电动汽车双向DC_DC变换器的研究.doc

西南石油大学本科毕业设计（论文） 本科毕业设计（论文）开题报告题目：电动汽车双向 DC/DC变换器的研究学生姓名黄健学号0807020329教学院系电气信息学院专业年级电气工程及其自动化2008级指导教师蒋林职称讲师单位西南石油大学9电动汽车双向DC/DC变换器的研究1 毕业论文题目研究的目的与意义1.1 研究目的与意义随着能源、环保等问题的日益突出，研究开发清洁、高效、智能的交通车辆就成了必然的选择，因此电动汽车成为21世纪最具发展前景的新型绿色清洁汽车。电动汽车中的电动机是典型的有源负载，电动机既可以工作在电动状态，又可以工作在再生发电状态，但由于电动机的转速范围很宽，行驶过程中频繁加速、减速，而且在电动汽车运行过程中蓄电池电压的变化范围也很大，在这样的条件下如果用蓄电池组直接驱动电动机转动，就会造成电动机驱动性能的恶化。使用双向DC/DC变换器可以优化电动机控制、提高电动汽车整体的效率和性能，本题目针对应用于电动汽车上双向DC/DC变换器的设计问题进行探讨研究。电动汽车用双向DC/DC变换器一方面可以将蓄电池组的电压在一定的负载范围内稳定在一个相对较高的电压值，从而可以明显提高电动机的驱动性能；另一方面，双向DC/DC变换器又可以将电动汽车制动刹车时由机械能转化而来的电能回馈给蓄电池组，以可控的方式对蓄电池组进行充电，这对于电动汽车有着非常重要的意义。通过双向DC/DC变换器有效地回收制动能量，可使电动汽车的行驶里程大大增加，而且提高了电动汽车整体的效率和性能。1.2 研究现状随着20世纪90年代对电动汽车用双向DC/DC变换器的研究和试验工作，以及开关直流变换器技术的不断发展，为双向DC/DC变换器的发展与研究奠定了基础。目前双向DC/DC变换器的研究主要在电路拓扑结构和建模与控制两个方面。1.2.1 双向DC/DC变换器拓扑结构的研究最初是对不隔离双向DC/DC变换器的拓扑结构进行研究，在6种基本单管DC/DC变换器的开关管上反并联二极管，在二极管上反并联开关管即可构成4种不隔离的双向DC/DC变换器。但为了安全起见，很多应用场合要求在输入和输出之间增加电气隔离环节，因此对隔离式双向DC/DC变换器拓扑结构的研究也得到了快速的发展。此外，还有对软开关双向DC/DC变换器的研究，软开关双向DC/DC变换器的发展，提高了开关管的开关频率，为变换器的小型化和模块化打下了基础。（1）四种不隔离型双向DC/DC变换器1，包括双向Buck-Boost变换器、双向Buck/Boost变换器、双向Cuk变换器、双向Sepic变换器，拓扑结构较为简单，电路元器件数量和种类较少，能实现电流的双向流动，但不能改变电压的极性，变换器工作在第一和第二象限；（2）隔离型双向DC/DC变换器1，如双向正激、反激、推挽和半桥、全桥等变换器型式，图1所示为双向反激式DC/DC变换器拓扑结构。在这几种基本的隔离型双向DC/DC变换器基础上，又出现了多种新型隔离型双向DC/DC变换器，2001年浙江大学陈刚博士在双向反激式DC/DC变换器基础上提出有源钳位双向反激式DC/DC变换器2，实现了所有开关器件的零电流开关，此外还有推挽正激移相式双向DC/DC变换器、移相控制全桥双向DC/DC变换器等拓扑结构8，浙江大学徐德鸿教授等对复合有源钳位和移相控制软开关双向DC/DC变换器也进行了系统的研究1；图1 双向反激式DC/DC变换器拓扑结构（3）软开关双向DC/DC变换器2，如谐振式、准谐振、多谐振和准方波零电压开关双向DC/DC变换器，以及零电压转换型双向DC/DC变换器和有源钳位类双向DC/DC变换器等。1.2.2 双向DC/DC变换器建模与控制方法的研究双向DC/DC变换器为实现稳压输出以及优良的动态性能，需要构成闭环负反馈控制系统。通过状态空间平均法建立变换器小信号模型是分析双向DC/DC变换器的常用方法3，尽管双向DC/DC变换器为非线性电路，但是当变换器运行在某一稳态工作点附近时，电路状态变量的小信号扰动量之间的关系呈现线性特性，就可以当作线性系统来处理。此外还有等效电源平均法和三段PWM开关模型法等建模方法。双向DC/DC变换器的控制方法411主要集中在电压型控制技术和电流型控制技术（峰值电流控制、平均电流控制等）上，而且推出了许多专用的PWM控制芯片，使后续双向DC/DC变换器的应用研究得到成功而快速的发展。2 毕业论文任务概况（1）阅读国内外相关文献，提出两种双向DC/DC变换器拓扑结构设计方案，通过详细比较，选择其中一种双向DC/DC变换器的拓扑结构设计方案；（2）详细分析选定的双向DC/DC变换器的工作原理与运行模式，再依据设计要求，确定所选双向DC/DC变换器的元器件参数与型号；（3）基于PSIM或MATLAB仿真软件，建立双向DC/DC变换器的仿真模型，对变换器工作过程进行仿真，验证理论分析和计算的正确性；（4）在仿真成功的基础上，探讨双向DC/DC变换器的具体实现，主要包括硬件设计和软件设计两部分。3 毕业论文主要研究内容及研究方法3.1 直流直流变流电路基本原理直流直流变流电路是通过开关器件被周期性地接通和断开，将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，它能完成以下功能：直流电幅值变换、直流电极性变换、直流电路阻抗变换和有源滤波等，可应用于直流电机调速、直流焊机、电解电镀电源、开关电源、功率因数校正等场合。图2 DC/DC变换器的一般结构DC/DC变换电路主要有两种脉冲调制方式5：脉冲宽度调制（PWM）方式和脉冲频率调制（PFM）方式。所谓脉冲宽度调制方式，是一种在整个工作过程中开关频率不变，而开关接通的时间按照要求变化的方法；所谓脉冲频率调制方式，是一种在整个工作过程中开关接通的时间不变，而开关频率按照要求变化的方法。这两种方法都可以改变开关接通的占空比，从而调节输出电压。由于脉冲宽度调制方式中，输出电压中的谐波频率恒定，不会随占空比的变化而变化，输出滤波较容易，因此在DC/DC变换电路中常用的控制方法是脉冲宽度调制（PWM）。DC/DC变换器输出电压中通常除了直流分量外，还包括开关频率及其倍数次的谐波，在实际应用中必须将这些谐波滤除，而谐波频率越高，滤波越容易，因此在DC/DC变换电路中，开关频率一般都较高。3.2 双向DC/DC变换器的拓扑结构DC/DC变换器是将一种直流电转换成另一种或多种直流电的电能变换器，是直流开关电源的主要部件。DC/DC变换器按输入与输出间是否有电气隔离可分为2类，即不隔离的DC/DC变换器和有隔离的DC/DC变换器。不隔离的基本单管DC/DC变换器共有6种，即Buck直流变换器、Boost直流变换器、Buck/Boost直流变换器、Cuk直流变换器、Sepic直流变换器、Zeta直流变换器；有隔离的DC/DC变换器有正激、反激、推挽、半桥和全桥等型式。单向工作的DC/DC变换器只能将能量从一个方向传到另一个方向，双向DC/DC变换器则可以实现能量的双向传输。双向DC/DC变换器也可以分为不隔离型和隔离型两类。6种不隔离的基本单管DC/DC变换器可构成4种不隔离的双向DC/DC变换器，即双向Buck-Boost变换器、双向Buck/Boost变换器、双向Cuk变换器、双向Sepic变换器，这4种双向DC/DC变换器只能实现电流的双向流动，不能改变电压的极性，即在以电压和电流为坐标的平面内，变换器工作在第一和第二象限。隔离型双向DC/DC变换器也是由单向隔离DC/DC变换器构成，例如双向正激变换器、双向反激变换器、双向推挽和半桥变换器、双向全桥变换器等。本次毕业设计的首要任务就是确定双向DC/DC变换器的拓扑结构，即先通过比较分析确定是选择不隔离型双向DC/DC变换器，还是选择隔离型双向DC/DC变换器，其次提出2种具体的双向DC/DC变换器拓扑结构方案，通过综合比较，选定一种最优的双向DC/DC变换器拓扑结构方案；然后详细分析所选定的双向DC/DC变换器的工作模式，再依据设计要求，确定双向DC/DC变换器的元器件参数和型号；在此基础上基于PSIM或MATLAB仿真软件，建立双向DC/DC变换器的仿真模型，对其正、反向工作过程进行仿真；最后探讨双向DC/DC变换器的具体实现。3.2.1 不隔离型与隔离型双向DC/DC变换器的比较（1）隔离型双向DC/DC变换器结构复杂，所用的元器件数量和种类比较多，相对而言，不隔离型所用的元器件数量和种类都较少；（2）隔离型双向DC/DC变换器通常采用变压器实现电气隔离，由于受到变换器体积的限制，隔离型必须采用高频变压器，相应的开关管一般应采用功率MOS管，而不隔离型则可以采用IGBT作为开关器件，具有驱动简单、速度高、通态压降低、耐压高和可以承受大电流等优点；（3）由于MOS管导通压降高于IGBT，因此隔离型双向DC/DC变换器中MOS管的导通损耗将高于不隔离型中IGBT的导通损耗；（4）不隔离型双向DC/DC变换器可以很容易地通过与其他开关器件相配合采用一套DC/DC变换器来实现能量的双向传输，而隔离型双向DC/DC变换器则难以采用一套变换器来实现，采用两套变换器会使整个变换器体积增大。通过对不隔离型和隔离型双向DC/DC变换器拓扑结构的比较分析，确定本次毕业设计采用不隔离型的双向DC/DC变换器6。3.2.2 双向DC/DC变换器的2种拓扑结构方案下面2种双向DC/DC变换器拓扑结构方案均为不隔离型，相对隔离型而言，变换器结构较为简单、清晰，采用的元器件也较少，可以满足设计要求，同时满足电动汽车对于安装体积和成本的要求。方案一：双向Buck-Boost变换器图3 双向Buck-Boost变换器拓扑结构双向Buck-Boost变换器中的两只开关器件S1和S2采用互补PWM工作方式，即S1导通时S2截止，S2导通时S1截止，为了防止S1、S2同时导通，两者之间必须有死区时间。而且双向Buck-Boost变换器的输入输出电压极性相同，电流可逆，变换器工作于第一和第二象限。双向Buck-Boost变换器有三种工作方式：第一种是正向升压工作方式，当电池组向电动机供电时，双向Buck-Boost变换器就成为单向Boost变换器，此时开关器件S1和D1工作，S2和D2不工作，将电池组的电压升高以提供给逆变器一个稳定的直流电压，并且降低了电动机的电流纹波，能量从左至右流动；第二种是反向降压工作方式，当电动机处在再生制动状态时，双向Buck-Boost变换器就成为单向Buck变换器，此时开关器件S2和D2工作，S1和D1不工作，将逆变器侧的直流电压降低以对电池组安全充电，能量从右向左流动；第三种是交替工作方式，在一个开关周期内，正向升压工作方式和反向降压工作方式交替进行，电感电流出现正负交替。无论是正向升压工作方式，还是反向降压工作方式，当两只开关器件S1和S2采用互补PWM工作方式时，输入与输出间的电压关系都是相同的，说明双向Buck-Boost变换器有很好的可逆性。方案二：双向Cuk变换器图4 双向Cuk变换器拓扑结构双向Cuk变换器中的两只开关器件S1和S2也采用互补PWM工作方式，即S1和S2互补导通，两者之间有死区时间，但该变换器的输入和输出电压极性相反。双向Cuk变换器也有有三种工作方式：第一种是正向工作方式，此时开关器件S1和D1工作，S2和D2不工作，电池组向电动机供电，相当于单向Cuk变换器的电流连续工作方式，能量从左至右流动；第二种是反向工作方式，此时开关器件S2和D2工作，S1和D1不工作，变换器对电池组充电，相当于单向Cuk变换器的电流连续工作方式，能量从右至左流动；第三种是交替工作方式，在一个开关周期内，正、反向工作方式交替进行，能量左右交替流动。无论采用哪种工作方式，双向Cuk变换器输入与输出间的电压关系都是相同的，可逆性也较好。3.2.3 双向DC/DC变换器拓扑结构方案比较与确定上述两种双向DC/DC变换器拓扑结构方案都能满足设计要求，以及电动汽车对于安装体积和成本的要求，但两者之间也存在较多不同之处，需要通过比较分析选定一种最优的双向DC/DC变换器拓扑结构方案。两种双向DC/DC变换器拓扑结构的比较分析6：（1）双向Buck-Boost变换器拓扑结构相对双向Cuk变换器而言，结构较为简单，元器件数量也较少；（2）双向Buck-Boost变换器通过电感来实现能量的储存和传输，属于电感储能式变换器，而双向Cuk变换器是通过电容来实现能量的储存和传输，属于电容储能式变换器，因此双向Buck-Boost变换器可以节省一只大容量高额定电压的传递电容；（3）双向Buck-Boost变换器中的开关器件IGBT和二极管的电压、电流应力都比双向Cuk变换器的小，因此在相同的条件下，双向Buck-Boost变换器可以选择电压、电流额定值较小的开关器件；（4）双向Buck-Boost变换器中有源元件的导通损耗比双向Cuk变换器的小，在一定程度上可以提高变换器的整体效率；（5）双向Buck-Boost变换器的输入输出电压极性相同，电流可逆，而双向Cuk变换器的输入输出电压极性相反，并不适合于在电动汽车上应用。通过对上述两种双向DC/DC变换器拓扑结构的详细比较分析，可以看出双向Buck-Boost变换器拓扑结构最优，因此本次毕业设计选定双向Buck-Boost变换器。3.3 双向DC/DC变换器的电路参数设计与元器件选型通过各方面详细的分析比较后，决定采用双向Buck-Boost变换器拓扑结构，下面的主要任务就是根据本次双向DC/DC变换器设计指标（原始数据），通过理论计算确定双向Buck-Boost变换器拓扑结构中的元器件参数，再由元器件参数确定元器件型号。确定变换器元器件参数与型号是本次毕业设计过程中的一个重点和难点，涉及到具体的理论计算方法和选择元器件型号的方法，因此目前就存在两个问题，第一是如何根据技术指标计算元器件参数，暂时还没有找到计算元器件参数的计算依据式；第二就是如何在确定好元器件参数的基础上如何选择元器件的型号，由于自己缺乏一定的工程背景，选型时需要考虑哪些方面的选型原则还不是很清楚。3.4 双向DC/DC变换器的仿真分析在双向Buck-Boost变换器拓扑结构元器件参数确定之后，就可以基于PSIM或MATLAB仿真软件对双向Buck-Boost变换器进行仿真研究与分析，首先要建立双向Buck-Boost变换器的仿真模型，其次是设置仿真模型的参数，包括主电路和控制电路的仿真参数，最后对双向Buck-Boost变换器的正、反向工作过程进行仿真，验证理论分析和计算的正确性。图5 双向DC/DC变换器系统结构简图双向Buck-Boost变换器的仿真建模过程，基本就按照图5所示的双向DC/DC变换器系统结构简图来进行，在主电路的基础上形成闭环控制，以稳定输出电压和获得优良的动稳态性能。对双向DC/DC变换器的仿真分析中，会存在以下难点：第一是双向Buck-Boost变换器控制电路仿真模型的建立，如建模的具体方法、采用何种控制方式等，相对于主电路建模而言较为困难，因此在本次毕业设计中，我初步打算较为详细的研究一下双向DC/DC变换器的控制方法；第二是如何设置控制器的仿真参数，这是整个仿真过程中极为重要的一个环节，关系到整个仿真分析的成功与否。4 预期结果（1）按照任务要求完成全部设计内容，达到预期的设计指标；（2）完成2万余字的毕业设计报告（论文），包括装订规范的报告（论文）的打印件和电子文档；（3）完成毕业设计（论文）的中英文摘要和与设计题目相关的外文资料翻译。5 时间进程安排（1）2012.4.162012.4.29（第910周），完成电路设计和相关参数计算，以及元器件选型等；（2）2012.4.302012.5.13（第1112周），基于PSIM或MATLAB仿真软件对双向DC/DC变换器进行仿真研究，调整控制器的参数，以满足设计要求；以及阅读相关外文资料等；（3）2012.5.142012.5.27（第1314周），探讨双向DC/DC变换器