双向DCDC变换器设计

用于锂电池化成系统的桥式DC/DC变换器 . ................................................................................ 2 1引言 ............................................................................................................................................... 3 2 双向H 桥DC/DC变换器拓扑分析 . ........................................................................................... 4

2.1 双向DC/DC变换器 ......................................................................................................... 4 2.2 双向H 桥DC/DC变换器结构分析 . ................................................................................ 4 2.2 双向H 桥DC/DC变换器工作状态分析 . ........................................................................ 5

2.2.1 正向工作状态模型分析 . ........................................................................................ 5 2.2.2 反向工作状态模型分析 . ........................................................................................ 8

3 硬件电路分析设计 . .................................................................................................................... 11

3.1 器件参数选择分析 . ......................................................................................................... 11

3.1.1 主开关管的选择 . .................................................................................................. 11 3.1.2 滤波电感参数的计算 . .......................................................................................... 11 3.2 硬件电路分析设计 . ......................................................................................................... 12

3.2.1 驱动电路分析设计 . .............................................................................................. 12

4 系统结构与控制 . ........................................................................................................................ 19

4.1 系统结构 . ......................................................................................................................... 19 4.2 控制系统结构 . ................................................................................................................. 19 4.3 DC/DC变换器控制方法 ................................................................................................. 20

4.3.1 电压控制模式 . ...................................................................................................... 21 4.3.2 电流控制模式 . ...................................................................................................... 21 4.4 软件设计 . ......................................................................................................................... 22 5 实验调试与结果分析 . ................................................................................................................ 23

5.1 实验平台搭建 . ................................................................................................................. 23 5.2 样机调试 . ......................................................................................................................... 24

5.2.1 供电电源调试 . ...................................................................................................... 24 5.2.2 驱动信号调试 . ...................................................................................................... 25 5.2.3 单片机程序，VB 工程调试 ................................................................................ 26 5.2.4 保护与采样电路测试 . .......................................................................................... 26 5.2.4 开环、闭环测试 . .................................................................................................. 29 5.3 小结 . ......................................................................................................................... 31

6 总结 ............................................................................................................................................ 32 7 谢辞 ............................................................................................................................................ 33 参考文献......................................................................................................................................... 34

用于锂电池化成系统的桥式DC/DC变换器

摘要：随着锂电池在生活中各个方面的广泛普及，锂电池在生产过程中重要的化成环节逐渐成为关注的焦点。本文主要设计介绍了使用于锂电池化成系统的桥式变换器部分，包含计算机监控、DC/DC双向变换器。双向DC/DC变换器通过调节MOSFET 的占空比，实现对锂电池的智能充放电。本文对双向DC/DC变换器的工作原理进行了分析，并通过样机对预期功能进行验证。

关键字：电池化成；双向DC/DC变换器；实验分析

Abstract ：As the lithium battery becomes more and more popular in every 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-directional 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 formation; DC/DC bi-directional converter; experimental analysis

1引言

进如21世纪以来，随着环境问题、能源问题与社会发展问题的矛盾日益突出，发展节能减排的绿色经济以成为全社会关注的焦点。蓄电池作为能量储存的主要装置，以成为社会生活中不可或缺的一部分，需求量逐年增长，其中锂电池以其能量密度高，寿命长，放电电压稳定，污染小，质量轻，自放电小，循环寿命长等优点，逐渐取代传统的铅酸、镍镉电池，成为市场的新宠儿。故锂电池的广泛发展很好地符合绿色经济的要求，缓解环境和能源的压力。在锂电池生产过程中必须要经过电池化成这一工序，锂电池的化成是指对新生产电池初次充放电的过程，即利用化学和电化学反应激活，使电极上的活性物质转化成具有电化学特性的正、负极板，是影响电池寿命的重要环节。锂电池的化成过程要求非常严格，一般分为恒流充电，恒压充电，涓流充电和恒流放电四个过程，各个环节之间区别在于充放电过程中的电压和电流不同，以保证对锂电池良好的性能。

DC/DC变换器，也成为斩波器，是锂电池化成系统中的一个重要部分，原理是将某一种的直流电压转换为所需的另一种电压值不同的直流电压。在锂电池化成系统中，双向DC/DC变换器主要负责对充放电过程进行监控管理，根据最佳充电曲线对充电方式进行调整，并且对电池起到保护作用。不同于单向的DC/DC变换器，双向DC/DC变换器可以工作在正向和反向两种状态，实现能量的双向传输。因此，可以说双向DC/DC变换器的工作性能直接影响化成系统的总体功能，从而决定锂电池的使用效率和性能。

目前，国内采用传统的电阻放电装置和相控式有源逆变放电装置对电池化成中的放电过程进行处理，前者虽然结构简单，成本较低，较为普及，但会对能量造成极大的浪费，特别是在大容量电池的生产中。据统计，规模较大的电池生产厂家在电池化成中电能的费用占到生产成本的百分之二十至百分之三十。而后者也具有体积笨重和噪声污染大、交流输出功率因数低、对电网谐波污染严重等缺点，故很少采用。

本文介绍的主要内容是一套双向DC/DC变换器系统。其结构如下图1.1所示。系统工作时，通过上位机监控变换器的工作，并与其进行通讯，传输工作指令和实时数据。当锂电池需要充电时，由上位机通过总线对双向DC/DC变换器发送充电指令。双向DC/DC从48V 蓄电池中获取能量，按智能充电曲线对锂电池充电。当锂电池需要放电时，通过上位机对双向DC/DC发送放电指令。双向DC/DC变换器从锂电池获取能量，将能量反馈会48V 蓄电池内，实现了能量的反向输送。

2 双向H 桥DC/DC变换器拓扑分析

2.1 双向DC/DC变换器

按照双向DC/DC变换器拓扑结构的特点，可将其分为隔离型和非隔离型两种。其中隔离型拓扑主要包括：反击式变换器，正激式变换器，推挽式变换器，桥式变换器以及其他一些混合式的隔离型变换器。而非隔离型拓扑主要有：双向Buck/Boost变换器，双向Buck-Boost 变换器，双向Cuk 变换器，双向Sepic/Zeta变换器。上述的隔离型变换器和非隔离型变换器都可以实现能量的双向流动。其中隔离型双向DC/DC变换器虽然可以实现输入输出侧大变比，同时也能够满足在不同功率等级时的应用需求，但当应用与输出侧低压，大电流的场合时，存在着运行效率低以及变压器设计困难的问题。然而，非隔离型变换器虽然也可以满足不同动率等级时的应用需求，并且能够实现输出侧低压大电流的应用需求，但只能工作是电压转换比小，即当输入侧和输出侧电压差较大时，难以在PWM 占空比很小时对其进行精确的调节。故在设计本次锂电池化成系统中所需的双向DC/DC变换器时，根据实际需要，一方面要满足在变压比很大时，实现对输出侧电压精确调节的目的，同时也避免了对隔离变压器的设计，故最终采用了可实现宽范围输出的双向H 桥DC/DC变换器的主电路拓扑，如下图2.1所示：

VD 4

图2.1 双向H 桥DC/DC变换器

VD 2

2.2 双向H 桥DC/DC变换器结构分析

双向H 桥DC/DC变换器的拓扑结构主要由4个桥臂组成，每个桥臂主要由一个MOSFET 开关管和一个反并联二极管构成，将VT 1和VD 1构成的桥臂成为桥臂1，其他依次类推。通常把1,4桥臂作为一对，2,3桥臂作为一对，控制一对桥臂同时开通或关断。

双向H 桥DC/DC变换器可以看做是两个双向Buck/Boost变换器输入端并联，输出端串联而成的一个复合型变换器，这样的结构可以有效的扩大变换器的容量，以便适用于不同容量等级需求。现将双向H 桥DC/DC变换器的输出电压设为U 0, 输出电流为I 0，同时在直角坐标系中以I 0为横坐标，为U 0纵坐标，那么上述变换器可以实现电压，电流均可逆的四象限运行。在第Ⅰ，Ⅱ象限工作时，通过调节VT 1~VT4的开断状态，可以实现U o ≥0，I o 可逆的二象限DC/DC变换器，同理在Ⅲ、Ⅳ象限工作时，可实现U o ≤0，I o 可逆的二象限DC/DC

变换器。由于在锂电池充放电过程中的四种状态分别为恒流充电，恒压充电，涓流充电和恒流放电，故前三种充电状态都工作在第一象限，最后一种放电状态则工作在第二象限。现根据双向H 桥DC/DC变换器工作状态对其进行分析：设变换器中各VT i 的导通占空比为Di 在正常工作状态下，VT 1VT 4同时导通, 占空比为D 1和D 4;VT 2,VT 3同时导通, 占空比为D 2和D 3 , 两对桥臂驱动波形彼此互补切带一定死区为D s 则输出电压表示为：

U o =U o 1-U o 2

U o 1=U i D 1 U o 2=U i D 2

则得到输出电压与输入电压之间的关系式为：

U o =(D 1-D 2)U i

由以上公式可得：改变两个占空比D 1和D 2之差就可以实现对输出电压进行宽范围的调节的目的。

此外由于占空比D 1和D 3之间存在着一定的关系，即：

1=D 1+D 2+D s

由此可见，在实际中只需要调节一个占空比，就可以实现对输出电压进行调节。当蓄电池需要进行充电时，直流侧48V 作为输入，电池侧12~14V的输出；当蓄电池需要进行放电是，可以通过控制D 1，D 2之差，使双向H 桥DC/DC变换器工作在逆变状态向直流侧放电。

2.2 双向H 桥DC/DC变换器工作状态分析

2.2.1 正向工作状态模型分析

双向H 桥DC/DC变换器在正向工作模式下，一个开关周期内，共有2个开关状态。由于在给电池化成是，主电路的输出电流应该与电池充电给定电流方向相同，同时应保持充电电流连续，故以下只讨论电流正向，连续的工作状态。变换器输出电流正向，连续时电流立项工作波形如图2.2所示。

U g1、U g4

U g2、U g3

U o U i

-U i

I o i o

图2.2 正向工作输出波形

状态1(0~t1阶段): 等效电路如图2.3所示:

VD 3

图2.3 正向工作时状态1等效电路

此时变换器中VT 1,VT 4处于导通状态,VT 2,VT 3处于关断状态，48V 的直流电源U i 连接着变换器的输入端，电流经48V 电源正端，VT 1，滤波电感L 1，输出端蓄电池，滤波电感L 2，VT 4回到电源负端。在状态1内，由于输出端电流为正，电感承受正向的电压，电感电流直线上升。在这段区间内，48V 电源输出能量，蓄电池两端电压和电流都是正向，故从直流源吸收能量；同时电感两端的电压和电流都是正向，故处于储能状态。因此，在状态1阶段内直流源给电感和电池传输能量。对电感两端电压U L ，电流i L 计算如下：

U i -U o di L

U L ==L

2dt

U i -U o 1

i L =(U i -U o ) dt =t +I min

⎰2L 2L

在t 1时刻时，VT 1和VT 4关断，此时电感上电流达到最大值I max 。

状态2(t1~t2阶段): 等效电路如图2.4所示：

VD 3

VD 4

图2.4 正向工作时状态2等效电路

此工作状态VT 2,VT 3处于导通状态,VT 1,VT 4处于关断状态。由于电感电流不能突变，流过蓄电池和电感上的电流I o 方向不变，VT 2,VT 3工作在反向导通，48V 的直流电源U i 连接着变换器的输入端，电流经48V 电源负端，VT 2，滤波电感L 1，输出端蓄电池，滤波电感L 2，VT 3回到电源正端。在这段时间内，电源电压时正向的，电流时反向的，故有能量向直流电源反馈；与此同时电池两端电压和电流都为正，故电池处于充电状态；电感两端电压时反向的，电流为正，故其能量减小，电感对电源和电池释放能量。对电感两端电压U L ，电流i L 计算如下：

U i +U o di L

U L =-=L

2dt

在T 时刻时，电流下降到最小值I min ：

min

U i +U o

=-t of f +I max

在变换器实际工作中，需要考虑死区时间。如何没有死区时间，可能会出现上下桥臂同时导通的状况，导致48V 直流母线短路。为了防止上述现象，确保功率开关管的可靠关断，需要在驱动信号内加入死区时间，相应的死区时间内工作等效电路如图2.5所示：

VD 3

VD 4

图2.5 正向工作时死区时间的等效电路

死区时间是工作在状态1和状态2之间，VT 1,VT 2VT 3,VT 4处于都不导通的状态，电流的方向和状态2类似，经48V 电源负端，VD 2，滤波电感L 1，输出端蓄电池，滤波电感L 2，VD 3回到电源正端，处于续流状态。可见死区时间和状态2的结果是一样的，故理论上把死区时间计算在状态2中。

上述是对电池充电状态时的分析，可得，能量从48V 直流母线正向流动到电池内，电池能量一直增加。

2.2.2 反向工作状态模型分析

双向H 桥DC/DC变换器在反向工作状态时，一个开关周期内，也有2个开关状态。与正向工作状态时相反，主电路的输出电流与蓄电池的给定充电电流方向相反，同时为了保证持续可靠工作，现分析电流处于连续工作的状态。电流反向，连续时，反向工作状态时的理想输出波形如图2.6所示：

U g2、U

U g1、U U o U i 0

-U i i o 0-I o

图2.6 反向工作输出波

状态1（0~t1）：等效电路如图2.7所示：

VD 3

VD 4

图2.7 反向工作状态1等效电路当双向H 桥DC/DC变换器工作在反向工作，状态1时，VT 2,VT 3处于导通状态,VT 1,VT 4

处于关断状态。48V 的直流电源U i 连接着变换器的输入端，电流经48V 电源正端，VT 3，滤波电感L 2，输出端蓄电池，滤波电感L 1，VT 2回到电源负端。在状态1内，由于输出端电流为负，电感承受的电压为负，流过电感的电流反向上升。在这段时内，48V 电源的电压和电流都为正向，所以向外输出能量；蓄电池两端的电压为正，电流反向，故蓄电池输出能量；而电感两端的电压和电流都是反向的，故电感处于储存电能的状态。按上述分析，在状态1阶段内直流源和蓄电池给电感传输能量。

状态2：等效电路如图2.8所示：

VD 3

VD 4

图2.8 反向工作状态2等效电路

双向H 桥DC/DC变换器工作在反向工作状态2是，VT 1,VT 4处于导通状态,VT 2,VT 3处于关断状态。48V 输入电压加在输出端，由于电感中的电流不能突变，流过蓄电池和电感的电流为负，VT 1,VT 4工作在反向导通，48V 的直流电源U i 连接着变换器的输入端，电流经48V 电源负端，VT 4，滤波电感L 2，输出端蓄电池，滤波电感L 1，VT 1回到电源正端。在这段时间内，电源电压时正向的，电流时反向的，故有能量向直流电源反馈；与此同时电池两端电压为正，电流都为负，故电池处于放电状态；电感两端电压正向，电流为负，故其能量减小，电感和电池对电源反向传输能量。

与分析正向工作状态时的死区工作状态相同，死区时间内VT 1,VT 2VT 3,VT 4处于都不导通的状态，电流的方向和状态2类似，经48V 电源负端，VD 4，滤波电感L 2，输出端蓄电池，滤波电感L 1，VD 1回到电源正端，处于续流状态。可见死区时间和状态2的结果是一样的，故理论上把死区时间计算在状态2中。

上述是对电池放电状态时的分析，可得，能量从电池反向流动到48V 直流母线内，电池能量一直减小。

3 硬件电路分析设计

3.1 器件参数选择分析

本装置的主要技术指标：变换器的额定功率为2kW ，充电时输入电压为48V ，输出电压为12V~14V，输出电流0~20A，开关频率100kHZ; 工作在恒流放电时，最大放电电流20A ，当蓄电池电压低于10.4V 时停止放电，转为停机状态。

3.1.1 主开关管的选择

在选择功率开关管的时候，主要考虑开关管的额定电压、额定电流以及内部寄生二极管等参数。结合实际需求以，本次双向H 桥DC/DC变换器选择MOSFET 作为开关器件。考虑到直流侧输入电压为48V ，开关管能安全工作时一般留有2倍的电压裕量96V 。根据市场上各MOSFET 的参数表，选择额定电压大于150V 的MOSFET 开关管。由于本次系统的最大充电电流设定为20A ，留取2~3倍的电流裕量，选取额定电流大于60A 的功率管。在寄生二极管的选择时，需要考虑开关频率，在100kHZ 的开关频率工作时，需要寄生二极管具有较快的反向恢复能力，同时能承受较高的反向电压。

结合上述因数，最终选择了Fairchild 公司的FDP2532作为主开关管，参数如表3.1所示：

表3.1 FDP2532主要参数

3.1.2 滤波电感参数的计算

(1)电感值计算

滤波电感在电路输出端起到稳定输出电流，降低电流纹波的目的。根据需求，本次设计电感电流的波动范围在10%Io 内。以下给出电感值计算：

在一对开关管，如VT 1,VT 4导通时，一个电感L 1或L 2两端的电压值为（U i -U o ）/2，故：

U i -U o di

U L ==L

2dt

式中dt 为一个周期内的导通时间，则电感L 的表达式为：

(U i -U o ) D 1T L =

2di

为了保证电感在临界情况下电流连续，需要满足：

dt ≤i o 2

将上述公式带入电感表达式，可得：

(U i -U o )D 1L ≥

4fi o

为了使滤波电感电流连续并且电流最大纹波值在10%Io ，电感值为：

(U i -U o )(2U o +U i )L ≥=56. 25μH

4fiU i

（2）电感磁芯选择

电感电流中直流分量较大，交流成分较小，工作在连续状态。综合考虑磁芯工作状态、损耗和体积，选择采用宽恒磁导率、高饱和磁通的磁芯材料，本文选用由浙江科达磁电有限工作提供的3种磁芯材料，型号分别为KS141-060A,KS157-040A,KS141-060A,KS157-026A 。三种电磁铁芯材料相同，大小不同。为了验证滤波电感对输出性能的影响，实验中将分别实验不同电感的工作性能。

3.2 硬件电路分析设计

3.2.1 驱动电路分析设计

（1）PWM 发生电路

由双向H 桥DC/DC变换器拓扑结构可知，为了驱动2对工作相位相差180o 的MOSFET 功率管，需要双脉冲才能够满足条件；同时，为了降低滤波电感的体积，本次采用了提高开关频率的方法，最终采用了常用的PWM 发生器SG3525芯片。SG3525 是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM 控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM 锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。具体的PWM 发波电路如图3.1所示：

图3.1 PWM波发波电路

从检测端输出的电压或电流反馈值和电压或电流给定值分别输入到SG3525内部误差放大器的两端，即1脚和2脚；同时，通过1脚链接一个CD4052芯片，再链接到SG3525的9脚，即内部误差放大器的输出端，构成一个模拟PI 调节器。SG3525的5脚外接电容和6脚的外接可调电阻可以用来改变PWM 波的频率。SG3525的13脚为输出端，通过将11脚和14脚短接，可实现其占空比的可调范围为0~1，具体占空比由1脚和2脚电压差决定。

（2）死区产生电路

在双向H 桥DC/DC变换器中，由于开关管的结电容的存在，其两端的驱动电压不会突变，需要一定的延时，故在开关管开通和关断时，都存在一定的延时时间。由于，上下桥臂上的两个开关管的驱动信号是反向的，如果在一个开关管关闭的同时，立即开通另一个开关管，由于延迟的存在，可能会出现两个开关管同时导通，即上下桥臂同时导通的情况，那就相当于48V 直流侧直接接在两个开关管的两端，会产生很大的电流，使器件损坏。为了避

免上述现象的发生，需要在开关管的驱动信号中加入一段死区时间。死区产生电路如图3.2所示：

+5V

PGND

110

OverI 4

D17A

R51

C32

R59

D16A 1

D15A 1

PGND

D15B 3

D16B

C49D15D 9R60

D15F

1013D17B

R52

5C48

D15C

D15E

C33

图3.2 死区产生电路

本次死区产生电路的原理是由RC 组成的充放电延时电路，整个过程如下：1端输出严格高低电平的PWM 驱动波形，经过反相器，输入到一个缓冲器中，经过一个RC 电路时，在高电平时以τ=RC的时间参数对电容进行充电，输出端的驱动波形以指数形式上升，当达到电容充满时，保持高电平；同理当RC 电路输入端为低电平时，电容通过电阻进行放电，输出电平缓慢下降至低电平，并保持。可见，通过上述充放电过程，驱动波形得到后级迟滞比较器处理，形成两路互补带死区的PWM 驱动波形，通过调节合理的电容和电阻值，调节时间参数，就可以实现对死区时间的调节。

（3）驱动电路

PWM 经上述死区产生电路处理后还不能用于MOSFET 的驱动，主要原因是其电压峰值为5V 左右，如果直接用于驱动开关管，不能保证开关管的正常有效导通，故需对PWM 驱动信号进行处理，使其电压能够达到满足驱动开关管的要求。故采用以芯片IR2110为核心的驱动电路，将5V 左右的PWM 波转换为用于MOSFET 驱动的12V 左右的PWM 波。图3.3 为驱动电路：

图3.3 驱动电路

上图为驱动电路的拓扑，为了驱动4个开关管，需要2个IR2110 芯片，每个芯片输出相反的两个信号，分别用于驱动一个上下桥臂的MOSFET 。当LIN 为高电平，HIN 为低电平时，D1芯片中的G 1输出低电平，开关管VT 1关闭，G 2输出高电平，开关管VT 2开通；而D2芯片的LIN 和HIN 相反，故G 3输出高电平，开关管VT 3开通，G 4输出低电平，开关管VT 4关断。利用上述驱动电路，可以成功驱动双向H 桥DC/DC变换器的4个MOSFET 开关管。

（4）状态切换电路

电池的充电时有三个过程，放电时有一个过程，由于每个状态的给定电压或电流值都不同，需要通过上位机发送命令控制其各个过程的选择与切换，同时需要对比反馈值来控制占空比。上述功能主要通过CD4052以及外围电路选择不同工作状态时的给定值，具体电路如图3.4所示：

图3.4 状态切换电路

CD4052内部有两组传输门，输入X0、X1、X2、X3经过一传输门和输出X 相连，输入Y0、Y1、Y2、Y3经另一传输门和输出端Y 相连，控制端A 、B 的不同组合来确定选中所需状态的信号。Y 值为4中状态的给定值，X 值为电路采样的反馈至，通过两者比较，实现闭环控制。

（5）电压电流采样电路、保护电路

对双向H 桥DC/DC变换器采用闭环控制，以达到稳压或稳流的目的。因此，需要对蓄电池两端的电压和电流值进行实时采样监控，将采样值经电路处理后与各个状态的给定值做比较，通过差值来控制PWM 驱动信号的占空比，从而实现对电路的闭环控制。

由于在电路设计时，将模拟端和数字端隔离的方式，故对电压电流的采样都分为模拟采样和数字采样两部分。模拟电压采样采用分压电阻法，具体电路如图3.5所示：

R25-15V 4

R13U02

D3A

R14

U01

R26

图3.7 电阻分压采样电路

在蓄电池两端进行电压采样，通过电阻分压后得到两个电压U o1和U o2，通过比较器得到两电压的差值，经放大后得到采样电压U 2，输入到CD4052的反馈端，实现电压的闭环控制。

数字端的电压采样采用LV28-P 霍尔传感器，电路拓扑如图3.8所示

图3.8 霍尔电压采样电路

霍尔传感器精度高，温飘小，抗干扰性好，有利于精确显示实时数据，同时实现智能状态切换。由于霍尔传感器通过采样电阻得到一个采样电流，同样输出的是电流信号，其比为1000:2500，原边额定电流为10mA, 故为了保持测量的精度，要是采样电压除以采样电阻和内阻的值在10mA 附近，故选择1k Ω的采样电阻。

电流采样运用LA55-P 霍尔电流传感器，通过霍尔传感器在主电路输出端的采样，将其输出值经电流采样处理电路后，数字侧输出给单片机，模拟测输入到反馈值和保护电路。具体电路如图3.9，图3.10和图3.11：

A3.3V

R38

图3.9 霍尔电流、电压采样电路

D6B

I_bat

C21

R37

图3.10 模拟采样电流处理电路

D3.3V

R36

I_bat_CPU

C23

R47

D6A

R39

AD0C26

图3.11 数字采样电流处理电路

霍尔电流传感器的变比为1000:1，即采样为1A 时，采样输出为1mA 。经传感器得到的电流信号I_bat 和I_bat_CPU，通过电阻R47和R48，将电流信号转化为电压信号，通过一个跟随器将其输入到CPU 或是作为回馈值输入到CD4052的电流反馈段。AD 采样时需注意的是：采样输入值不应大于3V ，以免损坏单片机。通过AD 电压和电流采样的处理电路有所不同是因为输出电压恒为正，而输出电流可能为负，故电流采样处理电路需要一个上拉电压。

电路的保护除了软件保护盒保险丝之外，还需要额外的保护电路，当电流超过一定值时，通过硬件电路将驱动电路关断。具体电路如图3.12所示：

图3.12 电流保护电路

经霍尔电流采样输出的电流信号I_bus进电阻转换为电压信号，当其值大于由R23和R30分压得到的放大器反向输入端电压时，SD 为正电平，接到IR2110的SD 端将其关闭，不再输出驱动信号。同时Over1和SD 相反，在死区电路中关闭输入到IR2110的信号，达到电流保护的作用。才外，保护电路具有自恢复能力，当电流小于一定值时，能重新恢复驱动的工作。

以上就是对双向H 桥DC/DC变换器中的各个关键硬件电路的具体分析，包括了开关管选择、滤波电感选择、驱动电路、死区电路、信号选择电路、电压电流采样电路和保护电路。

4 系统结构与控制

4.1 系统结构

整套蓄电池化成系统如下图4.1所示：

网

图4.1 蓄电池化成系统结构图

系统由48V 直流母线，双向DC/DC变换器和上位机监控组成，每套双向DC/DC变换器对应一组需要化成的锂电池，锂电池数量根据整体容量匹配而定。通过控制双向DC/DC变换器来控蓄电池和48V 直流母线之前的能量流动。当要对蓄电池进行充电时，上位机通过通讯RS485总线向DC/CD变换器发送充电指令。此时，48V 直流母线通过DC/DC变换器向蓄电池提供能量，DC/DC变换器通过实时监控蓄电池两端的电压和流过蓄电池的电流来进行恒流充电，恒压充电，恒压均充三种状态的切换，以满足智能充电曲线的要求。当蓄电池需要放电时，通过上位机发送放电指令，蓄电池中的能量通过DC/DC变换器回馈到48V 直流母线。当放电电压低于设定值时，单片机发送停机指令，整套系统停止工作。

4.2 控制系统结构

双向H 桥DC/DC变换器的系统控制擦用模拟电路与数字电路相结合的模式，功能主要包括：实时采样、监控、调节驱动、保护控制。上述功能是通过单片机P89LPC938芯片与硬件电路配合完成的。控制器采用的是PI 控制器。具体控制结构图如图4.2 所示：

i i

图4.2 控制结构图

通过采样电路在DC/DC变换器的输出侧，即蓄电池两端，进行实时采样。将电压、电流采样值经处理电路后，模拟部分输入到CD4052反馈值端口，数值部分链接单片机AD 采样引脚后输入到单片机。单片机根据上位机的指令以及采样得到的数值，控制CD4052的状态选择电路，并在电流或电压达到设定值时进行状态切换。CD4052根据单片机给定的状态，选择相应状态的给定值，与采样检测值对比，通过PI 调节电路，将信号发送给PWM 波发生器SG3525。SG3525产生的PWM 波经死区产生电路产生死去时间，再经驱动电路提升驱动电压，最终用于驱动4个MOSFET 开关管。在整个过程中，单片机会将采样数据实时发给上位机，并在上位机上显示。同时，在U i 的负端会对电流进行采样保护，如果超过设定值，将会切断驱动信号。在单片机的程序中同样也设定这输出端电压和电流保护，当其值超过设定值会发送停机信号给CD4052，是整个电路停止工作。

4.3 DC/DC变换器控制方法

为了提高变换器的静态性能和动态性能，本套系统对DC/DC变换器采用了负反馈闭环控制。在稳定性上系统能够抑制输入电压变化、负载改变和外界干扰等因素的影响，稳定系统的输出值；同时在动态性能上，超调量和调节时间需要满足系统的设定。整套系统根据蓄电池在不同状态时，对电压或电流进行采样监控，通过补偿电路和校正装置构成闭环系统。

4.3.1 电压控制模式

电压控制模式主要用于恒压充电和恒压均充两种状态，将蓄电池两端的电压值经电阻分压法采样后，经采样处理电路后作为反馈量输入到CD4052的反馈端，构成系统的电压控制环。基本原理如图4.3所示：

采样网络传递函数

图4.3 电压闭环控制图

系统对输出V o 进行采样，经采样传递函数得到电压信号值V ，与参考电压V Ref 比较，算出误差信号V e ，经PI 调节器，调节脉冲宽度调节器实现闭环控制。

4.3.2 电流控制模式

与电压控制模式相似，电压控制模式主要用于恒流充电和恒流放电两种状态。通过霍尔传感器将主电路中的电流值采样经处理后，作为反馈量输入到CD4052的反馈段，构成系统的电流控制环。基本原理如图4.4所示

图4.4 电流闭环控制图

输出电流经I/V转换器得到电压信号V R ，电压信号V R 经采样网络传递函数转为电压值V ，与电流环的给定比较得到误差信号v CA 作为电流控制器的给定值，经脉宽调节器调节驱

动占空比，实现系统的电流闭环控制。

4.4 软件设计

实现功能：

单片机接受上位机的命令信号，期间要实现站号的比较，单片机只会接收到三种命令：充电、放电和上传数据。若接收到的是充电命令，即恒流均充、恒压均充、恒压浮充，这三个阶段是按顺序依次完成的，每个阶段都必须经过，三个阶段的转换由单片机检测输出电压、电流值来切换，在前两个阶段，它们的结束时间是由检测出的电压、电流值来决定，当检测值到达给定值时该阶段就结束进入下一阶段，而恒压浮充阶段理论上是要一直进行充电的。放电过程的结束时间也是由检测的电压、电流值来决定，当检测值小于给定值时就结束放电阶段。

设计思路：

首先对89LPC938单片初始化，包括I/O、A/D采样、变量、函数及定时器等的初始化。在对单片机I/O初始化设置需要注意，除特殊功能的3个I/O口外，其余每个I/O都可以通过软件配置为：准双向、推挽、输入和开漏四种输出类型之一，需要对每种类型和实际电路功能结合进行合理配置，否则会出现输出异常现象，如端口电平过高、通信数据丢失等现象发生。单片机的看门狗功能可以防止程序跑飞，保证单片机的可靠工作，因此需要初始化看门狗功能，并定时喂狗。利用单片机定时器0来产生10ms 的中断，10ms 中断产生后就进入A/D转换状态，完成对电感电流和蓄电池两端电压的四次检测。在A/D转换程序中，定义了A/D转换结束标志位Flag_AD，当A/D转换结束使能该标志位。主循环中会不断地判断该标志位是否被使能，若检测到该位被使能，首先判断采样电压电流是否在允许范围内，若超过，则发出保护信号关闭功率管驱动PWM 波；若没有，就会判断检测的电压电流是否达到了预先设置的状态切换给定值，若达到，则进行状态的切换。利用串行口中断来实现单片机与上位机的数据通讯，当进入串行口中断时就表示有数据需要与上位机通信传输。若中断接收标志位RI 置1，则表示单片机要接受数据，程序就进入接受处理程序中，在此过程要判断接收到的数据的正确性且要确保该命令是下发给该单片机的，当接收处理结束后清中断标志位；若发送标志位TI 置1，则表示单片机通过SCI 串口向上位机传送的数据已经发送完，可以发送下一个数据。

5 实验调试与结果分析

5.1 实验平台搭建

制作完成双向H 桥DC/DC变换器的样机后，需对其性能进行测试。首先搭建实验平台，主要由以下几部分组成：

1）4节12V ，4AH 蓄电池，串联作为48V 供电端。

2）6节2V ，100AH 蓄电池，串联最为输出端，模拟实际工作时的锂电池。 3）最大电阻10Ω，最大允许电流14A 的可调电阻。 4）一块调试样机。

5）上位机：PC 机，用于发送指令，实时监控。 6）开关与若干导线。除了上述设备，实验需要其他的设备有：高进度数字万用表，示波器，信号发生器， 15V 辅助电源，可编程稳压电源。

调试样机的主要参数为： 1）直流输入侧电压48V 。 2）输出侧电压12V~14V。 3）输出电流0~20A。 4）开关频率100k 。

5）滤波电感56.25mH ，LA55-P 霍尔电流传感器，LV28-P 霍尔电压传感器。整个平台实物如图5.1和图5.2所示：

图5.1 实验平台

图5.2 输入侧，输出侧蓄电池

5.2 样机调试

5.2.1 供电电源调试

首先测试的是双向H 桥DC/DC变换器主板上控制电路的供电电源。由于整个系统由模拟电路和数字电路两个模块构成，为了确保各器件稳定可靠运行，采取将模拟电源和数字电源分开的方式。模拟电路主要包括：状态切换电路，死区产生电路，驱动电路，模拟部分采样电路和保护电路等。数字电路主要包括：P89LPC938单片机电路，数字部分采样电路等。数字电路与模拟电路连接的部分，通过光耦合器件TLP521传输到模拟电路。调试时，接通控制电路电源后，首先将万用表的黑表笔接到模拟地，再用红表笔依次测量供电端器件LM7805的3脚V out 端，其输出应为5V ；再测试REF3033的2脚V out 端，其输出应为3.3V 。数字电路的供电端主器件为LM317，测试时，需要将接地端换到数字地，然后测试LM317的2脚Vout ，其输出电压应为3.3V 。测试完供电电路，并确认其能正常工作后，下一步进行控制电路各个芯片供电端的电压值。模拟电路芯片中主要测试的是：状态选择芯片CD4052，PWM 波发波芯片SG3525，反相器芯片74HC14，四输入与门芯片74HC21，驱动芯片IR2110，运算放大器LM258，电压比较器LM393。数字电路芯片包括：P89LPC938单片机，运算放大器TL062。

在测试过程中遇到一的问题：

1）部分REF3033的3.3V 输出端实际输出电压为3V ，由于此电压值用于状态给定值，

调节各个给定的滑动电阻同样可使电路正常工作。

2）在给功率开关管背部加上散热器时，没有考虑到绝缘问题，导致控制电路中部分管脚短路，使得供电电源芯片损坏。

3）在测试时，由于误操作，表笔同时接触了LM317的2脚和3脚，导致电路中部分元器件损坏。

解决上述在测试过程中发生的问题后，控制电路的供电电源可以正常工作。

5.2.2 驱动信号调试

在供电电源调试完毕后，将控制电路所需的各个芯片安装到主电路中，进行功率管驱动波形的测试。由于在正常状态下，CD4052的状态选择信号为：0 0，芯片工作在停机状态，使得PWM 波发波芯片SG3525不在工作状态，故需要给CD4052的状态选择端一个信号，使其能工作在某一个充电或放电状态。在实验时，选用一台可编程稳压电源给CD4052的状态选择端供电，使其工作在恒流充电状态。SG3525的1脚反向输入端为电流反馈值，2脚正向输入端为经RP2可调电阻后的给定电压，输出端13脚可得到PWM 波形。SG3525输出的PWM 波形经两个反相器后得到两个互补的PWM 信号，通过死区电路后两个互补的PWM 信号都会产生一定的死区区间，经两个四输入与门电路相互关断和工作保护输入，输出到驱动信号将PWM 波放大，最终输出给功率开关管的驱动。

在调试过程中发现一些问题，如：

1）PWM 信号经死区产生电路后就消失了，后发现由于保护电路中LM393出现故障使得输出的保护信号关断了与门电路，使输入到驱动芯片IR2110的信号为0。

2）另外还需要考虑单片机保护信号，在不安装单片机时，由于连接单片机的各个输出管脚为0，通过光耦隔离后恰好能使单片机保护不起作用。

3）虽然系统正常工作状态为闭环控制，然而在调试时则须要首先进行开环调试，因为如果连接的闭环，在主电路没有上强电的情况下，闭环会使占空比一直变大，直至极限。

解决上述问题后，通过示波器接到栅极与漏极之间，观察到驱动波形正常，并且能够过调节给定可调电阻实现驱动波形占空比的变换。此外在实验中还测定了死区时间，具体如表5.1，图5.3所示：

G1 百分比 45.7 47.2 49.6 50.8 53.5 55.1 57.9 58.4 G2 百分比 38.1 36.4 34.3 32.4 29.9 28.3 25.4 24.6 死区百分比输出电压 16.2 2.89 16.4 4.017 16.1 5.37 16.8 5.974 16.6 6.77 16.6 7.175 16.7 8.854 17 9.775

表5.1 死区时间表格

图5.3 死区时间

通过示波器两个信号探针，测定了上下桥臂两个开关管的驱动波形的占空比，去平均值后得到死区时间约占一个信号周期的16.55%，能够保证开关管在开断过程中避免上下桥臂直接导通的问题。

5.2.3 单片机程序，VB 工程调试

将单片机安装到PCB 板中，将之前编写的程序写入到单片机内。程序写入后，首先进行单片机与上位机通讯的调试。在VB 工程调试之前，采用串口调试助手程序，观察单片机能够实时采样，并能否成功的将数据发送给上位机。在调试过程中由于AD 采样的值可能会发生变化，为了观察传输的数值能否稳定，可以在程序初始化时人为设定一个值，观察串口调试助手接收到输出是否始终一样。在单片机能够正常发送数据后。进行VB 工程的调试。VB 主要的功能为：发送充放电状态指令，实时接受单片机上传的输出并处理后显示出来。在调试时，通过发送各种状态指令，观察状态信号指示灯是否能够正常切换，同时输出的驱动波形是否按照给定值变化。

经过上述调试过程，样机已具备了一下功能：

1）接受上位发送的指令，并按指令切换工作状态。 2）实时进行AD 采样，并将数值发送给上位机。 3）根据电路的电压电流，自动切换充放电状态。

5.2.4 保护与采样电路测试

主电路中加入了过流保护电路，单片机程序中也有过压过流保护，为了测试保护电路和程序能否正常工作，通过给定一个电压信号，观察电路自切断功能。运用一个信号发生器，在电流保护采样的采样输出端给定一个电压信号，并将示波器接到功率管的驱动端。首先用上位机发送恒流充电指令，样机接受指令后正常输出驱动波形，此时，信号发生器发送一个方波。经测试，当方波的电压值大于0.9V 时，保护起作用，当方波的电压值低于0.488V 时，电路能恢复工作。通过计算，0.9V 换算到主电路输入侧的电流为18A 。运用同样的方法，将信号发生器接到各个AD 采样的输入端，通过观察，程序能够实现过压过流关断功能。

采样电路的测试主要包括：

1）输出端电压经分压电阻后得到的反馈电压U2，输出端电压经霍尔电压传感器LV28-P 采样输入到单片机的电压值AD0。通过测后，得到以下数据, 如表5.2和图5.4所示：

输出电压

9.28 10.62 11.64 12.3 13.13 13.9 U2 1.98 2.28 2.48 2.64 2.84 3 AD1 0.96 1.11 1.2 1.25 1.34 1.46

表5.2 输出电压，U2，AD1数据表

图5.4 输出电压与U2，AD1关系曲线

得到上述数据后通过生成曲线，可以看到在电路工作电压范围附近，输出电压与模拟，数字采样值成很好的线性关系。

2）输出端电流经采样输出电路I_bat，处理后得到的反馈至I2。经测试得到以下数据，如表5.3 和图5.5所示：

输出电流 0.058 0.775 1.72 2.38 3.48

I_bat 0.01 0.032 0.08 0.114 0.17

I2 1.65 1.667 1.668 1.678 1.704

表5.3 输出电流，I_bat，I2数据表

图5.5 输出电流与I_bat，I2关系曲线

3）另外，由于单片机的AD 采样存在着一定的误差，如果纯粹按照电路突破结构对采样值进行换算的话，会存在很大的误差。为了保证监控的数据的准确性，先采用通过仿真器测得AD 采样数据与实际数据相比较的方法，算出其线性关系，将此关系输入到单片机和VB 工程的换算公式。数据表5.4和图5.6所示：

输出端电压单片机采样值 0.021 11 1.014 45 2.034 75 3.065 108 3.992 140 5.001 171 6.057 205 6.997 235 8.295 277 9.376 315 11.288 379 12.411 412 13.319 441 14.065 471

表5.4 输出电压与采样值数据表

图5.6 输出电压与采样值的线性关系

从上述线性关系中得到单片机程序的换算公式为AD1=32.754*U1+10.312；VB 换算公式正好相反，为U1= AD1 * 0.0305 - 0.2148；在得到此公式后，通过将程序写入单片机，进行通讯后，发现显示的电压数值与实际值相差在0.1V 左右。

同样，电流AD 采样也存在着相应的误差，为了纠正误差，按照实际电流与采样值对比线性关系可得两者的线性关系，数值如表5.5和图5.7所示：

输出端电流单片机采样值 0.113 525 0.702 531 2.75 545 3.367 556 4.178 562 4.612 571 5.209 582

表5.5 输出电流与单片机采样值数据表

图5.7 输出电流与采样值的线性关系

观察上述曲线，发现电流与采样值的一次线性关系不是很理想，在电流变换过程中，AD 采样值变换不明显，并且存在着一定的误差。通过分析电路后可知，在电流采样处理电路的输出端，采用的是加上拉电压再电阻分压的方法，所以AD0=(3.3+51*I_bat_CPU)/2，这样的设计时为了保证电流为负的时候也能够进行采样，但是随之发送的问题就是得到采样值的变换范围过小。而电压采样中却没有碰到这样问题的原因是，电压采样输出端没有采用上拉压电后分压的方法，输出值AD1=51*V_bat，保证了采样值的很宽的范围内变动。

经反复测量后得到输出电流与采样值在单片机内的关系式：I=15.438*AD0+512.19；在VB 工程中的关系式为：AD0 = I * 0.0648 - 32.969。

5.2.4 开环、闭环测试

完成对双向H 桥DC/DC变换器控制电路的调试后，可以在输入侧与输出侧通强电进行开环测试。具体过程如下:

1）接通控制电路电源。

2）上位机发送充放电指令，观察驱动输出波形是否正常。 3）在驱动波形占空比合适是，合上开关，接通输入侧输出侧。

在调试初期，为了确保安全，将占空比调节至45%左右，因为扣去死区时间，该占空比使得输出端电压为4V 左右，同时输出端暂不接电源，而是接接一个最大阻值10Ω，耐流14A 的电阻。上小节的采样值测定正是在这种工作状态下进行的。在调试过程中，逐渐减小电阻值，并逐步增加串联2V ，100Ah 的电池到输出端，最终去掉电阻，输出端为6节2V ,100Ah 的电池，此时整个控制电路和主电路能够正常工作。在开环下，可以测定整个系统的充电时的一些数值和效率，具体如表5.6所示：

输出电压 11.9 12 12.26 12.35 12.43 12.5 12.51 输出电流 1.051 1.634 2.153 3.06 3.449 4.032 4.29 输入电压 46.6 46.6 46.6 46.2 45.8 45.2 44.8 输入电流效率 0.326 0.823277337 0.501 0.839865334 0.651 0.870096847 0.913 0.895933202 1.06 0.883065626 1.287 0.866390247 1.335 0.897336477

表5.6 开环时充电效率表

在测试过冲中，输出电压为12.5V 之前，系统的效率能保证在85%左右，而再增大滑动变阻其以增大给定电压时，输出端电压电流都会逐渐减小，导致输出端的响应值也减小。分析上述现象后，认为是由于输出端的供电电源是4节4Ah 的蓄电池，而输出侧则是6节100Ah 的蓄电池，虽然输入端电池总电压为48V ，但其容量过小，导致在充电功率提高时，其内部电能下降很快，使其输出供电电压急剧下降，影响整个系统的工作性能。

充电时各个工作状态和数据测试完毕后，进行放电状态测试。放电和充电测试时，区别就在于给定值的不同，当给定值电压小于输出端电压时，输出侧蓄电池会反向放电，而充电时给定电压大于输出侧电压。经过测试得到以下数据，如表5.7所示：

输出电压 48.1 48.4 48.9 49.3 49.8 50.2 50.8 52.1 53.7 输出电流 -0.106 -0.158 -0.274 -0.372 -0.574 -0.661 -0.906 -1.236 -1.666 输入电压 11.802 11.741 11.65 11.558 11.406 11.345 11.131 10.796 10.216 输入电流效率

-0.439 0.984080919 -0.828 0.786623694 -1.54 0.746814559 -3.69 0.430012225 -3.615 0.693265465 -4.003 0.730659586 -5.818 0.710696228 -8.799 0.677891207 -14.631 0.598541666

表5.7 恒流放电时效率值表

可以看到，在减小给定，增大反馈电流时，会使得反馈效率降低，滤波电感发热。同时，在放电电流变大的过程中，示波器的驱动信号和上位机接受的实时数据会因为电磁干扰的原因变的不稳定，上位机有时会显示和检验错误的情况。

为了测试不同电感值对输出和效率的影响，跟换输出端的两个电感值稍大的电感够重新进行了反馈测试，得到数据如表5.8所示：

输出电压 48.1 48.9 49 53.8 55.1 56.5 输出电流 -0.145 -0.36 -0.702 -1.07 -1.393 -1.611 输入电压 11.82 11.7 11.39 11.28 10.84 10.43 输入电流效率

-0.993 0.594218753 -1.8 0.835897436 -4.198 0.719394369 -7.049 0.723984791 -10.419 0.67959065 -13.011 0.670731963

表5.8 大电感时恒流放电效率值表

实验发现，两组电感对放电时的各个数值以及效率影响不大。而换上另一组电感值很小的电感时，则发现输入端电流最大只能上升到0.8A 左右，过峰值后急剧下降，说明大电感能提升反馈时的电流值，从而提高系统的反馈效率。

开环调试完毕后，就需要进行闭环的调试，由于闭环调试存在一定的危险性，如果反馈值一直打不到给定值时，驱动信号的占空比会一直增大，导致输出端电压过高。为了避免上述现象，首先在输出端接入电阻进行调试。与开环调试时不同的是，当给驱动电路通电后，驱动信号的占空比为最高的86%左右，而不是按照给定值。出现这个现象的原因是：由于在闭环控制状态下，为合上主电路开关时，电路中电压和电流的采样值都为0，一直不能达到给定值的要求，由于采用的PI 调节器，控制电路会一直增大占空比，直到反馈值与给定相同为止，而采样值一直未0，故只有无限增大占空比，直至最大。当合上主电路开关后，电路中的电压电流值能传输到CD4052的反馈端，由于PI 调节器的存在，占空比会迅速降低，直至输出值与给定值相匹配为止。

5.3 小结

经过上一节对双向H 桥DC/DC变换器各个功能电路进行的调试，实现了对蓄电池化成的只能充放电过程，并且完成了电压、电流闭环控制，实现了设计系统的预期目标。

6 总结

本文主要介绍了电池化成系统的双向H 桥DC/DC变换器部分。主要工作如下：

1）首先比较了各种双向DC/DC变换器的电路结构，能量流动以及在实际应用中的可行性，最终选择了双向H 桥DC/DC变换器作为主电路的拓扑结构。在选择主电路拓扑后，分析了双向H 桥DC/DC变换器的正向工作和反向工作时的各个状态，分析了电流、电压及能量流动的方向。

2）结合理论分析的结果，设计制作出了试验样机。在电路拓扑结构分析中，主要包括：PWM 波发波电路，死区产生电路，驱动电路，状态切换电路，电阻分压采样电路，霍尔电压采样电路，模拟、数字采样电流处理电路，电流保护电路等。同时，基于输入输出的电压电流值，设计了一些电阻电感的参数。

3）通过系统要求，介绍了系统的主要结构图，设计了双向DC/DC变换器的控制系统，绘制了控制流程图，电压环、电流环闭环控制图。然后分析了软件设计的整体思路。

4）搭建实验平台，进行电路调试，主要包括：供电电源调试，驱动信号调试，单片机程序、VB 调试，保护于采样电路测试，开环、闭环测试。

7 谢辞（自己随便写写）

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3 硬件电路分析设计 . .................................................................................................................... 11

3.1 器件参数选择分析 . ......................................................................................................... 11

3.2.1 驱动电路分析设计 . .............................................................................................. 12

4 系统结构与控制 . ........................................................................................................................ 19

用于锂电池化成系统的桥式DC/DC变换器

关键字：电池化成；双向DC/DC变换器；实验分析

Keywords: battery formation; DC/DC bi-directional converter; experimental analysis

1引言

2 双向H 桥DC/DC变换器拓扑分析

2.1 双向DC/DC变换器

VD 4

图2.1 双向H 桥DC/DC变换器

VD 2

2.2 双向H 桥DC/DC变换器结构分析

U o =U o 1-U o 2

U o 1=U i D 1 U o 2=U i D 2

则得到输出电压与输入电压之间的关系式为：

U o =(D 1-D 2)U i

由以上公式可得：改变两个占空比D 1和D 2之差就可以实现对输出电压进行宽范围的调节的目的。

此外由于占空比D 1和D 3之间存在着一定的关系，即：

1=D 1+D 2+D s

2.2 双向H 桥DC/DC变换器工作状态分析

2.2.1 正向工作状态模型分析

U g1、U g4

U g2、U g3

U o U i

-U i

I o i o

图2.2 正向工作输出波形

状态1(0~t1阶段): 等效电路如图2.3所示:

VD 3

图2.3 正向工作时状态1等效电路

U i -U o di L

U L ==L

2dt

U i -U o 1

i L =(U i -U o ) dt =t +I min

⎰2L 2L

在t 1时刻时，VT 1和VT 4关断，此时电感上电流达到最大值I max 。

状态2(t1~t2阶段): 等效电路如图2.4所示：

VD 3

VD 4

图2.4 正向工作时状态2等效电路

U i +U o di L

U L =-=L

2dt

在T 时刻时，电流下降到最小值I min ：

min

U i +U o

=-t of f +I max

VD 3

VD 4

图2.5 正向工作时死区时间的等效电路

上述是对电池充电状态时的分析，可得，能量从48V 直流母线正向流动到电池内，电池能量一直增加。

2.2.2 反向工作状态模型分析

U g2、U

U g1、U U o U i 0

-U i i o 0-I o

图2.6 反向工作输出波

状态1（0~t1）：等效电路如图2.7所示：

VD 3

VD 4

图2.7 反向工作状态1等效电路当双向H 桥DC/DC变换器工作在反向工作，状态1时，VT 2,VT 3处于导通状态,VT 1,VT 4

状态2：等效电路如图2.8所示：

VD 3

VD 4

图2.8 反向工作状态2等效电路

上述是对电池放电状态时的分析，可得，能量从电池反向流动到48V 直流母线内，电池能量一直减小。

3 硬件电路分析设计

3.1 器件参数选择分析

3.1.1 主开关管的选择

结合上述因数，最终选择了Fairchild 公司的FDP2532作为主开关管，参数如表3.1所示：

表3.1 FDP2532主要参数

3.1.2 滤波电感参数的计算

(1)电感值计算

滤波电感在电路输出端起到稳定输出电流，降低电流纹波的目的。根据需求，本次设计电感电流的波动范围在10%Io 内。以下给出电感值计算：

在一对开关管，如VT 1,VT 4导通时，一个电感L 1或L 2两端的电压值为（U i -U o ）/2，故：

U i -U o di

U L ==L

2dt

式中dt 为一个周期内的导通时间，则电感L 的表达式为：

(U i -U o ) D 1T L =

2di

为了保证电感在临界情况下电流连续，需要满足：

dt ≤i o 2

将上述公式带入电感表达式，可得：

(U i -U o )D 1L ≥

4fi o

为了使滤波电感电流连续并且电流最大纹波值在10%Io ，电感值为：

(U i -U o )(2U o +U i )L ≥=56. 25μH

4fiU i

（2）电感磁芯选择

3.2 硬件电路分析设计

3.2.1 驱动电路分析设计

（1）PWM 发生电路

图3.1 PWM波发波电路

（2）死区产生电路

免上述现象的发生，需要在开关管的驱动信号中加入一段死区时间。死区产生电路如图3.2所示：

+5V

PGND

110

OverI 4

D17A

R51

C32

R59

D16A 1

D15A 1

PGND

D15B 3

D16B

C49D15D 9R60

D15F

1013D17B

R52

5C48

D15C

D15E

C33

图3.2 死区产生电路

（3）驱动电路

图3.3 驱动电路

（4）状态切换电路

图3.4 状态切换电路

（5）电压电流采样电路、保护电路

R25-15V 4

R13U02

D3A

R14

U01

R26

图3.7 电阻分压采样电路

数字端的电压采样采用LV28-P 霍尔传感器，电路拓扑如图3.8所示

图3.8 霍尔电压采样电路

A3.3V

R38

图3.9 霍尔电流、电压采样电路

D6B

I_bat

C21

R37

图3.10 模拟采样电流处理电路

D3.3V

R36

I_bat_CPU

C23

R47

D6A

R39

AD0C26

图3.11 数字采样电流处理电路

电路的保护除了软件保护盒保险丝之外，还需要额外的保护电路，当电流超过一定值时，通过硬件电路将驱动电路关断。具体电路如图3.12所示：

图3.12 电流保护电路

4 系统结构与控制

4.1 系统结构

整套蓄电池化成系统如下图4.1所示：

网

图4.1 蓄电池化成系统结构图

4.2 控制系统结构

i i

图4.2 控制结构图

4.3 DC/DC变换器控制方法

4.3.1 电压控制模式

采样网络传递函数

图4.3 电压闭环控制图

4.3.2 电流控制模式

图4.4 电流闭环控制图

动占空比，实现系统的电流闭环控制。

4.4 软件设计

实现功能：

设计思路：

5 实验调试与结果分析

5.1 实验平台搭建

制作完成双向H 桥DC/DC变换器的样机后，需对其性能进行测试。首先搭建实验平台，主要由以下几部分组成：

1）4节12V ，4AH 蓄电池，串联作为48V 供电端。

2）6节2V ，100AH 蓄电池，串联最为输出端，模拟实际工作时的锂电池。 3）最大电阻10Ω，最大允许电流14A 的可调电阻。 4）一块调试样机。

调试样机的主要参数为： 1）直流输入侧电压48V 。 2）输出侧电压12V~14V。 3）输出电流0~20A。 4）开关频率100k 。

5）滤波电感56.25mH ，LA55-P 霍尔电流传感器，LV28-P 霍尔电压传感器。整个平台实物如图5.1和图5.2所示：

图5.1 实验平台

图5.2 输入侧，输出侧蓄电池

5.2 样机调试

5.2.1 供电电源调试

在测试过程中遇到一的问题：

1）部分REF3033的3.3V 输出端实际输出电压为3V ，由于此电压值用于状态给定值，

调节各个给定的滑动电阻同样可使电路正常工作。

2）在给功率开关管背部加上散热器时，没有考虑到绝缘问题，导致控制电路中部分管脚短路，使得供电电源芯片损坏。

3）在测试时，由于误操作，表笔同时接触了LM317的2脚和3脚，导致电路中部分元器件损坏。

解决上述在测试过程中发生的问题后，控制电路的供电电源可以正常工作。

5.2.2 驱动信号调试

在调试过程中发现一些问题，如：

1）PWM 信号经死区产生电路后就消失了，后发现由于保护电路中LM393出现故障使得输出的保护信号关断了与门电路，使输入到驱动芯片IR2110的信号为0。

2）另外还需要考虑单片机保护信号，在不安装单片机时，由于连接单片机的各个输出管脚为0，通过光耦隔离后恰好能使单片机保护不起作用。

表5.1 死区时间表格

图5.3 死区时间

5.2.3 单片机程序，VB 工程调试

经过上述调试过程，样机已具备了一下功能：

1）接受上位发送的指令，并按指令切换工作状态。 2）实时进行AD 采样，并将数值发送给上位机。 3）根据电路的电压电流，自动切换充放电状态。

5.2.4 保护与采样电路测试

采样电路的测试主要包括：

输出电压

9.28 10.62 11.64 12.3 13.13 13.9 U2 1.98 2.28 2.48 2.64 2.84 3 AD1 0.96 1.11 1.2 1.25 1.34 1.46

表5.2 输出电压，U2，AD1数据表

图5.4 输出电压与U2，AD1关系曲线

得到上述数据后通过生成曲线，可以看到在电路工作电压范围附近，输出电压与模拟，数字采样值成很好的线性关系。

2）输出端电流经采样输出电路I_bat，处理后得到的反馈至I2。经测试得到以下数据，如表5.3 和图5.5所示：

输出电流 0.058 0.775 1.72 2.38 3.48

I_bat 0.01 0.032 0.08 0.114 0.17

I2 1.65 1.667 1.668 1.678 1.704

表5.3 输出电流，I_bat，I2数据表

图5.5 输出电流与I_bat，I2关系曲线

输出端电压单片机采样值 0.021 11 1.014 45 2.034 75 3.065 108 3.992 140 5.001 171 6.057 205 6.997 235 8.295 277 9.376 315 11.288 379 12.411 412 13.319 441 14.065 471

表5.4 输出电压与采样值数据表

图5.6 输出电压与采样值的线性关系

同样，电流AD 采样也存在着相应的误差，为了纠正误差，按照实际电流与采样值对比线性关系可得两者的线性关系，数值如表5.5和图5.7所示：

输出端电流单片机采样值 0.113 525 0.702 531 2.75 545 3.367 556 4.178 562 4.612 571 5.209 582

表5.5 输出电流与单片机采样值数据表

图5.7 输出电流与采样值的线性关系

经反复测量后得到输出电流与采样值在单片机内的关系式：I=15.438*AD0+512.19；在VB 工程中的关系式为：AD0 = I * 0.0648 - 32.969。

5.2.4 开环、闭环测试

完成对双向H 桥DC/DC变换器控制电路的调试后，可以在输入侧与输出侧通强电进行开环测试。具体过程如下:

1）接通控制电路电源。

2）上位机发送充放电指令，观察驱动输出波形是否正常。 3）在驱动波形占空比合适是，合上开关，接通输入侧输出侧。

表5.6 开环时充电效率表

-0.439 0.984080919 -0.828 0.786623694 -1.54 0.746814559 -3.69 0.430012225 -3.615 0.693265465 -4.003 0.730659586 -5.818 0.710696228 -8.799 0.677891207 -14.631 0.598541666

表5.7 恒流放电时效率值表

为了测试不同电感值对输出和效率的影响，跟换输出端的两个电感值稍大的电感够重新进行了反馈测试，得到数据如表5.8所示：

输出电压 48.1 48.9 49 53.8 55.1 56.5 输出电流 -0.145 -0.36 -0.702 -1.07 -1.393 -1.611 输入电压 11.82 11.7 11.39 11.28 10.84 10.43 输入电流效率

-0.993 0.594218753 -1.8 0.835897436 -4.198 0.719394369 -7.049 0.723984791 -10.419 0.67959065 -13.011 0.670731963

表5.8 大电感时恒流放电效率值表

5.3 小结

6 总结

本文主要介绍了电池化成系统的双向H 桥DC/DC变换器部分。主要工作如下：

4）搭建实验平台，进行电路调试，主要包括：供电电源调试，驱动信号调试，单片机程序、VB 调试，保护于采样电路测试，开环、闭环测试。

7 谢辞（自己随便写写）

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双向DCDC变换器设计

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