基于单片机的电池储能装置

    阴欢欢++高远++冯代国++熊姗霞

    摘要：与传统的DC/DC的开关电源相比，该系统以单片机MSP430G2553作为控制显示器， 结合Buck/Boost双向DC-DC变换器构成恒流充电/恒压放电的高效转换电路。Buck/Boost电路实现双向DC-DC变换，单片机控制PWM对电流/电压采样放大并实时控制，通过按键操作，从而实现充电时输入电流在1～2A范围内可按步进0.05A调整，且具有过充保护功能；放电时输出电压稳定在30V±0.5V。实验结果表明，该变换器可以达到充电90%以上，放电95%以上的转换效率；控制精度高，具有良好的稳定性；测量结果可显示，便于实时监控。

    关键词：Buck/Boost电路；PWM；采样放大；转换效率

    中图分类号：TP303.3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）11-0267-03

    电源在电子设备中起着至关重要的作用，例如在移动电源、实验仪器、停电备用电源等领域它可以提供持续、稳定的能量供设备[1]使用。随着消费者对电源性能要求的提高，开关电源因其可靠性高、频率高、噪声低等特性成为了主要发展方向[2]。开关电源通过控制高频开关的通断来改变输出电压的大小，可以用于升压电路和降压电路[3]。移动电源作为一种储能装置，方便快捷，在电子设备缺电情况下可作为应急设备进行供电。

    本文设计的电池储能装置也可作为移动电源使用，采用buck/boost双向DC/DC变换电路，5节锂电池作为负载，通过单片机控制PWM决定是恒流充电模式还是恒压放电模式；A/D、D/A将采集的电流/电压进行处理，通过按键对输入电流按0.05A步进进行设置，具有过充保护功能；系统有自置的辅助电源，可以为芯片提供工作电压。测量结果可显示，便于实时监控，具有较高的转换效率，实用性较强。

    1 系统硬件电路设计

    

    图1 电池储能装置结构框图

    系统由双DC-DC变换主回路、控制电路、驱动电路、测量电路、保护电路组成，如图1所示。主回路输入的直流电压经过Boost DC-DC电路输出电压可调24～36V直流电；控制电路由单片机系统组成，单片机通过A/D对输出的电压、电流进行采样测量，并通过单片机产生的PWM信号对占空比进行自动调节，使输出电流稳定[4]。通过UCC27211驱动DC-DC主电路开关管的通断，保护电路检测输出电流的大小，实现过充保护[5]，一旦出现故障，立即封锁驱动电路的输出，关断开关管，并切断DC-DC主电路以达到保护目的。

    1.1双向DC-DC主回路

    主回路采用电压-电流型双向全桥DC/DC变换器，该拓扑既能够实现升压也能实现降压，这样方案简单，且成本较低。设计如图2所示，UCC27211作为驱动芯片，结合外围的开关管、二极管及电感等构成Buck/Boost升压、降压结构。

    1.2 电压/电流采样电路

    用单片机MSP430G2553产生PWM控制信号。单片机根据取样电路的反馈对PWM信号做出调整以实现稳压输出。这种控制方法灵活性高、可靠性好、抗干扰能力强，同时节省了系统的开发成本，可以针对本系统具体优化。康铜丝电阻温度系数小，阻值稳定，受外部干扰小，故采用康铜丝采样负载电流[6][7]。如图3所示，用A/D转换将采样到的电流输送到INA128仪表放大器中，将采样到的电压进行放大，与基准电压进行比较。用液晶屏显示此时的电压。由V/Rs=I，即测得电流值。

    1.3电源供电模块

    交流电经整流二极管变为直流电后，再采用三端可调集成大功率稳压器并联的模式来提供稳定的电压和较大的输出电流。这种方法电路结构简单、输出的电压经滤波后纹波较小，稳定性较高，但效率较低，对变压器的容量要求较高。如图4所示，稳压电源采用三端稳压器7805、7905与MC34036构成。由于78系列稳压器最大输出电流为1.5A，而系统输出最大电流为2000mA，为此，需外加功率管扩流。

    2 软件设计

    锂电池化成过程分为锂电池充电和放电两个部分，锂电池充电，即Buck模式下，包括两个阶段：

    （1）恒流限压充电，检测电流电压，当电流电压达到充电限制电压时，就进入恒压限流充电；

    （2）恒压限流充电后，检测电池电流，当电池电流降低到规定值后，自动停机。锂电池放电，即Boost模式下，采用恒流放电，当达到放电终止电压时，自动停机。根据上述过程，具体的程序设计流程图如图5所示。

    3 理论分析与计算

    3.1 主回路主要器件选择与参数计算

    首先选择电路开关频率fs。因为开关损耗几乎与开关频率的平方成正比，频率过高会使损耗增加；但如果频率太低，会使滤波电感、电容体积过大，而且电路容易出现音频噪声。综合考虑以后，选择fs为20KHz。

    （1）电池的荷电状态：锂电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0～1，当SOC=0时表示电池放电完全，当SOC=1时表示电池完全充满。控制蓄电池运行时必须考虑其荷电状态。

    （2）电压Uin的计算：U2的变化范围为24～36V，通过计算可得Uin变化范围为30.54～26.73V。

    [Uin=2×U2×0.9][]

    （3）占空比的计算：输出电压Uo的变化范围为30～36V，在Boost电路中可计算出D的变化范围为0.109～0.469。

    [UoUin=11-D]

    （4）电感电流连续时，电感L的计算。临界负载电流：

    [Iob=Uo×D×（1-D）22×L×fB]

    

    当D=1/3时，Iob有最大值：[Iobm=2×Uo27×L×fB]。电流连续，则最小负载电流[Iomin≥Iobm]，那么可以计算，取L=2mH。

    [L≥2×Uo27×fs×Iobm=2×3627×15×0.2=0.89mH]

    （5）由输出纹波计算滤波电容C ，取C为220uF。

    [ΔUo=D×Uofs×R×C]

    （6）开关管的选择。由于电路最大输出电压U2为36V，因此开关管最大关断电压为36V。经计算，选择IRF3205作为开关管，其导通电阻为8mΩ。

    3.2 驱动/采样电路器件选择与参数计算

    （1）PWM驱动电路器件的选择

    MOS管驱动芯片UCC27211静态功耗小，上升时间tr=170ns，下降时间tf=90ns，可实现MOS管的高速开通和关断。

    （2）采样电路器件的选择

    采样电阻的选择十分重要，要求噪声小，温度特性好，所以最好选择低温度系数的高精度采样电阻，例如，康铜丝制成的电阻，另外，采样电阻阻值取大一点，对稳定度有好处，但会使效率下降，折中考虑取R=10mΩ。

    （3）A/D、D/A芯片的选择

    由于充电电流I1在1～2A范围内步进可调时，要求电流控制精度不低于5%，计算可得： [I1≥1.05I10]

    [eic=I1-I10I10×100%≥5%]

    因此A/D采样精度较高，若D/A转换器位数越高，D/A转换时误差就越小，故选择16位芯片ADS1118，当测量并显示电流I1，且可以实现输入电流在1～2A范围内精度不低于2%。

    3.3 提高效率的方法

    系统主要由双向DC-DC变换器、控制电路、测量电路和辅助电源构成。影响系统效率的因素主要有：开关损耗、电感储能损耗、整流二极管损耗和辅助电源损耗。部分功耗计算如下：

    （1）MOSFET损耗：

    [PD=POD+PDS=ILOAD×RDS_ON+（CRSS×UIN×fSW×ILOAD）IGATE]

    （2）储能电感损耗： [PIND=PCO+PFe=Irms×Re+ΔB×m]

    因此提高效率的方法有：合理选择电路结构；适当降低开关频率，并设计缓冲网络降低开关管关断损耗；加大主回路电流容量；选择导通压降小的二极管，并采用多个并联的办法来降低二极管导通损耗；降低控制部分的消耗、提高辅助电源的效率；合理分配各模块的效率损失，降低线性调整管压降等。

    4 测试结果

    （1）电流控制精度

    在U2=30V，改变设定电流值，记录电流测试值如表1所示：

    表1 电流检测数据

    [设定值（A）＼&1＼&1.2＼&1.4＼&1.6＼&1.8＼&1.9＼&2.0＼&测量值（A）＼&1.04＼&1.25＼&1.44＼&1.65＼&1.86＼&1.96＼&2.08＼&误差（%）＼&4%＼&4%＼&3%＼&3%＼&3.5%＼&3.5%＼&4%＼&]

    （2）充电电流变化率

    测试方法：在I1=2A时，调整直流稳压电源输出电压在24～36V之内变化，记录电流值如表2所示：

    表2 电压测试数据

    [电压值（V）＼&26＼&28＼&30＼&32＼&34＼&36＼&电流值（A）＼&0.90＼&0.91＼&0.917＼&0.92＼&0.92＼&0.928＼&]

    由[SI1=I11-I12I10×100%]得效率为8%。

    （3）效率

    充电模式时：在I1=2A，U2=30V时，通过测量U1、I2后计算得到，如表3所示：

    通过对输入/输出电压、电流的测试，整个系统的效率为98%，略低于理论计算结果。原因是DC-DC电路中损耗计算复杂，而且采用简化公式计算，引起计算偏差，系统功能较多，控制系统复杂，消耗一定的功率。因此，可以通过降低控制电路、调整管的能量来提高整机效率。

    （4）过充保护功能测试

    测试方法：在电池组的输出端串入滑线变阻器，使U1增加。当充电完成时，开关断开，自动放电。

    5 结论

    本系统采用Buck从电、Boost放电电路，实现了双向DC-DC变换器的设计。在U2=30V时，充电电流I1在1～2A范围内步进可调步进值为0.05A，电流控制精度达4%；在I1=2A，U2在24～36V范围内变化时，充电电流I1的变化率为1% ；当I1=2A，U2=30V时，变换器的效率达到95%；充电电流I1在1～2A内测量精度为2%，且具有过充保护功能，达到了题目的基本要求，基本满足发挥部分要求。

    本电路结构简单、功能齐全、性能优良，保护电路完善，使用安全。

    参考文献：

    [1] 于遵谨.基于单片机的开关电源测试系统的设计[J].计算机测量与控制，2008， 16（3）：306-309..

    [2] 王贵锋，李峰.基于单片机控制的开关电源的研究与设计[J].自动化与仪器仪表，2014（10）.

    [3] 张兴杵.开关电源功率变换器拓扑与设计[M].中国电力出版社，2010.

    [4] 段新东.PWM控制电流模式的DC-DC变换器设计[D].长春：吉林大学，2007.

    [5] 李瑞.高稳定数字化幵关电源研究[J].中国科技成果，2011，12（8）.

    [6] 寇伟.低纹波高效率DC/DG开关电源设计与实现[D].北京：中国科学院大学，2015（04）.

    [7] 施玉样.高效率DC/DC变换器研究[D].浙江：浙江大学，2011.