摘 要

双向DC/DC变换器是一种可以实现能量双向流动的装置，它在航空航天、光伏等领域应用广泛。为了探究双向DC/DC变换器的工作特性和设计流程，本文以STM32作为主控制器，双向BUCK/BOOST电路作为主拓扑，以锂离子电池作为储能设备，对双向DC/DC变换器进行硬件设计和Simulink仿真。

本文首先研究了各种拓扑结构，并进行分析比较，选取了结构较为简单，适用于小功率和双边压差较小的非隔离型双向BUCK/BOOST电路。根据锂离子电池的充放电特性，选取了先恒流后恒压充电和恒压放电的充放电方案。

其次对硬件电路进行了设计，采用STM32F407VGT6芯片作为主控制芯片，通过软件编程发出36KHz的PWM脉冲信号经过IR2104驱动芯片驱动开关管，从而实现对整个双向DC/DC变换电路的控制。STM32内部带有A/D转换器，能够通过电压电流检测电路实时反馈双边的电流和电压数值，并由此调整输出的PWM占空比，形成电流电压闭环控制系统。按键部分可以实现充放电模式选择和充电电流的调整。液晶显示能实现显示当前工作的工作模式和输出电流与电压值的功能。

最后对双向DC/DC变换器进行了Simulink仿真，仿真分为降压模式和升压模式两部分。在降压模式下，进行了固定占空比的开环仿真和引入电流负反馈的闭环仿真；在升压模式下，进行了固定占空比的开环仿真和引入电压负反馈的闭环仿真。通过比较闭环仿真与开环仿真输出波形的差异，验证了闭环控制方案理论上的正确性和优越性。

关键词：双向BUCK/BOOST；锂离子电池；STM32；Simulink仿真

Abstract

Bidirectional DC / DC converter is a device that can achieve two-way energy flow, which is widely used in aerospace, photovoltaic and other fields. In order to explore the working characteristics and design flow of bi-directional DC / DC converter, STM32 is used as the main controller and bidirectional BUCK / BOOST circuit as the main topology. The lithium-ion battery is used as energy storage device, and the bidirectional DC / DC converter Design and Simulink simulation.

In this thesis, we first study various topologies and compare and compare them. We choose a non-isolated bi-directional BUCK / BOOST circuit with small structure and small side pressure. According to the charge-discharge characteristics of lithium-ion batteries, the first constant current after the constant voltage charging and constant voltage discharge charge and discharge program.

Secondly, the hardware circuit is designed, using STM32F407VGT6 chip as the main control chip, through the software programming 36KHz PWM pulse signal through the IR2104 driver chip driver switch, in order to achieve the entire two-way DC / DC converter circuit control. STM32 internal with A / D converter, through the voltage and current detection circuit in real time feedback bilateral current and voltage values, and thus adjust the output PWM duty cycle, the formation of current and voltage closed-loop control system. Button section can be achieved charge and discharge mode selection and charging current adjustment. LCD display can achieve the current work of the working mode and output current and voltage value of the function.

Finally, Simulink simulation of bidirectional DC / DC converter is carried out. The simulation is divided into buck mode and boost mode. In the step-down mode, the open-loop simulation of the fixed duty cycle and the closed-loop simulation of the negative feedback of the current are carried out. In the boost mode, the open-loop simulation of the fixed duty cycle and the closed-loop simulation of the negative feedback of the voltage are carried out. By comparing the difference between closed loop simulation and open loop simulation output waveform, the correctness and superiority of closed - loop control scheme are proved.

Key Words：Bidirectional BUCK / BOOST； Lithium-ion battery；STM32;；Simulink Simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的目的及意义 1

1.2 锂离子电池国内外研究现状 1

1.3 双向DC/DC变换器国内外研究现状 3

1.4 本毕业设计的任务要求 3

第2章 双向DC/DC变换器基本工作原理 4

2.1 引言 4

2.2 双向DC/DC变换器拓扑结构的选取 4

2.3 非隔离型双向BUCK/BOOST的工作原理 5

2.3.1 BUCK工作模式 5

2.3.2 BOOST工作模式 5

2.3本章小结 6

第3章 锂离子电池充放电设计 7

3.1 锂离子电池工作原理 7

3.2 锂离子电池充放电方案 8

3.3 18650锂电池 10

3.4 本章小结 10

第4章 双向DC/DC变换器系统硬件设计 12

4.1 硬件设计框架 12

4.2 双向DC/DC变换器主电路的硬件设计 12

4.2.1 电感参数计算 13

4.2.2 电容参数计算 15

4.2.3 主电路硬件电路 15

4.2 控制电路硬件设计 16

4.2.1 主控制芯片 16

4.2.3 开关驱动模块 18

4.2.4 按键选择模块 18

4.2.5 显示模块 19

4.2.6 CAN通讯电路设计 19

4.2.7 辅助电源模块 20

4.3 本章小结 20

第5章 双向DC/DC变换器的仿真设计 21

5.1 引言 21

5.2 降压模式仿真 21

5.2.1 开环仿真 21

5.2.2 闭环仿真 23

5.3 升压模式仿真 25

5.3.1 开环仿真 25

5.3.2 闭环仿真 26

5.3 本章小结 28

结论 29

参考文献 30

附录 31

致谢 32

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的及意义

21世纪，全球人口仍然处于一种有增无减的状态，而能源短缺、资源争夺以及环境污染等问题依然没有得到妥善的解决。人们的生产、生活，都需要大量的能源做支持，对于能源的需求量也会愈来愈大，能源危机正威胁着人类的生存和发展，能源结构的更新迫在眉睫。大力发展可再生能源是解决上述问题的一个重要方法。然而一些可再生能源的使用受环境影响较大，如太阳能受光照强度和温度影响较大，风能受天气影响较大等，因此合适的储能设备对于发展可再生能源而言十分重要。

图1.1 简单的光伏发电系统

如图1.1为简单的光伏发电系统。它主要的装置有光伏阵列、逆变器、双向DC/DC变换器、储能装置、能量控制系统。常用的储能装置有蓄电池、锂离子电池、超级电容等。相较于蓄电池，锂电池有无记忆性、能量密度大、充放电次数多等优点。相较于超级电容，锂离子电池充放电是化学反应，充放电时间较长但可进行电流的持续释放，而超级电容的充放电是一个物理过程，因此充放电速度快时间短。综上，本文选取锂离子电池组作为储能装置。