雙向DCDC變換器設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上用于鋰電池化成系統(tǒng)的橋式DC/DC變換器摘要：隨著鋰電池在生活中各個(gè)方面的廣泛普及，鋰電池在生產(chǎn)過(guò)程中重要的化成環(huán)節(jié)逐漸成為關(guān)注的焦點(diǎn)。本文主要設(shè)計(jì)介紹了使用于鋰電池化成系統(tǒng)的橋式變換器部分，包含計(jì)算機(jī)監(jiān)控、DC/DC雙向變換器。雙向DC/DC變換器通過(guò)調(diào)節(jié)MOSFET的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的智能充放電。本文對(duì)雙向DC/DC變換器的工作原理進(jìn)行了分析，并通過(guò)樣機(jī)對(duì)預(yù)期功能進(jìn)行驗(yàn)證。關(guān)鍵字：電池化成；雙向DC/DC變換器；實(shí)驗(yàn)分析Abstract：As the lithium battery becomes more and more popular in every

2、aspects of our life, battery formation, a critical process in battery production, draws plenty of attention. This paper introduces a full bridge converter, which used in a formation energy feedback system of lithium battery, including a PC monitor and a DC/DC bi-directional converter. The bi-directi

3、onal DC/DC converter system can realize the intelligent charging and discharging of the lithium batteries by adjusting the duty ratio of MOSFET. The working principle of DC/DC bi-converter was analyzed, and the experimental prototype function was validated through experiments.Keywords: battery forma

4、tion; DC/DC bi-directional converter; experimental analysis1引言進(jìn)如21世紀(jì)以來(lái)，隨著環(huán)境問(wèn)題、能源問(wèn)題與社會(huì)發(fā)展問(wèn)題的矛盾日益突出，發(fā)展節(jié)能減排的綠色經(jīng)濟(jì)以成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。蓄電池作為能量?jī)?chǔ)存的主要裝置，以成為社會(huì)生活中不可或缺的一部分，需求量逐年增長(zhǎng)，其中鋰電池以其能量密度高，壽命長(zhǎng)，放電電壓穩(wěn)定，污染小，質(zhì)量輕，自放電小，循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代傳統(tǒng)的鉛酸、鎳鎘電池，成為市場(chǎng)的新寵兒。故鋰電池的廣泛發(fā)展很好地符合綠色經(jīng)濟(jì)的要求，緩解環(huán)境和能源的壓力。在鋰電池生產(chǎn)過(guò)程中必須要經(jīng)過(guò)電池化成這一工序，鋰電池的化成是指對(duì)新生產(chǎn)電池

5、初次充放電的過(guò)程，即利用化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)激活，使電極上的活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化成具有電化學(xué)特性的正、負(fù)極板，是影響電池壽命的重要環(huán)節(jié)。鋰電池的化成過(guò)程要求非常嚴(yán)格，一般分為恒流充電，恒壓充電，涓流充電和恒流放電四個(gè)過(guò)程，各個(gè)環(huán)節(jié)之間區(qū)別在于充放電過(guò)程中的電壓和電流不同，以保證對(duì)鋰電池良好的性能。DC/DC變換器，也成為斬波器，是鋰電池化成系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分，原理是將某一種的直流電壓轉(zhuǎn)換為所需的另一種電壓值不同的直流電壓。在鋰電池化成系統(tǒng)中，雙向DC/DC變換器主要負(fù)責(zé)對(duì)充放電過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控管理，根據(jù)最佳充電曲線對(duì)充電方式進(jìn)行調(diào)整，并且對(duì)電池起到保護(hù)作用。不同于單向的DC/DC變換器，雙向DC/DC變換器

6、可以工作在正向和反向兩種狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸。因此，可以說(shuō)雙向DC/DC變換器的工作性能直接影響化成系統(tǒng)的總體功能，從而決定鋰電池的使用效率和性能。目前，國(guó)內(nèi)采用傳統(tǒng)的電阻放電裝置和相控式有源逆變放電裝置對(duì)電池化成中的放電過(guò)程進(jìn)行處理，前者雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，較為普及，但會(huì)對(duì)能量造成極大的浪費(fèi)，特別是在大容量電池的生產(chǎn)中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，規(guī)模較大的電池生產(chǎn)廠家在電池化成中電能的費(fèi)用占到生產(chǎn)成本的百分之二十至百分之三十。而后者也具有體積笨重和噪聲污染大、交流輸出功率因數(shù)低、對(duì)電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)，故很少采用。本文介紹的主要內(nèi)容是一套雙向DC/DC變換器系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如下圖1.1所示。系統(tǒng)工作時(shí)，

7、通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控變換器的工作，并與其進(jìn)行通訊，傳輸工作指令和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。當(dāng)鋰電池需要充電時(shí)，由上位機(jī)通過(guò)總線對(duì)雙向DC/DC變換器發(fā)送充電指令。雙向DC/DC從48V蓄電池中獲取能量，按智能充電曲線對(duì)鋰電池充電。當(dāng)鋰電池需要放電時(shí)，通過(guò)上位機(jī)對(duì)雙向DC/DC發(fā)送放電指令。雙向DC/DC變換器從鋰電池獲取能量，將能量反饋會(huì)48V蓄電池內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了能量的反向輸送。2 雙向H橋DC/DC變換器拓?fù)浞治?.1 雙向DC/DC變換器按照雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可將其分為隔離型和非隔離型兩種。其中隔離型拓?fù)渲饕ǎ悍磽羰阶儞Q器，正激式變換器，推挽式變換器，橋式變換器以及其他一些混合式的隔離型變換器

8、。而非隔離型拓?fù)渲饕校弘p向Buck/Boost變換器，雙向Buck-Boost變換器，雙向Cuk變換器，雙向Sepic/Zeta變換器。上述的隔離型變換器和非隔離型變換器都可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。其中隔離型雙向DC/DC變換器雖然可以實(shí)現(xiàn)輸入輸出側(cè)大變比，同時(shí)也能夠滿足在不同功率等級(jí)時(shí)的應(yīng)用需求，但當(dāng)應(yīng)用與輸出側(cè)低壓，大電流的場(chǎng)合時(shí)，存在著運(yùn)行效率低以及變壓器設(shè)計(jì)困難的問(wèn)題。然而，非隔離型變換器雖然也可以滿足不同動(dòng)率等級(jí)時(shí)的應(yīng)用需求，并且能夠?qū)崿F(xiàn)輸出側(cè)低壓大電流的應(yīng)用需求，但只能工作是電壓轉(zhuǎn)換比小，即當(dāng)輸入側(cè)和輸出側(cè)電壓差較大時(shí)，難以在PWM占空比很小時(shí)對(duì)其進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)。故在設(shè)計(jì)本次鋰電池

9、化成系統(tǒng)中所需的雙向DC/DC變換器時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要，一方面要滿足在變壓比很大時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出側(cè)電壓精確調(diào)節(jié)的目的，同時(shí)也避免了對(duì)隔離變壓器的設(shè)計(jì)，故最終采用了可實(shí)現(xiàn)寬范圍輸出的雙向H橋DC/DC變換器的主電路拓?fù)?，如下圖2.1所示：圖2.1 雙向H橋DC/DC變換器2.2 雙向H橋DC/DC變換器結(jié)構(gòu)分析雙向H橋DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由4個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂主要由一個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管和一個(gè)反并聯(lián)二極管構(gòu)成，將VT1和VD1構(gòu)成的橋臂成為橋臂1，其他依次類推。通常把1,4橋臂作為一對(duì)，2,3橋臂作為一對(duì)，控制一對(duì)橋臂同時(shí)開(kāi)通或關(guān)斷。雙向H橋DC/DC變換器可以看做是兩個(gè)雙向Buck/B

10、oost變換器輸入端并聯(lián)，輸出端串聯(lián)而成的一個(gè)復(fù)合型變換器，這樣的結(jié)構(gòu)可以有效的擴(kuò)大變換器的容量，以便適用于不同容量等級(jí)需求?，F(xiàn)將雙向H橋DC/DC變換器的輸出電壓設(shè)為U0,輸出電流為I0，同時(shí)在直角坐標(biāo)系中以I0為橫坐標(biāo)，為U0縱坐標(biāo)，那么上述變換器可以實(shí)現(xiàn)電壓，電流均可逆的四象限運(yùn)行。在第，象限工作時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)VT1VT4的開(kāi)斷狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)Uo0，Io可逆的二象限D(zhuǎn)C/DC變換器，同理在、象限工作時(shí)，可實(shí)現(xiàn)Uo0，Io可逆的二象限D(zhuǎn)C/DC變換器。由于在鋰電池充放電過(guò)程中的四種狀態(tài)分別為恒流充電，恒壓充電，涓流充電和恒流放電，故前三種充電狀態(tài)都工作在第一象限，最后一種放電狀態(tài)則工作在第二

11、象限?，F(xiàn)根據(jù)雙向H橋DC/DC變換器工作狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行分析：設(shè)變換器中各VTi的導(dǎo)通占空比為Di在正常工作狀態(tài)下，VT1VT4同時(shí)導(dǎo)通,占空比為D1和D4;VT2,VT3同時(shí)導(dǎo)通,占空比為D2和D3 ,兩對(duì)橋臂驅(qū)動(dòng)波形彼此互補(bǔ)切帶一定死區(qū)為Ds則輸出電壓表示為：則得到輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系式為：由以上公式可得：改變兩個(gè)占空比D1和D2之差就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓進(jìn)行寬范圍的調(diào)節(jié)的目的。此外由于占空比D1和D3之間存在著一定的關(guān)系，即：由此可見(jiàn)，在實(shí)際中只需要調(diào)節(jié)一個(gè)占空比，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)蓄電池需要進(jìn)行充電時(shí)，直流側(cè)48V作為輸入，電池側(cè)1214V的輸出；當(dāng)蓄電池需要進(jìn)行放電是

12、，可以通過(guò)控制D1，D2之差，使雙向H橋DC/DC變換器工作在逆變狀態(tài)向直流側(cè)放電。2.2 雙向H橋DC/DC變換器工作狀態(tài)分析2.2.1 正向工作狀態(tài)模型分析雙向H橋DC/DC變換器在正向工作模式下，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，共有2個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。由于在給電池化成是，主電路的輸出電流應(yīng)該與電池充電給定電流方向相同，同時(shí)應(yīng)保持充電電流連續(xù)，故以下只討論電流正向，連續(xù)的工作狀態(tài)。變換器輸出電流正向，連續(xù)時(shí)電流立項(xiàng)工作波形如圖2.2所示。圖2.2 正向工作輸出波形狀態(tài)1(0t1階段): 等效電路如圖2.3所示:圖2.3 正向工作時(shí)狀態(tài)1等效電路此時(shí)變換器中VT1,VT4處于導(dǎo)通狀態(tài),VT2,VT3處于關(guān)斷狀態(tài)，

13、48V的直流電源Ui連接著變換器的輸入端，電流經(jīng)48V電源正端，VT1，濾波電感L1，輸出端蓄電池，濾波電感L2，VT4回到電源負(fù)端。在狀態(tài)1內(nèi)，由于輸出端電流為正，電感承受正向的電壓，電感電流直線上升。在這段區(qū)間內(nèi)，48V電源輸出能量，蓄電池兩端電壓和電流都是正向，故從直流源吸收能量；同時(shí)電感兩端的電壓和電流都是正向，故處于儲(chǔ)能狀態(tài)。因此，在狀態(tài)1階段內(nèi)直流源給電感和電池傳輸能量。對(duì)電感兩端電壓UL，電流iL計(jì)算如下：在t1時(shí)刻時(shí)，VT1和VT4關(guān)斷，此時(shí)電感上電流達(dá)到最大值Imax。狀態(tài)2(t1t2階段): 等效電路如圖2.4所示：圖2.4 正向工作時(shí)狀態(tài)2等效電路此工作狀態(tài)VT2,VT3

14、處于導(dǎo)通狀態(tài),VT1,VT4處于關(guān)斷狀態(tài)。由于電感電流不能突變，流過(guò)蓄電池和電感上的電流Io方向不變，VT2,VT3工作在反向?qū)ǎ?8V的直流電源Ui連接著變換器的輸入端，電流經(jīng)48V電源負(fù)端，VT2，濾波電感L1，輸出端蓄電池，濾波電感L2，VT3回到電源正端。在這段時(shí)間內(nèi)，電源電壓時(shí)正向的，電流時(shí)反向的，故有能量向直流電源反饋；與此同時(shí)電池兩端電壓和電流都為正，故電池處于充電狀態(tài)；電感兩端電壓時(shí)反向的，電流為正，故其能量減小，電感對(duì)電源和電池釋放能量。對(duì)電感兩端電壓UL，電流iL計(jì)算如下：在T時(shí)刻時(shí)，電流下降到最小值Imin：在變換器實(shí)際工作中，需要考慮死區(qū)時(shí)間。如何沒(méi)有死區(qū)時(shí)間，可能會(huì)

15、出現(xiàn)上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通的狀況，導(dǎo)致48V直流母線短路。為了防止上述現(xiàn)象，確保功率開(kāi)關(guān)管的可靠關(guān)斷，需要在驅(qū)動(dòng)信號(hào)內(nèi)加入死區(qū)時(shí)間，相應(yīng)的死區(qū)時(shí)間內(nèi)工作等效電路如圖2.5所示：圖2.5 正向工作時(shí)死區(qū)時(shí)間的等效電路死區(qū)時(shí)間是工作在狀態(tài)1和狀態(tài)2之間，VT1,VT2VT3,VT4處于都不導(dǎo)通的狀態(tài)，電流的方向和狀態(tài)2類似，經(jīng)48V電源負(fù)端，VD2，濾波電感L1，輸出端蓄電池，濾波電感L2，VD3回到電源正端，處于續(xù)流狀態(tài)?？梢?jiàn)死區(qū)時(shí)間和狀態(tài)2的結(jié)果是一樣的，故理論上把死區(qū)時(shí)間計(jì)算在狀態(tài)2中。上述是對(duì)電池充電狀態(tài)時(shí)的分析，可得，能量從48V直流母線正向流動(dòng)到電池內(nèi)，電池能量一直增加。2.2.2 反向工作

16、狀態(tài)模型分析雙向H橋DC/DC變換器在反向工作狀態(tài)時(shí)，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，也有2個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。與正向工作狀態(tài)時(shí)相反，主電路的輸出電流與蓄電池的給定充電電流方向相反，同時(shí)為了保證持續(xù)可靠工作，現(xiàn)分析電流處于連續(xù)工作的狀態(tài)。電流反向，連續(xù)時(shí)，反向工作狀態(tài)時(shí)的理想輸出波形如圖2.6所示：圖2.6 反向工作輸出波狀態(tài)1（0t1）：等效電路如圖2.7所示：圖2.7 反向工作狀態(tài)1等效電路當(dāng)雙向H橋DC/DC變換器工作在反向工作，狀態(tài)1時(shí)，VT2,VT3處于導(dǎo)通狀態(tài),VT1,VT4處于關(guān)斷狀態(tài)。48V的直流電源Ui連接著變換器的輸入端，電流經(jīng)48V電源正端，VT3，濾波電感L2，輸出端蓄電池，濾波電感L1，VT

17、2回到電源負(fù)端。在狀態(tài)1內(nèi)，由于輸出端電流為負(fù)，電感承受的電壓為負(fù)，流過(guò)電感的電流反向上升。在這段時(shí)內(nèi)，48V電源的電壓和電流都為正向，所以向外輸出能量；蓄電池兩端的電壓為正，電流反向，故蓄電池輸出能量；而電感兩端的電壓和電流都是反向的，故電感處于儲(chǔ)存電能的狀態(tài)。按上述分析，在狀態(tài)1階段內(nèi)直流源和蓄電池給電感傳輸能量。狀態(tài)2：等效電路如圖2.8所示：圖2.8 反向工作狀態(tài)2等效電路雙向H橋DC/DC變換器工作在反向工作狀態(tài)2是，VT1,VT4處于導(dǎo)通狀態(tài),VT2,VT3處于關(guān)斷狀態(tài)。48V輸入電壓加在輸出端，由于電感中的電流不能突變，流過(guò)蓄電池和電感的電流為負(fù)，VT1,VT4工作在反向?qū)ǎ?

18、8V的直流電源Ui連接著變換器的輸入端，電流經(jīng)48V電源負(fù)端，VT4，濾波電感L2，輸出端蓄電池，濾波電感L1，VT1回到電源正端。在這段時(shí)間內(nèi)，電源電壓時(shí)正向的，電流時(shí)反向的，故有能量向直流電源反饋；與此同時(shí)電池兩端電壓為正，電流都為負(fù)，故電池處于放電狀態(tài)；電感兩端電壓正向，電流為負(fù)，故其能量減小，電感和電池對(duì)電源反向傳輸能量。與分析正向工作狀態(tài)時(shí)的死區(qū)工作狀態(tài)相同，死區(qū)時(shí)間內(nèi)VT1,VT2VT3,VT4處于都不導(dǎo)通的狀態(tài)，電流的方向和狀態(tài)2類似，經(jīng)48V電源負(fù)端，VD4，濾波電感L2，輸出端蓄電池，濾波電感L1，VD1回到電源正端，處于續(xù)流狀態(tài)?？梢?jiàn)死區(qū)時(shí)間和狀態(tài)2的結(jié)果是一樣的，故理論上

19、把死區(qū)時(shí)間計(jì)算在狀態(tài)2中。上述是對(duì)電池放電狀態(tài)時(shí)的分析，可得，能量從電池反向流動(dòng)到48V直流母線內(nèi)，電池能量一直減小。3 硬件電路分析設(shè)計(jì)3.1 器件參數(shù)選擇分析本裝置的主要技術(shù)指標(biāo)：變換器的額定功率為2kW，充電時(shí)輸入電壓為48V，輸出電壓為12V14V，輸出電流020A，開(kāi)關(guān)頻率100kHZ;工作在恒流放電時(shí)，最大放電電流20A，當(dāng)蓄電池電壓低于10.4V時(shí)停止放電，轉(zhuǎn)為停機(jī)狀態(tài)。3.1.1 主開(kāi)關(guān)管的選擇在選擇功率開(kāi)關(guān)管的時(shí)候，主要考慮開(kāi)關(guān)管的額定電壓、額定電流以及內(nèi)部寄生二極管等參數(shù)。結(jié)合實(shí)際需求以，本次雙向H橋DC/DC變換器選擇MOSFET作為開(kāi)關(guān)器件?？紤]到直流側(cè)輸入電壓為48V

20、，開(kāi)關(guān)管能安全工作時(shí)一般留有2倍的電壓裕量96V。根據(jù)市場(chǎng)上各MOSFET的參數(shù)表，選擇額定電壓大于150V的MOSFET開(kāi)關(guān)管。由于本次系統(tǒng)的最大充電電流設(shè)定為20A，留取23倍的電流裕量，選取額定電流大于60A的功率管。在寄生二極管的選擇時(shí)，需要考慮開(kāi)關(guān)頻率，在100kHZ的開(kāi)關(guān)頻率工作時(shí)，需要寄生二極管具有較快的反向恢復(fù)能力，同時(shí)能承受較高的反向電壓。結(jié)合上述因數(shù)，最終選擇了Fairchild公司的FDP2532作為主開(kāi)關(guān)管，參數(shù)如表3.1所示：UcesIctontofftrtfrDS 150V79A69ns39ns30ns17ns14m表3.1 FDP2532主要參數(shù)3.1.2 濾波電

21、感參數(shù)的計(jì)算(1) 電感值計(jì)算濾波電感在電路輸出端起到穩(wěn)定輸出電流，降低電流紋波的目的。根據(jù)需求，本次設(shè)計(jì)電感電流的波動(dòng)范圍在10%Io內(nèi)。以下給出電感值計(jì)算：在一對(duì)開(kāi)關(guān)管，如VT1,VT4導(dǎo)通時(shí)，一個(gè)電感L1或L2兩端的電壓值為（Ui-Uo）/2，故：式中dt為一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間，則電感L的表達(dá)式為：為了保證電感在臨界情況下電流連續(xù)，需要滿足：將上述公式帶入電感表達(dá)式，可得：為了使濾波電感電流連續(xù)并且電流最大紋波值在10%Io，電感值為：（2） 電感磁芯選擇電感電流中直流分量較大，交流成分較小，工作在連續(xù)狀態(tài)。綜合考慮磁芯工作狀態(tài)、損耗和體積，選擇采用寬恒磁導(dǎo)率、高飽和磁通的磁芯材料，本文

22、選用由浙江科達(dá)磁電有限工作提供的3種磁芯材料，型號(hào)分別為KS141-060A,KS157-040A,KS141-060A,KS157-026A。三種電磁鐵芯材料相同，大小不同。為了驗(yàn)證濾波電感對(duì)輸出性能的影響，實(shí)驗(yàn)中將分別實(shí)驗(yàn)不同電感的工作性能。3.2 硬件電路分析設(shè)計(jì)3.2.1 驅(qū)動(dòng)電路分析設(shè)計(jì)（1）PWM發(fā)生電路由雙向H橋DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，為了驅(qū)動(dòng)2對(duì)工作相位相差180o的MOSFET功率管，需要雙脈沖才能夠滿足條件；同時(shí)，為了降低濾波電感的體積，本次采用了提高開(kāi)關(guān)頻率的方法，最終采用了常用的PWM發(fā)生器SG3525芯片。SG3525 是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集

23、成控制芯片，它簡(jiǎn)單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式，增加了；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM，有過(guò)流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比。具體的PWM發(fā)波電路如圖3.1所示：圖3.1 PWM波發(fā)波電路從檢測(cè)端輸出的電壓或電流反饋值和電壓或電流給定值分別輸入到SG3525內(nèi)部誤差放大器的兩端，即1腳和2腳；同時(shí)，通過(guò)1腳鏈接一個(gè)CD4052芯片，再鏈接到SG3525的9腳，即內(nèi)部誤差放大器的輸出端，構(gòu)成一個(gè)模擬PI調(diào)節(jié)器。SG3525的5腳外接電容和6腳的外接可調(diào)電阻可以用來(lái)改變PWM波的頻率。SG3525的13腳為輸出端，通過(guò)將11腳和14腳短接，可實(shí)現(xiàn)其占空比的可調(diào)

24、范圍為01，具體占空比由1腳和2腳電壓差決定。（2） 死區(qū)產(chǎn)生電路在雙向H橋DC/DC變換器中，由于開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容的存在，其兩端的驅(qū)動(dòng)電壓不會(huì)突變，需要一定的延時(shí)，故在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，都存在一定的延時(shí)時(shí)間。由于，上下橋臂上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是反向的，如果在一個(gè)開(kāi)關(guān)管關(guān)閉的同時(shí)，立即開(kāi)通另一個(gè)開(kāi)關(guān)管，由于延遲的存在，可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，即上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通的情況，那就相當(dāng)于48V直流側(cè)直接接在兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的兩端，會(huì)產(chǎn)生很大的電流，使器件損壞。為了避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，需要在開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)中加入一段死區(qū)時(shí)間。死區(qū)產(chǎn)生電路如圖3.2所示：圖3.2 死區(qū)產(chǎn)生電路本次死區(qū)產(chǎn)生電路的原理是由

25、RC組成的充放電延時(shí)電路，整個(gè)過(guò)程如下：1端輸出嚴(yán)格高低電平的PWM驅(qū)動(dòng)波形，經(jīng)過(guò)反相器，輸入到一個(gè)緩沖器中，經(jīng)過(guò)一個(gè)RC電路時(shí)，在高電平時(shí)以=RC的時(shí)間參數(shù)對(duì)電容進(jìn)行充電，輸出端的驅(qū)動(dòng)波形以指數(shù)形式上升，當(dāng)達(dá)到電容充滿時(shí)，保持高電平；同理當(dāng)RC電路輸入端為低電平時(shí)，電容通過(guò)電阻進(jìn)行放電，輸出電平緩慢下降至低電平，并保持?？梢?jiàn)，通過(guò)上述充放電過(guò)程，驅(qū)動(dòng)波形得到后級(jí)遲滯比較器處理，形成兩路互補(bǔ)帶死區(qū)的PWM驅(qū)動(dòng)波形，通過(guò)調(diào)節(jié)合理的電容和電阻值，調(diào)節(jié)時(shí)間參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)。（3） 驅(qū)動(dòng)電路PWM經(jīng)上述死區(qū)產(chǎn)生電路處理后還不能用于MOSFET的驅(qū)動(dòng)，主要原因是其電壓峰值為5V左右，如果

26、直接用于驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，不能保證開(kāi)關(guān)管的正常有效導(dǎo)通，故需對(duì)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，使其電壓能夠達(dá)到滿足驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的要求。故采用以芯片IR2110為核心的驅(qū)動(dòng)電路，將5V左右的PWM波轉(zhuǎn)換為用于MOSFET驅(qū)動(dòng)的12V左右的PWM波。圖3.3 為驅(qū)動(dòng)電路：圖3.3 驅(qū)動(dòng)電路上圖為驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)洌瑸榱蓑?qū)動(dòng)4個(gè)開(kāi)關(guān)管，需要2個(gè)IR2110 芯片，每個(gè)芯片輸出相反的兩個(gè)信號(hào)，分別用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)上下橋臂的MOSFET。當(dāng)LIN為高電平，HIN為低電平時(shí)，D1芯片中的G1輸出低電平，開(kāi)關(guān)管VT1關(guān)閉，G2輸出高電平，開(kāi)關(guān)管VT2開(kāi)通；而D2芯片的LIN和HIN相反，故G3輸出高電平，開(kāi)關(guān)管VT3開(kāi)通，G4輸出

27、低電平，開(kāi)關(guān)管VT4關(guān)斷。利用上述驅(qū)動(dòng)電路，可以成功驅(qū)動(dòng)雙向H橋DC/DC變換器的4個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管。（4） 狀態(tài)切換電路電池的充電時(shí)有三個(gè)過(guò)程，放電時(shí)有一個(gè)過(guò)程，由于每個(gè)狀態(tài)的給定電壓或電流值都不同，需要通過(guò)上位機(jī)發(fā)送命令控制其各個(gè)過(guò)程的選擇與切換，同時(shí)需要對(duì)比反饋值來(lái)控制占空比。上述功能主要通過(guò)CD4052以及外圍電路選擇不同工作狀態(tài)時(shí)的給定值，具體電路如圖3.4所示：圖3.4 狀態(tài)切換電路CD4052內(nèi)部有兩組傳輸門，輸入X0、X1、X2、X3經(jīng)過(guò)一傳輸門和輸出X相連，輸入Y0、Y1、Y2、Y3經(jīng)另一傳輸門和輸出端Y相連，控制端A、B的不同組合來(lái)確定選中所需狀態(tài)的信號(hào)。Y值為4中狀態(tài)

28、的給定值，X值為電路采樣的反饋至，通過(guò)兩者比較，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。（5） 電壓電流采樣電路、保護(hù)電路對(duì)雙向H橋DC/DC變換器采用閉環(huán)控制，以達(dá)到穩(wěn)壓或穩(wěn)流的目的。因此，需要對(duì)蓄電池兩端的電壓和電流值進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣監(jiān)控，將采樣值經(jīng)電路處理后與各個(gè)狀態(tài)的給定值做比較，通過(guò)差值來(lái)控制PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的閉環(huán)控制。由于在電路設(shè)計(jì)時(shí)，將模擬端和數(shù)字端隔離的方式，故對(duì)電壓電流的采樣都分為模擬采樣和數(shù)字采樣兩部分。模擬電壓采樣采用分壓電阻法，具體電路如圖3.5所示：圖3.7 電阻分壓采樣電路在蓄電池兩端進(jìn)行電壓采樣，通過(guò)電阻分壓后得到兩個(gè)電壓Uo1和Uo2，通過(guò)比較器得到兩電壓的差值，經(jīng)放大

29、后得到采樣電壓U2，輸入到CD4052的反饋端，實(shí)現(xiàn)電壓的閉環(huán)控制。數(shù)字端的電壓采樣采用LV28-P霍爾傳感器，電路拓?fù)淙鐖D3.8所示圖3.8 霍爾電壓采樣電路霍爾傳感器精度高，溫飄小，抗干擾性好，有利于精確顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)智能狀態(tài)切換。由于霍爾傳感器通過(guò)采樣電阻得到一個(gè)采樣電流，同樣輸出的是電流信號(hào)，其比為1000:2500，原邊額定電流為10mA,故為了保持測(cè)量的精度，要是采樣電壓除以采樣電阻和內(nèi)阻的值在10mA附近，故選擇1k的采樣電阻。電流采樣運(yùn)用LA55-P霍爾電流傳感器，通過(guò)霍爾傳感器在主電路輸出端的采樣，將其輸出值經(jīng)電流采樣處理電路后，數(shù)字側(cè)輸出給單片機(jī)，模擬測(cè)輸入到反饋值

30、和保護(hù)電路。具體電路如圖3.9，圖3.10和圖3.11：圖3.9 霍爾電流、電壓采樣電路圖3.10 模擬采樣電流處理電路圖3.11 數(shù)字采樣電流處理電路霍爾電流傳感器的變比為1000:1，即采樣為1A時(shí)，采樣輸出為1mA。經(jīng)傳感器得到的電流信號(hào)I_bat 和I_bat_CPU，通過(guò)電阻R47和R48，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)一個(gè)跟隨器將其輸入到CPU或是作為回饋值輸入到CD4052的電流反饋段。AD采樣時(shí)需注意的是：采樣輸入值不應(yīng)大于3V，以免損壞單片機(jī)。通過(guò)AD電壓和電流采樣的處理電路有所不同是因?yàn)檩敵鲭妷汉銥檎?，而輸出電流可能為?fù)，故電流采樣處理電路需要一個(gè)上拉電壓。電路的保護(hù)除了軟

31、件保護(hù)盒保險(xiǎn)絲之外，還需要額外的保護(hù)電路，當(dāng)電流超過(guò)一定值時(shí)，通過(guò)硬件電路將驅(qū)動(dòng)電路關(guān)斷。具體電路如圖3.12所示：圖3.12 電流保護(hù)電路經(jīng)霍爾電流采樣輸出的電流信號(hào)I_bus進(jìn)電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，當(dāng)其值大于由R23和R30分壓得到的放大器反向輸入端電壓時(shí)，SD為正電平，接到IR2110的SD端將其關(guān)閉，不再輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。同時(shí)Over1和SD相反，在死區(qū)電路中關(guān)閉輸入到IR2110的信號(hào)，達(dá)到電流保護(hù)的作用。才外，保護(hù)電路具有自恢復(fù)能力，當(dāng)電流小于一定值時(shí)，能重新恢復(fù)驅(qū)動(dòng)的工作。以上就是對(duì)雙向H橋DC/DC變換器中的各個(gè)關(guān)鍵硬件電路的具體分析，包括了開(kāi)關(guān)管選擇、濾波電感選擇、驅(qū)動(dòng)電路、死區(qū)電

32、路、信號(hào)選擇電路、電壓電流采樣電路和保護(hù)電路。4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整套蓄電池化成系統(tǒng)如下圖4.1所示：圖4.1 蓄電池化成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)由48V直流母線，雙向DC/DC變換器和上位機(jī)監(jiān)控組成，每套雙向DC/DC變換器對(duì)應(yīng)一組需要化成的鋰電池，鋰電池?cái)?shù)量根據(jù)整體容量匹配而定。通過(guò)控制雙向DC/DC變換器來(lái)控蓄電池和48V直流母線之前的能量流動(dòng)。當(dāng)要對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，上位機(jī)通過(guò)通訊RS485總線向DC/CD變換器發(fā)送充電指令。此時(shí)，48V直流母線通過(guò)DC/DC變換器向蓄電池提供能量，DC/DC變換器通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池兩端的電壓和流過(guò)蓄電池的電流來(lái)進(jìn)行恒流充電，恒壓充電，恒壓均充三種

33、狀態(tài)的切換，以滿足智能充電曲線的要求。當(dāng)蓄電池需要放電時(shí)，通過(guò)上位機(jī)發(fā)送放電指令，蓄電池中的能量通過(guò)DC/DC變換器回饋到48V直流母線。當(dāng)放電電壓低于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)發(fā)送停機(jī)指令，整套系統(tǒng)停止工作。4.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雙向H橋DC/DC變換器的系統(tǒng)控制擦用模擬電路與數(shù)字電路相結(jié)合的模式，功能主要包括：實(shí)時(shí)采樣、監(jiān)控、調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)、保護(hù)控制。上述功能是通過(guò)單片機(jī)P89LPC938芯片與硬件電路配合完成的?？刂破鞑捎玫氖荘I控制器。具體控制結(jié)構(gòu)圖如圖4.2 所示：圖4.2 控制結(jié)構(gòu)圖通過(guò)采樣電路在DC/DC變換器的輸出側(cè)，即蓄電池兩端，進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。將電壓、電流采樣值經(jīng)處理電路后，模擬部分輸入到CD

34、4052反饋值端口，數(shù)值部分鏈接單片機(jī)AD采樣引腳后輸入到單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)的指令以及采樣得到的數(shù)值，控制CD4052的狀態(tài)選擇電路，并在電流或電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)進(jìn)行狀態(tài)切換。CD4052根據(jù)單片機(jī)給定的狀態(tài)，選擇相應(yīng)狀態(tài)的給定值，與采樣檢測(cè)值對(duì)比，通過(guò)PI調(diào)節(jié)電路，將信號(hào)發(fā)送給PWM波發(fā)生器SG3525。SG3525產(chǎn)生的PWM波經(jīng)死區(qū)產(chǎn)生電路產(chǎn)生死去時(shí)間，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路提升驅(qū)動(dòng)電壓，最終用于驅(qū)動(dòng)4個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管。在整個(gè)過(guò)程中，單片機(jī)會(huì)將采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)給上位機(jī)，并在上位機(jī)上顯示。同時(shí)，在Ui的負(fù)端會(huì)對(duì)電流進(jìn)行采樣保護(hù)，如果超過(guò)設(shè)定值，將會(huì)切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在單片機(jī)的程序中同樣也設(shè)定這輸出

35、端電壓和電流保護(hù)，當(dāng)其值超過(guò)設(shè)定值會(huì)發(fā)送停機(jī)信號(hào)給CD4052，是整個(gè)電路停止工作。4.3 DC/DC變換器控制方法為了提高變換器的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，本套系統(tǒng)對(duì)DC/DC變換器采用了負(fù)反饋閉環(huán)控制。在穩(wěn)定性上系統(tǒng)能夠抑制輸入電壓變化、負(fù)載改變和外界干擾等因素的影響，穩(wěn)定系統(tǒng)的輸出值；同時(shí)在動(dòng)態(tài)性能上，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間需要滿足系統(tǒng)的設(shè)定。整套系統(tǒng)根據(jù)蓄電池在不同狀態(tài)時(shí)，對(duì)電壓或電流進(jìn)行采樣監(jiān)控，通過(guò)補(bǔ)償電路和校正裝置構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。4.3.1 電壓控制模式電壓控制模式主要用于恒壓充電和恒壓均充兩種狀態(tài)，將蓄電池兩端的電壓值經(jīng)電阻分壓法采樣后，經(jīng)采樣處理電路后作為反饋量輸入到CD4052的反饋端，

36、構(gòu)成系統(tǒng)的電壓控制環(huán)。基本原理如圖4.3所示：圖4.3 電壓閉環(huán)控制圖系統(tǒng)對(duì)輸出Vo進(jìn)行采樣，經(jīng)采樣傳遞函數(shù)得到電壓信號(hào)值V，與參考電壓VRef比較，算出誤差信號(hào)Ve，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。4.3.2 電流控制模式與電壓控制模式相似，電壓控制模式主要用于恒流充電和恒流放電兩種狀態(tài)。通過(guò)霍爾傳感器將主電路中的電流值采樣經(jīng)處理后，作為反饋量輸入到CD4052的反饋段，構(gòu)成系統(tǒng)的電流控制環(huán)?；驹砣鐖D4.4所示圖4.4 電流閉環(huán)控制圖輸出電流經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換器得到電壓信號(hào)VR，電壓信號(hào)VR經(jīng)采樣網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)為電壓值V，與電流環(huán)的給定比較得到誤差信號(hào)vCA作為電流控制器的給定值

37、，經(jīng)脈寬調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)占空比，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制。4.4 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能：?jiǎn)纹瑱C(jī)接受上位機(jī)的命令信號(hào)，期間要實(shí)現(xiàn)站號(hào)的比較，單片機(jī)只會(huì)接收到三種命令：充電、放電和上傳數(shù)據(jù)。若接收到的是充電命令，即恒流均充、恒壓均充、恒壓浮充，這三個(gè)階段是按順序依次完成的，每個(gè)階段都必須經(jīng)過(guò)，三個(gè)階段的轉(zhuǎn)換由單片機(jī)檢測(cè)輸出電壓、電流值來(lái)切換，在前兩個(gè)階段，它們的結(jié)束時(shí)間是由檢測(cè)出的電壓、電流值來(lái)決定，當(dāng)檢測(cè)值到達(dá)給定值時(shí)該階段就結(jié)束進(jìn)入下一階段，而恒壓浮充階段理論上是要一直進(jìn)行充電的。放電過(guò)程的結(jié)束時(shí)間也是由檢測(cè)的電壓、電流值來(lái)決定，當(dāng)檢測(cè)值小于給定值時(shí)就結(jié)束放電階段。設(shè)計(jì)思路：首先對(duì)89LPC938單片

38、初始化，包括I/O、A/D采樣、變量、函數(shù)及定時(shí)器等的初始化。在對(duì)單片機(jī)I/O初始化設(shè)置需要注意，除特殊功能的3個(gè)I/O口外，其余每個(gè)I/O都可以通過(guò)軟件配置為：準(zhǔn)雙向、推挽、輸入和開(kāi)漏四種輸出類型之一，需要對(duì)每種類型和實(shí)際電路功能結(jié)合進(jìn)行合理配置，否則會(huì)出現(xiàn)輸出異?，F(xiàn)象，如端口電平過(guò)高、通信數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象發(fā)生。單片機(jī)的看門狗功能可以防止程序跑飛，保證單片機(jī)的可靠工作，因此需要初始化看門狗功能，并定時(shí)喂狗。利用單片機(jī)定時(shí)器0來(lái)產(chǎn)生10ms的中斷，10ms中斷產(chǎn)生后就進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)，完成對(duì)電感電流和蓄電池兩端電壓的四次檢測(cè)。在A/D轉(zhuǎn)換程序中，定義了A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位Flag_AD，當(dāng)A/

39、D轉(zhuǎn)換結(jié)束使能該標(biāo)志位。主循環(huán)中會(huì)不斷地判斷該標(biāo)志位是否被使能，若檢測(cè)到該位被使能，首先判斷采樣電壓電流是否在允許范圍內(nèi)，若超過(guò)，則發(fā)出保護(hù)信號(hào)關(guān)閉功率管驅(qū)動(dòng)PWM波；若沒(méi)有，就會(huì)判斷檢測(cè)的電壓電流是否達(dá)到了預(yù)先設(shè)置的狀態(tài)切換給定值，若達(dá)到，則進(jìn)行狀態(tài)的切換。利用串行口中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，當(dāng)進(jìn)入串行口中斷時(shí)就表示有數(shù)據(jù)需要與上位機(jī)通信傳輸。若中斷接收標(biāo)志位RI置1，則表示單片機(jī)要接受數(shù)據(jù)，程序就進(jìn)入接受處理程序中，在此過(guò)程要判斷接收到的數(shù)據(jù)的正確性且要確保該命令是下發(fā)給該單片機(jī)的，當(dāng)接收處理結(jié)束后清中斷標(biāo)志位；若發(fā)送標(biāo)志位TI置1，則表示單片機(jī)通過(guò)SCI串口向上位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)已

40、經(jīng)發(fā)送完，可以發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。5 實(shí)驗(yàn)調(diào)試與結(jié)果分析5.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建制作完成雙向H橋DC/DC變換器的樣機(jī)后，需對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。首先搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 主要由以下幾部分組成：1）4節(jié)12V，4AH蓄電池，串聯(lián)作為48V供電端。2）6節(jié)2V，100AH蓄電池，串聯(lián)最為輸出端，模擬實(shí)際工作時(shí)的鋰電池。3）最大電阻10，最大允許電流14A的可調(diào)電阻。4）一塊調(diào)試樣機(jī)。5）上位機(jī)：PC機(jī)，用于發(fā)送指令，實(shí)時(shí)監(jiān)控。6）開(kāi)關(guān)與若干導(dǎo)線。除了上述設(shè)備，實(shí)驗(yàn)需要其他的設(shè)備有：高進(jìn)度數(shù)字萬(wàn)用表，示波器，信號(hào)發(fā)生器， 15V輔助電源，可編程穩(wěn)壓電源。調(diào)試樣機(jī)的主要參數(shù)為：1） 直流輸入側(cè)電壓48V。2） 輸出側(cè)

41、電壓12V14V。3） 輸出電流020A。4） 開(kāi)關(guān)頻率100k。5） 濾波電感56.25mH，LA55-P霍爾電流傳感器，LV28-P霍爾電壓傳感器。整個(gè)平臺(tái)實(shí)物如圖5.1和圖5.2所示：圖5.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖5.2 輸入側(cè)，輸出側(cè)蓄電池5.2 樣機(jī)調(diào)試5.2.1 供電電源調(diào)試首先測(cè)試的是雙向H橋DC/DC變換器主板上控制電路的供電電源。由于整個(gè)系統(tǒng)由模擬電路和數(shù)字電路兩個(gè)模塊構(gòu)成，為了確保各器件穩(wěn)定可靠運(yùn)行，采取將模擬電源和數(shù)字電源分開(kāi)的方式。模擬電路主要包括：狀態(tài)切換電路，死區(qū)產(chǎn)生電路，驅(qū)動(dòng)電路，模擬部分采樣電路和保護(hù)電路等。數(shù)字電路主要包括：P89LPC938單片機(jī)電路，數(shù)字部分采樣電路

42、等。數(shù)字電路與模擬電路連接的部分，通過(guò)光耦合器件TLP521傳輸?shù)侥M電路。調(diào)試時(shí)，接通控制電路電源后，首先將萬(wàn)用表的黑表筆接到模擬地，再用紅表筆依次測(cè)量供電端器件LM7805的3腳Vout端，其輸出應(yīng)為5V；再測(cè)試REF3033的2腳Vout端，其輸出應(yīng)為3.3V。數(shù)字電路的供電端主器件為L(zhǎng)M317，測(cè)試時(shí)，需要將接地端換到數(shù)字地，然后測(cè)試LM317的2腳Vout，其輸出電壓應(yīng)為3.3V。測(cè)試完供電電路，并確認(rèn)其能正常工作后，下一步進(jìn)行控制電路各個(gè)芯片供電端的電壓值。模擬電路芯片中主要測(cè)試的是：狀態(tài)選擇芯片CD4052，PWM波發(fā)波芯片SG3525，反相器芯片74HC14，四輸入與門芯片74

43、HC21，驅(qū)動(dòng)芯片IR2110，運(yùn)算放大器LM258，電壓比較器LM393。數(shù)字電路芯片包括：P89LPC938單片機(jī)，運(yùn)算放大器TL062。在測(cè)試過(guò)程中遇到一的問(wèn)題：1） 部分REF3033的3.3V輸出端實(shí)際輸出電壓為3V，由于此電壓值用于狀態(tài)給定值，調(diào)節(jié)各個(gè)給定的滑動(dòng)電阻同樣可使電路正常工作。2） 在給功率開(kāi)關(guān)管背部加上散熱器時(shí)，沒(méi)有考慮到絕緣問(wèn)題，導(dǎo)致控制電路中部分管腳短路，使得供電電源芯片損壞。3） 在測(cè)試時(shí)，由于誤操作，表筆同時(shí)接觸了LM317的2腳和3腳，導(dǎo)致電路中部分元器件損壞。解決上述在測(cè)試過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題后，控制電路的供電電源可以正常工作。5.2.2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)試在供電電源

44、調(diào)試完畢后，將控制電路所需的各個(gè)芯片安裝到主電路中，進(jìn)行功率管驅(qū)動(dòng)波形的測(cè)試。由于在正常狀態(tài)下，CD4052的狀態(tài)選擇信號(hào)為：0 0，芯片工作在停機(jī)狀態(tài)，使得PWM波發(fā)波芯片SG3525不在工作狀態(tài)，故需要給CD4052的狀態(tài)選擇端一個(gè)信號(hào)，使其能工作在某一個(gè)充電或放電狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，選用一臺(tái)可編程穩(wěn)壓電源給CD4052的狀態(tài)選擇端供電，使其工作在恒流充電狀態(tài)。SG3525的1腳反向輸入端為電流反饋值，2腳正向輸入端為經(jīng)RP2可調(diào)電阻后的給定電壓，輸出端13腳可得到PWM波形。SG3525輸出的PWM波形經(jīng)兩個(gè)反相器后得到兩個(gè)互補(bǔ)的PWM信號(hào)，通過(guò)死區(qū)電路后兩個(gè)互補(bǔ)的PWM信號(hào)都會(huì)產(chǎn)生一定的死

45、區(qū)區(qū)間，經(jīng)兩個(gè)四輸入與門電路相互關(guān)斷和工作保護(hù)輸入，輸出到驅(qū)動(dòng)信號(hào)將PWM波放大，最終輸出給功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，如：1） PWM信號(hào)經(jīng)死區(qū)產(chǎn)生電路后就消失了，后發(fā)現(xiàn)由于保護(hù)電路中LM393出現(xiàn)故障使得輸出的保護(hù)信號(hào)關(guān)斷了與門電路，使輸入到驅(qū)動(dòng)芯片IR2110的信號(hào)為0。2） 另外還需要考慮單片機(jī)保護(hù)信號(hào)，在不安裝單片機(jī)時(shí)，由于連接單片機(jī)的各個(gè)輸出管腳為0，通過(guò)光耦隔離后恰好能使單片機(jī)保護(hù)不起作用。3） 雖然系統(tǒng)正常工作狀態(tài)為閉環(huán)控制，然而在調(diào)試時(shí)則須要首先進(jìn)行開(kāi)環(huán)調(diào)試，因?yàn)槿绻B接的閉環(huán)，在主電路沒(méi)有上強(qiáng)電的情況下，閉環(huán)會(huì)使占空比一直變大，直至極限。解決上述問(wèn)題后，通過(guò)

46、示波器接到柵極與漏極之間，觀察到驅(qū)動(dòng)波形正常，并且能夠過(guò)調(diào)節(jié)給定可調(diào)電阻實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)波形占空比的變換。此外在實(shí)驗(yàn)中還測(cè)定了死區(qū)時(shí)間，具體如表5.1，圖5.3所示：G1 百分比G2 百分比死區(qū)百分比輸出電壓45.738.116.22.8947.236.416.44.01749.634.316.15.3750.832.416.85.97453.529.916.66.7755.128.316.67.17557.925.416.78.85458.424.6179.775表5.1 死區(qū)時(shí)間表格圖5.3 死區(qū)時(shí)間通過(guò)示波器兩個(gè)信號(hào)探針，測(cè)定了上下橋臂兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形的占空比，去平均值后得到死區(qū)時(shí)間約占一個(gè)

47、信號(hào)周期的16.55%，能夠保證開(kāi)關(guān)管在開(kāi)斷過(guò)程中避免上下橋臂直接導(dǎo)通的問(wèn)題。5.2.3 單片機(jī)程序，VB工程調(diào)試將單片機(jī)安裝到PCB板中，將之前編寫的程序?qū)懭氲絾纹瑱C(jī)內(nèi)。程序?qū)懭牒?，首先進(jìn)行單片機(jī)與上位機(jī)通訊的調(diào)試。在VB工程調(diào)試之前，采用串口調(diào)試助手程序，觀察單片機(jī)能夠?qū)崟r(shí)采樣，并能否成功的將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。在調(diào)試過(guò)程中由于AD采樣的值可能會(huì)發(fā)生變化，為了觀察傳輸?shù)臄?shù)值能否穩(wěn)定，可以在程序初始化時(shí)人為設(shè)定一個(gè)值，觀察串口調(diào)試助手接收到輸出是否始終一樣。在單片機(jī)能夠正常發(fā)送數(shù)據(jù)后。進(jìn)行VB工程的調(diào)試。VB主要的功能為：發(fā)送充放電狀態(tài)指令，實(shí)時(shí)接受單片機(jī)上傳的輸出并處理后顯示出來(lái)。在調(diào)試時(shí)，

48、通過(guò)發(fā)送各種狀態(tài)指令，觀察狀態(tài)信號(hào)指示燈是否能夠正常切換，同時(shí)輸出的驅(qū)動(dòng)波形是否按照給定值變化。經(jīng)過(guò)上述調(diào)試過(guò)程，樣機(jī)已具備了一下功能：1） 接受上位發(fā)送的指令，并按指令切換工作狀態(tài)。2） 實(shí)時(shí)進(jìn)行AD采樣，并將數(shù)值發(fā)送給上位機(jī)。3） 根據(jù)電路的電壓電流，自動(dòng)切換充放電狀態(tài)。5.2.4 保護(hù)與采樣電路測(cè)試主電路中加入了過(guò)流保護(hù)電路，單片機(jī)程序中也有過(guò)壓過(guò)流保護(hù)，為了測(cè)試保護(hù)電路和程序能否正常工作，通過(guò)給定一個(gè)電壓信號(hào)，觀察電路自切斷功能。運(yùn)用一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，在電流保護(hù)采樣的采樣輸出端給定一個(gè)電壓信號(hào)，并將示波器接到功率管的驅(qū)動(dòng)端。首先用上位機(jī)發(fā)送恒流充電指令，樣機(jī)接受指令后正常輸出驅(qū)動(dòng)波形，此

49、時(shí)，信號(hào)發(fā)生器發(fā)送一個(gè)方波。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)方波的電壓值大于0.9V時(shí)，保護(hù)起作用，當(dāng)方波的電壓值低于0.488V時(shí)，電路能恢復(fù)工作。通過(guò)計(jì)算，0.9V換算到主電路輸入側(cè)的電流為18A。運(yùn)用同樣的方法，將信號(hào)發(fā)生器接到各個(gè)AD采樣的輸入端，通過(guò)觀察，程序能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)壓過(guò)流關(guān)斷功能。采樣電路的測(cè)試主要包括：1） 輸出端電壓經(jīng)分壓電阻后得到的反饋電壓U2，輸出端電壓經(jīng)霍爾電壓傳感器LV28-P采樣輸入到單片機(jī)的電壓值A(chǔ)D0。通過(guò)測(cè)后，得到以下數(shù)據(jù),如表5.2和圖5.4所示：輸出電壓U2AD19.281.980.9610.622.281.1111.642.481.212.32.641.2513.132.84

50、1.3413.931.46表5.2 輸出電壓，U2，AD1數(shù)據(jù)表圖5.4 輸出電壓與U2，AD1關(guān)系曲線得到上述數(shù)據(jù)后通過(guò)生成曲線，可以看到在電路工作電壓范圍附近，輸出電壓與模擬，數(shù)字采樣值成很好的線性關(guān)系。2） 輸出端電流經(jīng)采樣輸出電路I_bat，處理后得到的反饋至I2。經(jīng)測(cè)試得到以下數(shù)據(jù)，如表5.3 和圖5.5所示：輸出電流I_batI20.0580.011.650.7750.0321.6671.720.081.6682.380.1141.6783.480.171.704表5.3 輸出電流，I_bat，I2數(shù)據(jù)表圖5.5 輸出電流與I_bat，I2關(guān)系曲線3）另外，由于單片機(jī)的AD采樣存在

51、著一定的誤差，如果純粹按照電路突破結(jié)構(gòu)對(duì)采樣值進(jìn)行換算的話，會(huì)存在很大的誤差。為了保證監(jiān)控的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，先采用通過(guò)仿真器測(cè)得AD采樣數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相比較的方法，算出其線性關(guān)系，將此關(guān)系輸入到單片機(jī)和VB工程的換算公式。數(shù)據(jù)表5.4和圖5.6所示：輸出端電壓?jiǎn)纹瑱C(jī)采樣值0.021111.014452.034753.0651083.9921405.0011716.0572056.9972358.2952779.37631511.28837912.41141213.31944114.065471表5.4 輸出電壓與采樣值數(shù)據(jù)表圖5.6 輸出電壓與采樣值的線性關(guān)系從上述線性關(guān)系中得到單片機(jī)程序的換算

52、公式為AD1=32.754*U1+10.312；VB換算公式正好相反，為U1= AD1 * 0.0305 - 0.2148；在得到此公式后，通過(guò)將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，進(jìn)行通訊后，發(fā)現(xiàn)顯示的電壓數(shù)值與實(shí)際值相差在0.1V左右。同樣，電流AD采樣也存在著相應(yīng)的誤差，為了糾正誤差，按照實(shí)際電流與采樣值對(duì)比線性關(guān)系可得兩者的線性關(guān)系，數(shù)值如表5.5和圖5.7所示：輸出端電流單片機(jī)采樣值0.1135250.7025312.755453.3675564.1785624.6125715.209582表5.5 輸出電流與單片機(jī)采樣值數(shù)據(jù)表圖5.7 輸出電流與采樣值的線性關(guān)系觀察上述曲線，發(fā)現(xiàn)電流與采樣值的一次線性

53、關(guān)系不是很理想，在電流變換過(guò)程中，AD采樣值變換不明顯，并且存在著一定的誤差。通過(guò)分析電路后可知，在電流采樣處理電路的輸出端，采用的是加上拉電壓再電阻分壓的方法，所以AD0=(3.3+51*I_bat_CPU)/2，這樣的設(shè)計(jì)時(shí)為了保證電流為負(fù)的時(shí)候也能夠進(jìn)行采樣，但是隨之發(fā)送的問(wèn)題就是得到采樣值的變換范圍過(guò)小。而電壓采樣中卻沒(méi)有碰到這樣問(wèn)題的原因是，電壓采樣輸出端沒(méi)有采用上拉壓電后分壓的方法，輸出值A(chǔ)D1=51*V_bat，保證了采樣值的很寬的范圍內(nèi)變動(dòng)。經(jīng)反復(fù)測(cè)量后得到輸出電流與采樣值在單片機(jī)內(nèi)的關(guān)系式：I=15.438*AD0+512.19；在VB工程中的關(guān)系式為：AD0 = I * 0

54、.0648 - 32.969。5.2.4 開(kāi)環(huán)、閉環(huán)測(cè)試完成對(duì)雙向H橋DC/DC變換器控制電路的調(diào)試后，可以在輸入側(cè)與輸出側(cè)通強(qiáng)電進(jìn)行開(kāi)環(huán)測(cè)試。具體過(guò)程如下:1） 接通控制電路電源。2） 上位機(jī)發(fā)送充放電指令，觀察驅(qū)動(dòng)輸出波形是否正常。3） 在驅(qū)動(dòng)波形占空比合適是，合上開(kāi)關(guān)，接通輸入側(cè)輸出側(cè)。在調(diào)試初期，為了確保安全，將占空比調(diào)節(jié)至45%左右，因?yàn)榭廴ニ绤^(qū)時(shí)間，該占空比使得輸出端電壓為4V左右，同時(shí)輸出端暫不接電源，而是接接一個(gè)最大阻值10，耐流14A的電阻。上小節(jié)的采樣值測(cè)定正是在這種工作狀態(tài)下進(jìn)行的。在調(diào)試過(guò)程中，逐漸減小電阻值，并逐步增加串聯(lián)2V，100Ah的電池到輸出端，最終去掉電阻，

55、輸出端為6節(jié)2V,100Ah的電池，此時(shí)整個(gè)控制電路和主電路能夠正常工作。在開(kāi)環(huán)下，可以測(cè)定整個(gè)系統(tǒng)的充電時(shí)的一些數(shù)值和效率，具體如表5.6所示：輸出電壓輸出電流輸入電壓輸入電流效率11.91.05146.60.3260.121.63446.60.5010.12.262.15346.60.6510.12.353.0646.20.9130.12.433.44945.81.060.12.54.03245.21.2870.12.514.2944.81.3350.表5.6 開(kāi)環(huán)時(shí)充電效率表在測(cè)試過(guò)沖中，輸出電壓為12.5V之前，系統(tǒng)的效率能保證在85%左右，而再增大滑動(dòng)變阻其以增大給定電壓時(shí)，輸出端電壓電流都會(huì)逐漸減小，導(dǎo)致輸出端的響應(yīng)值也減小。分析上述現(xiàn)象后，認(rèn)為是由于輸出端的供電電源是4節(jié)4Ah的蓄電池，而輸出側(cè)則是6節(jié)100Ah的蓄電池，雖然輸入端電池總電壓為48V，但其容量過(guò)小，導(dǎo)致在充電功率提高時(shí)，其內(nèi)部電能下降很快，使其輸出供電電壓急劇下降，影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。 充電時(shí)各個(gè)工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)測(cè)試完畢后，進(jìn)行放電狀態(tài)測(cè)試。放電和充電測(cè)試時(shí)，區(qū)別就在于給定值的不同，當(dāng)給定值電壓小于輸出端電壓時(shí)，輸出側(cè)蓄電池會(huì)反向放電，而充電時(shí)給定電壓大于輸出側(cè)電壓。經(jīng)過(guò)測(cè)試得到以下數(shù)據(jù)，如表5.7所示：輸出電壓輸出