【摘 要】
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车载双电源系统是一种新型的汽车能源供电系统,可以提升汽车配电系统的可靠性与实用性,并解决原车单电源供电系统无法接入大功率用电设备的问题。双向DC-DC变换器作为车载双电源系统的核心部分,能够根据发电机的运行状态及电池的荷电状态,控制系统中的能量进行双向流动。传统双向DC-DC变换器功率密度低,且只能进行单一方向上的升压或降压,无法适应输入和输出电压变化范围较宽的场合。为此,本文以四开关Buck-B
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车载双电源系统是一种新型的汽车能源供电系统,可以提升汽车配电系统的可靠性与实用性,并解决原车单电源供电系统无法接入大功率用电设备的问题。双向DC-DC变换器作为车载双电源系统的核心部分,能够根据发电机的运行状态及电池的荷电状态,控制系统中的能量进行双向流动。传统双向DC-DC变换器功率密度低,且只能进行单一方向上的升压或降压,无法适应输入和输出电压变化范围较宽的场合。为此,本文以四开关Buck-Boost变换电路（Four Switches Buck-Boost Converter,FSBB）为双向DC-DC变换器的基本拓扑,对其工作原理和控制方法展开了深入的研究,并进行了相应的实验与分析。为减小输入/输出电压/电流纹波,并提高变换器的功率密度,研究了基于两相交错并联技术的双向DC-DC变换器。深入分析了变换器在Buck模式、Boost模式和Buck-Boost模式的电路工作模态和电路的工作波形,计算了变换器在不同工作模式下的电感电流纹波ΔiL1、ΔiL2和充电电流纹波Δicharge1;根据变换器的具体参数,设计了储能电感和输入/输出滤波电容,并选择了开关器件的型号。为提升双向DC-DC变换器的动态性能,满足恒流与恒压充电方式下对电压电流的精确控制要求,研究了变换器在不同工作模式下的控制策略。建立并分析了交错并联双向DC-DC变换器的交流小信号模型与控制框图,并从系统鲁棒性能和动态响应性能最优的角度出发,设计了Buck与Boost模式下电压电流的闭环控制器。仿真与实验结果表明,无论是工作于恒流充电方式还是恒压充电方式,控制器的电流内环与电压外环均有较好的鲁棒性和动态响应速度。为避免双向DC-DC变换器在模式切换时产生的电压电流尖峰影响系统的可靠运行,研究了变换器不同工作模式之间的平滑切换方法。设计并分析了双向DC-DC变换器软件控制系统的运行流程,阐明了变换器充电方向选择的依据以及恒流恒压充电方式切换的判定条件,据此确定了双向DC-DC变换器升压与降压模式平滑切换的控制策略。仿真与实验结果表明该控制策略实现了不同充电方式之间的判定,解决了升压与降压模式切换时输出电压增益不连续的问题。为验证所制定方案的可行性,搭建了1k W双向DC-DC变换器电池充放电实验平台。设计了双向DC-DC变换器的硬件外围电路,进行了升降压三模式下的效率测试与蓄电池和锂电池充放电曲线的测量。实验结果表明双向DC-DC变换器满载时的最低效率为93.6%,可以实现恒流与恒压阶段式充电控制策略,满足实际设计要求。本文所研究的基于交错并联技术的双向DC-DC变换器实现了原车电瓶和锂电池之间的能量可控双向流动,为车载双电源系统的协调运行奠定了基础。
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