用于混合储能系统的三半桥隔离式双向DC/DC变换器的研究

超级电容器与蓄电池的混合储能系统在电动汽车和分布式可再生能源发电系统中的应用,近年来引起了广泛关注。为了使混合储能装置,主电源与负载之间有效地结合起来,目前大多数情况下都是使用多个单输入DC/DC变换器来作为接口电路。然而,通过使用具有多个连接端口的集成功率变换器(被定义为多端口DC/DC变换器,或多输入DC/DC变换器)来取代原来的单输入DC-DC变换器,仅通过一个电力电子变换器就实现了各种可再生能源发电设备,储能装置与负载之间的有效结合,在近年来成为研究热点。 到现在为止,国内外已经对多输入变换器进行了有限的研究,但是所提出的电路拓扑都具有功率流动单向,无电气隔离,硬开关,元器件数目多,效率低以及控制结构复杂等缺点,应用受到限制。本文针对多端口变换器在混合储能系统中的应用问题,在对这些变换器拓扑的优缺点进行综合比较的基础上,选择使用三半桥DC/DC变换器来作为蓄电池-超级电容器混合储能的接口电路。文中结合三半桥(THB)双向DC/DC变换器在燃料电池电动汽车动力系统中的应用,从正向(Boost)和反向(Buck)两种模式对变换器拓扑的工作原理、换流过程、稳态输出特性和软开关条件进行了详细的理论分析,并且利用saber 2007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。 本文还致力于研究三半桥DC/DC变换器的数学建模和控制系统设计,通过引入开关函数建立三半桥变换器的简化、降阶型状态空间平均数学模型和线性小信号模型,并且以该小信号模型为基础,构建了变换器的双闭环系统控制结构,通过波特图进行电流内环和电压外环控制系统的设计和优化。由于电流内环系统两个输入端之间存在相互干扰,文中通过进行解耦网络的设计以实现对两个输入电感电流的独立控制。本文还利用Matlab/simulink软件,通过仿真证明了所设计的变换器控制系统具有良好的动态性能和稳态精度。 文中最后进行了三半桥DC/DC变换器硬件电路和数字控制系统设计,研制出以TMS320LF2407A型DSP芯片为控制内核,功率为2kW的三半桥DC/DC变换器实验样机,提出基于DSP软件编程的数字移相调制方法,在此基础上对样机进行了实验验证,实验结果证明了主电路在各种模式下都具有良好的稳态工作特性,功率开关管能够实现ZVS,也表明基于DSP的数字移相控制方案是完全可行的。上述工作为进一步深入研究蓄电池-超级电容器混合储能及其在燃料电池电动汽车能量管理系统中的应用,提供了技术基础。