本實用新型屬于電力電子領(lǐng)域，尤其涉及一種雙向DC-DC變換器。

背景技術(shù)：

近幾年來，由于能源危機和環(huán)境污染，世界各地均在投入巨資發(fā)展燃料電池汽車，雙向DC/DC變換去作為燃料電池汽車的重要部件，需要隨著行駛狀態(tài)的改變，頻繁地切換其工作狀態(tài)，其動態(tài)性能好壞，直接決定汽車動力系統(tǒng)的響應速度。在燃料電池發(fā)電前，通過雙向DC/DC變換器升高電壓，提供較高的總線電壓的能量，保持電源輸出功率的穩(wěn)定。

所謂DC/DC變換器就是DC/DC變換器的雙象限運行，它的輸入輸出端口調(diào)換仍可完成電壓變換功能，功率不僅可以從輸入端流向輸出端，也能從輸出端流向輸入端，從各種基本的變換器拓撲來看，用雙向開關(guān)代替單向開關(guān)，實現(xiàn)能量的雙向流動。

雙向DC/DC變換器是將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，它實現(xiàn)了雙向傳輸，在功能上相當于兩個單向DC/DC變換器，是典型的“一機兩用”設備，在需要雙向能量流動的應用場合可以大幅度減輕系統(tǒng)的體積重量及成本，有重要的研究價值。但目前的雙向DC/DC變換器還存在一些不足，比如汽車啟動、加速時電池所提供的瞬時功率不足的缺陷。

實用新型

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對以上問題，本實用新型提出一種雙向DC-DC變換器。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述設計目的，本實用新型所采用的技術(shù)方案是：一種雙向DC-DC變換器，包括采樣電路、直流穩(wěn)壓電源、雙向DC-DC變換電路、鋰電池組、驅(qū)動電路、單片機、直流放電輸出和顯示與按鍵；單片機根據(jù)采樣電路采集到的雙向DC-DC變換電路的電壓電流信息，通過驅(qū)動電路控制雙向DC-DC變換電路自動切換工作模式；工作于充電模式時，直流穩(wěn)壓電源通過雙向DC-DC變換電路給鋰電池組充電；工作于放電模式時，鋰電池組通過雙向DC-DC變換電路直流放電輸出；電路工作情況通過單片機控制顯不。

直流穩(wěn)壓電源包括電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路；電源變壓器進行降壓；整流電路為三相全波整流電路；濾波電路為濾波電容，穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓二極管和限流電阻組成。

驅(qū)動電路包括光耦電路、整形電路和半橋驅(qū)動電路；光耦電路為光耦隔離芯片；整形電路為反相器；半橋驅(qū)動電路為半橋驅(qū)動芯片。

顯示與按鍵包括按鍵、液晶顯示和紅綠指示燈；按鍵用于設定充電模式下的充電電流和放電模式下的輸出電壓；液晶顯示用于顯示工作模式、電壓、電流和充放電效率；紅綠指示燈用于指示充電進展。

有益效果：本實用新型可對充電電流及輸出電壓進行精密調(diào)控，從而對鋰電池組實現(xiàn)高效、智能的充放電。裝置輕便易攜，可作為一種應急裝置，在該裝置基礎(chǔ)上外加繼電切換電路接于實驗室電網(wǎng)，當實驗室斷電時，自動切換至該裝置為實驗室提供電能，實現(xiàn)實驗室不斷電，同時，該裝置也可為一些低功率的一級負荷作后備電源，應用前景廣闊。

附圖說明

圖1是雙向DC-DC變換器的示意圖；

圖2是直流穩(wěn)壓電源的示意圖；

圖3是直流穩(wěn)壓電源的電路圖；

圖4是雙向DC-DC變換電路圖；

圖5是采樣電路圖；

圖6是驅(qū)動電路圖；

圖7是雙向DC-DC變換器總電路圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型的技術(shù)方案作進一步的說明。

如圖1所示是本實用新型所述的雙向DC-DC變換器的示意圖，包括采樣電路1、直流穩(wěn)壓電源2、雙向DC-DC變換電路3、鋰電池組4、驅(qū)動電路5、單片機、直流放電輸出6和顯示與按鍵。

采用鋰離子電池作為儲能裝置，鋰離子電池具有壽命長，安全性高，成本低，控制簡單。為了實現(xiàn)對鋰電池組的充電，需要穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源作為雙向DC-DC變換電路的正向輸入，如圖2所示直流穩(wěn)壓電源2示意圖，包括電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路，可實現(xiàn)將50Hz、有效值為220V的三相交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值30V、電流可調(diào)的穩(wěn)定直流電壓。

如圖3所示是直流穩(wěn)壓電源2具體的電路圖，整流電路為三相全波整流電路，濾波電路為濾波電容C1，穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓二極管D1和限流電阻R1組成。

由于雙向DC-DC變換電路所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，所以需要電源變壓器進行降壓，變壓器變比為220：36。

變壓器副邊電壓通過三相整流電路將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，將正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈動電壓，本發(fā)明采用的三相整流電路為三相全波整流電路。

三相整流電路輸出的直流電壓仍含有較大的交流分量，為減小電壓脈動，需要通過濾波電路對直流電壓進行濾波，使輸出的直流電壓更為平滑。理想情況下濾波電路的輸出電壓為不含有交流分量的直流電壓，但由于濾波電路為無源濾波電路，所以接入負載后必然影響濾波效果。濾波電容C1采用常規(guī)電解電容。

濾波電路雖然輸出了交流分量較小的直流電壓，但當電網(wǎng)電壓波動或者負載變化時，其平均值也會產(chǎn)生變化，所以需要設有穩(wěn)壓電路使得輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動或負載變化的影響，使輸出的直流電壓具有較高的穩(wěn)定性。穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓二極管D1和限流電阻R1組成，穩(wěn)壓二極管采用IN4751二極管，使U2穩(wěn)定在30V。該穩(wěn)壓電路利用穩(wěn)壓管所起的電流調(diào)節(jié)作用，通過限流電阻R1上電壓和電流的變化進行補償，達到穩(wěn)壓目的。限流電阻R1即限制穩(wěn)壓管中的電流使其正常工作，又與穩(wěn)壓管相配合以達到穩(wěn)壓的目的。

如圖4所示是雙向DC-DC變換電路的原理圖，本雙向DC-DC變換器分為充電和放電兩種模式，具有自動識別切換工作模式的功能，內(nèi)部設有單片機作為整個系統(tǒng)反饋回路的核心，單片機根據(jù)電壓、電流采樣電路采集到的主回路上的電壓電流信息，通過驅(qū)動電路自動切換工作模式。具體過程為：當裝置啟動后，裝置內(nèi)部開關(guān)S1初始默認斷開，鋰電池對單片機、采樣電路以及驅(qū)動電路供電，對電壓U_S進行采樣，當U_S不為0時，裝置進入充電工作模式，當U_S為0時，裝置進入放電工作模式，根據(jù)識別的工作模式控制驅(qū)動電路輸出的PWM波，實現(xiàn)工作模式切換，隨后閉合開關(guān)S1。

當變換器工作在充電模式時，第二開關(guān)管Q2關(guān)斷，雙向DC-DC變換電路等效為BUCK降壓電路，此時U2作為輸入電壓，U1為輸出電壓，U2恒定為30V。第一開關(guān)管Q1柵極在PWM波的控制下進行周期性的通斷。在Q1開通期間，輸入電壓經(jīng)Q2直接輸出，此時二極管D2因承受反壓而截止，輸出電流經(jīng)過Q2流入電感，電感電流上升，電感進行能量儲存，輸出電流同時也對電池充電；當Q1關(guān)斷時，負載與輸入電壓脫離，由于電感電流不能突變，其通過負載和續(xù)流二極管實現(xiàn)續(xù)流，電感電流按線性規(guī)律下降，同時將能量釋放給電池。

裝置在充電模式下，首先進入恒流充電模式，通過按鍵在1-2A范圍內(nèi)步進設定電池充電電流，受到雙向DC-DC變換電路輸入電壓的波動以及負載的影響，電池充電電流會產(chǎn)生波動，為了在此階段保持充電電流恒定，單片機通過改變PWM波占空比調(diào)節(jié)雙向DC-DC變換電路的輸出電壓，穩(wěn)定輸出電流。當設定充電電流為2A時，為保障設備安全性，裝置自動啟動過充保護功能，當U1超過閾值24V時，驅(qū)動電路停止輸出驅(qū)動信號，對電池進行保護。當電池電壓逐漸升高至21V時，裝置自動進入恒壓充電模式，控制方法與恒流模式相同，控制目標從充電電流轉(zhuǎn)換為充電電壓，保持充電電壓恒定于21V，充電電流逐漸下降。具有自動斷電保護功能，即當充電電流接近于0時，自動斷開開關(guān)S1，停止對電池充電。

當變換器工作在放電模式時，MOS管Q1關(guān)斷，鋰電池作為電源向負載供電，雙向DC-DC變換電路等效為BOOST升壓電路，此時U1為輸入電壓，U2為輸出電壓，U1恒定為24V，輸出電壓可通過改變PWM波占空比實現(xiàn)調(diào)控。MOS管Q2柵極在PWM波控制下進行周期性通斷。當Q2開通時，二極管D2反向偏置而關(guān)斷，電池經(jīng)Q2向電感L1供電使其儲能，電感L1中電流按線性規(guī)律上升，同時電容C2上的電壓向負載供電，電容電壓減小。當Q2關(guān)斷時D2導通，鋰電池和電感共同向電容充電，并向負載提供能量。

如圖5所示是雙向DC-DC變換器的采樣電路，電流霍爾元件串聯(lián)進需要測量電流的回路中使用，電壓霍爾元件并聯(lián)進需要測量電壓的回路中使用。由電壓、電流霍爾元件所檢測出的等效電壓值，經(jīng)跟隨器送入單片機I/O口進行AD采樣，與單片機程序中預置值比較后，運用PID算法進行相應的反饋調(diào)節(jié)與校正，實現(xiàn)所需功能。

如圖6所示是雙向DC-DC變換器的驅(qū)動電路，驅(qū)動電路的作用在于對單片機輸出的PWM波進行隔離、整形，最終實現(xiàn)對雙向DC-DC變換電路的場效應管的通斷控制。驅(qū)動電路由三部分組成，光耦電路、整形電路和半橋驅(qū)動電路。

由于單片機屬于數(shù)字電路，而驅(qū)動電路以及雙向DC-DC變換電路屬于模擬電路，所以需要光耦電路實現(xiàn)單片機與主電路的隔離，選用光耦隔離芯片6N137，保護單片機并減小兩者互相之間的影響。為了實現(xiàn)場效應管的快速通斷，需要保證PWM的上升沿與下降沿足夠陡峭，所以通過反相器74LS04實現(xiàn)對PWM波的整形。單片機所輸出的PWM波驅(qū)動能力不夠，需要半橋驅(qū)動芯片IR2111提高驅(qū)動電路的驅(qū)動能力，驅(qū)動芯片輸出兩路幅值相同、占空比互補的PWM波，其中一路浮地、一路對地，分別控制MOS管Q1和Q2。

顯示與按鍵包括按鍵、液晶顯示和紅綠指示燈；其中，按鍵設定充電模式下的充電電流，設定放電模式下的輸出電壓。

液晶顯示內(nèi)容包括：當前處于充電模式還是放電模式；當處于充電模式時候，顯示處于恒流充電模式還是恒壓充電模式，同時實時顯示充電效率，充電電流，充電電壓；處于放電模式時候，顯示輸出電壓和放電效率。

紅綠指示燈：當裝置對鋰電池組進行充電時，綠燈亮紅燈滅，當裝置自動停止對電池充電時，綠燈滅紅燈亮，提示用戶充電完成。

如圖7是雙向DC-DC變換器總電路圖，BUCK降壓電路和BOOST升壓電路均工作于電感電流連續(xù)模式(CCM)。

測試時，接220V三相電源，使裝置進入充電模式。

(1)顯示恒流充電模式，調(diào)節(jié)充電電流至1A，1.5A以及2A，測量充電電流實際值，計算電流控制精度。同時記錄液晶屏顯示的測量值，計算測量精度。

(2)設定I1＝2A，為模擬三相電源或負載對U2的影響，在主回路串聯(lián)一個滑動變阻器，通過改變滑動變阻器阻值改變U2電壓，測量記錄充電電流值，計算充電電流變化率。隨后對鋰電池組串入滑動變阻器，令U1增加，此時調(diào)節(jié)滑動變阻器阻值，觀察當U1超過閾值U_1(th)＝24V時是否停止充電。

(4)更換裝置鋰電池組，接入接近充滿電的鋰電池組，看是否直接進入恒壓充電模式。同時當充電電流減小到一定程度時，是否停止對電池充電。

(5)設定額定狀態(tài)，將萬用表電流檔和電壓檔分別串并入輸入和輸出的回路中，計算變換器的實際效率，并與顯示值比較，計算測量精度。

斷開三相電源，負載端接入滑動變阻器，將裝置設為放電模式。

(1)設定輸出電壓，測量輸出電壓，計算電壓控制精度。同時記錄液晶屏顯示的測量值，計算測量精度。

(2)保持U2＝30V，將萬用表電流檔和電壓檔分別串并入輸入和輸出的回路中，計算變換器的實際效率，并與顯示值比較，計算測量精度。