A solar cell energy storage power supply system based on bidirectional converter

0 引言

随着經濟的快速發展，常規能源瀕臨枯竭，太陽能、風能、潮汐能等新能源日益被人們所重視^[1-2]。其中，由于太陽能的無限性、廣泛性、無污染性等諸多特點，使其具有更廣泛的應用前景^[3]。

雖然太陽能優點顯著，但天氣變化、晝夜交替等因素使其儲能存在一定的不确定性^[4]。需要在太陽能供電系統中加入電池儲能系統，目前，傳統太陽能儲能供電系統通常是由基于單向變換器的儲能和供電兩套系統組成的^[5-7]。儲能系統中，太陽能電池到負載有一個DC-DC變換器；供電系統中，太陽能電池到電池組有一個DC-DC變換器，電池組到負載有一個DC-DC變換器^[8]。太陽能電池給負載供電，同時給電池組充電時，有兩個DC-DC變換器在工作，每個變換器都有損耗，兩個變換器損耗會疊加。電池組給負載供電時也有一個變換器存在損耗。因此，這種由兩套基于單向變換器的儲能供電系統損耗大，太陽能利用率比較低。同時，這種電路結構也相對複雜，電路體積大，成本高，控制繁瑣。

針對上述問題，設計了一種基于雙向變換器的太陽能電池儲能供電系統。該系統通過微控制器選擇通路，用一個DC-DC變換單元實現雙向升壓-降壓的功能。此外，微控制器對參數進行檢測與調整，并利用顯示屏顯示，具有人機交互等功能。

1 系統結構及工作原理

基于雙向變換器的電池儲能供電系統主要由微控制器模塊、DC-DC變換器模塊和開關模塊組成，具體供電系統構成框圖如圖1所示。

DC-DC變換模塊，主要由Buck-boost主電路、電壓電流反饋環路和電流控制環路組成。該模塊實現太陽能電池到負載、太陽能電池到電池組和電池組到負載的電壓轉換以及環路電流控制。

微控制器模塊，由微處理器、按鍵、電位器和OLED顯示屏組成。電位器處在輸出電流環路中，按鍵可向微處理器發送高低電平，微處理器改變電位器電阻值，以此調整輸出電流值。

開關模塊，由開關S_C1、S_C2、S_C3、S_C4組成。開關S_C2、S_C3、S_C4閉合，S_C1斷開，太陽能電池給負載供電，同時給電池組充電。開關S_C3斷開，開關S_C1、S_C2、S_C4閉合，電池組通過DC-DC變換器給負載供電。

系統工作時分為光照充足和不充足兩種工作狀态，當光照充足時，開關S_C2、S_C3、S_C4閉合，S_C1斷開，太陽能電池給負載供電，同時，太陽能電池還可以通過DC-DC變換器給電池組充電。根據太陽能電池電壓以及電池組電壓的不同，微控制器可将輸入端到輸出端設定為升壓模式或者降壓模式；當光照不充足時，太陽能電池電壓低于設定值，此時，開關S_C3斷開，開關S_C1、S_C2、S_C4閉合，電池組通過DC-DC變換器反向放電，以維持負載兩端電壓穩定。

開關模塊和DC-DC變換模塊以組合工作的模式實現雙向變換器的功能。系統工作時，采樣電阻經運算放大器将電壓信号傳遞至微控制器内部，對電池組的輸入輸出電流進行實時檢測。微控制器可以改變數字電位器的電阻，根據電流輸出回路，步進改變輸出電流，步進值理論可達0.001 A。太陽能電池與DC-DC變換器之間有防反二極管D1，防止電池組供電時電流反灌入太陽能電池。

2 系統電路設計

系統連接原理如圖2所示，因為微處理器要采集分壓電阻分得電壓，所以要求具有内部ADC處理能力。同時，根據輸入輸出電壓的不同，微處理器要控制不同開關的導通與關斷，所以需要有内部定時器，系統開關頻率不超過500 kHz。為了滿足上述監控任務，控制單元采用32位ARM微控制器（MCU）STM32F103C8T6。利用微控制器控制系統的模式切換、按鍵檢測、屏幕顯示等任務。同時，單片機也實時監測輸入輸出電壓，對電池組進行過充過放保護。

采用LT8705開關穩壓控制器，其可在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的情況下工作。該器件外圍電路配置有四路N溝道MOSFET栅極驅動器，具有集成的輸入電流、輸入電壓、輸出電流、輸出電壓的反饋回路且具有很寬的電壓輸入和電壓輸出範圍。

DC-DC單元由LT8705開關穩壓控制器及其外圍4個MOSFET開關管(M1~M4)、電感L、保護電阻及輸入和輸出濾波電容構成，在圖2中用虛線框1标出。其中，M1和M3為主控開關管，M2和M4為同步整流開關管。

當輸入電壓V_IN顯著高于輸出電壓V_OUT時，電路處于降壓模式，在此時，M4管處于導通狀态，M3處于關斷狀态。開關管M1與M2交替導通，其開關動作類似一個同步降壓型穩壓器。當V_IN比V_OUT低于3 V時，電路處于升壓模式，在此時，M1處于導通狀态，M2處于關斷狀态。開關管M3與M4交替導通，其開關動作類似一個同步升壓型穩壓器。當V_IN比V_OUT高于3 V時，電路工作于降壓-升壓模式。開關組合M1、M2與M3、M4按照先後時序導通或關斷。

在LT8705内部集成有4個誤差放大器，如圖3所示，因而能夠限制或調節輸出電流(EA₁)、輸入電流(EA₂)、輸入電壓(EA₃)和輸出電壓(EA₄)。輸出電流調節公式為：

式中，R_S是采樣電阻，I_OUT是流經采樣電阻的電流，g_m是跨導(典型值為1 mA/V)，R₄為X9111的R_H與R_W之間的電阻值。

當系統工作時，輸出電流經過R_S産生一個壓降U_sense，如式(1)所示，U_sense與跨導g_m的乘積是經R₄流到地上的電流，在R₄上産生的壓降與誤差放大器EA₁的基準電壓相同，如式(2)所示。調節R₄的阻值便可以調節I_OUT的值。系統工作時，STM32的PD0口采集經AD620放大的R_S上的壓降，通過式(1)和式(2)計算出此時的輸出電流并顯示在顯示屏上。在STM32内部設定多個阈值區間，采集的輸出電流值落在相應的阈值區間，根據落在的阈值區間調節R₄值，從而改變輸出電流。STM32的PD4口每發送一個高脈沖，X9111阻值減小100 Ω，若初始值設為100 kΩ，此時的理論步進調整值為0.001 A。

對輸入電壓以及輸出電壓的檢測由圖3中R_FBIN和R_FBOUT分壓電阻分得的電壓決定。調節R_FBIN和R_FBOUT分壓電阻值便可以達到調整輸出電壓的作用，分壓電阻與輸入輸出電壓關系為：

系統有恒壓（CV）充電和恒流（CC）充電兩種充電方式。通過調節輸出電流誤差放大器（EA₁）的外接電阻可以實現步進控制輸出電流，調節輸出電壓誤差放大器（EA₃）的外接電阻可以調節輸出電壓，調節輸入電流誤差放大器（EA₂）的外接電阻來調節輸入電流，調節輸入電壓誤差放大器（EA₄）的外接電阻值來調節輸入欠壓保護值。

由于輸入輸出電流在安培級，一般的電子開關不能滿足功率要求，因此圖2中的開關S_C1、S_C2、S_C3、S_C4采用功率開關，結構如圖4所示。功率開關采用了兩個NPN三極管，用來控制PMOS的導通，其中Q₁采用小功率PNP型三極管，用來驅動晶體管。開關管Q₃采用大功率低導通電阻的P溝道場效應管。當輸入高電平時，Q₁導通，工作在飽和區，U_C1維持在0.3 V左右，Q₂截止，Q₃的栅極電壓被R₃擡高，Q₃關斷，即此開關關斷；當輸入為低電平時，Q₁截止，U_C1維持在高電平狀态，Q₂導通，且U_C2約等于0.3 V，因此Q₃導通，即此開關閉合。

當光照充足時，STM32的PD0口采集經AD620放大後的R_S上的壓降，PA7口、PA8口、PA10口輸出高電平，PA9口輸出低電平，軟開關S_C2、S_C3、S_C4導通，S_C1關斷，太陽能電池既給負載供電，同時又給電池組充電，為正向工作模式。當光照不充足時，R_S上壓降變低，微控制器PA8口輸出低電平，PA7口、PA9口、PA10口輸出高電平，開關S_C3關斷，開關S_C1、S_C2、S_C4導通，太陽能電池不再給負載供電，也停止給電池組充電，電池組開始為負載供電，為反向工作模式。

3 實驗結果分析

系統默認從太陽能電池供電開始，當開關S1按下時，系統開始上電工作，流程圖如圖5所示，首先，開關S_C1斷開，開關S_C2、S_C3閉合，太陽能電池開始給負載供電以及給電池組充電，單片機STM32采集充電電流，如果充電電流I與設定值偏差較大，則調節數字電位器X9111，使充電電流值在設定範圍内。如果充電電流偏差不大，則判斷輸入電壓是否小于10 V，當輸入電壓小于10 V時判定光照不充足，此時由儲能電池供電，開關S_C3斷開，開關S_C1、S_C2閉合。當檢測到開關S1斷開時，系統停止工作。圖6表示阻值不同的X9111與輸入電流的關系，調整範圍在1～2 A之間，線性調整率如圖7所示。

由圖6知，電路R9111調整的電流與理論值基本一緻，偏差在0.1%以内。由圖7知，當電壓輸出電壓從24 V到36 V變化時，輸出電流變化率在2%以内。

圖8給出了降壓模式下充電的轉換效率測試曲線，在輸入電壓為3 V、充電電流為1.5 A時的轉換效率達到95.12%，充電電流為2 A時的轉換效率也達到97.75%。

圖9給出了升壓模式下放電的轉換效率測試曲線，在電池電壓為24 V、負載電流為1.5 A時的轉換效率達到94.7%。實驗結果表明，本儲能系統不僅實現了充電和放電的雙向功能，而且充放電效率高，穩定性好。

4 結論

本文設計了一種基于雙向變換器的電池儲能供電系統，系統利用LT8705實現升壓—降壓功能，微控制器STM32以及複用的功率開關控制電流流動方向，X9111精确調整步進值，從而實現了一種雙向變換器的電池充放電電路系統。經過測試，當充電電流從0.8 A到2 A變化時，系統具有95%以上的轉換效率。當輸出電壓從24 V到36 V變化時，輸出電流變化率在2%以内。

參考文獻

[1] 公茂法，賈斌，公政，等.基于TL431的太陽能LED路燈控制器設計[J].電子技術應用，2011，37(6)：65-67.

[2] MARTINEZ-ANIDO C B，BOTOR B，FLORITA A R，et al.The value of day-ahead solar power forecasting improvement[J].SolarEnergy，2016，129：192-203.

[3] 徐進，帥立國.一種新型軟開關DC-DCPWM升壓變換器設計[J].電子器件，2016，39(2)：312-319.

[4] 劉慶新，程樹英.雙Buck太陽能LED路燈照明控制系統[J].電子技術應用，2011，37(5)：142-145.

[5] ALI U S.A modified maximum power point tracking control for Bi-directional Z-Source DC-DC converter based solar electric vehicle[J].Applied Mechanics and Materials，2015，4123(787)：828-832.

[6] 陳顯東，曹太強，黎凡森.一種新型交錯并聯型buck變換器[J].電子技術應用，2017，43(7)：153-156.

[7] 張斌，李宏.锂電池化成用雙向DC-DC變換器設計[J].微型機與應用，2015，34(9)：40-42，53.

[8] MAZUREK G.Performance study of solar power source for wireless systems[J].International Journal of Electronics and Telecommunications，2013，59(3)：271-276.

作者信息:

李演明，鄭懷倉，文常保，楊冠斌，茹 鋒，孟 雲

（長安大學 電子與控制工程學院，陝西 西安710064）

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!