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宽电压范围动力电池模组均衡电源的研制

宽电压范围动力电池模组均衡电源的研制

作者：岳彩义北京交通大学

学位级别：硕士

新能源汽车作为绿色、清洁的交通工具,成为近年来世界各国关注的焦点,目前在我国已实现了大规模应用。作为其核心部件之一,动力电池系统会直接影响整车性能和安全。动力电池组一般由多个电池模组串联组成,模组之间的不一致性不仅会降低... 详细信息

新能源汽车作为绿色、清洁的交通工具,成为近年来世界各国关注的焦点,目前在我国已实现了大规模应用。作为其核心部件之一,动力电池系统会直接影响整车性能和安全。动力电池组一般由多个电池模组串联组成,模组之间的不一致性不仅会降低汽车的加速性能和续航里程,甚至会缩短整组的使用寿命。目前,均衡技术是解决电池应用过程中不一致性最为有效的方式。本文重点研究均衡拓扑,并实际设计一套适用于离线均衡的电源设备,以解决电池长期使用后的不一致性问题。首先,分析均衡电源的功能需求,并从均衡策略和均衡拓扑两方面进行总体方案设计。在均衡策略方面,对均衡变量进行了优缺点分析,选择了基于开路电压的均衡策略;在均衡拓扑方面,对其进行分析,选择均衡电流大,控制灵活的双向DC/DC变换器作为均衡拓扑。对纯电动乘用车动力电池系统的标称电压范围进行了分析,选取了双向全桥CLLC谐振变换器和双向Buck/Boost级联拓扑来解决均衡电源电压范围宽的问题。其次,使用基波分析法对双向全桥CLLC谐振变换器进行建模分析,得到了正反向增益与归一化频率之间的关系,并结合方案设计需求完成了谐振参数的设计和主要器件的选型;为提高均衡电源的综合性能,选择具有良好动态性能和控制精度的自适应模糊PI控制器来实现电流闭环控制;在Matlab环境中搭建了主电路的闭环仿真模型,验证了谐振参数设计的合理性和控制方式的有效性。然后,分析了主电路的控制需求,完成了电压和电流信号采集和调理电路、开关管的隔离驱动电路等控制电路的硬件设计;并根据控制目标完成了软件设计;依据控制策略需求,完成了主控板硬件和软件的设计。最后,搭建了1k W实验平台。对双向DC/DC变换器的不同工作状态进行了实验。通过分析实验波形,验证了主电路原理分析的正确性、参数及软、硬件设计的合理性;并对其动态性能进行了测试,实验结果表明,自适应模糊PI控制的动态性能优于传统PI控制;本文所设计的双向DC/DC变换器能在宽电压范围下可靠运行,满足了设计要求。

关键词： CLLC 模糊PI 电池模组均衡宽电压范围 Buck/Boost

宽电压范围双移相控制多倍压高增益软开关隔离升降压变换器

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电工技术学报 2016年第13期31卷 10-17页

作者：陆杨军邢岩吴红飞张君君南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室南京210016

提出一种适用于宽电压范围、低电压输入应用场合的多倍压高增益软开关隔离升降压变换器及其控制方法。通过将倍压型双有源桥变换器与倍压整流电路相结合,实现了高增益隔离升降压变换。通过采用双移相控制策略,使得一次、二次侧开关管能... 详细信息

提出一种适用于宽电压范围、低电压输入应用场合的多倍压高增益软开关隔离升降压变换器及其控制方法。通过将倍压型双有源桥变换器与倍压整流电路相结合,实现了高增益隔离升降压变换。通过采用双移相控制策略,使得一次、二次侧开关管能够在宽电压和宽负载范围内实现软开关,且二极管都可以实现零电流关断、无反向恢复损耗。变压器漏感可以作为能量传输电感的一部分,不存在漏感引起的电压尖峰问题,且一次侧开关器件的电压应力钳位在输入电压,二次侧开关器件的电压应力仅为输出电压的一半,器件电压应力低。详细分析了变换器的工作原理、控制策略和特性,实验验证了所提出拓扑及其控制方法的正确性和有效性。

关键词：高增益双移相控制策略软开关宽电压范围多倍压电路

矩阵变压器+移相控制宽电压范围LLC变换器

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中国电机工程学报 2019年第12期39卷 3638-3645页

作者：余致远吴红飞花文敏邢岩多电飞机电气系统工信部重点实验室(南京航空航天大学)

针对服务器电源等对稳态效率和暂态升压能力具有特殊需求的应用场合,研究一种基于矩阵变压器的LLC谐振变换器。稳态时,变换器工作在谐振频率点附近,保证其具有高效率;交流输入电压跌落时,通过引入的混合整流电路并结合移相控制实现变压... 详细信息

针对服务器电源等对稳态效率和暂态升压能力具有特殊需求的应用场合,研究一种基于矩阵变压器的LLC谐振变换器。稳态时,变换器工作在谐振频率点附近,保证其具有高效率;交流输入电压跌落时,通过引入的混合整流电路并结合移相控制实现变压器等效匝比的调节,进而使变换器具备额外的升压调节能力、实现输出电压的稳定。以双变压器LLC谐振变换器为例,详细分析变换器的工作原理和工作特性,实验验证了所研究方案的可行性与有效性。

关键词： LLC 移相控制矩阵变压器宽电压范围

宽电压范围的双向有源隔离DC-DC变参数控制方法研究

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宽电压范围的双向有源隔离DC-DC变参数控制方法研究

作者：雷园西南交通大学

学位级别：硕士

随着电力电子器件的发展和应用,电力电子技术也得到不断革新。在轨道交通,航空航天,军用设备,混合储能技术,新能源发电等多个领域都要求电力电子变换器具有宽电压范围的适应性,高电压转换比,高效率,功率双向传输等特性。针对电压宽范围... 详细信息

随着电力电子器件的发展和应用,电力电子技术也得到不断革新。在轨道交通,航空航天,军用设备,混合储能技术,新能源发电等多个领域都要求电力电子变换器具有宽电压范围的适应性,高电压转换比,高效率,功率双向传输等特性。针对电压宽范围变化的工作条件,本文采用隔离型双边半桥三电平DC-DC变换器拓扑结构,在双边三电平工作模式的基础上提出了变参数控制方案,使得变换器漏感电流有效值实时最小化,提高了变换器的轻载效率,减小了变换器开关管的电流应力。宽电压范围变化情况下,隔离型DC-DC变换器分为等效降压型(k≤1)和等效升压型(k>1)两大类。首先分析了等效降压型DC-DC变换器双边三电平模式下的工作原理,功率特性,和软开关特性。在不改变变换器传输功率的前提下,以漏感电流有效值最小为控制目标,得到了降压型DC-DC变换器优化控制的占空比表达式,在优化控制下,变换器能够在全功率范围内实现软开关,并且在空载时,漏感电流有效值降为零。其次根据等效升压型DC-DC变换器双边三电平模式下的工作原理,分析了其功率特性,软开关特性以及漏感电流有效值最小的优化特性。k≤1和k>1变换器工作特性和优化的占空比特性趋势一致。随着传输功率的增加,变换器优化工作波形都从双边三电平过渡到单边三电平,再过渡到双边两电平。宽电压范围下,对k≤1和k>1变换器的优化占空比表达式进行了统一,通过判断k值大小,控制器内部只需要k≤1的优化占空比表达式,极大简化了控制器的设计。针对传统固定参数控制方案在电压宽范围变化时,变换器出现不匹配工作波形的问题,提出了变参数控制方案,将输入电压引入控制环路中,实时计算等效电压变比k,更新变换器双边三电平工作模式时的三个控制变量D,D,D,使得变换器随着输入电压的变化,优化工作波形始终是匹配的。并且在Matlab/Simulink上对变参数控制方案的可行性进行了仿真验证。最后,采用Verilog HDL语言在FPGA芯片上进行控制器软件设计,设计了输入电压6000V输出电压110V传输功率400W的实验平台。宽输入电压范围下,对传统固定参数和变参数控制方案的效率和漏感电流有效值进行了实验对比分析,实验结果表明变参数控制在宽电压范围时,轻载效率均保持在90%以上,验证了变参数控制方案的有效性。

关键词：双向隔离DC-DC变换器宽电压范围变参数控制轻载效率提升漏感电流有效值最小

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宽电压范围谐振变换器研究

宽电压范围谐振变换器研究

作者：赵健南京航空航天大学

学位级别：硕士

发展新能源是解决能源危机和维护生态环境的重要措施,其中新能源发电和新能源汽车是新能源利用的重要形式。在新能源发电和新能源汽车的应用场合下,其采用的DC/DC变换器都需要能够具备宽电压范围调节能力以及较高的能量传输效率。LLC谐... 详细信息

发展新能源是解决能源危机和维护生态环境的重要措施,其中新能源发电和新能源汽车是新能源利用的重要形式。在新能源发电和新能源汽车的应用场合下,其采用的DC/DC变换器都需要能够具备宽电压范围调节能力以及较高的能量传输效率。LLC谐振变换器以其开关管能够自然实现ZVS以及输出二极管能够自然实现ZCS的特性在中大功率的场合得到了广泛的应用,然而LLC谐振变换器的电压增益范围较窄,很难适用于宽电压增益范围的应用场合。为了拓宽LLC谐振变换器的电压增益范围,本文针对LLC谐振变换器的整流网络进行了改进,在保留LLC谐振变换器特点的同时拓宽了其电压增益范围。本文首先分析了传统LLC谐振变换器的工作原理,利用基波分析法对LLC谐振变换器的工作特性进行了详细分析,并且介绍了LLC谐振变换器的设计方法。本文接着探讨了变压器匝比对增益特性的影响,推导出了在相同的输出功率和开关频率条件下的变换器的增益和变压器匝比的关系,并根据所得到的关系得到了一种通过改变整流结构从而改变变压器变比的变结构LLC谐振变换器。该变换器存在两种模式,文中详细分析了该变换器的工作原理,对两种模式的切换过程进行了详细的讨论与分析,并搭建了一台500W的实验样机进行了实验验证,实验验证了理论分析的正确性。本文最后探讨了适用于掉电保持场合的DC/DC变换器,针对变换器在正常工作时输入电压范围狭窄,而掉电保持期间输入电压范围却很宽的特点,提出了一种带掉电保持功能的LLC谐振变换器。在正常工作时,该变换器与传统LLC变换器工作原理相同。而在掉电保持期间,该变换器通过改变整流结构来提高变换器的电压增益。文中详细分析了该变换器的工作原理,对其工作特性进行了详细的分析,并搭建了一台300W的实验样机进行了实验验证,实验结果证明了理论分析的正确性。

关键词： LLC谐振 ZVS 宽电压范围变整流结构掉电保持

宽电压范围的三端口变换器拓扑与控制策略研究

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宽电压范围的三端口变换器拓扑与控制策略研究

作者：翟文化哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

为了应对可再生能源如光能与风能等不稳定性和间歇性等问题,在新能源发电场合,利用三端口变换器提供额外的端口来连接储能设备以稳定功率供给的方法受到了广泛的关注。相对传统的利用两个两端口变换器的方法,三端口变换器尤其是非隔离... 详细信息

为了应对可再生能源如光能与风能等不稳定性和间歇性等问题,在新能源发电场合,利用三端口变换器提供额外的端口来连接储能设备以稳定功率供给的方法受到了广泛的关注。相对传统的利用两个两端口变换器的方法,三端口变换器尤其是非隔离型具有体积更小和成本更低等优点,但其端口间电压约束往往较为严重,不能实现任意端口间的升降压,这极大的限制了其应用场合,因此,对具有更宽电压范围特点的非隔离拓扑的及其控制策略的研究成为当下研究的一个热点。针对上述问题,提出了一种具有宽工作电压范围的非隔离三端口拓扑,该拓扑除了可实现任意端口间升降压变换,还具有更高的功率密度。拓扑由四开关Buck-Boost演变而来,通过在端口间添加电容,可同时减小与电容相连的两个端口的输出电压纹波,因此在同样纹波要求下,该拓扑所需滤波电容总量更少、系统的功率密度更高。除此之外,还通过理论分析证明了该电容的添加也有利于减小与之相连的两个端口总的滤波损耗。针对电路在宽工作电压范围下单一控制器参数无法实现稳定控制的问题,设计了一种分段建模补偿策略。在电压变化范围大时,利用单一工作点小信号模型来设计补偿器控制效果不佳,因此根据端口电压大小关系将电压范围划分为三段,分别对每段进行补偿,电路根据工作电压来决定其所采用的补偿器参数。基于对电路工作原理的分析并考虑电路工作特点,设计了电路的参数,利用状态空间平均法建立了添加电容前后系统小信号模型并进行了对比,以分析添加电容对系统小信号稳定性的影响。根据电路的工作特性划分了不同的工作区和电压模式,为实现准确的工作区识别和控制环路的自动切换,采用了一种控制器输出并行竞争逻辑;为保证各工作区和电压模式切换的平滑性,设计了具有记忆作用的模式切换策略,避免了切换过程可能导致的占空比突变。为了降低电路导通损耗及开关损耗,对不同的桥臂设计了针对性的锯齿波调制策略,实现了电感有效值最小化和开关管的软开关。利用仿真工具分析了各电压模式下辅助电容减小纹波的效果、软开关过程以及负载突变时电路的工作情况,验证了以上理论分析的正确性。

关键词：宽电压范围三端口变换器调制策略软开关

基于准谐振技术的宽电压范围双管反激电源设计

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电源学报 2019年第2期17卷 79-83页

作者：秦振牟少芳宋英杰张堃丁新平青岛理工大学自动化工程学院青岛266520

设计了一种基于变频控制芯片L6565D的宽电压范围双管反激电源,其输入电压范围为200～1 000 V,作为系统的辅助电源应用于光伏电站中;L6565D通过采集输入电压的变化情况实现不同电压段的电流环限流点的调节,同时利用检测变压器磁复位状态... 详细信息

设计了一种基于变频控制芯片L6565D的宽电压范围双管反激电源,其输入电压范围为200～1 000 V,作为系统的辅助电源应用于光伏电站中;L6565D通过采集输入电压的变化情况实现不同电压段的电流环限流点的调节,同时利用检测变压器磁复位状态来控制两个开关管工作于谷底导通模式,实现软开关功能。其准谐振工作模式降低了开关管开通损耗,改善了电磁兼容EMC(electromagnetic compatibility),提高了整机效率,节约了成本。目前该款电源已经成功应用到光伏系统中,取得了良好的效果。

关键词： L6565D 准谐振双管反激宽电压范围

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一种宽电压范围电流基准的设计

微电子学与计算机 2020年第8期37卷 49-54页

作者：雷婉吴龙盛李婷时光李倩敏西安微电子技术研究所陕西西安710054

本文针对电流基准功耗大、电源电压范围窄的问题,设计了一款同时具备低功耗、宽电压范围、低温度系数的CMOS基准电流源.基准电流由PTAT电流和CTAT电流按一定比例系数相加产生,表现出与温度无关的特性.使用基于CMOS亚阈值特性的运放和自... 详细信息

本文针对电流基准功耗大、电源电压范围窄的问题,设计了一款同时具备低功耗、宽电压范围、低温度系数的CMOS基准电流源.基准电流由PTAT电流和CTAT电流按一定比例系数相加产生,表现出与温度无关的特性.使用基于CMOS亚阈值特性的运放和自级联电流镜,扩大了电源电压范围,降低了电路整体功耗,提升了电路性能.电路基于XFAB 0.35μm CMOS工艺进行设计,结果表明,基准电流为5μA,在-25℃~125℃温度范围内,温漂系数为40 ppm/℃,电源电压为2.5 V^6 V,功耗为25μA.

关键词：电流基准 PTAT CTAT 低功耗宽电压范围

宽电压范围双向DC-DC变换器的控制策略研究

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电气传动 2021年第18期51卷 3-9页

作者：王静李建国张雅静王久和熊天龙深圳供电局有限公司电力科学院广东深圳518000 北京信息科技大学自动化学院北京100192 清华四川能源互联网研究院四川成都610042

针对双主动全桥DC-DC变换器输入和输出侧电压严重不匹配的问题,研究了宽电压范围双向DC-DC变换器,分析了其电压特性、电流特性和功率特性,研究了主电路参数的设计,并提出了一种分布式闭环控制与集中式电压平衡控制相结合的控制策略,结... 详细信息

针对双主动全桥DC-DC变换器输入和输出侧电压严重不匹配的问题,研究了宽电压范围双向DC-DC变换器,分析了其电压特性、电流特性和功率特性,研究了主电路参数的设计,并提出了一种分布式闭环控制与集中式电压平衡控制相结合的控制策略,结合了集中式控制和分布式控制的优点,具有简单有效、易于扩展不同级联数和电压等级的DC-DC变换器的优点,且具有良好的动态响应能力。在理论研究的基础上,研制了一台实验样机,并且通过实验验证了所提出控制策略的有效性。

关键词： DC-DC变换器双向全桥变换器宽电压范围控制策略