0 引言

    隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，常規(guī)能源瀕臨枯竭，太陽能、風能、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，使其具有更廣泛的應用前景^[3]。

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

    針對上述問題，設計了一種基于雙向變換器的太陽能電池儲能供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過微控制器選擇通路，用一個DC-DC變換單元實現(xiàn)雙向升壓-降壓的功能。此外，微控制器對參數(shù)進行檢測與調(diào)整，并利用顯示屏顯示，具有人機交互等功能。

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。該模塊實現(xiàn)太陽能電池到負載、太陽能電池到電池組和電池組到負載的電壓轉(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，太陽能電池給負載供電，同時給電池組充電。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變換器給負載供電。

    系統(tǒng)工作時分為光照充足和不充足兩種工作狀態(tài)，當光照充足時，開關(guān)S_C2、S_C3、S_C4閉合，S_C1斷開，太陽能電池給負載供電，同時，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定為升壓模式或者降壓模式；當光照不充足時，太陽能電池電壓低于設定值，此時，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現(xiàn)雙向變換器的功能。系統(tǒng)工作時，采樣電阻經(jīng)運算放大器將電壓信號傳遞至微控制器內(nèi)部，對電池組的輸入輸出電流進行實時檢測。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，步進改變輸出電流，步進值理論可達0.001 A。太陽能電池與DC-DC變換器之間有防反二極管D1，防止電池組供電時電流反灌入太陽能電池。

2 系統(tǒng)電路設計

    系統(tǒng)連接原理如圖2所示，因為微處理器要采集分壓電阻分得電壓，所以要求具有內(nèi)部ADC處理能力。同時，根據(jù)輸入輸出電壓的不同，微處理器要控制不同開關(guān)的導通與關(guān)斷，所以需要有內(nèi)部定時器，系統(tǒng)開關(guān)頻率不超過500 kHz。為了滿足上述監(jiān)控任務，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、屏幕顯示等任務。同時，單片機也實時監(jiān)測輸入輸出電壓，對電池組進行過充過放保護。

    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MOSFET開關(guān)管(M1~M4)、電感L、保護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。

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

    在LT8705內(nèi)部集成有4個誤差放大器，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(典型值為1 mA/V)，R₄為X9111的R_H與R_W之間的電阻值。

    當系統(tǒng)工作時，輸出電流經(jīng)過R_S產(chǎn)生一個壓降U_sense，如式(1)所示，U_sense與跨導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，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)計算出此時的輸出電流并顯示在顯示屏上。在STM32內(nèi)部設定多個閾值區(qū)間，采集的輸出電流值落在相應的閾值區(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)送一個高脈沖，X9111阻值減小100 Ω，若初始值設為100 kΩ，此時的理論步進調(diào)整值為0.001 A。

    對輸入電壓以及輸出電壓的檢測由圖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）的外接電阻可以實現(xiàn)步進控制輸出電流，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)輸入欠壓保護值。

    由于輸入輸出電流在安培級，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NPN三極管，用來控制PMOS的導通，其中Q₁采用小功率PNP型三極管，用來驅(qū)動晶體管。開關(guān)管Q₃采用大功率低導通電阻的P溝道場效應管。當輸入高電平時，Q₁導通，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；當輸入為低電平時，Q₁截止，U_C1維持在高電平狀態(tài)，Q₂導通，且U_C2約等于0.3 V，因此Q₃導通，即此開關(guān)閉合。

    當光照充足時，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導通，S_C1關(guān)斷，太陽能電池既給負載供電，同時又給電池組充電，為正向工作模式。當光照不充足時，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導通，太陽能電池不再給負載供電，也停止給電池組充電，電池組開始為負載供電，為反向工作模式。

3 實驗結(jié)果分析

    系統(tǒng)默認從太陽能電池供電開始，當開關(guān)S1按下時，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載供電以及給電池組充電，單片機STM32采集充電電流，如果充電電流I與設定值偏差較大，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，當輸入電壓小于10 V時判定光照不充足，此時由儲能電池供電，開關(guān)S_C3斷開，開關(guān)S_C1、S_C2閉合。當檢測到開關(guān)S1斷開時，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，當電壓輸出電壓從24 V到36 V變化時，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)換效率測試曲線，在輸入電壓為3 V、充電電流為1.5 A時的轉(zhuǎn)換效率達到95.12%，充電電流為2 A時的轉(zhuǎn)換效率也達到97.75%。

    圖9給出了升壓模式下放電的轉(zhuǎn)換效率測試曲線，在電池電壓為24 V、負載電流為1.5 A時的轉(zhuǎn)換效率達到94.7%。實驗結(jié)果表明，本儲能系統(tǒng)不僅實現(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

    本文設計了一種基于雙向變換器的電池儲能供電系統(tǒng)，系統(tǒng)利用LT8705實現(xiàn)升壓—降壓功能，微控制器STM32以及復用的功率開關(guān)控制電流流動方向，X9111精確調(diào)整步進值，從而實現(xiàn)了一種雙向變換器的電池充放電電路系統(tǒng)。經(jīng)過測試，當充電電流從0.8 A到2 A變化時，系統(tǒng)具有95%以上的轉(zhuǎn)換效率。當輸出電壓從24 V到36 V變化時，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，文常保，楊冠斌，茹  鋒，孟  云

（長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安710064）