基于卡尔曼滤波和增量PID的双向DC―DC变换器 .pdfVIP

摘要：利用单片机控制锂电池的充放电以及升压和降压拓扑电路构成高效双向dc-dc变换

器电路以提高能源利用率。单片机通过控制加法器和运算放大电路反馈端数字电位器阻值以

实现实现输出电流步进可调，通过pid算法控制降压电路的反馈电压微调输出电压值提高输

出电压稳定性，采用电流传感器和电压衰减电路，并结合单片机和卡尔曼滤波算法提高实时

测量系统状态电压、电流测量精度。

关键词：双拓扑；双向dc-dc；高效；卡尔曼

中图分类号：tp274.2文献标识码：a文章编号：1006-4311（2016）03-0117-03

0引言

目前，双向dc-dc变换器转换效率不高、电压和电流稳定性不好，这可能会使得系统稳

定性下降。采用单片机控制双向dc-dc变换器的输入输出电压及电流能有效提高系统稳定性。

单一双向dc-dc变换器是dc-dc变换器的双象限运行，输入、输出电压极性不变，电流方向

可以改变，即使用一个拓扑同时实现升压和降压。但需通过软件形式表达电源中两个开关管

的控制时序，在软件实现上有较大的工作量[1]。

系统具有两个单独的升压和降压电路，通过单片机检测、控制并切换工作状态，达到双

向dc-dc变换的效果，实现对锂电池的充放电功能。

总体设计框图如图1，若要实现电池充放电功能，则需在充电状态时，由稳压电源输出

的高电压经降压电路降至合适的范围输入至电池给其充电；放电状态时，由电池供电经升压

电路升压，输至负载处。期间工作状态的切换由单片机，经测量电路反馈，通过控制继电器，

实现双dc-dc变换。

1dc-dc变换电路设计

1.1降压电路设计

降压电路采用lm2596开关型稳压芯片将稳压电源端输出的30v高电压进行降压。lm2596

能够输出3a的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。可调节输出小于37v的各种

电压[2]。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150khz，与低频开关调

节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需很少的外接器件，可以实现更

稳定的工作状态和更高效的转化率，极大地简化了开关电源电路的设计。lm2596的反馈脚为

恒流源的搭建提供了巨大便利。此外，该芯片价格低廉，工作稳定，是充电降压电路方案的

成熟选择。其降压电路图如图2。

1.2升压电路设计

升压方面采用凌特利尔（linear）的ltc1871升压控制器，该芯片只需极少的外部元件，

是宽输入、电流模式的升压控制器。不同于传统的电流模式控制器，它的电流控制环路可通

过测量功率mosfet两端的压降来测量而省去电流检测电阻的需要，由此最大限度地提高效率。

其升压电路如图3。

2恒流源及电流步进电路设计

利用lm2596的反馈引脚，把并联电压反馈改为串联电流反馈，从而把恒压电路变为恒流

电路，通过一个精密运算放大器构成一级放大后，控制信号vc经由放大器后级构成的加法器，

可将反馈信号传至lm2596的反馈脚，只要控制vc即可实现恒流控制。其电路如图4。其中，

采样电阻rs=0.1ω，通过改变r1和r2的比值以及vc的电压，即可对降压电路进行电流精

确控制，其中vc由单片机d/a提供，每级步进1ma。

3测量电路设计

3.1电压检测电路

考虑到单片机i/o口输入的最高电压为3.3v，而测量的电压最高为38v，为了能够将测

量的电压量输入到单片机的a/d上并且不损坏单片机，采用运放电路，通过最大14.4倍衰

减将电压两衰减至3.3v以下，使得单片机能够安全、准确地测取电压量。

3.2电流检测电路

电流检测方案采用max471电流传感器做精密测量。当max471并联一个2kω的精密电阻

后，进行1a/v的转换比例将电流量转化成电压信号输入至单片机a/d经行采集，最大分辨率

为1ma，可实现对电流的准确测量。电流检测电路如图5。3.3效率测量电路

双dc-dc变换电路在切换不同工作状态时，电路的输入和输出端的极性会对调，所以为

了测出功率，在电池和稳压电源的两段分别设置电压、电流测量点，得到输入、输出功率后

进行效率计算。

4控制系统设计

控制系统由oled、继电器、按键开关、蜂鸣器及外设驱动电路构成。oled实时显示电路

中的各项参数