2015年电赛A题:双向DC-DC变换器+812968A

6个月前

简介:以STM32F407为核心,IR2110为驱动芯片,IRF540和FR307构成的傻瓜式操作电池储能装置的双向DC-DC变换器。

开源协议: LGPL

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描述

一、题目内容及要求

    设计并制作用于电池储能装置的双向DC-DC变换器,实现电池的充放电功能,功能可由按键设定,亦可自动转换。系统结构如图1所示,图中除直流稳压电源外,其他器件均需自备。电池组由5节18650型、容量2000~3000mAh的锂离子电池串联组成。所用电阻阻值误差的绝对值不大于5%.

1.基本要求
  接通S1、S3,断开S2,将装置设定为充电模式。
  (1) U2=30V条件下,实现对电池恒流充电。充电电流I1在1~2A范围内步进可调,步
进值不大于0.1A,电流控制精度不低于5%.
  (2) 设定I1=2A,调整直流稳压电源输出电压,使U2在24~36V范围内变化时,要求
充电电流I1的变化率不大于1%。
  (3)  设定l1=2A,在U2=30V条件下,变换器的效率n1≥90%.
  (4)测量并显示充电电流l1,在l1=1~2A范围内测量精度不低于2%。
  (5)  具有过充保护功能:设定1=2A,当U2超过阈值U1th=24士0.5V时,停止充电。

2.发挥部分

  (1)  断开S1、接通S2,将装置设定为放电模式,保持U2=30士0.5V,此时变换器效率n2≥95%.

  (2)接通S1、S2,断开S3,调整直流稳压电源输出电压,使Us在32~38V范围内变化
时,双向DC-DC电路能够自动转换工作模式并保持U2=30土0.5V.
  (3)  在满足要求的前提下简化结构、减轻重量,使双向DC-DC变换器、测控电路与辅
助电源三部分的总重量不大于500g.
  (4)其他。

 

二、设计思路

  本次设计大致程序框图如下:

总工程设计思路图片

    因此这里主要硬件电路需要攻克IR2110的驱动电路和双向DC-DC主电路两个关卡

其中IR2110电路设计如下:https://oshwhub.com/11idiotic45/ir2110-qu-dong-dian-lu_-gai

IR2110电路

    此硬件电路的主要功能为将单片机产生的互补的PWM波经过IR2110芯片的10号管脚和12号管脚引入,这样就可以在IR2110芯片的1号管脚和7号管脚输出可以驱动主电路的IRF540 MOS管的PWM波,其中IR2110的6号管脚应与双向DCDC电路的电路的上侧IRF540 MOS管的S极(即下侧IRF540 MOS管的D极)相连以获得偏置电压从而有效驱动上侧IRF540 MOS管的导通关闭。除此以外,在各信号的输入端都接入30欧姆的小电阻以减少杂波信号的干扰从而输出更纯正的PWM波以求得更高的变换器效率。

    为了满足特定场合需要,这里在一个PCB板上放置了两个IR2110电路,此处设计将输入端接上排针用于单片机信号的输入,输出端和电源端接上接线端子用于提供大电流的信号输入以及输出稳定信号,这里的二极管采用FR307二极管,它具有通大电流高耐压以及快恢复的特性,在实际电路工作中其工作情况表现的相当稳定。

    对于双向DC-DC主电路设计,这里根据题目要求需要添加许多开关和电阻的接入端以满足题目的需求,其设计如下https://oshwhub.com/11idiotic45/buck_boost-shuang-xiangdcdc-dia-lu

双向DCDC电路     双向DCDC电路的升压和降压功能的实现主要通过接入电感和电容实现。从左往右接入电压,在电路不出现截止状态的情况下,根据电感的续流特性可实现右边电压为左边电压乘以MOS管的占空比。同理,从右往左接入电压,在电路不出现截止状态的情况下,根据电感的续流特性,可实现左边电压为右边电压除以(1-占空比)。根据题目要求这里的双向耐压并没有超过100V,因此这里采用IRF540 MOS管,它具有高耐压以及低内阻的特性,这里所有的输入和输出都接上了接线端子以供大电流的输入和输出,其每个接线端子的功能以在原理图中标注,因此不过多解释。

    其中原理图中与康铜丝相连的两端再于INA282芯片相连,根据INA282芯片内部结构不难看出,它可以差分放大50倍康铜丝上的电压,从而达到在尽量不损耗变换器工作效率的情况下采得给电池组充电的电流,从而实现对电流的显示以及恒流的控制。

 

三、实物展示

1、主控单片机选择STM32F407ZGT6单片机,其最小系统板可由网上购置: 单片机

 

2、IR2110驱动电路展示:

IR2110电路

 

3、DC-DC主电路展示:

DC-DC主电路

 

4、DC-DC电路的外接电阻展示,这里采用电阻盘来尽可能使接入电阻精度达到题目要求:

外接电阻

 

5、DC-DC电路充电电池组展示,这里采用5节18650电池串联形成电池组,且其接入处和一个开关相连:

电池组

 

6、INA282电流采样电路,该电路串联接在充电电池的线路上:

INA282电流采样

 

四、软件代码概述

  代码中主要通过设定三个定时中断,最低优先级中断用来检测按键和显示OLED,定时为1秒,根据按键功能分别对另外两个定时中断进行控制,控制功能包括开启和稳流的调整。其余两个定时器的功能为电压ADC的采样并调整PWM波、电流转电压后的ADC采样并调整PWM波,除此以外皆为库函数的声明,详情请见与文档共同上传的文件夹“电池组充电程序”。大致概述如下:

定时器初始化:

定时器初始化

 

定时器4服务函数:

定时器4服务函数

 

定时器5服务函数定时器5服务函数

 

定时器3服务函数:

定时器3服务函数

 

五、 题目要求性能展示

1、作品介绍,详情请见随同上交附件“2.0作品介绍演示视频.mp4”,清晰版本可前往:https://www.bilibili.com/video/BV12K4y1Q7gB

2、性能测试,其基本要求1-4详情请见随同上交附件 3.0基本要求1-4视频展示.mp4”,清晰版本可前往:https://www.bilibili.com/video/BV1a54y1Y764

3、对于基本要求5,由于我们买到的电池容量太大(虽然廉价但是每颗电池的容量达到了4800mWh),因此在2A的充电情况下至少要充电两个多小时,因此难以进行演示。

4、扩展要求1-2演示,详情请见随同上交附件 4.0发挥部分要求1-2.mp4”,清晰版本可前往:https://www.bilibili.com/video/BV1Xo4y1974s

5、扩展要求3演示,详情请见随同上交附件“5.0发挥部分要求3.mp4”,清晰版本可前往:https://www.bilibili.com/video/BV1Sh411r7en

文档

PCB_2021-01-16_00-03-00

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BOM

ID Name Designator Footprint Quantity BOM_Manufacturer Part BOM_Manufacturer BOM_Supplier BOM_Supplier Part
1 1000uF C1,C2,C3,C4 CAP-TH_BD10.0-P5.00-D1.0-FD 4 SPE1EM102G16OL Yunxing LCSC C698150
2 SLT044125T330MUB U1 IND-TH_L14.0-W6.5-P8.00-D0.6 1 SLT044125T330MUB Sunltech Tech LCSC C326006
3 电源电压输入口 VCC_1 CONN-TH_3P-P5.00_WJ500V-5.08-3P 1 WJ500V-5.08-3P-14-00A ReliaPro LCSC C72334
4 5欧姆电阻左端 R1_1 CONN-TH_3P-P5.00_WJ500V-5.08-3P 1 WJ500V-5.08-3P-14-00A ReliaPro LCSC C72334
5 5欧姆电阻右端 R1_2 CONN-TH_3P-P5.00_WJ500V-5.08-3P 1 WJ500V-5.08-3P-14-00A ReliaPro LCSC C72334
6 30欧姆电阻上端 R2_1 CONN-TH_3P-P5.00_WJ500V-5.08-3P 1 WJ500V-5.08-3P-14-00A ReliaPro LCSC C72334
7 30欧姆电阻下端 R2_2 CONN-TH_3P-P5.00_WJ500V-5.08-3P 1 WJ500V-5.08-3P-14-00A ReliaPro LCSC C72334
8 电源地级输入口 GND_1 CONN-TH_3P-P5.00_WJ500V-5.08-3P 1 WJ500V-5.08-3P-14-00A ReliaPro LCSC C72334
9 电压U2的正级 U2_1 CONN-TH_3P-P5.00_WJ500V-5.08-3P 1 WJ500V-5.08-3P-14-00A ReliaPro LCSC C72334
10 电压U2的地级 U2_2 CONN-TH_3P-P5.00_WJ500V-5.08-3P 1 WJ500V-5.08-3P-14-00A ReliaPro LCSC C72334
11 MOS管Q1控制端 IRF540_UP CONN-TH_3P-P5.00_WJ500V-5.08-3P 1 WJ500V-5.08-3P-14-00A ReliaPro LCSC C72334
12 MOS管Q2控制端 IRF540_DOWN CONN-TH_3P-P5.00_WJ500V-5.08-3P 1 WJ500V-5.08-3P-14-00A ReliaPro LCSC C72334
13 外接电感1 L1_1 CONN-TH_3P-P5.00_WJ500V-5.08-3P 1 WJ500V-5.08-3P-14-00A ReliaPro LCSC C72334
14 外接电感2 L1_2 CONN-TH_3P-P5.00_WJ500V-5.08-3P 1 WJ500V-5.08-3P-14-00A ReliaPro LCSC C72334
15 康铜丝左端 R3_1 CONN-TH_3P-P5.00_WJ500V-5.08-3P 1 WJ500V-5.08-3P-14-00A ReliaPro LCSC C72334
16 康铜丝右端 R3_2 CONN-TH_3P-P5.00_WJ500V-5.08-3P 1 WJ500V-5.08-3P-14-00A ReliaPro LCSC C72334
17 给电池组Ui的地级接线端子输出 GND_3 CONN-TH_3P-P5.00_WJ500V-5.08-3P 1 WJ500V-5.08-3P-14-00A ReliaPro LCSC C72334
18 给电池组Ui的正极输出 UI CONN-TH_3P-P5.00_WJ500V-5.08-3P 1 WJ500V-5.08-3P-14-00A ReliaPro LCSC C72334
19 控制R1是否接入电路 SW1 SW-TH_MR1-110-C5N-BB 1 MR1-110-C5N-BB HONGJU LCSC C268222
20 MR1-110-C5N-BB SW2,SW3 SW-TH_MR1-110-C5N-BB 2 MR1-110-C5N-BB HONGJU LCSC C268222
21 电源排针接入口 VCC_2 HDR-TH_4P-P2.54-V 1 210S-1*4P L=11.6MMGold-plated black Ckmtw LCSC C124378
22 电源地级排针输入口 GND_2 HDR-TH_4P-P2.54-V 1 210S-1*4P L=11.6MMGold-plated black Ckmtw LCSC C124378
23 给电池组Ui的地级排针输出 GND_4 HDR-TH_4P-P2.54-V 1 210S-1*4P L=11.6MMGold-plated black Ckmtw LCSC C124378
24 IRF540N Q1,Q2 TO-220AB-3_L10.4-W4.6-P2.54-L 2 IRF540N VBsemi Elec LCSC C693382
25 FR307_C140432 D1,D2 DO-201AD_BD5.3-L8.4-P12.50-D1.4-FD 2 FR307 STARSEA LCSC C140432

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