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1、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 型汽车，是
2、 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
3、件设计的 变换器能够在大负载范围内实现软开关。 关键词：双向 DC-DC 变换器；PWM 控制；移相控制；软开关 ABSTRACT Electric 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
4、 energy in EV is provided 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 bidi
5、rectional DC/DC converter 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 an
6、alysis, the characteristic 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
7、the convenience of the 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-D
8、irectional DC/DC converter; PWM control; Phase-shift control; Soft switching 目 录 第一章 绪论.1 1.1 课题背景和意义 1 1.2 双向 DC-DC 变换器概述.2 1.2.1 双向 DC-DC 变换器的原理 .2 1.2.2 双向 DC-DC 变换器的拓扑结构 .3 1.2.3 双向 DC-DC 变换器的控制方式 .5 1.3 双向 DC-DC 变换器在电动汽车上的应用.6 1.4 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.11 2.1 电动汽车双向 DC-DC
9、变换器11 2.1.1 燃料电池电动汽车能量管理系统 .11 2.1.2 蓄电池燃料电池电动汽车动力系统工作模式分析 .12 2.2 双半桥双向 DC-DC 拓扑结构的选择与分析12 2.2.1 主功率拓扑的选择 .12 2.2.2 控制方案选择 .13 2.2.3 拓扑电路的分析 .13 2.3 变换器等效电路 .14 2.4 变换器换流分析 .16 2.4.1 正向工作模式 .16 2.4.2 反向工作模式 .18 2.5 正向/反向模式下的软开关条件 19 2.6 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.20 3.1 双向变换器输出特性分析 .20 3
10、.2 变换器设计 .22 3.2.1 变压器漏感选择.22 3.2.2 开关管应力分析.23 3.2.3 输入电感设计.24 3.3 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 南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 0 第一章绪论 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
11、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
12、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
13、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。 南京邮电大学 20
14、12 届本科生毕业设计（论文） 1 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
15、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。 双向DC-DC变换器 12 0,0II 12 0,0II 1 I 2 I 1 V 2 V 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 1 V 2 V 1 I 2 I 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 1 V 2 V 制器控制功率流向：使能量从
16、传输到，称为正向工作模式，此时为负， 1 V 2 V 1 I 为正；使能量从传输到，称为反向工作模式，此时为正，为负。 2 I 2 V 1 V 1 I 2 I 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， 南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 2 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
