.942.8534.034.875.9929.1785.71 12.022.8734.504.936.0829.9886.89 12.052.8434.224.986.0229.9787.58 12.092.8634.585.025.9830.0286.81 12.122.8734.785.055.9630.1086.54

由表2可以分析出，降压状态下，电路的功率基本可以达到30 W，转化效率不低于85%，本次设计的要求为，功率可以达到30 W，转化效率不低于85%。所以，降压状态下各项参数也符合设计要求。

4.3 测试结果分析

测试时，接入提供的电源，AD转换电路采集信号，将模拟量转化为数字信号，由STC89C51单片机控制电路控制电路，再由两个隔离驱动电路分别控制两个DC/DC变换器单体，从而达到升压或降压的目的。由表1和表2的测量结果分析得知，本设计可以达到12 V和5 V电压的相互转化，除去测量误差，电路的功率可以不低于30 W，且转换效率不低于85%，达到了设计要求。

5 结论

本文设计的复合储能系统两相交错并联双向DC/DC变换器，以两个双向DC/DC变换器单体为核心，两个DC/DC变换器单体并联，相位相差180°，采用关鸥隔离驱动电路，分别用于控制两个DC/DC变换器单体，STC89C51单片机控制系统应用PI算法控制电路进行升压或降压，实现了12 V和5 V电压的双向转换，电路工作时，功率不低于30 W，效率不低于85%，两相交错并联双向DC/DC变换器作为微电网中复合储能部分中的重要组成元件，它具有广阔的应用前景。

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TM46

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.016

2095－6835（2021）01－0048－03

曹洪奎（1979—），男，辽宁盘锦人，硕士，副教授，主要从事电子信息教育教学与研究。

＊2017年辽宁省教育厅高校基本科研项目“复合储能系统交错并联双向DC-DC变换器的研究”（编号：JQL201715412）

〔编辑：张思楠〕