混合动力燃料电池机车双向DC/DC变换器研究

摘要

燃料电池在各个域已经有了一定的应用，若将燃料电池技术应用于轨道交通方面，研制出高效环保的新型机车，便可极大促进轨道交通的发展。但燃料电池在面对剧烈变化负载时，难以快速调节自身功率，故单独使用时无法满足机车工作时功率需求变化快的要求，因此迫切需要性能能与之互补的储能装置辅助。磷酸铁锂电池或超级电容器等储能设备可作为燃料电池的辅助储能装置，通过双向DC/DC变换器接入直流母线。
　　本文针对混合动力燃料电池机车系统使用的双向DC/DC变换器展开研究，简介了国内外燃料电池机车的发展现状，叙述了混合动力燃料电池机车系统中，辅助储能装置的必要性与常用储能设备的选择。论述了辅助储能装置与母线之间所需双向DC/DC变换器电路结构设计、器件参数计算与实物总体布局。针对变换器可能处于的工作条件与自身硬件，设计了电压环电流环并联选择控制、不同于传统电压外环电流内环的控制方法。利用MutiCAN通讯协议，编写外部上位机控制软件，利于前期调试以及后期实际运行时的人工监测与干预。采用Matlab/Simulink搭建系统模型进行仿真，获取双向DC/DC变换器在各种条件下运行情况，初步验证理论。最后，利用现有实验设备，尽可能完成对应于仿真条件的实际运行实验，验证双向DC/DC变换器硬件系统、控制软件系统以及上位机监控软件的有效性、正确性。
　　实验结果表明，本文所设计双向DC/DC变换器很好地达到了设计要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 燃料电池

1．3 辅助能源

1．3．1 蓄电池储能

1．3．2 超级电容储能

1．3．3 超导储能

1．3．4 飞轮储能

1．4 国内外发展现状

1．4．1 国外燃料电池机车发展现状

1．4．2 我国燃料电池机车发展现状

1．4．3 双向DC／DC变换器现状

1．5 本论文的意义

1．6 本设计的主要任务

第2章 双向DC／DC变换器硬件设计

2．1 拓扑选型

2．2 Buck／Boost型双向变换器工作原理

2．3 主电路结构与器件参数设计

2．3．1 输入熔断器

2．3．2 主接触器

2．3．3 充电限流电阻与充电接触器

2．3．4 差模电感和差模电容

2．3．5 低压端电容

2．3．6 输入电流传感器

2．3．7 主电感计算

2．3．8 开关管选择

2．3．9 高压端电容计算

2．4 结构布局

第3章 双向DC／DC变换器控制器设计

3．1 控制电路设计

3．2 控制方案设计

3．2．1 输出脉冲控制

3．2．2 其他控制

3．3 XE162FN单片机性能简介

第4章 双向DC／DC变换器的仿真分析

4．1 典型功率Buck方向运行仿真

4．2 典型功率Boost方向运行仿真

4．3 Boost方向负载突变仿真

4．4 小电压额定电流超级电容充电仿真

4．5 采用超级电容储能的内置简易能量管理运行仿真

4．6 额定电压小容量锂电池充电仿真

4．7 采用锂电池储能的内置简易能量管理运行仿真

第5章 上位机控制软件

5．1 上位机控制软件的程序结构

5．2 上位机软件说明

第6章 双向DC／DC变换器的实验分析

6．1 典型功率Buck方向运行实验

6．2 典型功率Boost方向运行实验

6．3 Boost方向负载突变实验

6．4 小电压额定电流超级电容充电实验

6．5 采用超级电容储能的内置简易能量管理运行实验

6．6 额定电压锂电池充电实验

结论

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位论文期间发表论文情况