中北大学朔州校区
摘要：本次设计通过采用双向DC-DC变换器实现对锂电池的充放电，分为主电路和控制电路两部分。主电路采用了双向半桥DC-DC变换电路，以IR2104作为驱动芯片，PWM波控制功率开关管的导通与关断，同时选择具有低导通内阻、低输入电容的MOSFET开关管，实现同步整流，极大地降低了导通损耗与开关损耗，使得整个系统具有极高的充放电效率。控制电路选择型号为STC12C5A60S2的单片机为主控芯片，利用PWM技术控制开关管的通断，进一步实现控制功率的双向流动，从而实现锂电池的充放电控制；控制电路除了控制部分，还有辅助电路部分，辅助电路主要包括辅助电源模块、采样模块、液晶显示模块、按键模块。本次设计具有体积小、重量轻、成本低的特点。
关键词：开关电源，双向DC-DC变换，同步整流技术，PWM技术
一、发展趋势
近年来，纯电动汽车的比例在整个汽车发展的占比中逐渐提高，对汽柴油市场的影响越来越大，汽车电动化也将会是世界汽车行业未来的转型方向。伴随着电动汽车的技术不断地完善,各类型、各品牌电动汽车在市场上也重新洗牌。除了我国之外，欧洲、日本、美国等在电动汽车的技术发展方面，都有自己的特点。
二、研究内容
在本次设计中，设计了一种双向DC-DC变换器，低压侧为5节锂电池串联而成，高压侧为学生电源，通过设计的变换器实电压的升降。该变换器的主电路以半桥式双向DC-DC拓扑结构为基础，利用同步整流和软开关技术。整体设计而言，系统具有很高的转换效率。除了主电路，通过相应的芯片来实现对电路的控制，实现电路各种模式的相互转换，对低压侧电流、电池组侧电压，高压侧电压进行采样、利用芯片调节，实现电路的动态平衡，使得系统更加稳定。同时在电路中加入了过压保护功能，提高了系统的安全性。
三、双向DC-DC变换器的工作原理
双向DC-DC变换器是单向DC-DC变换器的反向并联运行，变换器两侧的电压极性不变，但变换器中电流的方向可以发生改变。
在电动汽车的发展进程中，双向DC-DC变换器的接入逐渐实现了电动汽车系统中直流能量的双向流动，这一引入使得电动汽车车载内部电路系统得到了极大的优化，能量的流动可以通过占空比、控制移相角进行控制。转换器工作时，两侧的电压极性保持一致。变换器正向运行时，电流方向为顺时针方向；反向运行时，电流方向为逆时针方向。
四、主电路的选择与设计
本次设计中主电路的选择为半桥式双向DC-DC变换电路，在该电路中存在两个开关管和续流二极管，为了实现Boost和Buck模式的转换，将会在电路运行时，使续流二极管和开关管相互交替导通，从而能够实现充电模式、放电模式的相互转换。这种电路的拓扑结构比较简单，优点为可靠性较高、容易控制等，因此在许多开关电源中都有应用。变换器正向工作时，开关管S2工作，S1截止，此时电路即为Boost升压变换电路；反向工作时，开关管S1开关工作，S2截止，此时电路即为Buck降压变换电路[18]。无论正向还是反向,变换器都是通过电感实现能量的储存和传输。
五、驱动电路的选择
在双向半桥DC-DC变换器的拓扑结构中，对两个开关管的控制方式可以选择独立PWM、互补PWM两种控制方式。为了能够使能量的双向流动具有更好的平稳性，要求在控制两个开关管的切换时，利用软开关技术，使得电感的电流变为零，从而减小电路中的损耗。一般而言，独立的PWM控制方式，控制电路复杂，难以解决，而且电路中的量值计算麻烦，因此控制方式不采用独立PWM。相比而言，互补PWM控制方式具有更好的稳定性、可靠性以及高效性。对与本次电路的设计中，可以使用通过IR2104芯片产生互补PWM。
所以在本次系统的设计中，驱动电路可以选择IR2104为驱动芯片。
六、辅助电源模块的设计
在整个电路系统中，除了主电路两侧的电压值，电路中还需要某些特定的电压值，为电路中的一些芯片供电，本次电路中共需要+5v,+12v,-12v三个电压值。经过查找资料，可以分别通过7805和7812产生+5v和+12v的电压。
总体而言，双向DC-DC变换器是基于直流变换技术、为了实现直流的双向流动而产生的一种新型电力电子变换器。在实际应用中可以很大程度上减轻系统的体积、重量及成本，具有很强的应用价值。