CN105375579A

CN105375579A - 一种用于电池储能装置的双向dc-dc变换器

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Publication number: CN105375579A
Application number: CN201510908415.3A
Authority: CN
Inventors: 吴再群; 覃焕昌; 玉植广; 林龙泽; 陈振旺
Original assignee: Baise University
Current assignee: Baise University
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2016-03-02

Abstract

本发明公开了一种用于电池储能装置的双向DC-DC变换器，包括单片机控制模块、运放模块、按键模块、升降压模块、AD采集模块、DA调节模块、光耦控制模块、显示模块和辅助电源模块；按键模块与单片机控制模块连接，单片机控制模块与显示模块和辅助电源模块连接，升降压模块通过AD采集模块、DA调节模块及光耦控制模块与单片机控制模块连接。本发明的双向DC-DC变换器采用集成芯片做成的升压、降压电路，外围电路简单，通过电流可达3A，易受单片机控制，功耗小，效率高，且本发明质量轻，体积小，功率大，易于集成。

Description

一种用于电池储能装置的双向DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及双向DC-DC变换器，具体是一种用于电池储能装置的双向DC-DC变换器。

背景技术

随着分布式电源系统应用的普及推广以及电池供电移动式电子设备的飞速发展，电源系统中需用的DC/DC电源模块越来越多，对其性能、功率密度、转换效率等要求也越来越高，而这才能提高其平均无故障工作时间进而提高可靠性。因此如何开发设计出更高功率密度、更高转换效率、更低成本、更高性能的DC/DC转换器始终是近二十年来电力电子技术工程师追求的目标。例如：二十年前Lucent公司开发出第一个半砖DC/DC时，其输出功率才30W，效率只有78％。

一般为了缩小DC/DC变换器的体积，提高功率密度，首先从大幅度提高开关电源的工作频率做起，但这种努力结果是大幅度缩小了体积，却降低了效率。发热增多，体积缩小，难过高温关。因为当时MOSFET的开关速度还不够快，大幅提高频率使MOSFET的开关损耗、驱动损耗大幅度增加。

双向DC/DC变换器是可双象限运行的直流-直流变换器，能够根据实际需要调节能量的流动方向，在功能上相当于两个单向直流-直流变换器。随着科学技术的发展，对双向DC/DC变换器的需求逐渐增多，主要有直流不停电电源系统、航天电源系统、电动汽车等应用场合。在需要能量双向流动的场合，双向DC/DC变换器的应用可大幅度减轻系统的体积、重量和成本。本发明具有转换效率高达92％，体积小，重量轻至210g，智能切换充放电模式，过充、过流保护，还有高精度的电流、电压步进调节，步进值小达0.01A，步进值还可以任意设定，步进值稳定等功能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种用于电池储能装置的双向DC-DC变换器，该转换器可实现电池的充放电功能，其模式可由按键设定，对电池组升压以达到大功率输出；对直流稳压电源降压以达到对电池高效率充电，实现双向放电、充电，利用STC12C5A60S2单片机作为主控和核心计算，通过AD采集模块采集电路的各种参数反馈给主控处理并发出反应，借助DA调节模块、按键模块输出调节电路电流与电压，保证电源电路有高效率的输出。

实现本发明目的的技术方案为：

一种用于电池储能装置的双向DC-DC变换器，包括控制模块、运放模块、按键模块、升降压模块、AD采集模块、DA调节模块、光耦模块、显示模块和辅助电源模块；AD采集模块、DA调节模块、按键模块、光耦模块与控制模块连接，控制模块、显示模块和辅助电源模块连接，运放模块与升降压模块连接，升降压模块通过运放模块与AD采集模块、DA调节模块连接。

进一步地，所述控制模块中包括单片机，单片机的型号为STC12C5A60S2。

进一步地，所述按键模块设置有5个按键，分别为K2，K3，K4，K5，K6，其中K2、K3控制电流调节，其中K2、K3控制电流调节，K4控制电压与电流的步进值大小，K5调节模式切换，K6控制重启复位电路。

进一步地，所述升降压模块中升压电路中的芯片为XL6009集成芯片，输入电压范围为3.5V-30V，输出电压范围为4.0V-30V，开关频率400KHz，内置的二极管为肖特基二极管。

进一步地，所述降压电路中芯片为LM2596集成芯片，输入电压范围为3.5V-30V，输出直3.5V-30V电压连续可调，最大输出电流为3A，开关频率为150KHz。

进一步地，所述AD采集模块中的转换器为12位、八通道低功耗串行A/D转换器MCP3208。

进一步地，所述DA调节模块中的转换器为12位、二通道输出低功耗串行D/A转换器MCP4922。

进一步地，所述显示模块中的显示屏为LCD12864液晶屏。

控制模块作为整个系统的主控部分，AD采集模块采集运放模块所放大升降压模块的电压或电流信号反馈到单片机，按键模块键控步进调节电压或电流，单片机控制DA模块电压输出转换器输出小电压，另外把输出小电压经过运放模块与升降压模块反馈电压形成一积分反馈调节电路实现对电压电流调节，即AD、DA模块是通过运放模块控制升降压模块；若电路中的电流大于设定值时，单片机通过光耦控制模块控制电路是否工作，实现过充过流保护，显示模块可以实时显示电路中的各项参数显得更加直观可靠，辅助电源给单片机模块，AD采集、DA调节模块供电。

本发明的优点：本发明的双向DC-DC变换器采用集成芯片做成的升压、降压电路，外围电路简单，通过电流可达3A，易受单片机控制，功耗小，效率高。所采用的主控芯片STC12C5A60S2单片机是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码、管脚完全兼容传统8051，速度比传统8051单片机快8-12倍，程序编写简单易懂，显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，成本降低。采用MCP4922电压输出数模转换器调节电压、电流的可控步进值精度高、稳定性好，电流步进精度值可达0.01A；具有过流、过充保护功能，实现设定电压自动切换充电放电模式功能；且本发明质量轻，体积小，功率大，易于集成。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明中运放模块的基本电路图；

图3为本发明中按键基本电路图；

图4为本发明中光耦控制模块基本电路图；

图5为本发明中辅助电源基本电路图；

图6为本发明的程序流程图。

具体实施方式

如图1，一种用于电池储能装置的双向DC-DC变换器，包括控制模块、运放模块、按键模块、升降压模块、AD采集模块、DA调节模块、光耦模块、显示模块和辅助电源模块；AD采集模块、DA调节模块、按键模块、光耦模块与控制模块连接，控制模块、显示模块和辅助电源模块连接，运放模块与升降压模块连接，升降压模块通过运放模块与AD采集模块、DA调节模块连接。

控制模块采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，主要用于控制升压芯片和降压芯片处于工作或不工作状态，AD数据采集和DA输出调节电路的电压、电流的大小，计算并通过LCD12864液晶屏显示出来；单片机直接控制按键模块，当指定的按键按下，将执行相应的指令，如电流步进、电压调节或切换模式，经运放调节主回路的电压、电流参数。当按键K5按下一次即切换充电放电模式，降压芯片工作，第二次按下即放电模式开启，升压芯片工作；还具有过充保护，当AD采集回来的电压高于24V±0.5V就停止充电。保证整个电路处于正常工作状态。

运放模块选用op1177运放做成积分电路作为积分反馈环节，分别对电路的电压、电流进行调节；做差分放大电路对电流信号进行放大，方便采集，运放模块电路图如图2所示。

按键模块共设置了5个按键，分别为分别为K2、K3、K4、K5和K6，K2接P3^3，K3接P3^4，K4接P3^5，K5接P3^6，K6接P3^7，K2、K3在升压模式时控制电流调节，在恒流模式时控制电压调节，K4控制电压、电流的步进值的大小，K5调节模式切换，K6控制重启复位电路。按键模块的电路图如图3所述。

升降压模块通过电池组进行充电和放电，可分为升压电路和降压电路。

升压电路采用XL6009集成芯片，是一款4A开关电流的高性能升压(BOOST)模块，效率高达94％，超宽输入电压3.5V-30V，超宽输出电压4.0V-30V，超高开关频率400KHz，可以用小容量的滤波电容即能达到非常好的效果，纹波更小，体积更小。二极管使用肖特基二极管，与快速恢复二极管相比，肖特基二极管具有正向压降很小、恢复时间更短的优点，但反向耐压较低，多用于低压场合，因此考虑到降低损耗和低压应用的实际，本发明选择肖特基二极管。

降压电路采用LM2596集成芯片，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，LM2596辅助降压电路部分，内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该芯片只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。以下是LM2596降压电路的扼要参数计算和器件选：

电压输出计算公式：

V_out＝V_ref*(1+R₁/R2)，其中参考电压V_ref＝1.25V；输出电压部分的滤波电容采用C_in＝470μF/50V，输入电压部分的滤波电容采用：C_out＝220μF/35V，R₁＝18k，R₂＝2k，精度为1％，采用电感L₁＝68μH,续流二极管D＝3A/50V。

本发明中通过调节运放产生一个可调的V_ref使得输出电压可调。

降压电路中电流精度和电流变化率的计算：

电流控制精度定义为其中I₁为实际电流、I₁₀为设定值。

电流变化率的定义设U₂＝36V时，充电电流值为I₁₁；U₂＝30V时，充电电流值为I₁；U₂＝24V时，充电电流值为I₁₂，计算电流变化率。

DC-DC变换器效率为：

其中P₁＝U₁*I₁,P₂＝U₂*I₂；即可算出变换效率。

经测试，电流调节、电流控制精度可达5％，设定I₁＝2A时，充电电流I₁的变化率为1％，设定I₁＝2A，在U₂＝30V条件下，变换器的效率η₁＝91％，测量并显示充电电流I₁，在I₁＝1～2A范围内测量精度不低于2％，有过流保护电路能停止充电，以消除安全隐患。

AD采集模块采用12位、八通道低功耗串行A/D转换器MCP3208对电压和电流进行采样，精度足够用；

DA调节模块采用12位、二通道输出低功耗串行D/A转换器MCP4922进行数字电压调节，完全满足本系统的要求。

光耦模块采用光耦TLB541做成隔离保护电路，电路图如图4所示。

显示模块采用1.3寸LCD12864液晶屏显示，其优点为功耗超低：正常显示时0.06W(远低于TFT显示屏)，体积小，OLED显示屏的响应时间大约是几微秒到几十微秒，能显示多行文字，设计用于显示一路AD采集电路中数据，两路DA输出数据显示，实时清晰看到电路中的电压、电流大小状况。

辅助电源模块选用9V电池作为辅助电源，经过芯片转换输出得到-9V和+9V，给单片机、运算放大器、AD/DA芯片供电，确保电路供电正常，减少消耗主回路的功耗，其基本电路图如图5所示。

本发明的工作原理如图6所示，首先单片机开始上电，初始化LCD液晶屏、定时器，在电路工作运行时判断电路中的电流是否大2.4A，是则关闭电源输出，否则按键控制电源输出模式执行相关指令，如电流步进、电压步进、充放电模式切换，内嵌套有恒流充电模式、恒压输出模式，所述恒压输出模式为在可控电池升压模式中升压至一恒定电压后保持不变，再键控调节电流、电压步进值的输出，实现电池的充放电。

Claims

1.一种用于电池储能装置的双向DC-DC变换器，其特征在于，包括控制模块、运放模块、按键模块、升降压模块、AD采集模块、DA调节模块、光耦模块、显示模块和辅助电源模块；AD采集模块、DA调节模块、按键模块和光耦模块与控制模块连接，控制模块、显示模块和辅助电源模块连接，运放模块与升降压模块连接，升降压模块通过运放模块与AD采集模块、DA调节模块连接。

2.如权利要求1所述的用于电池储能装置的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述控制模块中包括单片机，单片机型号为STC12C5A60S2。

3.如权利要求1所述的用于电池储能装置的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述按键模块设置有5个按键，分别为K2、K3、K4、K5和K6，其中K2、K3控制电流调节，K4控制电压与电流的步进值大小，K5调节模式切换，K6控制重启复位电路。

4.如权利要求1所述的用于电池储能装置的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述升降压模块中升压电路中芯片为XL6009集成芯片，输入电压范围为3.5V-30V，输出电压范围为4.0V-35V，开关频率400KHz，内置4A高效MOSFET开关管。

5.如权利要求1所述的用于电池储能装置的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述升降压模块中降压电路中芯片为LM2596集成芯片，输入电压范围为3.5V-30V，输出直3.5V-30V电压连续可调，最大输出电流为3A，开关频率为150KHz。

6.如权利要求1所述的用于电池储能装置的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述AD采集模块中的转换器为12位、八通道低功耗串行A/D转换器MCP3208。

7.如权利要求1所述的用于电池储能装置的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述DA调节模块中的转换器为12位、二通道输出低功耗串行D/A转换器MCP4922。

8.如权利要求1所述的用于电池储能装置的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述显示模块中的显示屏为LCD12864液晶屏。