曹洪奎，楊欽鵬，岳城，彭沖

一種復(fù)合儲能系統(tǒng)兩相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC-DC變換器的研究＊

曹洪奎，楊欽鵬，岳城，彭沖

（遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

為了提高復(fù)合儲能系統(tǒng)雙向DC-DC變換器的效率，減小輸出電流紋波系數(shù)，研究一種復(fù)合儲能系統(tǒng)兩相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC-DC變換器，主要由主功率變換電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)控制電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路和輔助電源電路組成。主功率變換電路由兩個(gè)DC/DC變換器單體并聯(lián)構(gòu)成，單片機(jī)作為控制核心，通過A/D轉(zhuǎn)換器PCF8591T采集雙向DC/DC變換器兩端的電壓信號，自動(dòng)判斷升降壓模式，采用PI算法產(chǎn)生PWM輸出信號，驅(qū)動(dòng)主功率變換電路中功率MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而達(dá)到升壓或降壓的目的。兩個(gè)雙向DC/DC變換器單體并聯(lián)，相位相差180°，實(shí)現(xiàn)12 V和5 V電壓雙向轉(zhuǎn)換。測試表明，變換器的功率可以達(dá)到30 W，效率達(dá)到85%以上，系統(tǒng)各項(xiàng)功能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

雙向DC/DC變換器；交錯(cuò)并聯(lián)；PI算法；PWM

1 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，電子技術(shù)已經(jīng)有了很大的變革，很多的電子設(shè)備已經(jīng)不再是依賴單一電源供電。在微電網(wǎng)中，儲能裝置是重要組成部分，它不但有著消峰填谷的作用，還起到穩(wěn)定直流母線電壓和功率補(bǔ)償?shù)淖饔谩δ苎b置主要包括需燃料電池、超級電容器、蓄電池等，不同的儲能電池具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，而由多種儲能電池構(gòu)成的復(fù)合儲能系統(tǒng)能克服單一電池的缺點(diǎn)，發(fā)揮不同電池的優(yōu)勢，由于不同儲能電池的電壓-電流特性不同，所以不能直接并聯(lián)使用，需要通過雙向DC-DC變換器來控制復(fù)合儲能系統(tǒng)的充電和放電。交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC-DC變換器可以實(shí)現(xiàn)在儲能裝置和母線之間能量的雙向交換，它可以根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)電流的雙向流動(dòng)，電流波動(dòng)小、開關(guān)管平均電流小、成本低，因此在不間斷的電源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、航天領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)兩相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)復(fù)合儲能系統(tǒng)的并聯(lián)充放電功能，輸入輸出電壓要實(shí)現(xiàn)5 V與12 V之間雙向轉(zhuǎn)換，兩個(gè)雙向DC-DC變換器180°交錯(cuò)并聯(lián)。

2 兩相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器設(shè)計(jì)與分析

兩相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC-DC變換器主要由單片機(jī)控制電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路、雙向DC-DC變換器單體、顯示電路、輔助電源電路構(gòu)成。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

主功率變換電路由兩個(gè)DC/DC變換器單體并聯(lián)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)兩相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC-DC變換器12 V和5 V電壓雙向變換。STC89C51單片機(jī)作為控制核心，通過雙通道10位A/D轉(zhuǎn)換器PCF8591采集雙向DC-DC變換器兩端的電壓信號，自動(dòng)判斷升降壓模式，采用PID算法產(chǎn)生PWM輸出信號，驅(qū)動(dòng)主功率變換電路中功率MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而達(dá)到升壓或降壓的目的。在單片機(jī)和主功率變換電路之間采用由光耦和集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2104構(gòu)成的隔離驅(qū)動(dòng)電路，起到保護(hù)控制電路的作用，兩個(gè)隔離驅(qū)動(dòng)電路分別控制兩個(gè)雙向DC-DC變換器單體電路，兩個(gè)雙向DC-DC變換器單體并聯(lián)，相位相差180°，達(dá)到交錯(cuò)并聯(lián)的目的。同時(shí)，通過LCD顯示電路顯示變換器的工作模式和輸入輸出電壓。

圖1 兩相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器總體設(shè)計(jì)框圖

2.1 主功率變換電路的設(shè)計(jì)與分析

本文設(shè)計(jì)的主功率變換電路由兩個(gè)DC/DC變換器單體并聯(lián)組成，雙向DC/DC變換器單體采用非隔離型Buck/Boost直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。非隔離型的DC/DC變換器不但可靠性高，而且體積小、效率高。

兩相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器實(shí)際上就是將兩個(gè)雙向半橋DC/DC變換器單體進(jìn)行并聯(lián)，兩個(gè)變換器相位相差180°，在雙向DC/DC變換器中加入交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)，其優(yōu)勢在于，不僅能夠提高變換器的暫態(tài)響應(yīng)速度，而且能夠減小總輸入輸出的電流波紋以及開關(guān)管的電流應(yīng)力。本設(shè)計(jì)中的主功率變換電路主要采用APM3116N的MOS管，該芯片漏源電壓為30 V，連續(xù)漏極電流為12 A。主功率變換電路拓?fù)淙鐖D2所示。

由圖2可知，當(dāng)變換器是升壓模式時(shí)，電路是處于Boost模式，是從低壓端向高壓端流動(dòng)，即V1端流向V2端，假設(shè)電路處于理想狀態(tài)，而且兩個(gè)并聯(lián)電路的參數(shù)一致，電路中的占空比為。當(dāng)變換器是降模式時(shí)，電路是處于Buck模式，是從高壓端向低壓端流動(dòng)，即V2端流向V1端。

2.2 隔離驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與分析

隔離驅(qū)動(dòng)電路采用了以半橋時(shí)式驅(qū)動(dòng)電路IR2104為核心的MOS驅(qū)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)電路上加入了光耦隔離，起到保護(hù)單片機(jī)I/O口的作用，防止被驅(qū)動(dòng)電路額外的電流燒壞單片機(jī)的I/O口。保證各個(gè)模塊電壓隔離的安全性，驅(qū)動(dòng)電路的作用就是將控制電路和光耦隔離后產(chǎn)生的弱信號放大，變成足夠驅(qū)動(dòng)主功率變換電路運(yùn)行的柵極驅(qū)動(dòng)信號，使得主功率變換電路按照其控制目標(biāo)的要求，進(jìn)行開通或關(guān)斷的操作。

隔離驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖2 主功率變換電路拓?fù)鋱D

圖3 隔離驅(qū)動(dòng)電路電路圖

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與分析

采用了LM358通用運(yùn)算放大器和10位逐次逼近式型A/D PCF8591T，對變換器兩端的輸入輸出電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過A/D轉(zhuǎn)換器來將采集單的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入單片機(jī)，LM358包含兩個(gè)運(yùn)算放大器，剛好可以對變換器兩端的12 V和5 V兩種電壓信號進(jìn)行調(diào)理，使得電路升壓或降壓時(shí)，可以達(dá)到目標(biāo)值。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的兩相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC-DC變換器以STC89C51單片機(jī)為核心，通過程序PI算法控制實(shí)現(xiàn)DC-DC升壓和降壓變換。

系統(tǒng)工作時(shí)，對定時(shí)器0和1先進(jìn)行初始化，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換開始，通過判斷采集的能量大小來控制電路進(jìn)行升壓或降壓操作，如果降壓，則D1通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；如果不降壓，則D0通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。兩個(gè)通道再去判斷能量是否大于一定數(shù)值，如果大于，則停止傳輸；反之，繼續(xù)傳輸，直到能量大于一定數(shù)值。在停止傳輸后，計(jì)算PI參數(shù)，進(jìn)行限幅，調(diào)制信號加PI參數(shù)，最后給定時(shí)器賦值，一個(gè)循環(huán)結(jié)束后再次回到PI周期之前。

4 系統(tǒng)的測試與分析

本文設(shè)計(jì)兩相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器要求能夠?qū)崿F(xiàn)12 V和5 V相互轉(zhuǎn)化，輸入輸出電壓要實(shí)現(xiàn)5 V與12 V之間雙向轉(zhuǎn)換；拓?fù)潆p路180°交錯(cuò)并聯(lián)；功率要達(dá)到30 W；效率不低于85%。進(jìn)行系統(tǒng)測試時(shí)，需要用到直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表和電子負(fù)載，電子負(fù)載可以精確檢測出負(fù)載電壓，調(diào)整負(fù)載電流。

4.1 升壓模式測試

轉(zhuǎn)化效率是衡量兩相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器好壞的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)，測試時(shí)，一端提供5 V電壓，接上電子負(fù)載，用數(shù)字萬用表的紅黑表筆去接另一側(cè)的接線端子，萬用表分別調(diào)到電壓檔和電流檔，對此，測試出了升壓狀態(tài)時(shí)的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。升壓狀態(tài)下的輸出電壓測試如圖4所示。

升壓模式下的測量結(jié)果如表1所示。由表1可以分析出，升壓狀態(tài)下，電路的功率基本可以達(dá)到30 W，轉(zhuǎn)化效率不低于86%，本次設(shè)計(jì)的要求為，功率可以達(dá)到30 W，轉(zhuǎn)化效率不低于85%。所以，升壓狀態(tài)下各項(xiàng)參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 降壓模式測試

降壓模式測試時(shí)，一端提供12 V電壓，接上電子負(fù)載，用數(shù)字萬用表的紅黑表筆去接另一側(cè)的接線端子，萬用表分別調(diào)到電壓檔和電流檔，對此，測試出了降壓狀態(tài)時(shí)的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表2為降壓模式下的測量結(jié)果。

圖4 升壓狀態(tài)下的輸出電壓測試

表1 升壓模式下的測量結(jié)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 降壓模式下的測量結(jié)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，降壓狀態(tài)下，電路的功率基本可以達(dá)到30 W，轉(zhuǎn)化效率不低于85%，本次設(shè)計(jì)的要求為，功率可以達(dá)到30 W，轉(zhuǎn)化效率不低于85%。所以，降壓狀態(tài)下各項(xiàng)參數(shù)也符合設(shè)計(jì)要求。

4.3 測試結(jié)果分析

測試時(shí)，接入提供的電源，AD轉(zhuǎn)換電路采集信號，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，由STC89C51單片機(jī)控制電路控制電路，再由兩個(gè)隔離驅(qū)動(dòng)電路分別控制兩個(gè)DC/DC變換器單體，從而達(dá)到升壓或降壓的目的。由表1和表2的測量結(jié)果分析得知，本設(shè)計(jì)可以達(dá)到12 V和5 V電壓的相互轉(zhuǎn)化，除去測量誤差，電路的功率可以不低于30 W，且轉(zhuǎn)換效率不低于85%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的復(fù)合儲能系統(tǒng)兩相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器，以兩個(gè)雙向DC/DC變換器單體為核心，兩個(gè)DC/DC變換器單體并聯(lián)，相位相差180°，采用關(guān)鷗隔離驅(qū)動(dòng)電路，分別用于控制兩個(gè)DC/DC變換器單體，STC89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用PI算法控制電路進(jìn)行升壓或降壓，實(shí)現(xiàn)了12 V和5 V電壓的雙向轉(zhuǎn)換，電路工作時(shí)，功率不低于30 W，效率不低于85%，兩相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器作為微電網(wǎng)中復(fù)合儲能部分中的重要組成元件，它具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］陳迅.基于交錯(cuò)并聯(lián)的雙向DC/DC變換器設(shè)計(jì)［J］.鐵道機(jī)車與動(dòng)車，2018（3）：4-7，61.

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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，遼寧盤錦人，碩士，副教授，主要從事電子信息教育教學(xué)與研究。

＊2017年遼寧省教育廳高?；究蒲许?xiàng)目“復(fù)合儲能系統(tǒng)交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC-DC變換器的研究”（編號：JQL201715412）

〔編輯：張思楠〕