1 方案论证

1.1比较与选择

  1.1.1 DC-DC方案比较与选择

由于本题目的输入输出均为直流电，选用DC-DC变换器作为中间环节，以下讨论DC-DC变换器的选择

方案一：采用boost与双向DC-DC并联构成三端口DC-DC变换器。

该方案由boost电路实现对最大功率点的跟踪，同时用一个双向DC-DC实现对电池的充放电，及通过功率实现对输出电压的调整。二者并联运行，安全稳定，且总系统效率更高。

方案二：升-降压 DC-DC变换器并联构成三端口DC-DC变换器

升降压DC-DC变换器可以单独实现升降压变换。这种方案可以适应多种输入、输出环境，控制简单，但整体效率偏低。

综上可知，虽然方案二简单稳定，但是其效率较低；方案一中，虽然boost只能实现升压，但按照题意，跟踪最大功率点所需输入电压始终小于30V，故此方案不仅效率更高，而且电路本身构造稳定。故选取方案一。

  1.1.2 MPPT算法选择

题目要求跟踪光伏电池输入的最大功率点，考虑选择MPPT技术作为控制算法，以下比较三种MPPT方案的优劣。

方案一：恒压跟踪法

近似认为最大功率点组成的最大功率线为一条垂直电压的直线，此方案只为近似计算，跟踪效率低，无法适应环境变化。

方案二：电导增量法

调节电导增量与瞬间电导的和为0即可达到最大功率点，此算法跟踪精度高，但对检测电路提出很高要求，且算法复杂，电导难以计算，实践中很难像理论值计算一样精准。

方案三：扰动观测法

通过增加输入电压，计算输入输出功率之差，直至功率差为0则此时工作在最大功率点。此算法相对容易实现，且较为精准，但存在振荡，不易稳定。

方案一无法适应大功率电阻的温漂误差较大，方案二检测电路难以达到要求，方案过于复杂，难以稳定，方案三相对易于实现，且可以保证跟踪精度，只需控制浮动在题目范围内。最终选择方案三。

1.2系统总体方案描述

该系统由辅助电源模块为各个部分供电后，先通过电阻分压将输入的电压降低，经过DC-DC升压后，调节输入输出符合题目要求比例，同时通过另一块双向DC-DC降压后为电池充电并稳定负载电压符合题目要求。当输入电压降低至一定值时，由于boost输入跟随为最大功率点无法为负载提供30v电压，此时通过电池后双向DC-DC电路调节并稳定负载电压至30v。该系统的模式切换由硬件闭环控制无需软件过多干涉。

图1.4 系统整体框图

2 电路与程序设计

2.1 电路设计

  2.1.1 主电路设计

图2.1.1 系统的主功率电路图

系统的主功率电路为两个双向DC-DC变换器电路，如图3.1所示。模式一下直流源输入后，经电阻分压作为一个boost的输入，调节PWM使得此板输入跟踪最大功率电且为电阻与电池同时供电。并联的buck电路降压实现对电池充电及对负载电压的调整。模式下二下电池经boost产生稳定30v为电阻供电，通过另一块boost控制保证Ui最大功率跟踪

  2.1.2 采样电路设计（电流、电压）

图2.1.2  输出电压及电流检测电路

输出电压及电流检测电路如图3.2所示。电压检测选取电阻分压后经过运放制作电压跟随器达到相对稳定后进行数字滤波。电流采样选取INA282芯片放大信号，同时在输出端设计RC滤波器及电压跟随器稳压。

  2.1.3 驱动电路设计

图2.1.3  IR2104驱动电路

在VCC接入，芯片启动后。当pwm口输入为高时，HO和Vs间产生导通电压VCC，上管导通，LO和COM短路，下管关断。当pwm输入为低时，LO由浮空抬压至芯片电源电位，因此LO和COM之间产生导通电压VCC，下管导通，HO和Vs短路，上管关断

2.2.1 控制程序的设计

控制程序的原理如图所示，分为两个相对独立的闭环控制，主DCDC所在的主回路由MPPT根据功率检测值给出Ui参考值，然后通过一个PID反馈回路保证主DCDC的输入端口电压，即Ui跟随该参考值。

副DCDC则保持恒定的30V输出参考电压，同样通过一个PID反馈回路控制输出值Uo稳定在30V。

图3.4  三端口DCDC控制原理框图

2.2.2  最大功率跟随（MPPT）程序的设计

本程序采用扰动观察法（爬山法）。当输出电压稳定在30V后，MPPT轻微改变Ui的参考值，随后Ui将跟随该值，待其稳定后，MPPT根据功率变化，如果功率增大，则继续向该方向改变Ui参考值，否则回退，并以更小的程度反向改变Ui。如此反复，当输入电压变化时，功率也会较大变化，从而再次放大扰动程度，实现长期跟随。

2.2.3  单片机软件程序流程

单片机启动后，对RCC、GPIO、NVIC、定时器、DMA、ADC（ADS1256）等模块进行初始化，随后进入主循环。主循环通过定时器2按固定频率扫描传感器返回值，并进行MPPT和PID控制。同时，ADS1256以500SPS的速率，通过外部中断写入检测值。定时器3以PID控制的占空比持续输出PWM波，控制两个双端口DCDC的端口电压比值，直到其稳定在设定值。

3 理论分析与计算

3.1 Boost电路电容电感选取

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主DC-DC电路的工作状态

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，R₀=R_s。因此，全范围最大功率点跟踪时，U_i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U_i约为12.5~27.5V，U₀约为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 提高效率办法

  降低mos管栅极电阻，减少开关损耗。选择导通电阻小的mos管降低导通损耗。运用双管代替单管加续流二极管的拓扑。选择铁损小的电感降低电杆上电流变化量。运用多股导线并绕降低电感直流电阻。均可提高单块DC-DC电路效率。同时系统选择并联构成而非级联，使得在单板效率相同情况下系统效率更高。

4测试方案与测试结果

4.1测试仪器

表4.1 测试使用的仪器设备

序 号	名称、型号、规格	数量
1	万用表	3
2	DMM6500台式数字万用表	1
3	DP832直流稳压电源	1

4.2测试方法（连接如图4.1所示）

图4.1测试连接

4.3 测试数据

4.4 测试结果分析

将测试所得的数据与设计要求中的指标比较，结果如表4.3所示。

表5.4测试数据与设计指标的比较

测试项目	要求	电路测试结果
1. US=50V、IO=1.2A 条件下，变换器工作在模式I，	30±0.1V，IB≥0.1A	电压误差0.02,明显达到要求
2.IO=1.2A、US 由45V 增加至55V的电压调整率	SU≤0.5%	SU=0.03%＜0.5%，满足要求
3. US=50V、IO 由1.2A 减小至0.6A的负载调整率	SI≤0.5%	SI=0.067%＜0.5%，满足要求
4. US=50V、IO=1.2A时的变换器效率	ȠI≥90%	ȠI=98.13%，满足要求
5. 1）IO=1.2A、US 由55V 减小至 25V	变换器能够从模式I 自动转换到模式II；在US全范围实现最大功率点跟踪；偏差δUi=|UI-US/2|≤0.1V，电压调整率SU≤0.1%	IB换向,成功转换到模式II，δUi=0.04＜0.1V，SU=0.06%＜0.1%，均满足要求
6. US=35V、 IO=1.2A	变换器工作在模式II，UO=30V±0.1V，效率ȠII≥95%	UO=30.00V，ȠII=97.4＞95%
7. US=35V、 IO 由1.2A 减小至0.6A	变换器能够从模式II自动转换到模式 I，负载调整率SI≤0.1%	IB换向,成功转换到模式I，SI=0.1%,满足要求

5结论

本设计达到了题目要求的所有指标。方案上根据题目要求，灵活采用两个同步整流Boost变换器，整体拓扑结构简洁、效率高。控制部分使用扰动观察法完成MPPT，稳定快速。该三端口DCDC变换器可以应用于一般的光伏电池输出控制。

6参考文献

[1] Robert W. Erickson, Dragan Maksimovic. Fundamentals of power electronics [M]. 2^nd edition. Kluwer Academic Publishers, 2001.

[2] (美)普利斯曼, (美)比利斯, (美)莫瑞.开关电源设计[M].电子工业出版社, 2010.

[3] 陈坚. 电力电子学: 电力电子变换和控制技术[M]. 高等教育出版社, 2004.

[4] 杨荫福，段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统[M]. 清华大学出版社, 2006. 

附录1 部分程序节选

void pid_control(double ui, double uo) //输入采样电压，改变输出的pwm波占空比
{
pidm.err_sum -= pidm.err[pid_cnt];
pidm.err[pid_cnt] = pidm.ExpectedVolt - ui;
pidm.err_sum += pidm.err[pid_cnt];
if((uo-30.0)<0.1 || (30.0-uo)<0.1){
pidm.OutCycle += (pidm.Kp*pidm.err[pid_cnt]+ pidm.Ki*pidm.err_sum);
}

if(pidm.OutCycle > 0.95){
pidm.OutCycle = 0.95;
}
if(pidm.OutCycle < 0.3){
pidm.OutCycle = 0.3;
}
duty_set(3, 1, pidm.OutCycle);

pids.err_sum -= pids.err[pid_cnt];
pids.err[pid_cnt] = pids.ExpectedVolt - uo;
pids.err_sum += pids.err[pid_cnt];

out_volt += pids.Kp*pids.err[pid_cnt]+ pids.Ki*pids.err_sum;

if(out_volt < 15){
out_volt = 15;
}
if(out_volt > 40){
out_volt = 40;
}
pids.OutCycle =BATTERY_VOLT/out_volt; //下管开通时间，与输出电压成正比

duty_set(3, 2, pids.OutCycle);

pid_cnt++;
if(pid_cnt == 10){
pid_cnt = 0;
}
}

附录2 实物照片

附录3 辅助部分原理图

附录3.1辅助电源部分