双向DC-DC电力变换器设计

2一．项目简介本项目主要研究和设计了DC-DC双向变换器。首先，针对常用的非隔离双向DC/DC变换拓扑有双向BUCK/BOOST、双向半桥、双向CUK和双向SPICE四种。通过对这几种典型拓扑工作原理的分析，得出四种拓扑的特点和优势。最终设计和研究出一种新型拓扑-双向半桥拓扑为主要研究和设计对象，方便实现DC/DC双向充放电。二．项目内容21立项依据当今社会，能源有限已经成为人类的主要问题之一，为了响应国家号召，以绿色能源的开发和利用已经成为了社会热点问题。双向DC/DC变换器在电动汽车中能量回收和稳定电池电压、电流有及其重要的作用。同时DC/DC双向变换器，在光伏系统中也有相当重要的研究价值。22项目意义传统的双向DC/DC变换器大多数都是硬开关，开关损耗大，电磁干扰与高频化之间存在着矛盾，给提高效率带来了阻碍，软开关技术的发展给双向DC/DC变换器带来了新的曙光。考虑到谐振、准谐振或多谐振双向DC/DC变换器中的开关管所承受的电流电压应力大，变频控制导致滤波器设计很麻烦；有源箝位电路或能量缓冲吸收电路额外增加了多个辅助元器件，提高了拓扑的复杂程度，所以这些方案有待进一步完善。鉴于双向DC/DC变换器的研究现状以及其发展前景，着力于研究新型软开关双向DC/DC变换器更有意义。电动汽车中的电动机是典型的有源负载，汽车正常行驶时，使用蓄电池中的电能驱动电动机，此时电能转换为机械能，当电机制动时，可以将汽车的动能通过电动机的发电功能将电能存在蓄电池中。这使得DC/DC双向系统拓扑具有很重大的研究意义。汽车在行驶过程中可能频繁加减速，而且行驶的速度也很可能有很大差别。双向DC/DC变换器可以根据实际需要完成能量双向传输，就可以将蓄电池的电压在一定范围内稳定在一个相对较高的电压值，又可以将汽车制动时能量回收给蓄电池充电。并且它使用的电力电子器件少，具有高效率、小体积和低成本等优势。因此双向DC/DC变换器有广泛的应用空间。目前纯电动汽车还存在一个重要的缺点就是充电时间长，同时制动能量回收效率低，制动性差。为此现在又出现了

3一种利用超容量电容器与电池相结合的新型电源系统，超容量电容具有快速充放电，无记忆性和二次污染的优点。可以很好的弥补普通电池充电速度慢，加速性能差，回收效率低的缺点，因而在本拓扑中驱动系统采取以超容量电容为辅助电源。23项目的内容及目标本设计首先针对常用的非隔离双向DC/DC变换拓扑有双向BUCK/BOOST、双向半桥、双向CUK和双向SPICE四种等变换器进行分析，综合个拓扑优缺点，最终选择双向半桥拓扑作为我们的方案。其次，目前缺少针对双向DC-DC变换器的电源管理芯片，这里选用工作频率、内部资源都满足设计要求的stm32单片机作为控制器。随后，对桥式电路电路的驱动方式进行了研究，根据各驱动方式的优缺点，决定采用高端自举方式工作的IR2110作为驱动芯片。另外，结合拓扑和驱动方式的特点，分析变换器的控制方式机器存在的问题。最后通过程序设计，采用PID调节算法，实现双闭环DC/DC变换器闭环控制系统，完成了DC/DC变换器能量的双向流动的基本功能，有利于电动汽车能量回收和利用。24项目特色分析DC/DC双向变换系统是基于ARM嵌入式开发系统STM32控制器下开发和完成的。DC/DC对桥式的驱动方式选择以高端自举方式工作的IR2110。本系统可以用于光伏发电系统、电动汽车、电池的充放电能源回收等直流电源系统。25完成项目总体框图