动力电池测试模拟仪器双向功率变换系统研究与设计

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动力电池是电动汽车的“心脏”,对驾驶性能和整车安全性的影响不容忽视。动力电池测试与模拟仪器是电池研发、生产制造、成组应用及电机测试等过程中的必备设备,十分重要。在动力电池测试模拟仪器中,双向功率变换系统直接对电池进行充放电,是完成能量双向流动的核心。无论是电网侧对其并网电能质量,还是负载端对其输出响应和电能品质等方面,都有严格要求。因此,研发高性能双向功率变换系统,是确保电池测试模拟仪器安全可靠运行的基石和关键。本文针对动力电池测试模拟仪器的双向功率变换系统开展研究和设计,并研制系统样机验证所提出的相关理论和技术。主要体现在以下几个方面:首先,阐述了双向功率变换系统的拓扑设计方案。根据系统性能指标提出三级功率拓扑结构方案。针对并网侧双向AC/DC变换器,基于开关函数构建了时域连续模型,分析了不同开关模式下的电流通路。针对负载侧双向DC/DC变换器,推导了 Buck-boost拓扑的占空比模型,详细阐述了三重化交错并联和双极性结构设计的基本工作原理。其次,研究了双向功率变换系统的调制和控制策略。针对并网侧双向AC/DC变换器,提出了正负序分量解耦的锁相环方案,解决了网侧电压不平衡的不良影响,进而分析了基于SVPWM调制的双闭环PI控制策略;同时,推导了双向AC/DC变换器的时域离散模型,提出了基于电流内环MPC算法的混合控制策略,动态响应特性好。针对负载侧双向DC/DC变换器,分析双极性结构同步载波调制方式下地线电流的数学特性,提出了基于异步载波调制的地线电流抑制策略。再次,完成了双向功率变换系统的软硬件设计。硬件方面,介绍了双向AC/DC控制板硬件电路,并详细分析了双极性交错DC/DC变换器的输出电感和输出电容等功率器件的参数选取原则。软件方面,提出了基于CPU和CLA的双核DSP任务协同处理思想,设计了软件编程相关的流程图实现方案。最后,搭建了基于SiC MOSFET的50kW双向功率变换系统实验样机。完成了双向AC/DC变换器并网双闭环调试和三重化双极性DC/DC变换器电感电流调试。样机的各项输出特性测试,达到了预期性能指标要求。
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