2023浙江理工大学校三等奖 2021年电赛电源题 三端口DC-DC电路copy
简介
本系统以双向DC-DC模块为主拓扑结构，以STM32F103ZE为控制核心。电路分为主电路拓扑结构、辅助电源模块两个部分。完成了题目的基本要求和发挥部分要求。 还设置了通过按键去改变系统的稳定电压。
简介：本系统以双向DC-DC模块为主拓扑结构，以STM32F103ZE为控制核心。电路分为主电路拓扑结构、辅助电源模块两个部分。完成了题目的基本要求和发挥部分要求。 还设置了通过按键去改变系统的稳定电压。开源协议
：CC BY-SA 3.0
描述
1 系统方案论证
1.1 总体方案描述
本题要求两种工作模式，模拟光伏电池给负载供电并给电池组充电；和模拟光伏电池和电池组共同给负载供电。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，有低于30V的时候，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。但负载端输出电压要求稳定在30V，此时输入需要进行升压。题目中第二种模式要求光伏电池与电池组共同为负载供电，所以电池组应并连接入电路中。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。
图1 系统结构图
1.2 储放能控制的比较与选择
方案一：全桥双向DC-DC电路：双向全桥DC-DC是常用Buck-Boost拓扑结构了,但是使用四个MOS管，损耗会较大。
方案二：半桥双向DC-DC: 采用升压式半桥变换电路,通过控制半桥上下管的占空比控制升压输出电压的大小和电流的双向流动。使用两个MOS管，损耗相对较小。
方案三：降压模块和BUCK电路：通过降压模块，使得电池两端电压始终高于电池，持续给电池充电，同时BUCK电路稳定电压为30V。缺点是只能完成基础部分，无法完成发挥部分。
方案分析：电池侧电压最高14.8V 要稳定在30V。考虑因双向DC-DC会将母线稳定在30V，可以不考虑降压工作状态。电池电压<16.8V,双向DCDC始终工作在boost态,综上所述，选用方案二。
2 电路和程序的设计
2.1主回路与器件选择
1．电路总体设计
图2 系统电路设计框图
2．双向DC设计
图3 双向DC电路
2.2 控制程序设计
设计方案使用两个控制板，一个用于升压和MPPT的控制；另一个用于双向DC-DC的控制，控制流程如下：
图4 程序流程图
3 理论分析与计算
3.1 主回路主要器件参数计算
此电路稳态下电感满足伏秒平衡即电感电流上升值等于电感电流下降值。
在D为50%Ts为0.2us情况下计算得电感为2.5uH
在D为50%Ts为0.2us情况下计算得电容为10uF
3.2 控制方法与参数计算
1.升降压式MPPT控制方法与参数计算
根据题目要求，变换器输出电压Uo稳定在30V，同时在25~55V实现最大功率点跟踪。根据最大功率传输定理，忽略谐波因素干扰，当电路中传输功率最大时，约有：
其中为电路的等效电阻，当电路正常工作时，。因此，全范围最大功率点跟踪时，范围约为(25~55)/2=(12.5~27.5)V。可以发现，这一范围显著小于30V，因此，主DC-DC使用Boost即可完成目标。
为了安全，需要为该Boost设置上下门限。根据我们设计的电路的实际情况，占空比β与输入输出电压的关系为
已知(12.5~27.5)V，30V，得β的范围约为
因此选择boost电路上下门限分别为0.3与0.93。
3.3 提高效率的方法
1．所有管驱动辅助电、和CPU供电采用开关电源供电。
2．提高开关频率，采用低内阻MOS管，双向DC-DC只需boost升压部分，故去掉相应的管驱动，进一步减小损耗。
3．所有滤波电容均采用低ESR电容。
4．尽量降低CPU的主频，关闭无关外设时钟。
5．续流二极管采用低压差肖特基二极管。
4 测试方案与测试结果
4.1测试方案及测试条件
1．测试方案
先检查线路连接是否有开路、短路和虚焊，确认无误后在各个测试点连接万用表，首先调试双向DC-DC部分，对进行校准，然后增加负载和降低负载，使其达到恒定输出的同时还能对电池进行充放电。
在调试输入升压DC-DC部分，对进行校准，进一步调试在不同负载不同下的工作过程，观察MPPT跟踪时PID调节输出的结果。
系统联调，按照题目要求，将系统连接好，调整从55V渐变到25V，调整负载25Ω和50Ω，对记录，然后计算分析。
2．测试使用仪器设备
直流稳压电源，数字万用表7只分别测量。
4.2测试结果
1. 题目基本要求测试结果如下
1.基本要求1： =50V、=1.2A 条件下，输出端口电压和储能端口电流 记录
输出端口电压和储能端口电流
|
序号 |
|
|
|
|
|
1 |
50.0 |
1.187 |
30.06 |
0.95 |
|
2 |
50.0 |
1.200 |
30.04 |
1.01 |
|
3 |
50.0 |
1.200 |
30.04 |
1.01 |
2. 基本要求2：=1.2A、 由 45V 增加至 55V，电压调整率记录
电压调整率
|
序号 |
|
|
|
|
|
1 |
1.2 |
30.06 |
30.05 |
0.03% |
|
2 |
1.18 |
30.06 |
30.04 |
0.06% |
|
3 |
1.2 |
30.07 |
30.03 |
0.09% |
3. 基本要求3：=50V、 由 1.2A 减小至 0.6A，负载调整率记录
负载调整率
|
序号 |
|
|
|
|
|
1 |
50 |
30.04 |
30.06 |
0.06% |
|
2 |
50 |
30.04 |
30.05 |
0.03% |
|
3 |
50 |
30.03 |
30.05 |
0.06% |
4. 基本要求4：=50V、=1.2A 条件下，变换器效率记录
变换器效率
|
序号 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
50.00 |
1.200 |
30.02 |
2.51 |
25.03 |
1.53 |
15.57 |
95.26% |
|
2 |
50.00 |
1.202 |
30.00 |
2.50 |
25.01 |
1.50 |
15.60 |
95.10% |
|
3 |
50.01 |
1.201 |
30.01 |
2.51 |
25.02 |
1.52 |
15.60 |
95.14% |
5. 发挥部分1：=1.2A、 由 55V 减小至 25V。
电压调整率
|
序号 |
|
|
|
|
|
1 |
1.2 |
30.06 |
30.03 |
0.09% |
|
2 |
1.18 |
30.04 |
30.02 |
0.06% |
|
3 |
1.2 |
30.03 |
29.99 |
0.12% |
偏差
|
序号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
55.00 |
50.00 |
45.00 |
35.00 |
|
|
27.53 |
25.01 |
22.5 |
17.51 |
|
|
00.03 |
00.01 |
00.00 |
00.01 |
6. 发挥部分2：=35V、 =1.2A 条件下，和效率记录
变换器效率
|
序号 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
35.0 |
1.202 |
30.02 |
1.75 |
17.51 |
0.48 |
14.89 |
95.49% |
|
2 |
35.0 |
1.200 |
30.01 |
1.76 |
17.50 |
0.47 |
14.80 |
95.40% |
7. 发挥部分3：=35V、 由1.2A 减小至0.6A，负载调整率记录
负载调整率
|
序号 |
|
|
|
|
|
1 |
35 |
29.99 |
29.98 |
0.03% |
|
2 |
35 |
30.97 |
30.97 |
0.0% |
|
3 |
35 |
30.97 |
30.98 |
0.03% |
4.3测试结果分析
当使用直流电源供电时，输入电流保持1.2A，输入电压从55V降至25V，输出电压稳定在30V0.1V，储能端口电流从流入变为流出，实现模式Ⅰ、Ⅱ的自动切换。变换器效率平均在95％以上，并能实现最大功率点跟踪，偏差不超过0.05V。在题给条件下，系统的负载调整率和电压调整率均满足题目要求。
5 其他
系统还设计了按键功能，能够对系统的电压电流等参数进行校准。系统最终的输出电压不仅能稳定在30V，可以通过按键调节改变其稳定的输出电压。
设计图
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克隆工程
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