高-基于全数字控制LLC谐振变换器+的电动汽车电池充电器研究

中图分类号：TM464论文编号：102870314-S113学科分类号：080804硕士学位论文基于全数字控制LLC谐振变换器的电动汽车电池充电器研究研究生姓名刘一希学科、专业电力电子与电力传动研究方向功率电子变换技术指导教师陈新副教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二○一四年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchontheBatteryChargerinElectricVehicleBasedonDigitalControlledHalf-BridgeLLCResonantConverterAThesisinElectricalEngineeringByLiuYixiAdvisedbyAssociateProfessorChenXinSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2014承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文I摘要随着能源和环境问题的日益严重，电动汽车越来越普及，而电动汽车的使用必然需要一台性能良好，高效可靠的电池充电器。目前，蓄电池的充电方式主要有恒压充电、恒流充电、恒压恒流充电、脉冲充电等，其中恒压恒流充电方式对电池性能维护最好，不易出现过充、欠充等问题，因此可以有效延长蓄电池的使用寿命。常见的充电拓扑有正激、Buck、Boost、串联谐振、并联谐振、串并联谐振等，而半桥LLC谐振变换器可以实现全负载和全输入电压范围内功率开关管的ZVS，并可通过磁集成技术提高整机的功率密度，具有明显的优势。此外，随着功率变换器控制技术的迅速发展，数字控制逐渐体现其优势，与传统的模拟控制相比，具有灵活性高、元器件数量少、成本低、可以实现复杂的控制算法等优点。论文以最大输出功率2.2kW的蓄电池充电器为研究对象，针对高功率密度、高效率、低成本的设计要求，选择了半桥式LLC谐振变换器作为主功率拓扑，并采用全数字控制方式实现变换器的闭环控制、采样保护、蓄电池充电管理等功能。本文首先介绍了半桥LLC谐振变换器的工作原理及其增益特性，给出了谐振参数对变换器特性的影响，并进行了参数设计；然后利用扩展函数描述法对半桥LLC谐振变换器进行数学建模，并通过频域仿真法验证了数学模型的准确性；接着基于该数学模型，设计了PID补偿器，并分析了数字控制的影响，在离散域进行了控制器稳定性分析，验证了基于数字控制的环路设计的可靠性与合理性；此外，论文在Saber中搭建仿真模型，进行了半桥LLC谐振变换器开环、闭环以及环路切换的仿真验证；最后搭建了一台基于DSP28027的样机，完成相关实验验证。关键词：半桥LLC谐振变换器，软开关，数学建模，数字控制，PID补偿器基于全数字控制LLC谐振变换器的电动汽车电池充电器研究IIABSTRACTWiththeincreasinglyseriousenergyandenvironmentalproblems,theelectriccarhasbecomemoreandmorepopular.Andthus,acarchargerwithhighperformanceandreliabilityhasprimaryimportance.Atpresent,theusualwaysofchargingareconstantvoltagecharging,constantcurrentcharging,constantvoltage--constantcurrentcharge,pulsecurrentchargingandsoon.Andamongthem,constantvoltage--constantcurrentchargingisthebestwaytogetbetterbatteryperformancebecauseoflesspossibilitiesofoverchargingorundercharging.Asaresult,thebatterymayhavelongeroperationlife.Ontheotherhand,wehavealotofchoiceofpowertopologysuchasForward,Buck,Boost,SRC,PRC,SPRCandsoon.AsLLCresonantconvertercanrealizeZVSinthefullrangeofloadandinputvoltage,ithasobviousadvantagesovertheothers.Furthermore,withtherapiddevelopmentofpowerconvertercontrol,digitalcontrolgraduallyshowsitsadverturescomparedtoanalogcontrol.Itismoreflexibleandwithouttoomanycomponents,andcanrealizecomplicatedcontrolalgorithms.Inthisthesis,itmainlyintroducestheLLCresonantconverterratedat2.2kWoutputpower,andthedigitalcontrolmethodisadoptedtorealizetheclose-loopcontrol,sampleandthemanagementofbatterycharging.Inthisthesis,theoperationprincipleandthefrequencycharacteristicofthehalf-bridgeLLCresonantconverterarefirstlyintroduced,andthedesignproceduresofinductorandcapacitorarediscussed.Then,themathematicalmodelingonthebasisofEDFisderivedandverified.Basedonthemodel,thePIDcompensatorisdesigned,andtheinfluenceofdigitalcontrolisalsotakenintoconsideration.Toprovethestability,theanalysisindiscretedomainisalsonecessary.Inaddition,asimulationmodelandaexperimentalplatforminSaberhavebeenbuilttoevaluatethetheoreticalanalysis.Keywords:Half-bridgeLLCResonantConverter,SoftSwitching,MathematicalModeling,DigitalControl,PIDCompensator南京航空航天大学硕士学位论文III目录第一章绪论..........................................................................................................................................11.1课题研究意义...................................................................................................................11.2电动汽车充电器研究背景...............................................................................................11.2.1蓄电池充电方式.....................................................................................................21.2.2电池充电器的功率拓扑.........................................................................................31.2.3国内外研究现状....................................................................................................91.3本文研究的主要内容.....................................................................................................12第二章半桥LLC谐振变换器原理及特性分析...............................................................................132.1半桥LLC谐振变换器工作模态分析...........................................................................132.2半桥LLC谐振变换器的FHA模型.............................................................................162.3半桥LLC谐振变换器直流增益特性分析...................................................................182.4半桥LLC谐振变换器谐振参数设计...........................................................................202.5半桥LLC谐振变换器开环仿真...................................................................................212.6本章小结.........................................................................................................................24第三章半桥LLC建模分析与验证...................................................................................................253.1半桥LLC谐振变换器数学建模..........................................................................