用于混合储能系统的三半桥隔离式双向DC/DC变换器的研究

摘要

超级电容器与蓄电池的混合储能系统在电动汽车和分布式可再生能源发电系统中的应用，近年来引起了广泛关注。为了使混合储能装置，主电源与负载之间有效地结合起来，目前大多数情况下都是使用多个单输入DC/DC变换器来作为接口电路。然而，通过使用具有多个连接端口的集成功率变换器(被定义为多端口DC/DC变换器，或多输入DC/DC变换器)来取代原来的单输入DC-DC变换器，仅通过一个电力电子变换器就实现了各种可再生能源发电设备，储能装置与负载之间的有效结合，在近年来成为研究热点。 到现在为止，国内外已经对多输入变换器进行了有限的研究，但是所提出的电路拓扑都具有功率流动单向，无电气隔离，硬开关，元器件数目多，效率低以及控制结构复杂等缺点，应用受到限制。本文针对多端口变换器在混合储能系统中的应用问题，在对这些变换器拓扑的优缺点进行综合比较的基础上，选择使用三半桥DC/DC变换器来作为蓄电池-超级电容器混合储能的接口电路。 文中结合三半桥(THB)双向DC/DC变换器在燃料电池电动汽车动力系统中的应用，从正向(Boost)和反向(Buck)两种模式对变换器拓扑的工作原理、换流过程、稳态输出特性和软开关条件进行了详细的理论分析，并且利用saber2007软件对电路在两种模式下的稳态工况和软开关特性进行仿真研究。 本文还致力于研究三半桥DC/DC变换器的数学建模和控制系统设计，通过引入开关函数建立三半桥变换器的简化、降阶型状态空间平均数学模型和线性小信号模型，并且以该小信号模型为基础，构建了变换器的双闭环系统控制结构，通过波特图进行电流内环和电压外环控制系统的设计和优化。由于电流内环系统两个输入端之间存在相互干扰，文中通过进行解耦网络的设计以实现对两个输入电感电流的独立控制。本文还利用Matlab/simulink软件，通过仿真证明了所设计的变换器控制系统具有良好的动态性能和稳态精度。 文中最后进行了三半桥DC/DC变换器硬件电路和数字控制系统设计，研制出以TMS320LF2407A型DSP芯片为控制内核，功率为2kW的三半桥DC/DC变换器实验样机，提出基于DSP软件编程的数字移相调制方法，在此基础上对样机进行了实验验证，实验结果证明了主电路在各种模式下都具有良好的稳态工作特性，功率开关管能够实现ZVS，也表明基于DSP的数字移相控制方案是完全可行的。上述工作为进一步深入研究蓄电池-超级电容器混合储能及其在燃料电池电动汽车能量管理系统中的应用，提供了技术基础。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

致谢

第一章绪论

1.1课题背景和意义

1.1.1储能技术在可再生能源发电系统中的作用

1.1.2储能技术发展简介

1.1.3混合储能系统及其相关技术

1.1.4混合储能系统的研究及应用状况

1.1.5多端口 DC／DC变换器的提出

1.2多端口 DC／DC变换器概述

1.2.1双向DC／DC变换器的原理介绍

1.2.2多端口DC／DC变换器的拓扑连接形式

1.2.3多端口DC／DC变换器的拓扑构成

1.2.4多端口 DC／DC变换器的控制方式

1.3 本文研究的意义和主要工作

1.3.1 本文研究的主要意义

1.3.2本文的主要研究内容

第二章 多端口DC／DC变换器研究状况回顾

2.1 非隔离式DI型DC／DC变换器拓扑

2.1.1 三输入DCI Buck-boost DC／DC变换器

2.1.2 两输入DVI DC／DC变换器

2.2 隔离式MCI型DC／DC变换器拓扑

2.2.1 两输入MCVI反激式DC／DC变换器

2.2.2两输入MCCI电流型全桥DC／DC变换器

2.2.3 两输入MCCI电压型全桥DC／DC变换器

2.3隔离式DI+MCI型DC／DC变换器拓扑

2.3.1 两输入DVI+DCI+MCCI双半桥DC／DC变换器

2.3.2两输入DCI+MCCI型三半桥DC／DC变换器

2.4一种新型的两输入MCCI三端口三半桥(THB)DC／DC变换器

2.5本章小结

第三章三端口三半桥DC／DC变换器的工作原理和软开关条件

3.1燃料电池电动汽车概述

3.1.1燃料电池电动汽车能量管理系统介绍

3.1.2使用混合储能装置的电动汽车动力系统工作模式分析

3.2三半桥(THB)DC／DC变换器主电路工作原理分析

3.2.1主电路拓扑结构分析

3.2.2变换器等效电路

3.2.3变换器换流分析

3.2.4两种模式下的软开关条件

3.3变换器稳态特性分析和设计指导

3.3.1变换器输出特性分析

3.3.2变换器设计指导

3.3.3软开关范围分析

3.4仿真验证

3.5本章小结

第四章三半桥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隔离式三半桥DC／DC变换器的状态空间平均法建模

4.3 基于简化模型的三半桥DC／DC变换器小信号模型

4.3.1 变换器小信号状态方程的推导和等效电路模型的建立

4.3.2小信号传递函数分析

4.4控制系统设计

4.4.1电流内环设计

4.4.2 电压外环设计

4.5燃料电池电动汽车能量管理仿真研究

4.6本章小结

第五章样机参数设计和实验结果

5.1变换器硬件电路主要元器件设计

5.1.1 直流Boost升压电感器设计

5.1.2三绕组变压器设计

5.1.3 电容器选择

5.1.4功率开关管选择

5.1.5 MOSFET驱动电路设计

5.2 变换器控制系统硬软件设计

5.2.1 控制系统硬件设计

5.2.2 控制系统软件设计

5.3 实验结果

5.4 本章小结

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

攻读硕士学位期间发表的论文