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电池化成用高变比双向直流变换器的研究

作　者: 李岩
导　师: 张维戈
学　校: 北京交通大学
专　业: 电气工程
关键词: 电池化成双向DC/DC变换器双向半桥倍流变换器双向Buck-Boost变换器小信号模型
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着电池在电动汽车、储能、通信、航空航天等领域的广泛应用,对大容量动力电池的需求也在逐年大幅增加。电池化成作为电池生产过程中的关键工序,对电池的品质、质量和生产成本有直接的影响,而电池化成充放电电源是电池化成质量的根本保证。为了在大规模的电池生产过程中提高电池的循环寿命、节约能源、降低生产成本,本文对适用于电池化成的双向直流变换器进行了研究。本文首先根据电池化成设备输入输出高变比和低压大电流的特点,采用了级联式直流变换器的拓扑结构,一级采用隔离型的双向DC/DC变换器,另一级采用非隔离型的双向DC/DC变换器。经分析比较,选择了双向半桥倍流变换器和双向Buck-Boost变换器。然后分析了双向半桥倍流变换器在正常工作状态和启动状态时的工作原理,并用Saber软件进行了仿真。采用状态空间平均法建立了变换器在双向能量流动时的小信号模型,对其闭环的稳定控制进行了研究,给出了补偿电路的设计方法。设计了变换器的主电路、控制电路、驱动电路和保护电路,分析了在不同功率流向时高、低压侧开关管的电压应力,并给出了抑制措施。接着分析了双向Buck-Boost变换器的工作原理,采用同一套PID控制器参数实现了变换器的双向稳定控制,采用CPLD灵活的实现了脉冲复杂的逻辑控制。设计了主电路、控制电路和驱动电路,采用检测电感电流的方法解决了启动和轻载时器件应力大、损耗高的问题。还研究了双向Buck-Boost变换器模块的交错并联技术。最后,根据设计参数制作了双向半桥倍流变换器和双向Buck-Boost变换器的样机。在不同功率流向和不同功率等级状态下进行实验,给出了实验波形和分析,实验结果验证了设计和分析的正确性。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
1 绪论  11-17
  1.1 课题研究的背景和意义  11
  1.2 电池化成的国内外研究现状  11-14
  1.3 方案的提出  14-16
  1.4 本文的主要研究内容  16-17
2 双向DC/DC变换器的拓扑选择  17-25
  2.1 非隔离双向DC/DC变换器的拓扑选择  17-19
  2.2 隔离双向DC/DC变换器的拓扑选择  19-23
  2.3 小结  23-25
3 双向半桥倍流变换器的分析与设计  25-61
  3.1 双向半桥倍流变换器的拓扑分析  25-30
    3.1.1 Buck模式分析  26-27
    3.1.2 Boost模式分析  27-29
    3.1.3 启动模式分析  29-30
  3.2 双向半桥倍流变换器的仿真  30-34
    3.2.1 Buck模式下的仿真与分析  30-32
    3.2.2 Boost模式下的仿真与分析  32-34
  3.3 主电路元器件的设计与选择  34-40
    3.3.1 变压器的设计  34-36
    3.3.2 反激变压器的设计  36-38
    3.3.3 MOSFET的选择  38
    3.3.4 电容的选择  38-39
    3.3.6 反激二极管的选择  39-40
  3.4 双向半桥倍流变换器的建模与控制  40-52
    3.4.1 Buck模式下双向半桥倍流变换器的建模  40-46
    3.4.2 Boost模式下双向半桥倍流变换器的建模  46-47
    3.4.3 双向半桥倍流变换器的闭环控制及稳定性研究  47-52
  3.5 双向半桥倍流变换器控制系统的设计  52-59
    3.5.1 双向半桥倍流的控制方式  52-53
    3.5.2 采样电路的设计  53-54
    3.5.3 驱动电路的设计  54-55
    3.5.4 高压侧过欠压保护电路的设计  55
    3.5.5 开关管电压应力分析及抑制措施  55-59
  3.6 小结  59-61
4 双向Buck-Boost变换器的分析与设计  61-83
  4.1 双向Buck-Boost变换的工作原理  61-63
  4.2 主电路元器件的设计与选择  63-65
  4.3 双向、Buck-Boost变换器的功率损耗分析  65-67
  4.4 双向Buck-Boost变换器控制系统的设计  67-77
    4.4.1 双向Buck-Boost变换器的控制方式  67-68
    4.4.2 驱动电路的设计  68-74
    4.4.3 启动电路的设计  74-77
  4.5 双向Buck-Boost变换器模块的并联研究  77-82
  4.6 小结  82-83
5 实验结果及分析  83-95
  5.1 双向半桥倍流变换器的实验结果及分析  83-87
    5.1.1 Buck模式下的实验波形及分析  83-85
    5.1.2 Boost模式下的实验波形及分析  85-87
  5.2 双向Buck-Boost变换器的实验波形分析  87-90
    5.2.1 Buck模式下的实验波形及分析  87-89
    5.2.2 Boost模式下的实验波形及分析  89-90
  5.3 双向Buck-Boost变换器的并联实验波形及分析  90-91
  5.4 系统的实验结果  91-93
  5.5 小结  93-95
6 结论与展望  95-97
  6.1 结论  95
  6.2 展望  95-97
参考文献  97-101
作者简介  101-103
附录A  103-107
学位论文数据集  107

电池化成用高变比双向直流变换器的研究

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