电动汽车双向DC_DC变换器的应用研究_谢鹏.docx

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1、 分类号： TM46 密级：公开 单位代码： 10363 学 号： 2130230146 題 目： 电 动 汽 车 双 向 DC/ DC变换器的应用研究 英文并列 題 目： _ Application of Bidirectional DC/DC Converter _ In The Electric Vehicle _ 学生姓名： _ 谢鹏 指导教师： 王鸣 (副教授） 方其敏 (高级工程师 ） 专 业： 控制工稃 研究方向： 先进传感与检测技术 论文答辩日期 ： 2 0 1 6 年 6 月 2 日 安徽工程大学论文原创性声明 本人郑重声明 .我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文

2、，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本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及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名 : 謝祕 曰期： #6月 5曰 安徽工程大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权安徽工程大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以釆用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文

3、。 保密 ，在 年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密 0。 学位论文作者签名 指导教师签名： 3 曰期： 6 月 ) 曰 日期 年厶月 4日 安徽工程大学硕士学位论文 电动汽车双向 DC/DC变换器的应用研究 摘要 随着交通运输的发展，私人汽车的数量也与日俱增，但传统燃油 汽车对石油的依赖过大，燃油汽车数量的增加不但引起能源的过大消 耗，也给自然环境带来了污染。在节能与环保的要求下，电动汽车在 近几年来得到了飞速的发展。由于蓄电池存在比功率低，寿命有限等 缺点，加载超级电容的电动汽车能够延长蓄电池寿命，吸收制动能量， 节约能源。双向 DC/DC变换器作为电动汽车能量处理的重要单元，

4、可实现能量的双向流动，并对储能原件的充放电电压进行控制，对电 动汽车的行驶性能的好坏起到了决定性的作用。本文针对以超级电容 作为辅助能源系统的电动汽车对双向 DC/DC变换器的性能需求，选 择了两相交错式双向半桥 DC/DC变换器作为拓扑结构，并针对控制 目标设置了不同的控制策略，以提高变换器的动静态性能。 首先，探讨了常见双向 DC/DC变换器优缺点，选择了电压应力 相对较低的双向半桥 DC/DC变换器。为了满足电动汽车对大电流的 要求，并且减少变换器的输出波纹，将两个双向半桥 DC/DC变换器 并联，组成两相交错 式双向半桥 DC/DC变换器，并阐述了两相交错 式双向半桥 DC/DC变换器

5、的工作原理和电路主要参数的设计，绘制 了变换器不同工作模式下的波形。 其次，根据电动汽车不同运行状态下对 DC/DC变换器的要求， 安徽工程大学硕士学位论文 明确了控制目标，采用了电压电流双闭环控制策略，通过状态空间平 均法推导了变换器工作在 Buck模式与 Boost式时的小信号模型，设 置了相应的PI控制器，并绘制出补偿前后的系统 Bode图，验证补偿 后系统的稳定性。由于电动汽车双向 DC/DC变 换器是一个非线性的 系统，且其输入端电压变化范围宽，传统的固定参数 PI控制难以达 到预期的控制效果。论文结合模糊控制与 PI控制各自的优点，采用 电压外环模糊 PI控制以及电流内环传统PI控

6、制的控制策略，以提高 变换器的响应速度和系统的鲁棒性。设置了模糊 PI控制器，确定了 控制器的输入输出量的论域及隶属函数、模糊控制规则，去模糊化方 法，并运用 MATLAB绘制了模糊控制器的输出量 3尤 /、八心模糊控 制总图。 最后，为实现双向 DC/DC变换器的控制策略，采用 TMS320F2812 作为控制芯片，对模拟 PI控制器进行离散化处理，并设置了系统主 程序流程。在MATLAB/SIMULINK中针对不同的控制策略，分别搭 建了变换器的仿真模型，验证了所设计的变换器及其控制策略，并对 仿真结果进行对比与分析，结果表明，采用模糊 PI控制，能更好的 解决系统非线性问题，提高系统的鲁

7、棒性。 关键词：电动汽车，双向 DC/DC变换器，交错并联，双闭环控制， 模糊PI控制 安撤工程大学硕士学位论文 APPLICATION OF BIDIRECTIONAL DC/DC CONVERTER IN THE ELECTRIC VEHICLE ABSTRACT With the development of transportation, private cars also gradually increase, but the traditional fuel automobile was largely dqjendent on oil, the increment of cars

8、 not only caused the incremental consumption of fiiel energy, but also brought natural environment pollution. With the requirement for saving energy and protecting environment, the electric car has been rapid development in recent decades. Because the battery power is low than the existing shortcomi

9、ngs and limited lifetime, electric vehicle loading super capacitor can prolong the service life of the accumulator and can absorb the braking energy, and can save energy. Bidirectional DC/DC converter, as an important unit of electric vehicle energy treatment, can realize bidirectional flow of energ

10、y, and can control the charge or discharge of the energy storage, plays a decisive role in driving performance of electric vehicles. In this paper with the super capacitor as the performance requirements of electric vehicle auxiliary power system of bidirectional DC/DC converter, two interleaved 安撤工

11、程大学硕士学位论文 bidirectional half bridge DC/DC converter was selected as the topology. And different control strategies were setting up for the control target, in order to improve the static and dynamic performance of the converter. Firstly, the advantages and disadvantages of the bidirectional DC/DC con

12、verter were discussed, and the bi-directional half bridge DC/DC converter that the voltage stress is relatively low was selected. In order to meet the requirements of high current electric vehicles and to reduce the output ripple of the converter. The two bidirectional half bridge DC/DC converters i

13、n parallel， consist of intersecting fault type half bridge bidirectional DC/DC converter. The two intersecting fault type half bridge bidirectional DC/DC converters working principle and circuit parameters design were described and the waveform of the converter in different operation modes was drew.

14、 Secondly, according to the requirements of the electric vehicles of different running state of DC/DC converter, a control target was cleared, the voltage and current double closed-loop control strategy was adopted, and the small signal model of converter working in Buck mode and boost mode was deri

15、ved through the state space average method. The corresponding pi controller was set up, the system Bode diagram before and after compensation was drew out, and the stability of compensated system was verified. Because the bidirectional DC/DIV 安撤工程大学硕士学位论文 the traditional fixed parameter PI control i

16、s difficult to achieve the desired effect. This paper, combined with the advantages of fuzzy control and PI control, uses the fuzzy PI control of voltage outer loop and the control strategy of the traditional PI control of current inner loop to improve the response speed and system robustness. This

17、paper sets up fuzzy PI controller and the domain membership function of input and output controller fuzzy control rules to determine the fuzzy method, and uses MATLAB to draw the fuzzy controller output Delta KI, Delta KP fuzzy control drawing. Finally, in order to realize the control strategy of bi

18、directional DC/DC converter, TMS320F2812 was used as the processor. The analog PI controller was discretized, and the main program flow was set up. In the MATLAB/SIMULINK, according to different control strategies, the simulation model of the converter was built, the design of converter and its cont

19、rol strategy is validated, and the simulation results were compared and analyzed. The results show that the fuzzy PI control can better solve the problem of nonlinear system, improve the robustness of the system. KEY WORDS： electric vehicle, bidirectional DC/DC converter, Interleaving parallel, doub

20、le closed loop control, fuzzy-pi v 安徽工程大学硕士学位论文 目录 第 1 章绪论 . 1 1.1课题的研究背景 . 1 1.2电动汽车的发展现状 . 2 1.2.1电动汽车简介 . 2 1.2.2国内外电动汽车发展状况 . 3 1.2.3电动汽车发展遇到的问题 . 4 1.3双向 DC/DC变换器的发展状况 . 5 1.4超级电容 . 6 1.4.1超级电容简介 . 6 1.4.2超级电容在电动汽车辅助储能系统中的应用 . 6 1.4.3超级电容建模 . . . . 8 1.5论文的选题意义和主要内容 . 9 1.5.1论文的选题意义 . 9 1.5.2论文

21、的主要内容 . 9 第 2章两相交错式双向半桥 DC/DC变换器研究 . 11 2.1双向 DC/DC变换器拓扑结构 . 11 2.2双向半桥 DC/DC变换器工作原理 . 13 2.3两相交错式双向半桥 DC/DC变换器工作原理 . 14 2.3.1两相交错式双向半桥 DC/DC变换 器 Boost模式分析 . 15 2.3.2两相交错式双向半桥 DC/DC变换器 Buck模式分析 . 17 2.4两相交错式双向半桥 DC/DC变换器参数设计 . 19 2.4.1功率开关器件选取 . 19 2A2储能电感设计 . 20 2.4.3滤波电容设计 . 20 2.5本章小结 . 20 VI 安敵工

22、程大学硕士学位论文 第 3章两相交错式双向半桥 DC/DC变换器闭环控制设计 . 22 3.1双向 DC/DC变换器的控制策略研究 . 22 3.2变换器 Buck模式建模及控制器设计 . 23 3.2.1变换器 Buck模式建模 . 24 3.2.2变换器 Buck模式控制器设计 . 28 3.3变换器 Boost模式建模及控制器设计 . 30 3.3.1变换器 Boost模式建模 . 31 3.3.2变换器 Boost模式控制器设计 . 35 3.4本章小结 . 37 第 4章两相交错式双向半桥 DC/DC变换器模糊 PI控制设计 . 38 4.1模糊控制的基本原理 . 38 4.2两相交

23、错式双向半桥 DC/DC变换器模糊 PI控制设计 . 40 4.2.1模糊 PI控制器的结构 . 40 4.2.2模糊 PI控制器的设计 . 41 4.3本章小结 . 45 第 5章软件实现及仿真 .: . 46 5.1控制器的数字实现 . 46 5.2双向 DC/DC变换器软件设计 . 48 5.3系统建模和仿真 . 50 5.3.1 Buck模式仿真 . 50 5.3.2 Boost 模式仿真 . 52 5.4本章小结 . 55 第 6章总结与展望 . 56 6.1 . 56 6.2展望 . 57 参考文献 . 58 攻读硕士期间研究成果 . 61 m . 62 安撤工程大学硕士学位论文

24、第 1章绪论 1.1课题的研究背景 在现代社会，交通运输快捷地运送货物和人员，促进了经济和社会的发展 , 但它却依赖于化石燃料。随着进一步的城镇化、工业化和全球化，世界范围内私 人汽车的数量必然大量增长，由于燃油汽车对石油的依赖过大，汽车的快速发展 带来的问题也日益突出。这不仅在于地球上的石油资源有限，而且在于燃油制品 产生的排放导致了气候变化，城市空气质量恶化等诸多问题。 燃油汽车的发展引起能源的过大消耗。燃油汽车使用的石油等化石燃料短期 内是不可再生的，石油储藏量正在急剧的减少，面临枯竭。我国是一个能源短缺 的国家，石油的储藏量严重不足，随 着经济持续快速的发展，对石油的需求量也 越来越大

25、，能源危机日益加深。我国经济社会的进步和城镇化进程的不断推进， 使汽车的需求量保持持续的增长。数据显示，截至 2014年底，我国机动车保有 量达 2.64亿辆，其中汽车 L54亿辆。近五年来，汽车占机动车的比例迅速提高， 从 43.88%提高到 58.62%。全国有 35个城市的汽车保有量超百万辆，其中 10个 城市超过 200万辆。汽车业的迅速发展，加大了我国对石油资源的需求，专家称， 2020年至 2025年间我国石油进口依存度可能达到 60%1。传统汽车工业的蓬勃 发展 ，威胁到我国能源供给的安全，节能的电动汽车将有效的缓解我国的能源危 机，因此，研发电动汽车新技术，提高电动汽车的普及率

26、对缓解我国能源危机具 有重要意义。 燃油汽车的发展给自然环境带来了污染。汽车尾气已经成为影响我国空气质 量及民众健康的重要因素。传统汽车使用汽油，柴油等化石燃料，燃料的不完全 燃烧会产生许多有害物质，如一氧化碳 CO、 氮氧化物 NOx、 碳氢化合物 HC、 固体悬浮颗粒等 2。近几年来雾霾天气占据我国大部分地区，全国各地有多个城 市的 PM2.5严重超标，甚至爆表，汽车尾气是形成这些恶劣天气的罪魁祸首。 1 安撤工程大学硕士学位论文 根据国家环保总局统计，我国机动车尾气排放在城市大气污染中的分担率已经达 到 80%左右。此外，汽车尾气还引起温室效应加剧、臭氧层破坏和形成酸雨等问 题，进而对人

27、类和动植物产生危害，对人类生存环境产生深远影响。降低和控制 汽车排放污染物的措施不断出台，我国汽车行业的油耗标准不断升级，平均燃油 消耗量不断降低，到 2020年将降至 5L/100kiiu 在能源与环保的压力下，电动汽车作为一种无污染、低噪声、高能量转化效 率的绿色交通工具，无疑将成为未来汽车业的发展方向。 1.2电动汽车的发展现状 1.2.1电动汽车简介 电动汽车是指用电能驱动，电动机作为牵引或驱动行驶的车辆。早在 19世 纪中期，燃油汽车出现之前，纯电动汽车就在公共场所开始使用，然而，起动机 的发明，燃油汽车生产技术的提高，以及电动汽车本身充电的不便性，使得纯电 动汽车在 20世纪初退出

28、汽车市场 3。 20世纪 60年代，环境问题的日益严重，化 石燃料的匮乏，使得电动汽车得到人们的重视，接下来的 几十年，电力电子器件 及驱动技术有了较大的发展，环境经济问题的出现也使电动汽车得到越来越多的 关注。 电动汽车通常被分为纯电动汽车 （ PEV)、 混合动力汽车 （ HEV)、 燃料电池 电动汽车 （ FCEV)三大类 4。纯电动汽车又称为蓄电池电动汽车，采用电动机 作为牵引装置，并用蓄电池提供电能，纯电动汽车能耗低，污染少，零排放，运 行平稳，但续驶里程较短 5。混合动力电动汽车一般通过内燃机或者电动汽车制 动反馈的能量为蓄电池充电。插电式混合动力电动汽车是一种新型的混合动力汽 车

29、，兼有纯电动汽车以及一般混合动力汽车 的优点 6,它可以通过外接电源进行 充电，大多数情况都可作为纯电动汽车使用。燃料电池电动汽车是用氢气作为能 源物质，氢气与氧气发生化学反应，通过电极将化学能转为电能，从而驱动电机 运转 7。燃料电池的化学反应不会产生有害物质，且能量转化效率高，故燃料电 池汽车达到了节能环保的要求。实际上，它也是纯电动汽车的一种，主要区别在 于动力电池的工作原理不同 2 安徽工程大学硕士学位论文 1.2.2国内外电动汽车发展状况 我国为了鼓励节能减排，重点扶持电动汽车的发展，在 “ 十一五 ” 期间已经 投入了大量的资金人员，为发展电动汽车产业奠定了基础。从 2001年开始

30、确立 了 “ 三纵三横 ”的研发布局：以纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车为三 纵 9;多能源动力总成，驱动电机，蓄电池为三横，按照汽车产品开发规律，全 面构建我国电动汽车自主研发技术平台。我国提出了 “ 节能和新能源汽车战略 ” ， 高度重视电动汽车的发展，取得了一系列成果。 在 2008年奥运新能源汽车交车仪式上，展示了众多我国研发的新能源汽车。 其中有，上海动力、同济大学与上海 大众等单位联合研制的 20辆燃料电池汽车； 奇瑞汽车有限公司研制生产的 40辆 BSG、 10辆 ISG混合动力汽车；长安汽车有 限公司研制生产的 25辆杰勋牌混合动力汽车；京华客车有限公司、北京理工大 学等

31、单位共同研制生产的 50辆纯电动公交车；北汽福田汽车股份有限公司与清 华大学研制的 3辆燃料电池客车等。 2009年国务院首次提出新能源汽车战略安 排，提出了 “ 十城千辆 ” 节能与新能源汽车示范推广应用工程，由国家提供资金， 通过财政补贴计划用 3年左右的时间每年发展 10个城市，每个城市推出 1千辆 新能源汽车 1()。与此同 时，国家对购买新能源汽车给予补贴。这些信息都更加 明确的透露出政府对新能源汽车的支持。 2010年，国务院通过汽车振兴规划， 提出对新能源汽车提供财政补贴，对 42家企业达 47个品种的新能源汽车进行财 政支持，涵盖了普通混合动气电动汽车及充电式混合动气汽车，有轿

32、车、客车、 清扫车等，这些措施有力的推动了电动汽车的发展。 我国自主研发的电动汽车性能指标达到或者接近国际先进水平。比亚迪公司 自主研发生产的比亚迪 e6电动汽车，搭载铁电池（磷酸铁锰锂电池 )，理论续航 里程达到了 400公里；奇瑞公司生产的奇瑞 eQ续航里 程可超过 200公里，最高 时速可达 100公里 /小时。 从国际上看，随着技术的不断创新与突破，国际上主要汽车生产企业都加大 了对电动汽车的研发力度，并取得了明显的进展。各国政府都将发展节能减排的 电动汽车作为汽车改革创新的主要方向，相关的政策不断出台，表 1-1对多国提 出的电动汽车发展规划进行了汇总。 新能源汽车的开发和应用成为美

33、国摆脱能源依赖的战略之一。美国通过制定 3 安徽工程大学硕士学位论文 严格的汽车燃油排放标准和新能源汽车政策，不断推动电动汽车产业的发展。 2008年，特斯拉 （ Tesla)汽车公司发布了 Tesla Roadster,它是第一辆使用锂电 子电池技术而且一次充电后续驶里程超过 200英里的电动汽车。日本新能源汽车 产业化成果在全球范围内是最好的。以丰田普锐斯为代表的日本混合动力汽车， 在世界低污染汽车开发销售领域已经占领了领头地位，除丰田外其他几家日本汽 车企业也在开发新一代的新能源动力汽车，如本田的 In-sight IMG混合动力汽车、 日产 Leaf和三菱 I-MiEV的纯电动汽车。法

34、国政府鼓励开发电动汽车和充分利用 电力资源，为开发电动汽车提供 资源，在政府优惠政策的带动下，汽车生产商相 继推出了环保的电动汽车。标志 -雪铁龙公司研发了 J-25， C-20型载货电动汽车， 雷诺公司研发了 Clio型 4座电动汽车并投放罗切里市运行，目前法国的充电基 础设施完善，电动汽车的普及程度和保有量都位居世界前列 11。 表 1-1电动汽车发展数量规划 国家 电动汽车发展规划 美国 电动汽车 2020年达到 1400万。 德国 到 2020年拥有 100万辆电动汽车。 英国 2030年纯电动汽车与插电式混合电动汽车分别达到 330万辆 和 79万辆。 日本 到 2020年电动汽车保

35、有量达 1350万辆。 韩国 2020年电动汽车占小型汽车的比列达到 10%。 1.2.3电动汽车发展遇到的问题 蓄电池是电动汽车的心脏，为电动汽车的行驶提供能量，其性能关乎整个电 动汽车的表现，其能量越高，则车辆续驶里程越远，其功率越高，则车辆加速、 爬坡性能越好，其循环性越好，则车辆的寿命越长。但目前技术暂时无法突破蓄 电池发展瓶颈，从而影响了以蓄电池为唯一能源的纯电动汽车的发展。为了提高 蓄电池的使用寿命并保证电动汽车在重载时有较大的功率输出，可以采用两种或 者多种具有不同的优势的动力电池组成混合储能系统，以提高系统的整体性能 12。如超高速飞轮与蓄电池混合、超级电容与蓄电池混合、燃料电

36、池与超级电 容混合等。 超级电容能够提供较大的瞬时功率，但其储存的能量却有限，不能作 4 安徽工程大学硕士学位论文 为单一能源为电动汽车提供能量 ;蓄电池能够储存大量的能量，但其比功率却低， 吸收能量慢，且循环寿命短。本文结合蓄电池与超级电容的优点，将两者并联作 为电动汽车的储能系统。 由于电动汽车在行驶的过程中需要频繁的加速，减速，故其电机的转速范围 很宽，逆变器的输出端电压变化很大，此时若将储能装置直接与动力机构相连， 储能装置将难以满足电机对能量的需求，且制动时电机的反馈能量难以被有 效的 吸收。将双向 DC/DC变换器应用于电动汽车中，作为连接动力装置与储能系统 的中间装置，对充放电的

37、能量进行管理，当电动汽车加速时，为电机提供能量 , 并稳定直流母线电压，限制储能装置的放电电流；当电动汽车减速制动时，控制 储能装置吸收母线端的能量，以增加电动汽车的续驶里程，并对储能装置的充电 方式进行管理。双向 DC/DC变换器作为电动汽车能量管理的核心单元，对提高 电动汽车的性能具有重要作用。 1.3双向 DC/DC变换器的发展状况 双向 DC/DC转换器是可以根据使用需求，实现升压、降压的能量双向传输 的直流转换器。在双向 DC/DC变换器电路中半导体开关器件调节输入端与输出 端之间的连接时间，控制功率的动态传输。随着科技的发展，双向 DC/DC变换 器得到广泛的应用，比如太阳能卫星系

38、统，电动汽车领域以及备用电源中。 20 世纪 80年代初，为了减少卫星的体积，降低卫星的制造发射成本，提高卫星的 性能，美国科学家对 Buck/Boost型双向DC/DC变换器展开研究，此后，双向 DC/DC变换器得到了快速的发展。美国德克萨斯大学电气工程学院的教授提出 了一种移相控制的双向多层次 DC/DC变换器，该变换器的拓扑用了四个类似的 半桥结构的电路，提高了变换器的能量转化效率，但所用的开关管及电容较多， 增加了变换器的体积及成本。 19世纪 80年代法国工程师古塔夫 特鲁夫研制了第 一台电动汽车，该车就将双向 DC/DC变换器作为蓄电池的能量管理单元，限制 电机的电流。日本学者在不

39、间断电源，太阳能领域对双向 DC/DC变换器进行了 一些研究 。Felix A Himmelstoss总结了非隔离双向 DC/DC变换器的 6中拓扑结 构， YukinoriTsuruta提出了一种新型全桥拓扑，该电路与传统的两侧均采用全 桥 结构的拓扑相比，减少了电路元器件的数量，但开关管的电压应力高。我国对双 5 安徽工程大学硕士学位论文 向 DC/DC变换器的研究起步较晚，目前研究双向 DC/DC变换器的主要为香港 大学、南京航空航天大学、浙江大学、以及华中科技大学等，其中香港大学的陈 清泉教授主要研究电动车用双向直流变换器；浙江大学的徐德鸿教授对双向 DC/DC变换器的软开关技术展开可

40、研究，提出了一些新的拓扑和控制方法。双 向 DC/DC变换器的控制电路通过控制其开关管，可以将变换器的输出量控制在 一定范围内。脉冲宽度调制控制方法，实现简单，稳定可靠，被广泛的应用于双 向 DC/DC变换器控制电路中，通过对脉冲宽度的调节，实现对双向 DC/DC变 换器的输出电压电流的控制。随着控制理论的发展，控制策略也取得了进步，各 种先进智能的控制算法如：模糊控制、滑模控制、神经网络控制、模糊 PI控制 等相继应用于双向 DC/DC变换器 13。 综上所述，双向 DC/DC变换器在拓扑结构和控制方法上都取得了极大的进 步，双向 DC/DC变换器的输出性能得到了提高，为其应用于行驶状态复杂的电 动汽车提供了可行性。 1.4超级电容 1.4.1超级电容简介 超级电容又称双电层电容器、黄金电容，以其强大的储电能力而被广泛应用 于储能系统中。超级电容的保存寿命长，维护要求低，对环境友好。超级电容主 要由电极、电解质、集电极、隔离膜连线极柱等组成。超级电容在储能的过程并 不发生化学反应，没有离子或者电子的转移，只是简单的电荷分离或极化，这种 储能过程是可逆的，超级电容寿命长，能提供很高的脉冲功率。尽管超级电容能 够为电动汽车提供充足的能源存储，但由于其初始成本高、能量密度低，超级电 容器作为汽车的主能源的可能性还是很小。另一方面，超级