时间：2022-10-06 09:21:45
摘要： 利用单片机控制锂电池的充放电以及升压和降压拓扑电路构成高效双向 DC-DC 变换器电路以提高能源利用率。单片机通过控制加法器和运算放大电路反馈端数字电位器阻值以实现实现输出电流步进可调，通过PID算法控制降压电路的反馈电压微调输出电压值提高输出电压稳定性，采用电流传感器和电压衰减电路，并结合单片机和卡尔曼滤波算法提高实时测量系统状态电压、电流测量精度。
Abstract： In this paper， microprocessor is used to control the charging and discharging of lithium batteries as well as boost and buck topology circuit to form efficient bidirectional DC-DC converter circuit to improve energy efficiency. The microprocessor makes the output current stepping adjustable by controlling the adder and the operational amplifier circuit feedback end digital potentiometer resistance， controls the output voltage of the feedback from the step-down circuit voltage fine-tuning by PID algorithm to improve the output voltage stability， uses current sensor and voltage attenuation circuit and combines MCU and Kalman filtering algorithm to improve the voltage and current measurement accuracy in real-time system status measurement.
关键词： 双拓扑；双向DC-DC；高效；卡尔曼
Key words： dual topology；bidirectional DC-DC converter；high efficiency；Kalman
中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）03-0117-03
0 引言
目前，双向DC-DC变换器转换效率不高、电压和电流稳定性不好，这可能会使得系统稳定性下降。采用单片机控制双向DC-DC变换器的输入输出电压及电流能有效提高系统稳定性。单一双向DC-DC变换器是DC-DC变换器的双象限运行，输入、输出电压极性不变，电流方向可以改变，即使用一个拓扑同时实现升压和降压。但需通过软件形式表达电源中两个开关管的控制时序，在软件实现上有较大的工作量[1]。
系统具有两个单独的升压和降压电路，通过单片机检测、控制并切换工作状态，达到双向DC-DC变换的效果，实现对锂电池的充放电功能。
总体设计框图如图1，若要实现电池充放电功能，则需在充电状态时，由稳压电源输出的高电压经降压电路降至合适的范围输入至电池给其充电；放电状态时，由电池供电经升压电路升压，输至负载处。期间工作状态的切换由单片机，经测量电路反馈，通过控制继电器，实现双 DC-DC 变换。
1 DC-DC变换电路设计
1.1 降压电路设计
降压电路采用LM2596开关型稳压芯片将稳压电源端输出的30V高电压进行降压。LM2596能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。可调节输出小于37V的各种电压[2]。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150kHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需很少的外接器件，可以实现更稳定的工作状态和更高效的转化率，极大地简化了开关电源电路的设计。LM2596的反馈脚为恒流源的搭建提供了巨大便利。此外，该芯片价格低廉，工作稳定，是充电降压电路方案的成熟选择。其降压电路图如图2。
1.2 升压电路设计
升压方面采用凌特利尔（Linear）的LTC1871升压控制器，该芯片只需极少的外部元件，是宽输入、电流模式的升压控制器。不同于传统的电流模式控制器，它的电流控制环路可通过测量功率MOSFET两端的压降来测量而省去电流检测电阻的需要，由此最大限度地提高效率。其升压电路如图3。
2 恒流源及电流步进电路设计
利用LM2596的反馈引脚，把并联电压反馈改为串联电流反馈，从而把恒压电路变为恒流电路，通过一个精密运算放大器构成一级放大后，控制信号VC经由放大器后级构成的加法器，可将反馈信号传至LM2596的反馈脚，只要控制VC即可实现恒流控制。其电路如图4。其中，采样电阻RS=0.1Ω，通过改变R1和R2的比值以及VC的电压，即可对降压电路进行电流精确控制，其中VC由单片机 D/A 提供，每级步进1mA。
3 测量电路设计
3.1 电压检测电路
考虑到单片机I/O口输入的最高电压为3.3V，而测量的电压最高为38V，为了能够将测量的电压量输入到单片机的 A/D 上并且不损坏单片机，采用运放电路，通过最大 14.4 倍衰减将电压两衰减至 3.3V 以下，使得单片机能够安全、准确地测取电压量。
3.2 电流检测电路
电流检测方案采用MAX471电流传感器做精密测量。当MAX471并联一个2kΩ的精密电阻后，进行1A/V的转换比例将电流量转化成电压信号输入至单片机A/D经行采集，最大分辨率为1mA，可实现对电流的准确测量。电流检测电路如图5。
3.3 效率测量电路
双DC-DC变换电路在切换不同工作状态时，电路的输入和输出端的极性会对调，所以为了测出功率，在电池和稳压电源的两段分别设置电压、电流测量点，得到输入、输出功率后进行效率计算。
4 控制系统设计
控制系统由OLED、继电器、按键开关、蜂鸣器及外设驱动电路构成。OLED实时显示电路中的各项参数，继电器实现工作模式的切换，按键开关可让单片机复位以及手工触发继电器切换充放电模式，蜂鸣器用于按键触发提示已经报警提示。
5 理论分析与计算
降压电路电压输出计算如式（1）。
VOUT=VREF1+（1）
升压电路中，对于连续导通（CCM）的升压变换器，主开关的占空比如式（2），其中，VD是升压二极管的正向压降，取0.127V。电感量由式（3）可得，？字代表电感中波峰之间波纹电流百分比，此处取经验值0.2，开关频率f取150kHz。将各项数据带入计算公式，得电感L=150μH，而？驻IL如式（4）。
D=（2） L=（3）
？驻IL=？字×（4）
为了最大限度地提高效率，输出二极管需采用具有低正向压降和低反向泄露的肖特基二极管。升压变换器中的输出二极管在开关断开期间导通电流。二极管必须承受峰值反向电压等于稳压器的输出电压。正常情况下平均正向电流等于输出电流，峰值电流等于峰值电感电流。
恒流源电流调节电路以LM2596 位核心芯片，R1与R2组成同向放大电路，4 个R3构成加法器，VC为控制电压，由单片机 D/A 控制其恒流输出电流值。因为LM2596的内部参考电压为 1.23V，故可得
RS×I×1++VC=1.23V（5）
单片机参考电压为3.3V，内置 12 位DAC，VC端电压范围 0至3.3V，实际使用范围 0至1.23V，对应 D/A 控制字范围为 0至2460，则输出电流范围为0至2.46A，电流分辨率为1mA，2460级步进可调。其中，采样电阻RS=0.1Ω，通过改变R1和R2的比值以及VC的电压，即可对降压电路进行电流精确控制。VC由单片机 D/A 提供，每级步进1mA。通过提高开关管的开关频率，降低开关管的损耗，换用正向压降更小的二极管，减少其他外部元件的不必要损耗。
6 测试结果与分析
通过测试电流步进精度、恒流输出的稳定性、降压变换器效率、充电电流精度、过充保护误差和升压变换器效率，其测试结果如表1。
产生误差的原因包括：两个不同地之间的干扰，芯片本身存在的局限性以及电感量取值不是很完美。
通过采用卡尔曼滤波对单片机测得的AD输入进行数据滤波，提高输入电压值的精度[3]，卡尔曼滤波前后电压值对比如图6。卡尔曼滤波的状态预测方程：X（k）=X（k-1），协方差预测方程：P（k）=P（k-1）+Q，卡尔曼增益方程：Kg（k）=，状态更新方程：X（k）=X（k）+Kg（k）×（Y（k）-X（k）），协方差更新方程：P（k）=（1-Kg（k））×P（k），其中X（k-1）为前一时刻测量值，X（k）为当前时刻预测结果，P（k-1）为前一时刻协方差，P（k）为当前时刻预测协方差，Q为过程噪声协方差，R为测量噪声协方差，Kg（k-1）为前一时刻卡尔曼增益，Kg（k）为当前时刻预测卡尔曼增益，
Y（k）为当前时刻实际测量值[4]。
通过单片机的DAC输出电压并通过电压转PWM模块来控制DC/DC变换器的输出电压，单片机每隔2秒切换输出3.3V电压或0V电压，采用PID算法控制其输出电压值与不采用PID算法输出电压的对比如图7[5]。PID控制器主要由比例单元Kp、微分单元Kd和积分单元Ki，其输入e（t）与输出u（t）的关系：u（t）=Kpe（t）++Kd×。通过调整各单元参数可以实现快速调节输出电压值得目的[6]。初始化时设置Kp=0.1，Ki=0.005，Kd=0。
通过PID调节输出2.5V电压，其输出如图8。
通过PID算法可以实现2.5V电压稳定的输出，其利用误差反馈机制并采用比例单元进行粗调，采用微分和积分单元进行微调以使得系统输出稳定。
7 总结
双向DC/DC变换器可以实现输出电压可调和输出电流步进可调，能够满足不同电气设备不同供电电压和电流的需求。采用了卡尔曼滤波算法提高了电流测量和电压测量的精度，采用PID算法调节DAC电压输出，可以精确地控制系统的输出电压和输出电流。
参考文献：
[1]董亦斌.双向DC/DC变换器的拓扑研究[J].中国电机工程学报，2007，13（5）：81-85.
[2]王水平.PWM控制与驱动器使用指南及其应用电路（单端控制与驱动器部分）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.
[3]龚文引.演化 Kalman 滤波及其应用研究[D].武汉：中国地质大学研究生院，2007.
[4]GREG WELCH，GARY BISHOP.An Introduction to the kalman filter[J]. Department of Computer Science University of North Carolina at Chapel Hill Chapel Hill，NC27599-3175，2006.
[5]刘晓宇，徐申，孙伟峰.基于的数字式开关电源系统建模通信电源技术，2009，26（2）：1-4.
[6]LI Lin， ZENG Meng-xiong. Fuzzy PID controller's application in motion control system[J]. Machienery&Electronics. 2006，2：37-46.