一种五电平DC-DC充电模块的研究

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随着电动汽车在城市公交领域的推广,以及动力电池快充性能的发展,对额定功率达到350k W及以上的大功率充电机的需求正逐渐增多。本文针对于电动汽车大功率充电的应用场合,以通过提高电压等级来提升充电机/充电站整体效率为背景,在保证功率器件低电压应力的前提下,研究适用于较高直流母线电压等级的多电平DC/DC变换器,采用LLC谐振软开关技术结合相应的控制策略,实现输出电压的宽范围调节,主要进行了如下几个方面的研究:首先,对比分析了多电平变换器的研究现状及其特点,选择了一种综合性能较优的五电平拓扑作为研究对象,对其工作原理及不同工作模态进行分析。考虑到采用传统基波分析法时,在远离谐振频率处的建模准确性不高的缺点,结合时域分析法对其所建数学模型进行修正,在此基础上对变换器相关工作特性进行分析。同时,对比分析了移相控制策略和变频控制策略的优缺点,采用了一种混合控制策略,从而在宽电压范围输出时,实现较高的工作效率。其次,分析了谐振参数对变换器工作性能的影响,按照一定的设计步骤,完成谐振参数的相关设计,并且通过MATLAB仿真验证了参数设计的合理性,以及闭环控制策略的可行性。然后,完成了具体硬件电路的设计,包括主电路参数的选型,电感、变压器等磁性元件的设计以及驱动电路、采样电路的具体设计。通过建立变换器的损耗模型,给出了各部分损耗的分布情况。在搭建硬件电路平台的基础上,基于ARM芯片STM32F103进行了软件控制系统的分析与设计,给出了对所提控制策略的具体实现方案。最后,完成了实验样机的相关调试,对关键波形进行测试分析。对不同扰动下的闭环系统性能进行实验测试,验证了样机控制策略的可行性。
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