电动汽车用三端口隔离式双向DC-DC变换器的研究

摘要

多端口DC／DC可用于混合能量系统中连接不同的电源和储能装置,已成为近年来DC／DC变换器研究的热点。本文以电动汽车为应用背景,采用蓄电池和超级电容器混合储能实现电动汽车刹车制动时能量的回馈。
　　 主拓扑采用三全桥双向DC／DC变换器来作为蓄电池-超级电容器的混合储能接口电路。为了减小蓄电池和超级电容器充放电的电流纹波,采用电流型全桥单元连接变压器三个端口,即电流型三全桥双向DC／DC变换器。由于传统的控制方式是采用变压器各个端口电压波形的移向角来控制三端口功率传送的大小和方向,超级电容器端电压变化范围较大,使得系统调节和软开关性能受到很大影响。因此提出采用超级电容器侧占空比加移相角的控制方式。
　　 首先根据双全桥(DAB)DC／DC变换器中变压器两侧矩形电压波形的占空比D和移向角φ的大小将DAB变换器分为三种不同的工作模式,并分析计算出每种模式下变压器漏感电流和所传输的功率大小和软开关条件。在对DAB变换器分析的基础上引出三全桥(TAB)DC／DC变换器的四种工作模式,即双内部模式、内外部模式、外外部模式和外内部模式。对TAB变换器在双内部模式下的稳态和动态性能进行分析,通过仿真软件Saber2007对稳态工况和软开关特性进行了仿真研究。
　　 根据一个周期内的TAB变换器的工作模态,用状态空间平均建模法建立三全桥DC／DC变换器的状态空间平均模型,并在此基础上求得D=1情况下变换器的小信号模型和小信号传递函数。设计电流内环解耦网络以实现对两个输入电感电流的独立控制,进行三全桥DC／DC变换器控制系统的设计并使用Matlab／simulink搭建闭环模型,进行仿真。
　　 最后根据仿真和分析的要求,进行三全桥DC／DC变换器硬件电路设计。研制出以TMS320LF2407A型DSP芯片为控制内核,功率为1.6kW的数字移相控制三全桥DC／DC变换器实验平台,对变换器系统进行实验研究。验证了上述对三全桥DC／DC变换器的分析结果。
　　 论文中还对一些有待继续研究的问题提出了设想。

目录

文摘

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致谢

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第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.1.1 储能技术在新能源发电系统中的应用

1.1.2 各种储能技术简介

1.1.3 混合储能技术的研究及应用

1.2 多端口DC/DC变换器概述

1.2.1 多端口DC/DC变换器的提出

1.2.2 多端口双向DC/DC变换器拓扑结构

1.2.3 DC/DC变换器的控制

1.3 多端口DC/DC变换器研究状况

1.3.1 双输DC/DC变换器

1.3.2 两输入电流型三端口三半桥(THB)DC/DC变换器

1.3.3 两输入全桥DC/DC变换器

1.4 本文主要研究内容

第二章 三全桥双向DC/DC变换器的工作原理

2.1 电动汽车系统概述

2.1.1 电动汽车储能系统介绍

2.1.2 带有混合储能装置的电动汽车驱动系统工作模式分析

2.2 双全桥双向(DAB)DC/DC变换器

2.2.1 双全桥DC/DC变换器的工作原理

2.2.2 双全桥DC/DC变换器内部模式下的稳态性能分析

2.2.3 双全桥DC/DC变换器软开关性能分析

2.3 三全桥(TAB)DC/DC变换器拓扑

2.3.1 三全桥主电路拓扑结构

2.3.2 变换器等效电路

2.3.3 三全桥DC/DC变换器能量流动和控制方式

2.4 三全桥双向(TAB)DC/DC变换器换流分析

2.4.1 三全桥变换器工作模式

2.4.2 三全桥变换器正向升压(Boost)情况下换流分析

2.4.3 三全桥变换器反向降压(Buck)情况下换流分析

2.5 本章小结

第三章 TAB变换器稳态特性和软开关条件

3.1 TAB变换器稳态特性分析

3.1.1 等效变压器漏感电流

3.1.2 TAB变换器各端口功率大小

3.2 TAB变换器软开关条件分析

3.3 TAB变换器设计指导

3.3.1 高频变压器漏感选择

3.3.2 开关管应力分析

3.3.3 输入电感设计

3.4 仿真验证

3.5 本章小结

第四章 隔离式三全桥DC/DC变换器的建模与控制

4.1 电力电子电路建模概述

4.2 隔离式三全桥双向(TAB)DC/DC变换器的建模

4.2.1 TAB变换器的状态空间平均模型

4.2.2 TAB变换器小信号模型推导

4.2.3 TAB变换器小信号传递函数分析

4.3 TAB变换器控制系统设计

4.3.1 TAB变换器电流内环解耦设计

4.3.2 电流内环调节器设计

4.3.3 电压外环调节器设计

4.4 TAB变换器仿真分析

4.4.1 电流内环设计仿真研究

4.4.2 电压外环设计仿真研究

4.5 本章小结

第五章 TAB变换器硬软件设计和实验结果

5.1 系统描述

5.2 TAB变换器控制系统整体框图

5.3 TAB变换器控制系统硬件设计

5.3.1 MOSFET驱动电路设计

5.3.2 直流电压采样电路

5.3.3 输入电感电流采样电路

5.3.4 过电压/电流硬件保护

5.4 TAB变换器控制系统软件设计

5.4.1 主程序模块设计

5.4.2 中断程序模块设计

5.4.3 基于TMS320LF2407A的PWM脉冲生成方法

5.5 实验结果

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 进一步展望

参考文献

附录一 三 全桥DC/DC变换器各种模式下的状态空间平均模型

附录二 三 全桥DC/DC变换器开环传递函数表达式值

附录三 三 全桥DC/DC变换器状态空间平均模型Matlab/simulink开环仿真框图

附录四 三 全桥DC/DC变换器实验平台

攻读硕士学位期间发表的论文