双向DC―DC锂电池充放电硬件电路设计

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[摘 要]以双向dc-dc Buck-Boost变换器为核心，用STC12C5A60S2单片机，差分式放大器，电阻分压电路，继电器等组成测控电路，来实现锂电池自动充放电的控制与状态检测。使锂电池充电更安全高效。

[关键词]双向DC-DC Buck-Boost变换器 锂电池充放电 状态监测

中图分类号：TM911 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0130-01

1、总体框架设计

该系统由一个双向DC-DC变换电路、电压采集和电流采集电路、锂电池组、测控电路、直流稳压电源以及辅助电源组成。其基本原理如下：

由直流稳压电源输出得到稳定的30V电压，通过双向DC-DC变换电路对锂电池组进行恒流充电并通过脉宽调制实现对充电电流步进调整。测控电路测量并显示当前的充电电流，并且实时监控电池组两端电压进行过充保护。

2、双向DC-DC变换器设计

双向Buck-Boost的主电路如图所示，电路图中包括两个开关管、两个二极管、一个电感、两个电容和两个电源。其中两个开关管互补导通，即Q1开通时Q2关断，Q2开通时Q1关断。Q2 保持关断，Q1 采用 PWM 方式工作，变换器实际为一个 Buck 电路，能量从V 1传输到V2 ；Q1保持关断，Q 2采用 PWM 方式工作，变换器实际为一个 Boost 电路，能量从V2传输到V 1。交替工作方式。即电感电流有正有负，1）在t0到t1期间，Q1导通但不通过电流，从而实现零电压开通，电流通过D1，期间iL为负值；2）在t1到ton期间，Q1导通并通过电流，iL为为正值并逐渐增加；3）在ton到t2期间，Q2导通但不通过电流，实现零电压开通，电流通过D2续流，iL为正值并逐渐减小；4）在ton到T期间，Q2导通并通电流，iL为负值并逐渐增加。

为了防止两个开关管同时导通，应通过合理设计电感L大小制造死区时间，即使开关管实现零电压开通，并避免二极管的反向恢复问题。

与传统的采用双-单向 DC/DC 变换器来达到能量双向传输的方案相比，双向 DC/DC变换器应用一个变换器来控制能量的双向传输，使用的总体开关器件数目少，且可以更快的进行功率传输方向的切换。而且，一般双向 DC/DC 变换器更方便在现有的电路上使用同步整流工作方式，有利于降低通态损耗。总之，双向 DC/DC 变换器具有高效率、体积小、动态性能好和成本低等优势。

3、 电压电流采样电路设计

外部电压输入到采样电路第一级电压跟随器，电阻R1、R2进行分压，实现10倍衰减，进而匹配ADC的基准电压，由于单片机内部阻抗较小，因此在最后一级加入电压跟随器将衰减后的采样电压输入到单片机内部的ADC。

下图中R0为阻值为0.1Ω的康铜丝，具有阻值小功率大的特点，将电流信号转换为电压信号，后级采用OP07进行电压信号的比例放大，放大倍数为15倍，进而匹配ADC的基准电压。

4、 保护电路设计

保护电路是由三极管、保护二极管和继电器构成。其中三极管的基极通过一个电阻连接到单片机，当单片机控制端给三极管的基极送低电平时三极管Q2导通，继电器吸合；当单片机控制端给三极管送高电平时，三极管截止，继电器断开。在继电器上反接了一个二极管，线圈通电正常工作时，二极管对电路不起作用。当继电器线圈在断电的一瞬间会产生一个很强的反电动势，在继电器线圈两段反向并联二极管就是消耗这个反电动势的。

结束语

本产品通过双向DC-DC变换电路对锂电池组进行恒流充电并通过脉宽调制实现对充电电流步进调整，以STC12C5A60S2单片机为核心的测控电路测量并显示当前的充电电流，并且实时监控电池组两端电压进行过充保护。使锂电池充电更安全高效。

参考文献

[1] 郭天祥 《新概念51单片机C语言教程》，电子工业出版社。

[2] 肖金球 《增强型51单片机与仿真技术》，清华大学出版社。

[3] 王兆安，刘进军《电力电子技术（第五版）》，机械工业出版社。

作者简介

付帅（1994-12），男，安徽宿州人，北华航天工业学院，本科在读，研究方向：测控技术与仪器（智能仪器仪表） 赵俊哲（1994-11）女，河北省石家庄市人，北华航天工业学院，本科在读，研究方向：自动化