雙向DCDC變換器設(shè)計摘要推進(jìn)綠色發(fā)展、發(fā)展循環(huán)，是當(dāng)前世界各國迫切需要研究的問題。由于其高能量、低存儲容量、多次充電和多次充電等特點，在電力存儲方面得到了越來越多的使用。本論文將以鋰離子電池為研究對象，研制一種具有可調(diào)節(jié)充電和充放電電流的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換電路。首先，結(jié)合國外和國外有關(guān)資料，比較和比較了兩種不同類型的直流/直流轉(zhuǎn)換器的拓?fù)?，選取了一種基于雙向半橋型DC/DC轉(zhuǎn)換器的拓?fù)?，采用并?lián)移相組成三相交錯的拓?fù)?，并對其?yōu)點進(jìn)行了分析，然后結(jié)合目前的特點和常用的充放電模式，分別選取了恒流恒壓和恒流放電模式，最后給出了總體的設(shè)計思路。關(guān)鍵字：雙向DC/DC變換器;三相交錯;同步整流;恒流放電目錄TOC\o"1-3"\h\u15912摘要 3249871緒論 66691.1課題研究的背景和意義 6300091.1.1課題研究的背景 6300631.1.2課題研究的意義 686671.1.3本文研究的主要內(nèi)容 6137912雙向DC/DC變換器的設(shè)計策略 732432.1雙向DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 7296142.2雙向DC/DC變換器的控制方式 7206402.2.1電壓模式 8182512.2.2電流模式 8124053雙向DC/DC變換器系統(tǒng)硬件設(shè)計 10277503.1系統(tǒng)硬件整體設(shè)計方案 10300703.2控制電路硬件設(shè)計 11312443.2.1電源管理控制電路的選擇以及工作原理 11188533.2.2充電電路原理 11196463.2.3放電電路原理 1240914雙向DC/DC變換器系統(tǒng)軟件設(shè)計 13148774.1主程序設(shè)計 1350824.2DAC程序設(shè)計 1489974.3ADC程序設(shè)計 15289095雙向DC/DC變換器LTspice仿真 16248435.1BUCK模式仿真 16243165.2雙向DC/DC變換器樣機(jī)實驗 1910809結(jié)論 211緒論1.1課題研究的背景和意義1.1.1課題研究的背景在我國的快速發(fā)展中，人們對能量的需求量與日俱增，然而，在過去的幾年里，人們所面對的主要問題是：能源與環(huán)保問題。為降低對生態(tài)的損害，在保證人類對資源的要求的前提下，尋找可持續(xù)發(fā)展的、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展的資源。電能儲存技術(shù)是把電能轉(zhuǎn)換成其它的能源儲存，然后在必要的情況下把它作為電能的一種形式。其中，化學(xué)蓄能器是一種較為成熟的能源，它的容量大，安全可靠，無污染，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，安裝方便。1.1.2課題研究的意義當(dāng)前，化學(xué)儲存裝置最常見的就是鋰離子蓄能裝置，現(xiàn)階段我國大多數(shù)的電池組生產(chǎn)廠家采用的都是通過充電器對蓄電池進(jìn)行充電器充電，通過放電裝置對蓄電池進(jìn)行放電，然后將電能輸出給電阻型負(fù)荷，而在雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器處于正向工作時，可以有效地為蓄電池充電，同時在逆向運行時對蓄電池進(jìn)行高功率的放電，將產(chǎn)生的電量全部循環(huán)到電力系統(tǒng)中，從而降低了對電阻器的損耗，降低了能耗。所以，在進(jìn)行雙向DC/DC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入的探討，無論是在理論上還是在實踐上都有著重要的作用。1.1.3本文研究的主要內(nèi)容本論文的主要目的是：對目前世界上雙向DC/DC轉(zhuǎn)換裝置的研究狀況進(jìn)行了深入的分析，并對其工作機(jī)理和主要的拓?fù)浜涂刂颇Ｊ竭M(jìn)行了探討。針對鋰離子電池的特點，采用恒壓恒流和恒電流的方法進(jìn)行充電器。研制出了一臺雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器樣件，并進(jìn)行了相應(yīng)的試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，證明了該方案的有效性和實用性。

2雙向DC/DC變換器的設(shè)計策略2.1雙向DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本論文所述的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換電路是針對單一的鋰離子電池而開發(fā)的。常用的無絕緣變換器一般有4種基本的拓?fù)?，其中，圖1-4顯示了它們的電路，經(jīng)過比較和比較，我們選用了一種雙向半橋，它的電路是圖2-1所表示的。圖2-1雙向半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳常規(guī)的直流/直流轉(zhuǎn)換電路的電感脈波幅度很大，很可能會影響到周周邊的電子器件。因此，本論文提出了一種基于雙向半橋型的三相交叉拓?fù)洌撏負(fù)溆蓛蓚€相位差120度的并聯(lián)移相組成。在圖2-2中顯示了線路的拓?fù)?。圖2-2三相交錯雙向半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)該三相交叉的拓?fù)淇梢越档碗姼衅鞯拿}動幅度，同時將三對橋臂的整體電流均攤，降低了電感器的電流強(qiáng)度；多相并聯(lián)會導(dǎo)致切換頻率的提高。2.2雙向DC/DC變換器的控制方式直流逆變器的控制方法主要有兩種：一種是電壓型，另一種是電流型。以下將對這兩種控制方式的工作方式進(jìn)行更詳盡的說明。2.2.1電壓模式電壓型是最早期用于切換電源的一種方法。在此基礎(chǔ)上，通過將直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓通過分壓電阻器Rn、R2輸入到Vef，并將其與已知的Vef進(jìn)行對比，獲得與所述靜態(tài)三角形波相比較的錯誤電壓Vc，并對PWM比較電路進(jìn)行操作，并對轉(zhuǎn)換電路的開關(guān)進(jìn)行控制，由此使輸出電壓發(fā)生變化。這種方式的最大優(yōu)勢在于它是單閉環(huán)，它的電路結(jié)構(gòu)比較簡潔，并且具有很大的三相振幅，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定。但是它的最大缺陷是，它的反應(yīng)速率很低，需要在感應(yīng)到輸出端的電壓改變后，再用一個回路來校正。圖2-5電壓模式控制原理簡圖2.2.2電流模式該系統(tǒng)的最大功率輸出方式是電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)雙閉環(huán)，負(fù)載率超過50%時，系統(tǒng)會產(chǎn)生振動，因此必須對回路進(jìn)行傾斜補(bǔ)償以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。峰值電流方式的控制原理見附圖2-6，其基本原則是：通過過度壓電阻器Rn和Rep將該輸出電壓回饋給Vrf，并將其與基準(zhǔn)電壓Vrf進(jìn)行對比，從而獲得對應(yīng)的錯誤電壓Vc、V。然后將其與電壓值相對應(yīng)（也就是感應(yīng)電流和傾斜補(bǔ)償?shù)寞B加），獲得PWM脈沖，用于對該開關(guān)進(jìn)行控制。在每個切換循環(huán)起始時，一個內(nèi)振子發(fā)送一個脈沖訊號，以設(shè)定RS觸發(fā)器，以開啟該切換管，此時V=V。這時，PWM控制系統(tǒng)的工作狀況會發(fā)生變化，RS觸發(fā)被重置，從而關(guān)閉開關(guān)管。通過對上述理論的理論進(jìn)行了研究，得出了峰型的本質(zhì)是通過對電感峰的幅值進(jìn)行直接的控制，從而實現(xiàn)對PWM脈寬的間接控制。該峰值電流方式具有以下優(yōu)勢：1.將感應(yīng)電流的峰幅度瞬間限定，而脈沖對一個循環(huán)進(jìn)行限流。2.具有自動均衡功能。3.將整體的回波線路從二級到一級，減少了設(shè)計的困難。4.快速地響應(yīng)于輸入電壓和輸出負(fù)荷的變動。圖2-6峰值電流控制模型原理簡圖圖2-7峰值電流模式的控制波形圖3雙向DC/DC變換器系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)硬件整體設(shè)計方案圖3-1是本論文所述的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器的總體硬件設(shè)計的框圖。圖3-1硬件系統(tǒng)整體方案框圖本論文所述的兩路DC/DC轉(zhuǎn)換電路的主要性能指標(biāo)見表3-2：圖3-2對雙向DC/DC變換器設(shè)計參數(shù)3.2控制電路硬件設(shè)計該控制器采用ST公司STM32F103RCT6作為其控制電路的主要部分，該部分由ST公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6組成；采用LTC4000作為功率管理晶體管，其主要任務(wù)是實現(xiàn)充放電中恒流恒壓環(huán)的自動調(diào)節(jié)；DAC模塊的工作是為恒壓環(huán)的確定提供相應(yīng)的參考；取樣器對充電電壓、充電電流、電流等進(jìn)行取樣和調(diào)節(jié)，并將其輸入到ADC模組中，對充電、充電、放電等進(jìn)行實時監(jiān)測；CAN通訊模塊主要是與主機(jī)通訊，接收主機(jī)的控制命令，完成充電和放電的相關(guān)操作。圖3-3控制系統(tǒng)硬件框圖3.2.1電源管理控制電路的選擇以及工作原理按照論文的設(shè)計需求，要達(dá)到恒流恒壓、恒流、放電的目的，必須采用一種帶有電流調(diào)整回路和電壓回路調(diào)整的功率控制電路。凌力爾特公司生產(chǎn)的LTC4000具有兩個電流調(diào)整回路和兩個調(diào)壓回路，可以實現(xiàn)穩(wěn)壓和穩(wěn)壓兩種控制，滿足了系統(tǒng)的設(shè)計需求。本文將詳細(xì)地闡述LTC4000的工作機(jī)理和充電器的基本理論。3.2.2充電電路原理如在圖3至4中所說明的，在BUCK（也就是充電通過）的電路系統(tǒng)中，通過LTC3829將24V的DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行充電。LTC3829是一種用于逆變器工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換管的驅(qū)動器，而其內(nèi)部的整合峰電流則由ITH管的插頭所控制。在進(jìn)行充電時，LTC4000的充放電電流調(diào)整回路和充放電回路生成一個可調(diào)整的電壓值，用以驅(qū)動ITH插頭，并將其與所獲取的峰電感電流進(jìn)行對比，以進(jìn)行恒流恒壓的充電。圖3-4充電電路原理圖在充放電期間，LTC4000的充放電調(diào)節(jié)環(huán)路調(diào)整充電電流，從而實現(xiàn)恒流充電。LTC4000的充放電電壓調(diào)整回路在充電電壓到達(dá)預(yù)定的浮置電位時調(diào)整充電電壓，以使其處于恒壓狀態(tài)，然后再由該控制電路維持該荷電電壓，并在該電荷量降低到該預(yù)設(shè)電荷量時斷開。3.2.3放電電路原理圖3至5顯示了在BOOST方式下工作的雙路DC/DC轉(zhuǎn)換電路的電路結(jié)構(gòu)，其輸入端子是由LTC3787驅(qū)動并通過LTC3787進(jìn)行電壓提升而得到的。LTC3787是轉(zhuǎn)換器在BOOST方式下工作時的驅(qū)動器，而其內(nèi)部的峰電流調(diào)節(jié)回路則由ITH管腳所控制。在放電時，LTC4000的輸出調(diào)節(jié)環(huán)路輸出一個可調(diào)整的電壓值，用于驅(qū)動ITH插頭，并將其與所獲取的電感峰進(jìn)行對比，以達(dá)到恒定的放電處理。圖3-5放電電路原理圖在第一次放電循環(huán)時，LTC4000的輸出調(diào)整環(huán)路對放電電流進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到恒流放電狀態(tài)。蓄電池的電壓逐步降低，而放電的電流維持不變，而在蓄電池的電壓降低到斷開的狀態(tài)時，就結(jié)束了。4雙向DC/DC變換器系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1主程序設(shè)計如圖4-1所示為三相交錯雙向DC/DC變換器控制系統(tǒng)主程序的流程圖。系統(tǒng)上電后首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，打開相關(guān)中斷程序進(jìn)入主程序循環(huán)。圖4-1主程序流程圖系統(tǒng)初始化的步驟有：初始化STM32，初始化I2C，初始A/D，初始化，DMA初始化，D/A初始化，CAN通信初始化。在初始化完畢后，該系統(tǒng)編程開始大循環(huán)，通過CAN通訊軟件進(jìn)行通訊，實現(xiàn)與外界裝置之間的通訊，A/D變換程序則負(fù)責(zé)對電源進(jìn)行電壓、電流的采樣。4.2DAC程序設(shè)計STM32F103RCT6內(nèi)嵌2個12位分辨率的DAC模塊，D/A轉(zhuǎn)換主要負(fù)責(zé)為充放電調(diào)節(jié)環(huán)路提供基準(zhǔn)給定值，DAC模塊的輸出通道分別連接至電源管理芯片LTC4000的CL和IL引腳。軟件程序流程圖如圖4-2所示，開始時首先對STM32的DAC進(jìn)行相關(guān)工作模式配置，然后使能D/A轉(zhuǎn)換，最后完成D/A轉(zhuǎn)換。置CAN_MCR寄存器的其他相關(guān)控制位，設(shè)置波特率和工作模式；圖4-2D/A轉(zhuǎn)換流程圖4.3ADC程序設(shè)計STM32F103RCT6內(nèi)置3個12比特ADC模組，總共16個通路，每個信道的A/D變換可以單次、連續(xù)、掃描和不連續(xù)方式進(jìn)行，采用STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，通過DMA將ADC外部器件的變換輸出到STM32中，從而節(jié)約CPU的CPU。STM32內(nèi)置2個DMA，總共12個信道，DMA1為7個信道，DMA2為5個信道。A/D變換的編程流程見4-3。在此基礎(chǔ)上，對STM32的ADC進(jìn)行了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括工作方式、轉(zhuǎn)換方式、采樣通道數(shù)、轉(zhuǎn)換時間和ADC的自動標(biāo)定等，A/D轉(zhuǎn)換完畢，DMA要求被激活，DMA通道被打開，數(shù)據(jù)傳送完畢，存儲到記憶體中。圖4-3A/D轉(zhuǎn)換流程圖本章主要進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計，以STM32為主控制芯片，分別編寫了相關(guān)控制程序，包括：A/D轉(zhuǎn)換程序，D/A轉(zhuǎn)換程序及CAN通訊程序5雙向DC/DC變換器LTspice仿真本問利用凌力爾特公司開發(fā)的模擬電路LTspice進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬試驗，并結(jié)合前文給出的有關(guān)線路，模擬了各部分的充放電和充放電，以證實該方法的有效性。5.1BUCK模式仿真在BUCK方式下，雙向DC/DC轉(zhuǎn)換電路的模擬電路見附圖3-5，各個設(shè)備的參數(shù)選擇在文中所述的三章中。圖5-1是BUCK方式下的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動波形，從模擬的波形圖上可以看到兩相電流的偏差為120度，從而達(dá)到三相交錯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖5-1三相交錯相位相差120°的驅(qū)動波形圖5-2示出了BUCK方式下的主開關(guān)器與同步開關(guān)器的激勵波形，從該表中可以看出，該MOSFET是由上至下MOSFET輪流接通，設(shè)置了一個死區(qū)，從而達(dá)到了設(shè)計的同步整流要求。圖5-3、5-4和5-5分別是4.2V/60A、4.2V/10A以及3.6V/10A的充放電工藝模擬圖。在該表中，Icharge表示為充電，而VFLOAT表示為充電。利用上述仿真圖對恒流恒壓的充放電進(jìn)行了實驗研究，并對其進(jìn)行了實驗研究。圖5-2主開關(guān)管和同步開關(guān)管的驅(qū)動波形圖5-34.2V/60A充電波形圖圖5-44.2V/10A充電波形圖圖5-53.6V/10A充電波形圖對上述的充放電過程模擬波形進(jìn)行了分析，證實了BUCK方式下的逆變器的設(shè)計是正確的。5.2雙向DC/DC變換器樣機(jī)實驗本部分按照前文所做的分析和設(shè)計，完成了有關(guān)的軟體物理和物理實驗，采用了1135mAH的鋰離子電池。在圖5-6中顯示了實際的圖像。圖5-6樣機(jī)實物圖圖5-7TG1和TG2驅(qū)動波形圖5-8TG1和TG3驅(qū)動波形在圖5至7及5至8中，顯示了當(dāng)兩路DC/DC轉(zhuǎn)換器工作于BUCK狀態(tài)時的主要開關(guān)的驅(qū)動波形。在此基礎(chǔ)上，在圖5至7所示的溝槽1及2溝槽2是TG1及TG2的驅(qū)動波形，而在附圖5至8中，溝槽1及2溝槽2是TG1及TG3的驅(qū)動波形，經(jīng)比較兩個波形圖的比較，發(fā)現(xiàn)每一相的差異均達(dá)120度，以證實三相交錯型的設(shè)計。圖5-9TG1和BG1驅(qū)動波形從圖5至9可以看到，當(dāng)雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器工作于BUCK方式時，相同的橋臂和上部MOSFET的激勵波形，其中溝槽1是上部切換管的驅(qū)動波形，溝槽2是底切換管的驅(qū)動波形，從波形圖可以看到，上下MOSFET是互補(bǔ)接通的，設(shè)置了一個死區(qū)。文中用兩次充電器和一次放電試驗證明了該方案的有效性和有效性。首先，在BUCK方式工作的兩路DC/DC轉(zhuǎn)換電路，以220mA的電流啟動，在蓄電池的電壓達(dá)到3.65V后，從恒電流轉(zhuǎn)換為恒壓，使充電電壓維持不變，然后再逐步降低，直至達(dá)到110mA，即斷電，持續(xù)5個小時；在此基礎(chǔ)上，將雙向DC/DC轉(zhuǎn)換為BOOST工作方式，以1100mA的電流進(jìn)行放電，在電池的電壓降低至2.5V時，斷開，持續(xù)1.5個鐘頭；在恒流充電階段，在1100mA的充電電流，在3.65V的情況下，從恒流到恒壓，并且在充電電壓降低至110mA的情況下，將其充至1。圖5-10電壓和電流波形最后，對上述兩種電源的充電、放流過程進(jìn)行了波形分析，證明了其設(shè)計的合理性和實用性。結(jié)論本文基于鋰離子電池的儲能特性，設(shè)計了一款采用三相交錯雙向半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雙向DC/DC變換器，本文主要取得以下研究成果：1．選擇以雙向半橋拓?fù)錇榛A(chǔ)，采用并聯(lián)移相法形成三相交叉的三相交叉拓?fù)?，從而實現(xiàn)了直流-直流轉(zhuǎn)換的主要電路拓?fù)?。同時，將LTC3829和LTC3787的DC/DC控制器相結(jié)合，完成了主電路的設(shè)計和主電路的參數(shù)的優(yōu)化，使得PWM的PWM不依賴于MCU。3．以STM32F103RCT6為主控制芯片，編寫程序，包括：A/D轉(zhuǎn)換程序、D/A轉(zhuǎn)換程序、數(shù)字電位器程序以及相關(guān)控制程序。4．利用仿真軟件LTspice搭建了雙向DC/DC變換器硬件電路，對電池的充放電過程進(jìn)行仿真，得到相應(yīng)的充放電曲線圖，驗證了設(shè)計的正確性以及參數(shù)的合理性，并通過仿真，驗證了充電電壓和充放電電流的可調(diào)性。根據(jù)理論設(shè)計制作了雙向DC/DC變換器的樣機(jī)，進(jìn)行了相關(guān)實驗，通過實驗結(jié)果分析驗證了設(shè)計的可行性。由于個人精力和水平有限，以及時間倉促等原因，本文所設(shè)計的雙向DC/DC變換器還有許多地方需要進(jìn)一步改善和改進(jìn)，包括相關(guān)干擾實驗等。參考文獻(xiàn)[1]于娜娜,王瑩瑩,俞靜漪.歷史典籍《詩經(jīng)》中的水生植物和濕生植物意象探析[J].濕地科學(xué)與管理,2022,18(05):54-57+61.[2]項乙疌.論《長生殿》植物意象的敘事功能[J].湖北文理學(xué)院學(xué)報,2022,43(10):58-62.[3]于夢嬌.論蘇軾杭州詩詞中植物意象折射出的文人思想[J].今古文創(chuàng),2