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，由于太陽能的無限性、廣泛性、無污染性等諸多特點(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]。需要在太陽能供電系統(tǒng)中加入電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，目前，傳統(tǒng)太陽能儲(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，太陽能電池到負(fù)載有一個(gè)DC-DC變換器；供電系統(tǒng)中，太陽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)上述問題，設(shè)計(jì)了一種基于雙向變換器的太陽能電池儲(chǔ)能供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過微控制器選擇通路，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)太陽能電池到負(fù)載、太陽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。

    開關(guān)模塊，由開關(guān)S_C1、S_C2、S_C3、S_C4組成。開關(guān)S_C2、S_C3、S_C4閉合，S_C1斷開，太陽能電池給負(fù)載供電，同時(shí)給電池組充電。開關(guān)S_C3斷開，開關(guān)S_C1、S_C2、S_C4閉合，電池組通過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)，開關(guān)S_C2、S_C3、S_C4閉合，S_C1斷開，太陽能電池給負(fù)載供電，同時(shí)，太陽能電池還可以通過DC-DC變換器給電池組充電。根據(jù)太陽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)，太陽能電池電壓低于設(shè)定值，此時(shí)，開關(guān)S_C3斷開，開關(guān)S_C1、S_C2、S_C4閉合，電池組通過DC-DC變換器反向放電，以維持負(fù)載兩端電壓穩(wěn)定。

    開關(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)開關(guān)頻率不超過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)行過充過放保護(hù)。

    采用LT8705開關(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開關(guān)穩(wěn)壓控制器及其外圍4個(gè)MOSFET開關(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為主控開關(guān)管，M2和M4為同步整流開關(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)。開關(guān)管M1與M2交替導(dǎo)通，其開關(guān)動(dòng)作類似一個(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)。開關(guān)管M3與M4交替導(dǎo)通，其開關(guān)動(dòng)作類似一個(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)，一般的電子開關(guān)不能滿足功率要求，因此圖2中的開關(guān)S_C1、S_C2、S_C3、S_C4采用功率開關(guān)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。功率開關(guān)采用了兩個(gè)NPN三極管，用來控制PMOS的導(dǎo)通，其中Q₁采用小功率PNP型三極管，用來驅(qū)動(dòng)晶體管。開關(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，軟開關(guān)S_C2、S_C3、S_C4導(dǎo)通，S_C1關(guān)斷，太陽能電池既給負(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，開關(guān)S_C3關(guān)斷，開關(guān)S_C1、S_C2、S_C4導(dǎo)通，太陽能電池不再給負(fù)載供電，也停止給電池組充電，電池組開始為負(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)從太陽能電池供電開始，當(dāng)開關(guān)S1按下時(shí)，系統(tǒng)開始上電工作，流程圖如圖5所示，首先，開關(guān)S_C1斷開，開關(guān)S_C2、S_C3閉合，太陽能電池開始給負(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，開關(guān)S_C3斷開，開關(guān)S_C1、S_C2閉合。當(dāng)檢測(cè)到開關(guān)S1斷開時(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)。

參考文獻(xiàn)

[1] 公茂法，賈斌，公政，等.基于TL431的太陽能LED路燈控制器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37(6)：65-67.

[2] MARTINEZ-ANIDO C B，BOTOR B，F(xiàn)LORITA A R，et al.The value of day-ahead solar power forecasting improvement[J].SolarEnergy，2016，129：192-203.

[3] 徐進(jìn)，帥立國.一種新型軟開關(guān)DC-DCPWM升壓變換器設(shè)計(jì)[J].電子器件，2016，39(2)：312-319.

[4] 劉慶新，程樹英.雙Buck太陽能LED路燈照明控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37(5)：142-145.

[5] ALI U S.A modified maximum power point tracking control for Bi-directional Z-Source DC-DC converter based solar electric vehicle[J].Applied Mechanics and Materials，2015，4123(787)：828-832.

[6] 陳顯東，曹太強(qiáng)，黎凡森.一種新型交錯(cuò)并聯(lián)型buck變換器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(7)：153-156.

[7] 張斌，李宏.鋰電池化成用雙向DC-DC變換器設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34(9)：40-42，53.

[8] MAZUREK G.Performance study of solar power source for wireless systems[J].International Journal of Electronics and Telecommunications，2013，59(3)：271-276.

作者信息:

李演明，鄭懷倉，文常保，楊冠斌，茹  鋒，孟  云

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