2021年电子设计大赛C题—三端口DCDC变换器

1：前言

  这个作品是队友们的努力结晶，跟我没有关系(狗头)，我每天只睡了吃，吃了睡。备赛时候他们太牛了，在这也超级感谢立创及嘉立创，购(bai)买(piao)了东西。点赞！

 

2：个人介绍

芒果脆

不知名大学应届毕业生

游戏，睡觉，吃饭爱好者

19年电赛参与

20年电赛想睡

21年电赛........

 

3：项目分析

  我们在拿到题目的时候，一般需要先通读全文，找到所有需要做的任务。

 

题目的任务这里我们可以得知5个点：

   1：模拟光伏电池给负载供电并给电池组充电。

   2：模拟光伏电池和电池组共同给负载供电。

   3：两个模式在不同情况下相互切换。

   4：输出的Uo是恒定的，30V。

   5：整体的作品框图。

 

从要求这里，我们一般都是冲着满分而去，所以，我们必须结合全部的要求来制定我们的方案。

      从我们分析出来的结果来看，我们需要Uo恒定不变，效率尽可能高，实现全范围最大功率跟踪。然后我们分析什么时候是模式1，什么时候是模式2,。在发挥1的要求我们可以看到切换的具体要求：

       1： 55—25的时候切换。我们来算一下：分一半；输出一直恒定，功率为30*1.2=36W。55V时，输入为55/2/10=2.75A，功率为2.75*25=75.625W；25V时，输入为25/2/10=1.25A，功率为1.25*12.5=15.625W。

       2:   35V，1.2-0.6A时切换了。还是一半；输出功率为30*1.2-0.6=36W-18W。1.2A时，输入为35/2/10=1.75A，功率为61.25；0.6A时，输入为35/2/10=1.75A，功率为61.25W；

分析之后可以得知，输入大功率时，电池必须是为充电状态消耗电，为模式1，输入小功率时，电池放电给负载共同供电，为模式2。

   光伏电池输入的电压在25-55V之间，根据负载和内阻的分压计算，并且题中要求最大功率追踪，所以根据的范围在12.5-27.5之间，负载端输出电压要求稳定在30V，所以输入需要进行升压。模式2要求光伏电池与电池组共同为负载供电，电池的电压最大也不会超过17V，所以我们想要得到30V的电压就必须也要把电池的电压升上去，需要升压电路。题目要求电池组既要充电又要放电，故系统选用双向DC-DC进行控制。

 

结论：在大功率输入时光伏给电池充电，给负载供电，在小功率输入时光伏和电池给负载供电。光伏一直升压状态。

 

4：电路设计分析

系统图：

根据题目的要求，我们需要做的就是升压式MPPT以及双向DCDC。需要采集U1,I1,Uo，Io，Ub，Ib的值，采集这几个是用做pid用的。整体的电路是分为两大块，一块做升压MPPT，一块做双向DCDC。

根据百度的结果，我们选用了最为基本的boost升压电路，如下图所示：

 

我们需要的东西，非常简单，一个合适的电感，一个合适的MOS管，一个合适的二极管。

怎么样才算合适呢，我们先来计算一下我们需要的参数，代进去即可。

电感

因为Vi是变化的，所以我们取一个中间值20V，大概是我们需要的电感量为330UH。

MOS管

从立创商城的各个重要参数就可以很方便的找到我们想要的MOS管：STB15810

看看简要的参数，是非常好的一款管子。

 

二极管

随便选择一款满足要求的即可。

 

MOS管驱动电路设计

双向DCDC设计：

因为这个东西15年的时候出来过，我个人觉得还不错的博客，我们也学到了很多，

链接：https://blog.csdn.net/weixin_42121843/article/details/99288773

所以准备电源的同学基本上都会做一套双向DCDC，我们的简图：

 

电流检测设计：

电压检测设计：

辅助电源设计：

至此，我们所有的电路完成了：BOOST升压，双向DCDC，ADC电压电流采集，2个32的最小系统，一个用来升压，一个用来双向DCDC。（实际上升压的也是用双向的来改的）。

5：系统控制：

根据上图的图示，我们上电之后先进行数据的采集，异常的话就会进入故障态，直接进行声光报警并且停止输出PWM。如果没有异常我们的升压MPPT就开始升压，在输出电压高于31V的时候我们就进行Uo与设定值的比较送入pid中，进行稳压。然后在电压降下来没有到31V的时候，我们就进行MPPT最大功率跟踪。这样我们是直接实现全范围的最大功率跟踪。

程序上就按照上面的图示进行编写。核心程序如下所示：

这个核心其实也是调节pid，系统的两大模块，一个升压一个双向都是如此。剩下就是ADC采集的了。

 

6：测试调节：

 

       测试的时候我们需要先接入电池，因为我们最开始接入的是50V的电压，如果没有电池进行充电（这时候肯定是在模式1的，不明白可以看开头分析），那么我们稳压是做不了的。为什么开始就接50V，因为我们的辅电开始的时候需要先工作起来。

       测试的时候电池会有充满电的情况，这时候系统就会不稳定，非常不稳定，这时候只要把模式切换到模式2，也就是放电状态就可以，就是输入的电压可以调到25V的时候，这个时候放电电流应该是有1.5A上下的。

 

这个测试是当时最后调试的结果，最核心的发挥2部分，效率刚好达到了95多一些，因为用了 两个CPU，也有些地方存在不足，所以这个数据显得挺好。

 

 

B站的测试视频：

https://www.bilibili.com/video/BV1ma411r7qa/

 

关于这个视频的一些问题：视频中我在测试的时候调节了那个光伏的内阻，用按键调节的。这个是因为我在程序里有这个程序，不管你的10Ω电阻准不准确，我都可以通过2按键调节。这个正是我们MPPT的核心所在。假设它不是10Ω，而是9,814,13.......那应该怎么解决，我们需要先理解MPPT的核心含义。分一半的电压，U1=Rs*Is=1/2Us；U1和Is都是采集上来的。我们在对这个写程序的时候，让Rs可以变化就可以。

 

实物展示

 

我们用的主控是STMF103VCT6，MOS，MOS驱动，电流电压采集等在上面都有写，在立创商城上这些东西都有。我们当时备赛的时候很多东西也是在上面买的。 我们的测试点在亚克力板子上都有标注。我们一共用了7个万用表。这个测试点都是根据题目的要求来做的。在开头的地方有贴图。

 

7：后记：

这道题说起来确实是比15年的题目要难，但是因为备赛时间超级长，然后早前的队友纷纷考研，就剩下我一个找好工作没事干的。后面比赛快开始的前一周多，有了两个新队友进来。疫情真的导致比赛一波三折。还好最后是好的结果，也算是非常满意的结果！

 

致谢：

带我们的老师们

一起努力的队友们

爱我的女朋友

以及所有支持我们的人......