Buck-Boost变换器在车载超级电容能量管理系统中的应用

摘要

随着城市化进程的加快和城市人口的快速增长，城市轨道交通已经变得越来越重要了。在城市轨道交通系统的运营费用中，列车运行的能耗费用所占比例最高，也最引人关注，。如何降低车辆运行能耗，提高电能的利用效率，是人们普遍关心的一个重要课题。根据统计显示，列车的牵引制动能耗占列车运行能耗的90％，辅助系统的能耗仅占10％。为了降低牵引制动能耗，工程界正在尝试使用超级电容等能量管理设备，将车辆制动时反馈回的电能加以存储，在牵引加速时再释放出来以供给正在加速的车辆使用。此外，合适的能量管理设备可以抑制由于列车启动和制动引起电压的波动，保持电网电压的平稳性，从而提高供电质量。
　　本文在对超级电容特性和双向DC/DC变换器拓扑结构分析的基础上，针对城市轨道交通车辆的应用需求，重点研究了双向Buck-Boost变换器，设计了一种适合于车载超级电容能量管理系统的双向DC/DC变换器，并进行了工程验证。本文首先讨论了车载能量管理系统的积极意义，对常见的储能方式进行了分析，重点对超级电容的特性、串联均压问题和充电策略进行了论述，并提出双向DC/DC变换器的研究需求。其次，在对非隔离型和隔离型双向DC/DC变换器的拓扑进行分析比较的基础上，选择了适用于车载超级电容能量管理系统的双向Buck-Boost变换器，并进行了工作原理、PWM发生方式和空间状态模型的详细分析。然后结合工程实际的需要，进行了功率电路、控制电路和控制软件的设计。最后利用试验样机进行超级电容充放电试验，验证了理论分析和工程设计的正确性。

目录

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摘要

1 绪论

1．1 课题背景和意义

1．2 车载能量管理系统

1．2．1 常见储能方式

1．2．2 超级电容器

1．3 双向变换器的提出

1．4 本文的主要研究内容和工作

2 双向Buck-Boost变换器的原理

2．1 双向Buck-Boost变换器的拓扑选择

2．1．1 隔离式双向DC／DC变换器的拓扑分析

2．1．2 非隔离型双向DC／DC变换器的拓扑分析

2．1．3 双向Buck／Boost变换器的选择

2．2 双向BUCK-BOOST变换器的工作原理

2．2．1 双向BUCK-BOOST变换器的主电路拓扑

2．2．2 独立PWM发生方式

2．2．3 互补PW发生方式

2．3 双向Buck-Boost变换器的模型分析

2．3．1 双向Buck-Boost变换器的基本分析方法

2．3．2 双向Buck-Boost变换器的状态空间平均模型

2．4 本章小结

3 双向Buck-Boost变换器的硬件设计开发

3．1 总体设计要求

3．2 功率电路的设计

3．2．1 主电路原理

3．2．2 电感的参数设计

3．2．3 IGBT的选择

3．3 控制电路的设计

3．3．1 数字控制系统基本原理

3．3．2 数字信号处理器的选择

3．3．3 采样检测电路

3．3．4 驱动电路的设计

3．4 本章小结

4 双向Buck-Boost变换器的软件设计

4．1 主程序的流程图

4．2 数字调节器的设计

4．3 模数转换程序的设计

4．4 功率驱动保护中断的设计

4．5 浮点运算能力的提高

4．4 本章小结

5 样机试制及试验结果

5．1 样机试制

5．2 试验波形

5．3 本章小结

结论

参考文献

致谢