燃料电池汽车用新型双Boost升压变换器的研究
发布时间：2021-12-10 05:36
随着不可再生能源存储量急剧下降,燃料电池汽车领域受到了越来越广泛的关注。但燃料电池输出电压波动大、电压等级低,难以满足燃料电池汽车对动力源的要求,因此,能够实现提升电压等级、电压解耦等功能的DC/DC变换器是系统中必要的部分。本文针对燃料电池汽车用DC/DC变换器高升压比、高效率等要求,提出一种新型双Boost升压变换器拓扑结构,并将其与传统Boost变换器、四相交错式DC/DC变换器进行比较。此外,从该变换器的工作原理、电路模型及控制方法等几方面进行相关的研究工作。首先,对现有变换器结构进行分类汇总,具体分为隔离型和非隔离型结构,并将所提变换器从器件个数、选型、电压应力以及升压比几方面与几种典型升压变换器进行对比,在分析其工作原理的基础上得出该变换器不同工作状态下所对应的的状态方程。其次,根据状态空间平均法建立变换器的小信号模型,对该模型进行拉氏变换得到传递函数,设计基于输出电压单反馈、基于电感电流和输出电压双反馈的闭环控制器。此外,针对燃料电池输出特性软的问题,设计一种针对输入电压波动的前馈-双闭环控制器,旨在保证系统输出的稳定性。再次,设计了新型双Boost升压变换器系统的硬件和...
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
升压比占空比的关系
哈尔滨理工大学工程硕士学位论文-28-第4章DC/DC变换器实验样机的搭建本章设计了新型双Boost升压变换器的功率模块实验样机，该样机包括DC/DC变换器主电路、驱动电路、电流检测电路、电压检测电路及用来给各个芯片供电的辅助电源电路，并且对各个电路设计过程及所用芯片的选型进行了说明，该功率模块样机采用DSP为控制芯片，同时设计了基于DSP的PI控制程序。4.1硬件电路设计4.1.1功率模块主电路设计根据新型双Boost升压变换器功率模块的设计指标，每个MOEFET的平均电流为5A，最大耐压值为60V，对电流及电压应力取2-3倍裕量，可知开关管的最大导通电流为15A，最大耐压值为180V，因此，选用最大导通电流18A，最大耐压值为200V的IRF640N为本文的开关管。栅极和源极两端电压波形如图4-1所示。图4-1GS两端电压波形Fig.4-1VoltagewaveformatbothendsofGS由式(3-15)可知，电感的计算值为0.35mH，根据功率模块设计指标分析得到电流平均值为5A，因此本文选用铁粉磁芯电感，其指标为：感值0.35mH、最大导通电流10A。由式(3-16)可知，电容计算值为35μF，根据功率模块设计指标可知电容最小耐压值为100V，考虑一定裕量后，其输出电容选用一个容值为47μF的电解
第4章DC/DC变换器实验样机的搭建-29-电容，该电容的耐压值为400V，完全能够满足本文设计功率模块样机的电压应力需求。根据功率模块设计指标可知，在分析二极管截止时两端的电压值并考虑裕量后，选用指标为最大反向压降600V、导通电流10A的DFE10I600PM作为功率模块的二极管，其最大正向压降为1.5V。图4-2为本文设计的主电路。图4-2试验样机主电路设计Fig.4-2Maincircuitdesignoftestprototype4.1.2控制器的选择本文选用TMS320F28335的DSP为控制芯片，该芯片是TI公司最新推出的是一种32位浮点DSP，在电力电子控制系统中有着广泛的应用，其主频为150MHz，此外，其内部包含的乘法器具有可以在一个指令周期内完成两次乘法运算的功能，达到了大幅度节运算所需时间的目的，这也正符合本文对控制器快速反应的要求。此外，将TMS320F28335用作主控芯片还具有以下优点：TMS320F28335中每个ePWM模块中包含7个子模块：时基模块TB；计数比较模块CC；动作模块AQ；死区产生模块DB；PWM斩波模块PC；错误联防模块TZ；事件触发模块ET。TMS320F28335中包含多个通信接口，如I2C同步串口、增强型CAN通讯总线、SPI高速同步串口、SCI异步串口等，为该DSP控制芯片与其他控制器或者上位机之间的信息传输提供了方便高效的路径，降低了设备之间连接的复杂程度。4.1.3辅助电路设计（1）驱动电路的设计。由于隔离驱动能够有效的对DSP进行保护，因此，
【参考文献】：
期刊论文
[1]燃料电池新能源汽车的创新分析及研究[J]. 郑振. 汽车实用技术. 2019(17)
[2]基于人工神经网络的车载异步电机参数辨识[J]. 林巨广,汪雷鸣. 汽车技术. 2019(08)
[3]面向储能系统应用的隔离型双向DC-DC变换器分析方法与控制技术综述[J]. 孙凯,陈欢,吴红飞. 电工电能新技术. 2019(08)
[4]三端口DC/DC变换器预测电流移相控制[J]. 张国荣,李智,陆翌,王朝亮,许烽. 电力系统保护与控制. 2019(13)
[5]基于分数阶PID控制的质子交换膜燃料电池前级功率变换器[J]. 戚志东,裴进,胡迪. 电工技术学报. 2019(S1)
[6]日本燃料电池车量产化[J]. 山田恭子,彭惠民. 汽车与新动力. 2019(03)
[7]单级三相PFC+DC/DC变换器控制系统分析设计[J]. 戴凯奇,廖作瑞,王正仕. 电力电子技术. 2019(06)
[8]汽车发动机排放污染分析及对策[J]. 卢敏. 内燃机与配件. 2019(11)
[9]采用移相控制有源整流的全桥变换器[J]. 赵清林,李昆仑,刘威,王玉洁,王德玉. 电力自动化设备. 2019(06)
[10]永磁同步电机电能质量分数阶滑模控制[J]. 熊林云,王杰. 中国电机工程学报. 2019(10)
博士论文
[1]二次型Boost变换器研究[D]. 杨平.西南交通大学 2013
硕士论文
[1]集成多端口DC/DC变换器拓扑衍生与分析方法研究[D]. 董洁.浙江大学 2017
[2]DC/DC变换器的滑模控制[D]. 王川.华中科技大学 2016
[3]燃料电池汽车DC-DC变换器的建模与控制[D]. 王跃.清华大学 2016
本文编号：3532003
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
升压比占空比的关系
哈尔滨理工大学工程硕士学位论文-28-第4章DC/DC变换器实验样机的搭建本章设计了新型双Boost升压变换器的功率模块实验样机，该样机包括DC/DC变换器主电路、驱动电路、电流检测电路、电压检测电路及用来给各个芯片供电的辅助电源电路，并且对各个电路设计过程及所用芯片的选型进行了说明，该功率模块样机采用DSP为控制芯片，同时设计了基于DSP的PI控制程序。4.1硬件电路设计4.1.1功率模块主电路设计根据新型双Boost升压变换器功率模块的设计指标，每个MOEFET的平均电流为5A，最大耐压值为60V，对电流及电压应力取2-3倍裕量，可知开关管的最大导通电流为15A，最大耐压值为180V，因此，选用最大导通电流18A，最大耐压值为200V的IRF640N为本文的开关管。栅极和源极两端电压波形如图4-1所示。图4-1GS两端电压波形Fig.4-1VoltagewaveformatbothendsofGS由式(3-15)可知，电感的计算值为0.35mH，根据功率模块设计指标分析得到电流平均值为5A，因此本文选用铁粉磁芯电感，其指标为：感值0.35mH、最大导通电流10A。由式(3-16)可知，电容计算值为35μF，根据功率模块设计指标可知电容最小耐压值为100V，考虑一定裕量后，其输出电容选用一个容值为47μF的电解
第4章DC/DC变换器实验样机的搭建-29-电容，该电容的耐压值为400V，完全能够满足本文设计功率模块样机的电压应力需求。根据功率模块设计指标可知，在分析二极管截止时两端的电压值并考虑裕量后，选用指标为最大反向压降600V、导通电流10A的DFE10I600PM作为功率模块的二极管，其最大正向压降为1.5V。图4-2为本文设计的主电路。图4-2试验样机主电路设计Fig.4-2Maincircuitdesignoftestprototype4.1.2控制器的选择本文选用TMS320F28335的DSP为控制芯片，该芯片是TI公司最新推出的是一种32位浮点DSP，在电力电子控制系统中有着广泛的应用，其主频为150MHz，此外，其内部包含的乘法器具有可以在一个指令周期内完成两次乘法运算的功能，达到了大幅度节运算所需时间的目的，这也正符合本文对控制器快速反应的要求。此外，将TMS320F28335用作主控芯片还具有以下优点：TMS320F28335中每个ePWM模块中包含7个子模块：时基模块TB；计数比较模块CC；动作模块AQ；死区产生模块DB；PWM斩波模块PC；错误联防模块TZ；事件触发模块ET。TMS320F28335中包含多个通信接口，如I2C同步串口、增强型CAN通讯总线、SPI高速同步串口、SCI异步串口等，为该DSP控制芯片与其他控制器或者上位机之间的信息传输提供了方便高效的路径，降低了设备之间连接的复杂程度。4.1.3辅助电路设计（1）驱动电路的设计。由于隔离驱动能够有效的对DSP进行保护，因此，
【参考文献】：
期刊论文
[1]燃料电池新能源汽车的创新分析及研究[J]. 郑振. 汽车实用技术. 2019(17)
[2]基于人工神经网络的车载异步电机参数辨识[J]. 林巨广,汪雷鸣. 汽车技术. 2019(08)
[3]面向储能系统应用的隔离型双向DC-DC变换器分析方法与控制技术综述[J]. 孙凯,陈欢,吴红飞. 电工电能新技术. 2019(08)
[4]三端口DC/DC变换器预测电流移相控制[J]. 张国荣,李智,陆翌,王朝亮,许烽. 电力系统保护与控制. 2019(13)
[5]基于分数阶PID控制的质子交换膜燃料电池前级功率变换器[J]. 戚志东,裴进,胡迪. 电工技术学报. 2019(S1)
[6]日本燃料电池车量产化[J]. 山田恭子,彭惠民. 汽车与新动力. 2019(03)
[7]单级三相PFC+DC/DC变换器控制系统分析设计[J]. 戴凯奇,廖作瑞,王正仕. 电力电子技术. 2019(06)
[8]汽车发动机排放污染分析及对策[J]. 卢敏. 内燃机与配件. 2019(11)
[9]采用移相控制有源整流的全桥变换器[J]. 赵清林,李昆仑,刘威,王玉洁,王德玉. 电力自动化设备. 2019(06)
[10]永磁同步电机电能质量分数阶滑模控制[J]. 熊林云,王杰. 中国电机工程学报. 2019(10)
博士论文
[1]二次型Boost变换器研究[D]. 杨平.西南交通大学 2013
硕士论文
[1]集成多端口DC/DC变换器拓扑衍生与分析方法研究[D]. 董洁.浙江大学 2017
[2]DC/DC变换器的滑模控制[D]. 王川.华中科技大学 2016
[3]燃料电池汽车DC-DC变换器的建模与控制[D]. 王跃.清华大学 2016
本文编号：3532003
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