0 引言

    隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,，常規(guī)能源瀕臨枯竭，太陽(yáng)能,、風(fēng)能,、潮汐能等新能源日益被人們所重視^[1-2]。其中,，由于太陽(yáng)能的無(wú)限性,、廣泛性、無(wú)污染性等諸多特點(diǎn),，使其具有更廣泛的應(yīng)用前景^[3],。

    雖然太陽(yáng)能優(yōu)點(diǎn)顯著，但天氣變化,、晝夜交替等因素使其儲(chǔ)能存在一定的不確定性^[4],。需要在太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中加入電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，目前,，傳統(tǒng)太陽(yáng)能儲(chǔ)能供電系統(tǒng)通常是由基于單向變換器的儲(chǔ)能和供電兩套系統(tǒng)組成的^[5-7],。儲(chǔ)能系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池到負(fù)載有一個(gè)DC-DC變換器,；供電系統(tǒng)中,，太陽(yáng)能電池到電池組有一個(gè)DC-DC變換器，電池組到負(fù)載有一個(gè)DC-DC變換器^[8],。太陽(yáng)能電池給負(fù)載供電，同時(shí)給電池組充電時(shí),，有兩個(gè)DC-DC變換器在工作,，每個(gè)變換器都有損耗，兩個(gè)變換器損耗會(huì)疊加,。電池組給負(fù)載供電時(shí)也有一個(gè)變換器存在損耗,。因此，這種由兩套基于單向變換器的儲(chǔ)能供電系統(tǒng)損耗大,，太陽(yáng)能利用率比較低,。同時(shí)，這種電路結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜，電路體積大,，成本高,，控制繁瑣。

    針對(duì)上述問(wèn)題,，設(shè)計(jì)了一種基于雙向變換器的太陽(yáng)能電池儲(chǔ)能供電系統(tǒng),。該系統(tǒng)通過(guò)微控制器選擇通路，用一個(gè)DC-DC變換單元實(shí)現(xiàn)雙向升壓-降壓的功能,。此外,，微控制器對(duì)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)與調(diào)整，并利用顯示屏顯示,，具有人機(jī)交互等功能,。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

    基于雙向變換器的電池儲(chǔ)能供電系統(tǒng)主要由微控制器模塊、DC-DC變換器模塊和開(kāi)關(guān)模塊組成,，具體供電系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示,。

    DC-DC變換模塊，主要由Buck-boost主電路,、電壓電流反饋環(huán)路和電流控制環(huán)路組成,。該模塊實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池到負(fù)載、太陽(yáng)能電池到電池組和電池組到負(fù)載的電壓轉(zhuǎn)換以及環(huán)路電流控制,。

    微控制器模塊,，由微處理器、按鍵,、電位器和OLED顯示屏組成,。電位器處在輸出電流環(huán)路中，按鍵可向微處理器發(fā)送高低電平,，微處理器改變電位器電阻值,，以此調(diào)整輸出電流值。

    開(kāi)關(guān)模塊,，由開(kāi)關(guān)S_C1,、S_C2、S_C3,、S_C4組成,。開(kāi)關(guān)S_C2、S_C3,、S_C4閉合,，S_C1斷開(kāi)，太陽(yáng)能電池給負(fù)載供電,，同時(shí)給電池組充電,。開(kāi)關(guān)S_C3斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S_C1、S_C2,、S_C4閉合,，電池組通過(guò)DC-DC變換器給負(fù)載供電。

    系統(tǒng)工作時(shí)分為光照充足和不充足兩種工作狀態(tài),，當(dāng)光照充足時(shí),，開(kāi)關(guān)S_C2、S_C3,、S_C4閉合,，S_C1斷開(kāi)，太陽(yáng)能電池給負(fù)載供電,，同時(shí),，太陽(yáng)能電池還可以通過(guò)DC-DC變換器給電池組充電。根據(jù)太陽(yáng)能電池電壓以及電池組電壓的不同,，微控制器可將輸入端到輸出端設(shè)定為升壓模式或者降壓模式,；當(dāng)光照不充足時(shí)，太陽(yáng)能電池電壓低于設(shè)定值,，此時(shí),，開(kāi)關(guān)S_C3斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S_C1,、S_C2,、S_C4閉合，電池組通過(guò)DC-DC變換器反向放電,，以維持負(fù)載兩端電壓穩(wěn)定,。

    開(kāi)關(guān)模塊和DC-DC變換模塊以組合工作的模式實(shí)現(xiàn)雙向變換器的功能。系統(tǒng)工作時(shí),，采樣電阻經(jīng)運(yùn)算放大器將電壓信號(hào)傳遞至微控制器內(nèi)部,，對(duì)電池組的輸入輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。微控制器可以改變數(shù)字電位器的電阻,，根據(jù)電流輸出回路,，步進(jìn)改變輸出電流，步進(jìn)值理論可達(dá)0.001 A,。太陽(yáng)能電池與DC-DC變換器之間有防反二極管D1,，防止電池組供電時(shí)電流反灌入太陽(yáng)能電池。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)連接原理如圖2所示,，因?yàn)槲⑻幚砥饕杉謮弘娮璺值秒妷海砸缶哂袃?nèi)部ADC處理能力,。同時(shí),，根據(jù)輸入輸出電壓的不同，微處理器要控制不同開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，所以需要有內(nèi)部定時(shí)器,，系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率不超過(guò)500 kHz,。為了滿足上述監(jiān)控任務(wù)，控制單元采用32位ARM微控制器（MCU）STM32F103C8T6,。利用微控制器控制系統(tǒng)的模式切換,、按鍵檢測(cè)、屏幕顯示等任務(wù),。同時(shí),，單片機(jī)也實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入輸出電壓，對(duì)電池組進(jìn)行過(guò)充過(guò)放保護(hù),。

    采用LT8705開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器,，其可在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的情況下工作,。該器件外圍電路配置有四路N溝道MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器,，具有集成的輸入電流、輸入電壓,、輸出電流,、輸出電壓的反饋回路且具有很寬的電壓輸入和電壓輸出范圍。

    DC-DC單元由LT8705開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器及其外圍4個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管(M1~M4),、電感L,、保護(hù)電阻及輸入和輸出濾波電容構(gòu)成，在圖2中用虛線框1標(biāo)出,。其中,，M1和M3為主控開(kāi)關(guān)管，M2和M4為同步整流開(kāi)關(guān)管,。

    當(dāng)輸入電壓V_IN顯著高于輸出電壓V_OUT時(shí),，電路處于降壓模式，在此時(shí),，M4管處于導(dǎo)通狀態(tài),，M3處于關(guān)斷狀態(tài)。開(kāi)關(guān)管M1與M2交替導(dǎo)通,，其開(kāi)關(guān)動(dòng)作類(lèi)似一個(gè)同步降壓型穩(wěn)壓器,。當(dāng)V_IN比V_OUT低于3 V時(shí)，電路處于升壓模式,，在此時(shí),，M1處于導(dǎo)通狀態(tài)，M2處于關(guān)斷狀態(tài),。開(kāi)關(guān)管M3與M4交替導(dǎo)通,，其開(kāi)關(guān)動(dòng)作類(lèi)似一個(gè)同步升壓型穩(wěn)壓器,。當(dāng)V_IN比V_OUT高于3 V時(shí)，電路工作于降壓-升壓模式,。開(kāi)關(guān)組合M1,、M2與M3、M4按照先后時(shí)序?qū)ɑ蜿P(guān)斷,。

    在LT8705內(nèi)部集成有4個(gè)誤差放大器,，如圖3所示，因而能夠限制或調(diào)節(jié)輸出電流(EA₁),、輸入電流(EA₂),、輸入電壓(EA₃)和輸出電壓(EA₄)。輸出電流調(diào)節(jié)公式為：

式中,，R_S是采樣電阻,，I_OUT是流經(jīng)采樣電阻的電流，g_m是跨導(dǎo)(典型值為1 mA/V),，R₄為X9111的R_H與R_W之間的電阻值,。

    當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，輸出電流經(jīng)過(guò)R_S產(chǎn)生一個(gè)壓降U_sense,，如式(1)所示,，U_sense與跨導(dǎo)g_m的乘積是經(jīng)R₄流到地上的電流，在R₄上產(chǎn)生的壓降與誤差放大器EA₁的基準(zhǔn)電壓相同,，如式(2)所示,。調(diào)節(jié)R₄的阻值便可以調(diào)節(jié)I_OUT的值。系統(tǒng)工作時(shí),，STM32的PD0口采集經(jīng)AD620放大的R_S上的壓降,，通過(guò)式(1)和式(2)計(jì)算出此時(shí)的輸出電流并顯示在顯示屏上。在STM32內(nèi)部設(shè)定多個(gè)閾值區(qū)間,，采集的輸出電流值落在相應(yīng)的閾值區(qū)間,，根據(jù)落在的閾值區(qū)間調(diào)節(jié)R₄值，從而改變輸出電流,。STM32的PD4口每發(fā)送一個(gè)高脈沖,，X9111阻值減小100 Ω，若初始值設(shè)為100 kΩ,，此時(shí)的理論步進(jìn)調(diào)整值為0.001 A,。

    對(duì)輸入電壓以及輸出電壓的檢測(cè)由圖3中R_FBIN和R_FBOUT分壓電阻分得的電壓決定。調(diào)節(jié)R_FBIN和R_FBOUT分壓電阻值便可以達(dá)到調(diào)整輸出電壓的作用,，分壓電阻與輸入輸出電壓關(guān)系為：

    系統(tǒng)有恒壓（CV）充電和恒流（CC）充電兩種充電方式,。通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電流誤差放大器（EA₁）的外接電阻可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)控制輸出電流，調(diào)節(jié)輸出電壓誤差放大器（EA₃）的外接電阻可以調(diào)節(jié)輸出電壓,，調(diào)節(jié)輸入電流誤差放大器（EA₂）的外接電阻來(lái)調(diào)節(jié)輸入電流,，調(diào)節(jié)輸入電壓誤差放大器（EA₄）的外接電阻值來(lái)調(diào)節(jié)輸入欠壓保護(hù)值,。

    由于輸入輸出電流在安培級(jí)，一般的電子開(kāi)關(guān)不能滿足功率要求,，因此圖2中的開(kāi)關(guān)S_C1、S_C2,、S_C3,、S_C4采用功率開(kāi)關(guān)，結(jié)構(gòu)如圖4所示,。功率開(kāi)關(guān)采用了兩個(gè)NPN三極管,，用來(lái)控制PMOS的導(dǎo)通，其中Q₁采用小功率PNP型三極管,，用來(lái)驅(qū)動(dòng)晶體管,。開(kāi)關(guān)管Q₃采用大功率低導(dǎo)通電阻的P溝道場(chǎng)效應(yīng)管。當(dāng)輸入高電平時(shí),，Q₁導(dǎo)通,，工作在飽和區(qū)，U_C1維持在0.3 V左右,，Q₂截止,，Q₃的柵極電壓被R₃抬高，Q₃關(guān)斷,，即此開(kāi)關(guān)關(guān)斷,；當(dāng)輸入為低電平時(shí)，Q₁截止,，U_C1維持在高電平狀態(tài),，Q₂導(dǎo)通，且U_C2約等于0.3 V,，因此Q₃導(dǎo)通,，即此開(kāi)關(guān)閉合。

    當(dāng)光照充足時(shí),，STM32的PD0口采集經(jīng)AD620放大后的R_S上的壓降,，PA7口、PA8口,、PA10口輸出高電平,，PA9口輸出低電平，軟開(kāi)關(guān)S_C2,、S_C3,、S_C4導(dǎo)通，S_C1關(guān)斷,，太陽(yáng)能電池既給負(fù)載供電,，同時(shí)又給電池組充電,，為正向工作模式。當(dāng)光照不充足時(shí),，R_S上壓降變低,，微控制器PA8口輸出低電平，PA7口,、PA9口,、PA10口輸出高電平，開(kāi)關(guān)S_C3關(guān)斷,，開(kāi)關(guān)S_C1,、S_C2、S_C4導(dǎo)通,，太陽(yáng)能電池不再給負(fù)載供電,，也停止給電池組充電，電池組開(kāi)始為負(fù)載供電,，為反向工作模式,。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    系統(tǒng)默認(rèn)從太陽(yáng)能電池供電開(kāi)始，當(dāng)開(kāi)關(guān)S1按下時(shí),，系統(tǒng)開(kāi)始上電工作,，流程圖如圖5所示，首先,，開(kāi)關(guān)S_C1斷開(kāi),，開(kāi)關(guān)S_C2、S_C3閉合,，太陽(yáng)能電池開(kāi)始給負(fù)載供電以及給電池組充電,，單片機(jī)STM32采集充電電流，如果充電電流I與設(shè)定值偏差較大,，則調(diào)節(jié)數(shù)字電位器X9111,，使充電電流值在設(shè)定范圍內(nèi)。如果充電電流偏差不大,，則判斷輸入電壓是否小于10 V,，當(dāng)輸入電壓小于10 V時(shí)判定光照不充足，此時(shí)由儲(chǔ)能電池供電,，開(kāi)關(guān)S_C3斷開(kāi),，開(kāi)關(guān)S_C1、S_C2閉合,。當(dāng)檢測(cè)到開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)時(shí),，系統(tǒng)停止工作。圖6表示阻值不同的X9111與輸入電流的關(guān)系,，調(diào)整范圍在1～2 A之間,，線性調(diào)整率如圖7所示,。

    由圖6知，電路R9111調(diào)整的電流與理論值基本一致,，偏差在0.1%以內(nèi),。由圖7知，當(dāng)電壓輸出電壓從24 V到36 V變化時(shí),，輸出電流變化率在2%以內(nèi),。

    圖8給出了降壓模式下充電的轉(zhuǎn)換效率測(cè)試曲線，在輸入電壓為3 V,、充電電流為1.5 A時(shí)的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95.12%，充電電流為2 A時(shí)的轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到97.75%,。

    圖9給出了升壓模式下放電的轉(zhuǎn)換效率測(cè)試曲線,，在電池電壓為24 V、負(fù)載電流為1.5 A時(shí)的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到94.7%,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，本儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了充電和放電的雙向功能，而且充放電效率高,，穩(wěn)定性好,。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一種基于雙向變換器的電池儲(chǔ)能供電系統(tǒng)，系統(tǒng)利用LT8705實(shí)現(xiàn)升壓—降壓功能,，微控制器STM32以及復(fù)用的功率開(kāi)關(guān)控制電流流動(dòng)方向,，X9111精確調(diào)整步進(jìn)值，從而實(shí)現(xiàn)了一種雙向變換器的電池充放電電路系統(tǒng),。經(jīng)過(guò)測(cè)試,，當(dāng)充電電流從0.8 A到2 A變化時(shí)，系統(tǒng)具有95%以上的轉(zhuǎn)換效率,。當(dāng)輸出電壓從24 V到36 V變化時(shí),，輸出電流變化率在2%以內(nèi)。

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作者信息:

李演明,，鄭懷倉(cāng),，文常保，楊冠斌,，茹  鋒,，孟  云

（長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安710064）