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1、用于电动汽车的双向DCDC变换器研究与仿真南京邮电大学 毕 业 设 计（论 文）题 目用于电动汽车的双向DC-DC变换器研究与仿真专 业学生姓名班级学号指导教师指导单位 日期： 年 月 日至 年 月 日毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文），是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。 论文作者签名： 日期： 年 月 日摘 要随着能源、环保等问题的日益突出，电动汽车成为近年来发展迅速的一种新型汽

2、车，是21世纪最具有发展前途的绿色清洁汽车。电动汽车是用电池替代传统的汽油作为车载能源的，然而在现有的技术条件下，动力电池的性能是电动汽车发展的主要瓶颈。双向DC-DC变换器可以优化电动机控制、提高电动汽车整体的效率和性能。针对双向DC-DC变换器存在的开关损耗高等问题，本文研究了一种隔离型双向软开关DC-DC变换器。在介绍变换器工作原理的基础上，本文着重分析了电压、电流的变化规律，特别是推导出各开关元件实现软开关的条件及其数学表达式，并得到了实现软开关的通用条件。最后通过Saber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，仿真结果证明根据该通用条件设计的变换器能够在大负载范围

3、内实现软开关。关键词：双向DC-DC变换器；PWM控制；移相控制；软开关ABSTRACTElectric Vehicle(EV) becomes a kind of new, fast-developing vehicle in the last years, which has the best future as a green vehicle, as the problems of energy and environment are becoming more and more serious in the 21st century. The energy in EV is provi

4、ded by storage batteries instead of traditional gasoline and the development of EV are limited by the capacity of its storage batteries with current technologies. It can improve the performance of the storage batteries and the working efficiency of driving systems by using bidirectional DC/DC conver

5、ter in Electric Vehicle at present.A soft switching bi-directional DC/DC converter was developed to reduce switching losses. Operation principle of the proposed converter is introduced. The soft switching principle is also introduced briefly. On the basis of the operational analysis, the characteris

6、tic of the voltage and current is illustrated and the ZVS conditions of the different switches are also given in detail. What is more, the formula of the universal ZVS condition for all the switches is specially deduced to simplify the four ZVS conditions into one formula for the convenience of the

7、design. And the steady state conditions and soft switching characteristic of the circuit in those two operating mode，are demonstrated by the Saber, experimental results obtained from the converter are shown to verify the validity of the universal ZVS condition.Key words: Bi-Directional DC/DC convert

8、er; PWM control; Phase-shift control; Soft switching 目 录第一章 绪论 11.1课题背景和意义 11.2双向DC-DC变换器概述 21.2.1双向DC-DC变换器的原理 21.2.2双向DC-DC变换器的拓扑结构 31.2.3双向DC-DC变换器的控制方式 51.3双向DC-DC变换器在电动汽车上的应用 61.4论文的主要研究内容和结构 9第二章 双半桥双向DC-DC变换器工作原理与结构分析 112.1电动汽车双向DC-DC变换器 112.1.1燃料电池电动汽车能量管理系统 112.1.2蓄电池燃料电池电动汽车动力系统工作模式分析 122.

9、2双半桥双向DC-DC拓扑结构的选择与分析 122.2.1主功率拓扑的选择 122.2.2控制方案选择 132.2.3拓扑电路的分析 132.3变换器等效电路 142.4变换器换流分析 162.4.1正向工作模式 162.4.2反向工作模式 182.5正向/反向模式下的软开关条件 192.6本章小结 19第三章 双半桥双向DC-DC变换器稳态特性分析与设计 203.1双向变换器输出特性分析 203.2变换器设计 223.2.1变压器漏感选择 223.2.2开关管应力分析 233.2.3输入电感设计 243.3本章小结 24第四章 仿真验证 25结束语 28致 谢 29参考文献 30第一章 绪论

10、1.1 课题背景和意义当今世界，环境和能源问题成为世界各国关心的热点问题。随着环境污染和能源危机的日益严重，世界各国采取了提高能源利用率、改善能源结构、探索新能源、发展可再生能源等措施，以实现能源的可持续发展与和谐发展1。2006年开始实施的可再生能源法，把能源作为国家发展战略的重点，将可再生能源发电提高到战略高度，并通过国家立法，为其发展和应用提供支持和保障。全国政协副主席、科技部部长万钢在2009中国汽车产业发展国际论坛上说，电动汽车作为新一轮经济增长突破口和实现交通能源转型的根本途径，已经成为世界各主要国家和汽车制造厂商的共同的战略选择。在各国政府的大力推动下，世界汽车产业进入了全面的交

11、通能源转型时期，越来越多的企业已经自觉把发展新能源汽车、节能环保汽车、电动汽车作为今后发展的目标，共识正在形成，转型已经起步。我国在“十五”将混合动力电动汽车作为重点攻关项目，明确了我国的电动汽车发展重点：燃料电池汽车发展居首位，第二为混合动力电动汽车，兼顾纯电动汽车的基本原则。明确提出“三横三纵”的研发布局。在能源枯竭、环境恶化的大背景下，这些“利好”消息无不透露出电动汽车的春天信息。“以电代油”的电动汽车也因此站在了全球汽车产业竞技的制高点2。可以预见，电动汽车产业链将以生产电动汽车的整车厂商为核心，向上下游延伸，受益方包括整车及能量转换和管理的DC-DC变换设备。目前电动汽车电能动力系统

12、动态性能差、不支持能量的双向流动（不能吸收汽车制动过程中产生的电能）的特点使得其作为动力源完全独立的为车辆行驶提供动力还不完善。因此多能源匹配构成动力系统成为目前可行的方案。然而，各种辅助能量装置的电气特性往往有很大差异，如何使这种由各种能量装置构成的混合动力系统能够稳定的、可靠的、高效的工作，成为提高电动汽车动力性能的关键问题3。双向DC-DC变换器是电动汽车（包括燃料电池电动汽车、混合动力电动汽车、纯电动汽车等）系统的动力系统重要部件，是构成能量双向流动实现能量有效管理和改善动力性能等不可缺少的关键环节。目前各种电动汽车所使用的大功率DC-DC变换器存在着自身的功率损耗较大，能量转换效率较

13、低等问题。而且大部分方案往往没有考虑燃料电池等电源较软的输出特性。设计出符合燃料电池等输出特性的大功率DC-DC变换器，不但可以改善燃料电池的输出特性，而且还可以更加有效的保护燃料电池，延长燃料电池的寿命4。本文结合PWM移相控制策略，设计双端口双半桥拓扑的小功率双向DC-DC变换器。有效地选取和调节变换器的各个参数，不仅关系到燃料电池和整车系统的正常运行， 而且也关系到整个燃料电池轿车的动力性能、能源利用效率及其他控制系统的稳定可靠运行。研究高效隔离式双向DC-DC变换器对于燃料电池电动汽车的开发研制具有十分重要的理论意义和工程应用价值。1.2 双向DC-DC变换器概述DC-DC变换器将输入

14、的直流电压，经过高频斩波或高频逆变后，通过整流和滤波环节，转换成所期望幅值的直流电压。它在新能源利用、家用电器、工业控制、通信、国防、交通等领域都有广泛的应用。2.1.1 双向DC-DC变换器的原理双向DC-DC变换器是指在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，能够根据需要调节能量传递方向，实现电能双向流动的直流变换器5。如图1-1所示是双向DC-DC变换器结构图。图1-1 双向DC-DC变换器结构双向DC-DC变换器置于电源和之间，控制其间的能量传递。和分别是和的平均输入电流。根据实际需要，可以通过双向DC-DC变换器的控制器控制功率流向：使能量从传输到，称为正向工作模式，此时为负，为正

15、；使能量从传输到，称为反向工作模式，此时为正，为负。双向DC-DC变换器实现了能量的双向传输，在功能上相当于两个单向DC-DC变换器。在需要双向能量流动的应用场合可以大幅度减轻系统的体积重量及成本，现已被广泛应用于UPS系统、航天电源系统、电动汽车驱动及蓄电池充放电维护等场合6。一般来说，双向DC-DC变换器可分为隔离式和非隔离式2种，其中隔离式的双向DC-DC变换器应用较多，电路拓扑有多种变化形式，前人在这一领域也做了不少研究工作。2.1.2 双向DC-DC变换器的拓扑结构同传统单向直流变换器一样，双向直流变换器分为隔离型和非隔离型两大类。下面分别列出了四种典型的非隔离型双向DC-DC变换器及其他几种改进的双向DC-DC变换器拓扑结构。如图1-2所示是四种典型的非隔离型电路拓扑结构，分别是双向Buck/Boost变换器、双向半桥变换器、双向Cuk变换器以及双向SEPIC变换器，相对于隔离的变换器拓扑而言，其电路比较简单，采用的元器件相对较少。(a) 双向Buck/Boost变换器(b) 双向半桥变换器(c) 双向Cuk变换器(d) 双向SEPIC变换器图1-2 四种典型的非隔离型双向DC-DC变换器双向DC-DC变换器同样有反激式(Flyback)、正激式(Forward)、推挽式(Push-pull)、桥式(Bridge)、电流馈式(Curr