用于电池储能装置的双向DC-DC变换器设计

用于电池储能装置的双向DC-DC变换器摘要：伴随着能源与环境形势越来越严重，高效并且环保的能源更加受到人类的重视。从而使蓄电池储能装置在近几年来受到了人们广泛的关注与研究。本文介绍了以STM32为核心的控制芯片，通过Buck电路和Boost电路组合，实现DC-DC交换。用驱动电路对MOSFET通断的，来完成蓄电池充放电功能。用改变PWM波的占空比的方法，可达到适压输出的功能。通过主动检测外部电源电压改变情况，当负载端电压大于设定值时系统可自动切换成关闭模式。通过观察LCD显示屏，可以手动切换成放电模式，并且可以进行适时的充压放电。系统具有过压保护功能，并可对输出电压进行测量和显示。经过实验验证，本次设计的直流-直流变换器可以实现充放电功能。关键词：DC-DC交换；Buck；Boost；PWM控制。DesignofbidirectionalDC-DCconverterforbatteryenergystoragedeviceStudentmajoringinagriculturalelectrificationandautomationNameLiuWanyuanTutorLiuyingyingAbstract:Withtheincreaseofenergycrisisandenvironmentalcrisis,peoplepaymoreandmoreattentiontothehighefficiencyandenergyrecycling.Thebatteryenergystoragedevicehasbeenwidelyconcernedandstudiedbypeople.ThispaperintroducestheSTM32asthecorecontrolchip,throughtheBuckcircuitandBoostcircuitinparallel,toachievetwo-wayDC-DCswitch,andthroughthedrivecircuittoMOSFETon-offcontrol,soastorealizethebatterycharginganddischarging.ByadjustingthedutycycleofPWM,thefunctionoftheoutputvoltagecanberealized.Thesystemcanautomaticallydetectthechangesoftheexternalpowersupplyvoltage,andautomaticallyswitchtooffmodewhentheloadishigh.ByobservingtheLCDdisplay,itcanbeswitchedtothedischargemode,andcanbecarriedouttimely.Thesystemhasover-voltageprotectionfunction,andtheoutputvoltagecanbemeasuredanddisplayed.ExperimentalresultsshowthatthedesignoftheDC-DCconvertercanachievethefunctionofcharginganddischarging.Keywords:DC-DCswitching;Buckcircuit;Boostcircuit;PWMcontrol.1绪论在储能电池研究领域中，锂离子蓄电池是20世纪90 年代初期发展起来的先进蓄电池，具有的性能包括能量密度大、高电压、优良的低温性能、自放电率低和无记忆效应等 [1]，因此在快速发展的科技领域内有着更加广泛的应用。由于锂电池功能不断完善，它已经成为继镉镍蓄电池、氢镍蓄电池之后的新一代蓄电池。1.1课题研究背景及意义国家的富强繁荣是依托着能源的不断消耗，从而使国家的技术力量不断完善。人们常见的化石能源包括煤、石油和天然气，它们属于不可再生资源，并且在开发利用过程中会导致环境恶化，引起环境污染。严重的能源不足和环境恶化为人类生存敲响了警钟，人类又一次着手于对二次能源的研究，其中英国、日本在内的一些发达国家已经把可再生能源的开发和利用作为未来国家能源战略中重点研究对象。风能是我们日常生活中最为常见的一种可再生能源，每年总量高达全球能源消耗总量的3000多倍，到目前为止已经被多个国家开发和利用[2]。上述情况充分说明了假如我们能够有效地开发和利用好可再生资源，不但能够解决目前的一部分能源危机，而且还能阻止环境污染向更为严重的方向发展。在许多存储能量的方式中，蓄电池储能技术是目前为止发展最为快速并且技术已经成熟的，不仅如此我国还相继成立了多个兆瓦级蓄电池储能试验工程[3]，其优点包括建成时间短、高密度、充放电转换快速等。逆变器和电池是电池能量存储系统的重要组成部分，国内很多专家学者已经在这两个领域内开展了很多的研究项目。目前锂离子电池已经占领了电池能量储存研究的热门话题，它的优点有使用时间长、适用范围广、维护率低、反应速度快，可以在正常温度下运行。锂离子蓄电池已经在英国、美国等很多国家有广泛的应用，这充分说明它的应用前景是很广泛的[4]。此外,根据电池特性开发应用于大规模存储能量的双向变换器是非常关键，双向变换器不仅需要控制并网的连接电源，而且需要从社会性的角度对电网运行方向来考虑，在运用过程中双向变换器需要对行电池保养并延迟电池的工作时间[5]。在电池系统中，为了达成高效率、模块化的目标，许多国家都在研发有集成化等特性的电池系统拓扑。如S3R（SequentialSwitchingShuntRegulator）[6]、混合型、S4R（SeriesSequentialSwitchingShuntRegulator）[7]、BCDSR（BatteryChargeDischargeShuntRegulatormodule）[8,9]等拓扑结构纷纷提出。上述拓扑结构，虽然解决了系统的模块化、可扩展性问题，但利用率低下的情况仍然存在。因此，对于锂离子电池的充放电集成系统的研究具有广阔的空间，对推动国民经济增长具有重要的作用。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究状况早在上个世纪中期国外已经开始了对存储能量的装置进行研究。美国西北部和鲍威尔电能研究所己经研发新的储能设备，用于减少一定范围内的低频振荡。一些科研机构几乎同时着手于对能量存储设备的开发，当前已在充放电技术方向上取得了一些成果。最近几年，外国专家对储能装置智能化的使用开始了深入的讨论，讨论了时时跟踪电池中可接受充电电流曲线在高智能化储能装置中的应用，使充电电流和可接受充电电流一直相符，使电池充电过程在合适的状态下发生，在上述情况下可比普通充电模式节省40%左右的能量，不仅使充电时间大幅度下降而且充电质量良好。随着科技不断进步，国外学者对蓄电池充放电系统的自动化水平提出了新的要求，如实现高功率因素基于SPWM技术的蓄电池储能装置，并具有一定的节能效果等。但由于技术的局限性仍存在消除谐波效果不佳，直流电压利用率不高等问题[10]。1.2.2国内研究状况目前，北京交通大学开发的电池管理系统已经可以对电池本身信息进行测量，实验过程中的参数进行检测，并可以合理评估电池的SOC[15]。深圳派司地公司开发出了DSB-102-3型电池管理系统[16]。我国对电池能量存储系统的研究还处于起步阶段[17-21]，目前国内研究方向是：1.各高校实验室在存储能量材料的选取和存储能量装置的选取方面做了很多分析，清华大学研制出的储能设备可存储20KJ能量，华中科技大学研制的储能设备可存储35KJ能量。2.电力电子控制系统中能量交换研究，即储能设备和储能系统间的能量转换，该方向侧重于对控制策略的研究，例如SVPWM控制。3.储能设备在电力研究领域的实际应用。如增强电力系统稳定性、减少频率振荡、提高电能质量。我国对大容量存储能量装置的研究，当前处于起步发展阶段。我国对蓄电池的应用开发也十分重视，早在上个世纪初期，就开始了对蓄电池的研发。早期的锂电池制造公司经过近十年的努力已经发展成为具有国际水平的锂电池制造企业，如自主研制出高效锂离子蓄电池的中信国安盟故利公司，该公司产品目前已应用于我国节能环保公交车上，在节约能源和减少污染方面发挥了一定作用。南方电网公司利用了自身企业的优点，在国家的大力支持下研究了储能系统的整体控制设备，并参加了国际上第一个兆瓦级锂离子电池储能站的建设。2011年我国第一个也是当前国际上技术最先进，集风能、光能、储能和输电“四合一”的新能源综合使用项目开始建设。这标志着我国在新能源发展领域有重大突破，技术有很大的提高。这种风能和光能联合发电模式不仅可以使发电效率提高4%左右还能降低对环境的污染。1.3应用前景携带式电子产品的快速崛起标着锂离子蓄电池作为储能设备有广阔的前景。随着社会发展的需求，电池产业和人类生活的关系越来越密切，对于低成本、寿命长的储能电池的研究将成为未来十年内业界的研究热点，同时储能技术的创新会提高其他二次使用能源的使用率，绿色能源发电技术的日益成熟也将加快储能电池产业的发展。2设计与实验方法2.1总体方案设计系统组成框图如图2.1所示。所设计的系统包括了升降压电路、控制电路、电压采集模块、TFTLCD屏显示模块、按键模块等。系统的工作原理是控制电路中的单片机输出PWM波然后利用驱动电路控制主电路导通、关断，从而能实现升降压功能。通过电压采集模块对被充电电源部分的电压进行采集并即时反馈给MCU，通过对采集信息的反馈可以及时的调整对电路的控制，且电压和PWM波的占空比均能在TFTLCD显示屏上即时显示。图2.1系统组成框图2.2实验方法2.2.1单片机的选择结合本项目需求，主控制器必须具有以下特点：较强的处理能力（包括运算速度以及多任务的处理能力），丰富的片内外设资源、较大的存储容量、良好的用户开发环境，较低的功耗等[13]。结合电路需实现的功能，总控制器选择了单片机STM32F103RBT6。如下图2.2、图2.3所示。STM32F103RBT6具有相当强处理能力的意法半导体，它拥有丰富的片内外设资源、较大的存储容量、良好的用户开发环境，较低的功耗。适用于微控制系统、汽车控制系统、工业控制系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域，其集高性能、低功耗、低费用于一体[11]STM32F103RBT6芯片工作频率能达到72M，在存储器的0等待周期访问时可达2.64K的内存存储器容量。内置512K的闪存和64K的SRAM,具有丰富的IO端口和片内外设，包含2个12位ADC，共16各通道，最大转换时间可以达到1μs；4个通用的16位定时器，2个PWM定时器，含有USART，SPI，CAN等通信接口；拥有9个通信接口。此芯片可工作于-45度～105度，工作电压2.0V到3.6V，能够满足低功耗的应用要求，并具有时钟、复位和电源管理[14]等功能。所以选择该芯片作为本次设计的主控制芯片。图2.2STM32F103RBT6原理图图2.2STM32F10x处理器内部结构图2.2.2光耦合器的选择本设计的光耦合器选用东芝公司的TLP250。TLP250是由LED和光接收器组成的，有8个引脚，如图2.3所示，适合于驱动IGBT或MOSFET。引脚接线方法如表1所示。TLP250驱动主要具备以下特征：1.输入阈值电流IF=5mA(max);2.电源电流ICC=11mA(max)；3.电源电压VCC=10V～35V；4.输出电流I0=±0.5A(min)；5.开关时间tpLH/tpHL=0.5μs(max)；图2.3TLP250管脚接线图表1TLP250管脚接线图12345678空PWM（阳极）PWM(阴极)空地V0（输出）V0VCC2.2.3电压采集模块的选择电压采集模块在系统中通过对被充电电源部分的电压进行采集并即时反馈给MCU，从而使电压和PWM波的占空比均能在TFTLCD显示屏上显示。该系统中采用分压电阻经过一个电压跟随器然后通过AD进行电压采集，如图2.4所示。注意：运算放大器的电源VCC必须大于或等于7.0V。鉴于没有对应的配准分压电阻，所以用100K左右的电位器来调节分压电阻。图2.4电压采集模块电路图2.2.4液晶显示模块的选择液晶显示器即LCD（LiquidCrystalDisplay），是一种显示设备，该设备的显示部分由彩色或黑白像素构成，然后放置于光源或者反射面前方。LCD由于能耗很低所以使用范围很广，目前许多电子设备都可以利用LCD来显示。LCD首先通过电流来促进液晶分子产生基础图形，产生的完整图像和背部光源组成最终的画面。1602液晶的组成部分是点阵字符，其中一个点阵字符位可以用来构成一个字符，字符间距和行间距由每位之间一个点距的间隔以及每行之间的间隔来实现[22]。1602由于显示方法的限制，并不能完美地显示某些图形，只能显示一些数字和字符，显示的特点是两行，每行上限16个字符。市面上主流的HD44780，与1602的控制程序和使用方法是通用的[12]。引脚图如图2.5所示，接口说明如下：第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD+5V电源。第3脚：LCD对比度的不同是由电压不同引起的，该引脚接高电平时对比度最弱，接低电平时对比度最高。所以可以利用一个10K电位器来调节LCD的对比度。第4脚：RS用于选择不同类型的寄存器，若输入高电平选择数据型，输入低电平选择指令型。第5脚：R/W是读写信号线，1代表读，0代表写。第6脚：使能输入端，出现下降沿时触发指令。第7～14脚：分别为D0～D7，是8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。图2.5LCD1206引脚图3系统硬件电路设计3.1升降压部分硬件电路参数计算3.1.1元件选取1.MOS管的选取（1）N沟道型或P沟道型MOS管的选择。出于对关闭或导通性器件所需电压的考虑若为低压侧开关应采用N沟道型MOS管，出于对电压驱动的考虑，若为高压侧开关应采用P沟道型MOS管。（2）确定额定电压或设备所能承受的最大电压。如果设备所能承受的额定电压越大，则设备的价格就越贵。根据实践经验，额定电压应当大于电路中流过的最大电压。这样才能提供足够的保护使MOS管不会失效。由于MOS管所能承受的最大电压会随着电路温度的变化而变化，所以在MOS使用之前我们必须在电路变化的温度范围来测量电压的变化幅度，使选择的额定电压远大于电压浮动范围的最大值，从而确保电路的有效性。（3）接着按照确定额定电压的方法确定额定电流（4）计算系统的散热量。为了提供高的安全余量，保证电路的有效性。需分别计算最坏状况和正常状况下的散热量并采用最坏状况下的计算结果。另外还需要做好电路中其他元器件的散热措施。结合上述方法和本次设计电路的工作电压和电流的情况，MOS最大承受电压需具有2-3倍的裕量，最大通过电流选取2-2.5倍裕量。并考虑到MOS耗能的大小、精度的准确性和费用的高低，实际选用了IRF3205型MOS管，如图3.1所示。图3.1IRF3205型MOS管管脚图2.二极管的选取二极管又被叫做晶体二极管，简单的说就是二极管，此外，还有早些年时候用的真空电子二极管，它是具有单向传导电流功能的电子器件。通常我们所说的二极管特性为：结界面的两边形成空间电荷层，自发构建一个电场区域。结界面两侧的载流子受到浓度不同的影响会产生扩散电流，自发构建一个电场区域会产生漂移电流，当外部电压为0时，若扩散电流等于漂移则二极管处于电平衡状态。(1)根据电路的选择功能首先我们要明确电路用于检测高频率还是低频率，检测不同频率选择不同二极管。(2)根据整机体积选择的二极管尺寸要与设备尺寸相匹配。(3)根据二极管的价格进行合理的选择根据电路要实现的功能，选择最合适的二极管。电路中二极管的使用需注意：1)低于最大额定值下使用。2)降额使用。3)低于最高温度下使用。4)对稳压二极管不能加正向电压。5)使用过程中注意不要弄碎二极管玻璃外壳。6)对于分组使用的二极管,要防止混组情况的发生。考虑到实际情况和结合本次设计的需求选用IN4148二极管，如图3.2所示。图3.2二极管IN41483.1.2电感的计算1.MOS开关管占空比D的计算，如（1）所示：（1）2.若要使电路中的电流连续不断，则如（2）所示：（2）注：US为开关两端的压降和取样电阻两端的压降之和，一般取0.5V～0.8V。3.设电感纹波电流为平均电流的30%，如（3）所示：（3）所以电感值为，如（4）所示：（4）综述所述，根据本设计实际情况，选取了92μH的电感。3.2升降压部分硬件电路的设计3.2.1系统总体框图系统总体流程图如图3.3所示，系统主要由TFTLCD显示模块、Buck降压充电模块、Boost升压放电模块、单片机控制模块、转换开关、直流电源、电池组七部分组成。该系统可以在一定范围内进行自动充电和手动放电模式的选择。升降压电路图如图3.4所示。图3.3系统总体流程图图3.4DC-DC电路图本系统的工作原理为当电路处于充电模式状态下，直流稳压电源输出大于20V左右的电压，经Buck降压电路使电压降低为适合电池组充电的电压。当电路处于放电模式状态下，直流稳压电源不在提供电压，电压由电池组输出经Boost升压电路升压为负载供电或者对适合的功率释放元器件进行释放电能。3.2.2Buck电路Buck降压充电系统框图如图3.5所示。图3.5充电系统框图采用IRF3205型号的MOSFET做Buck调整，利用TLP250作为驱动电路来驱动。IRF3205型号的MOSFET可以控制主电路的开通与关断和调节充电模式下电压的大小。由滑动电位器和500Ω的电阻将电流信号转化为电压信号，单片机采集电压信号，并根据之前计算的基准电压，通过对PWM占空比的调整，从而改变充电输出电压。3.2.3Boost电路Boost升压放电系统框图如图3.6所示，电池组作为电源通过电感进行储能。电路通过控制IRF3205型号的MOSFET的通断来进行电感的储能，然后进行升压对负载进行充电或者释放电能。同样通过电压采集电路将电压信号采集到单片机中，与基准电压进行对比，然后控制PWM波脉宽，因此达到适合的控制电压的目的。图3.6放电系统框图单片机监控负载两端电压，如果检测到电压小于10V，则转换为充电模式，若大于12V电压则会转变为放电模式，由此达到自由切换目的。3.3控制部分硬件电路3.3.1复位电路复位电路是系统稳定工作不可缺少的一部分，复位电路和MCU的RST端口相连，可以实现上电复位的功能[13]，线路连接如图3.7所示。图3.7复位电路图连接图3.3.3时钟电路线路的时钟芯片选用DS1302，它需要5V电源供电，与32.77KHz的晶振相连。其中引脚RST与单片机I/O24相连，SCLK与I/O22相连，I/O与I/O23相连。硬件连接如图3.8所示。图3.8时钟电路图连接图3.3.3TFTLCD显示电路本文使用了TFT型LCD作为下位机的界面显示工具。由于所采用的处理器STM32F103RBT6片内外设中没有LCD控制器，需要通过总线扩展，所以本文直接选择了一款成熟的TFT型LCD模块，如图3.9所示。该模块上集成了ILI9320LCD控制器、驱动器，触摸芯片ADS7843。图3.9LCD电路连接图根据图片所示我们可以很方便的在主控板上设计接口电路，用排线实现数据传输功能。图中DB12、DB13、DB14、DB15连接到处理器SPI的模块，用于与LCD模块中的触摸芯片通信，其他引脚通过FMSC总线的方式对LCD控制器进行访问。3.3.4光耦驱动电路通过TLP250来搭建驱动电路，如图3.10所示。2、3引脚通过PWM来开关发光二极管，从而触发下一级的开关。并且可以通过6、7引脚之间的压差，从而可以输出高低的电压来给与IRF3205的触发电压，从而控制MOSFET的导通，进而控制电压的大小，调节电压在一个适合稳定的范围。图3.10光耦驱动电路图3.3.5PWM波控制电路控制电路包括按键和PWM的输出，如图3.11所示。由程序所写，通过两个不同的按键，一个按键可以控制PWM的升高，另外一个可以控制PWM的降低，协调合作，可以控制主电路的电压在一个适合的，稳定的阈值范围内。图3.11PWM波控制电路图4系统软件设计4.1程序功能描述与设计思路4.1.1程序功能描述软件部分功能如下：（1）AD采集：对直流充电电流和电压进行实时采样，以防出现过充电过放电情况。（2）按键实现功能：步进调节充电电压。（3）显示部分：显示充电电压、PWM的值。4.1.2程序设计思路单片机通电后，即时采集充电电压，把电压信息存储在单片机内部，信息经过代码运算后在LCD屏幕上显示。充电模式下，单片机采集充电电压，判断充电电压是否大于12V，若大于12V则停止充电模式。放电模式下，单片机采集负载两端电压，判断电压是否大于10V，并将其显示在LCD屏上，如果大于则系统切换为放电模式，否则可以根据即时的电压调整为充电模式。4.2程序流程图主程序框图如图4.1所示，充放电切换框图如图4.2所示。图4.1主程序流程图图4.2充放切换流程图5调试方案及结果调试是系统设计完成后的最后一个步骤，通过此步骤可以发现系统存在的错误和误差并及时改正。5.1调试方法（1）驱动模块：通过连接高低电平，示波器或者万能表测试对应的引脚是否会出现相应的高低电平变化。（2）IRF3205：直接在门极加入触发电压，用万能表的导通档来进行测试，是否能能导通，如能导通即为正常。(3)电压采集模块：在电压输入端输入一个额定的电压，在电压采集端用万能表进行采集，通过调节滑动电位器，观察输入电压与采集电压是否是10倍左右的关系。硬件调试中的注意事项：(1)电源工作的可靠性:在调试过程中，要选择稳定输出电压的电源，不然容易损坏电路中的元器件。(2)元器件的完好性：在实验过程中要注意观察芯片的工作情况，若发现芯片发热现象严重时要及时断电，并及时查找问题源头解决问题。当然问题出现时并不是总能一次就判断准确，所以这就需要我们在实验过程中多积累经验。(3)在调试前要注意检查各元器件焊接是否牢固，防止发生短路现象。5.1.1硬件测试（1）电路效率测量：DC-DC变换器效率，。（2）过压保护测试：在电池组上并联上电压采集模块（电压采集模块以输入的1/10的电压进行输出，从而被AD采集），充电电压增加并且在LCD显示屏进行显示。判断是否能在12V时停止充电，且可根据显示电压选择是否切换为放电模式。图5.1实物图5.2测试结果及分析1.测试结果(数据)（1）当电源电压为10V时，可以实现对电池恒流充电。充电电压在0～15V范围内步进可调，步进值不大于1.5V(步进值=上一次输出电压-下一下输出电压)，电压控制精度不低于5%。测量结果如表2所示表2电压步进精度测试输入（V）10.1710.1710.1710.1710.1710.1710.1710.1710.1710.1710.17输出（V）10.129.958.887.756.695.654.613.572.480.940（2）具有过充电保护功能：设定I1=2A，当U1超过阈值U1th=10V±0.5V时，停止充电。测试结果如下表3。表3：过保护功能测试充电电压（V）低于10V12V状态充电模式自动停止（3）放电模式下，电池输出稳压性能测试结果如表4所示。表4：放电稳压测试输入（V）10.2310.2310.2310.2310.2310.2310.2310.2310.2310.2310.23输出（V）10.1212.3113.8916.0117.9820.3222.4124.0925.8828.2130.022.测试分析与结论根据上述测试数据，可以得出以下结论：(1)在充电模式下，电压步进值不大于1.5V，误差精度小于5%。(2)具有良好的变化率和控制精度。(3)在电压较高时可以实现过保护功能。(4)放电模式时，30V稳压性能好，可以自动切换。6总结本系统选择使用了多功能集合而成的STM32芯片，使系统的软硬件设计更加便捷，占用空间更少，让系统运行得到的数据更加可靠，并设计Buck电路与Boost电路组合，实现双向直流-直流变换，达到对蓄电池充放电的目的。该系统在电压和电流过大时可自动切断，有较好的过电压过电流保护功能，并可以通过TFTLCD显示屏对输出电压和电流进行显示。通过毕业课程设计，极大的丰富了我在蓄电池充放电方面的知识，也使我对于升降压电路掌握使用更加熟练，在学习相关理论知识的同时，也锻炼了自己的实践能力，为以后的工作积累到更多的经验。致谢作为即将毕业的南京农业大学的本科生，我很高兴能够有进行本次研究与设计的机会，在进行本次设计的过程中，得到了刘璎瑛老师的无私帮助，刘璎瑛老师丰富的理论和教学经验，对科研的献身精神以及认真负责的工作作风，使我在毕业设计及论文的学习工作中受益匪浅。我还要向我的同学以及在此次设计中给于过帮助的老师表示衷心的感谢，他们的关心和支持给予我前进的动力，使我顺利地完成了学业。最后对审查我毕设的老师表达由衷的谢意。感谢学校的大力支持，在此我对他们表示深深的谢意，同时许多同学也在这个过程中提供到了各个方面的技术援助，对此我也表达对他们的感谢。在本次设计中，参考了许多网上的蓄电池充放电的资料，对于我的设计与研究提供了许多的帮助，故对此，我对那些无私地将资源共享的学者与科技爱好者表示真诚的谢意。参考文献[1]李国欣.新型化学电源技术概论.上海：上海科学出版社，2008：320-373.[2]黄素逸.能源科学导论.北京:中国电力出版社，1999.9，pp：181-217.[3]史正军，李勇琦.MW级电池储能站在电网中的应用[J].科技风.2010.10，pp:：252-254.[4]毕大强，葛宝明，王文亮等.基于钒电池储能系统的风电场并网功率控制[J].电力系统自动化.2010.10，pp：72-78vol.34.PAGE1