车用燃料电池升压DCDC变换器硬件设计开题报告
2020-04-07 08:41:57
1. 研究目的与意义（文献综述）
| 1.目的及意义（含国内外的研究现状分析） 燃料电池发电系统以其发电效率高，功率密度大，环境友好等优点，被认为 是21世纪首选的洁净、高效的发电技术，在国防和民用的电力、汽车，通信， 移动式电源，潜艇，航海、航空航天等多个领域展露出广阔的应用前景。 燃料电池是以低压直流形式输出的，这些低压直流电大多需要进行转换，转 换后的电压经DC/DC变换器后才能提供用户使用，燃料电池系统必须采用DC/DC变换器。 DC/DC可分成PWM式、谐振式和它们的结合式，每一种方式中从输入与输出之间是否有变压器分为隔离与无隔离两类，非隔离型中有六种拓扑：Buck降座，Boost升压、Buck-Boost升降压、Cuk、Sepie和Zeta变换器.隔离型包括正激、反激、推挽、半桥、全桥型变换器。 历时至今，燃料电池用的DC/DC已经经历了很久的多段发展。除去常规电性能指标以外，对直流转换电源体积的要求也越来越小，也就是对其功率密度的要求越来越高，对转换效率要求也越来越高，因此如何开发设计出更高功率密度.更高转换效率，更低成本更高性能的DC/DC直流转换电源始终是近二十年来电力电子技术工程师追求的目标。 从八十年代末起，工程师们为了缩小DC/DC直流转换电源的体积，提高功率密度，大幅度提高开关电源的工作频率。 后来工程师们开始研究各种避开开关损耗的软开关技术，实用且一直延续到现在的是VIC0R公司的有源箝位ZVS软开关技术和九十年代初诞生的全桥移相ZVS软开关技术。 有源箝位技术历经三代，第一代系美国VIC0R公司的有源箝位ZVS技术，第二代有源箝位技术采用P沟M0SFET在变压器二次倒用于forward电路拓朴的有源箝位.第三代有源箝位技术的特点是在第二代有源箝位的基础上将磁芯复位时释放出的能量转送至负栽，实现了更高的转换效率。 全桥移相ZVS软开关技术，从90年代中期风靡大功率及中功率开关电源领域.该电路拓朴及控制技术在M0SFET的开关速度还不太理想时，对DC/DC直流转换电源效率的提升起了很大作用.同步整波给DC/DC直流转换电源效率的提高带来实惠颇多，在做好ZVS软开关的同时做好二次倒的同步整流，而这是提高DC/DC直流转换电源效率最有效的措施。 本次课程设计旨在简要了解其中以四相移相并联主电路的50KW车用染料电池DC/DC变换器设计。 |
2. 研究的基本内容与方案
2.研究的基本内容及目标、拟采用的技术方案及措施
2.1研究目标
本文将旨在设计一个大功率升压型dcdc变换器的硬件部分，以期实现在输入为200-300v的直流电压条件下，其输出电压能在450-650v的范围内调节，在额定功率50kw实现恒流、恒压和恒功率输出功能。
2.2研究内容
（1）总体方案设计，包括功能需求， 升压型四相移相并联主电路拓扑结构设计。
旨在设计一个四相移相并联主电路设计，输出直流电供给给电机或蓄电池。结合参数需求选定硬件。
（2）控制驱动电路硬件设计。
结合主电路的拓扑结构及硬件，确定对应的控制及驱动电路。此处采用dsp28335作为主控芯片。
（3）信号采集处理电路设计。
根据采样信号的大小、范围及形式，确定信号采集处理电路的方案及对应的硬件设计及选型。
（4）can通信电路设计。
2.3 技术方案
2.3.1主电路设计
四相移相并联dcdc升压主电路原理图如下：
图2.1 四相移相并联dcdc升压主电路原理图
图中利用mos管做开关元件，每个mos管都反向并联一个寄生二极管。每个电感都串联了一个功率mos管，相比较于普通的二极管而言，功率mos管有更低的功耗，减少耗散功率。四路dcdc电路采用交错并联技术的原因是功耗的同时，将每一路的驱动错开360/n 度，可以有效减少输出电容的充放电时间，从而减少输出电容的纹波电流。相关研究表明，采用交错并联技术的变换器，其输出电流纹波可以大幅度减少，甚至在某些工作点可以实现零纹波，从而大大减轻了输出电容的压力。
2.3.2 控制及驱动电路设计
模拟控制技术对电路的设计要求高，参数匹配困难，而数字控制技术易于实现dc/dc变换器集成化、小型化，同时还具有控制精确、工作可靠、损耗低、效率高等优点。所以在本设计中将采用dsp芯片tms320f28335作为主控芯片，运用先进的dsp数字控制技术来构造四相移相并联dcdc升压主电路的数字控制器，实现对主电路的反馈闭环控制。数字控制器的设计包括主控制电路、采样电路、驱动电路以及通讯电路这四部分设计。基于tms320f28335的完整四相移相并联dcdc升压主电路的数字控制器结构框图如图2.2所示。
图2.2 tms320f28335数字控制器原理框图
四相移相并联dcdc升压主电路输入端与输出端的电压、电流、温度等强电模拟信号经过采样电路转换为0~3v以内的弱电数字信号，送至由主控芯片28335构成的主控制电路中计算出反馈控制量，驱动电路以此控制量产生相应的pwm驱动信号驱动mos管的工作。
对应mos管驱动电路的设计：本方案采用mos管作为功率开关管，其等效电路如图2.3所示。
图2.3 功率mos管等效原理图
b o o s t 变换器由于存在右半平面零点， 容易造成环路不稳定， 采用电压外环加电流内环的双环控制， 可以提高电路的稳定性能和动态响应。本设计采用一个电压外环控制输出电压， 电压外环的输出分别作为4 路boost变换器电流内环的参考，4个电流内环共用一个基准，保证了4路boost 变换器的均流。
图2.4 双环控制技术
2.3.3采样处理及can通信电路设计
（1）电压采样
需要采样的电压信号有输入电压uin和输出电压uo，这两个信号能够反映输入输出的工作情况，dsp控制器可以根据这两个电压信号的大小，对boost变换器进行调节，确保电路处于安全的工作区内。
uin和uo的电压采样均采用lem公司的电压传感器，型号为lv-25p。lv-25p的主要优点包括出色的精度、良好的线性度、低温漂、抗外界干扰能力强、共模抑制比强、反应时间快和频带宽等，具体的参数指标见表2.1。通过合适地选取外部电阻r1以及测量电阻rm，就可以将buck主电路中的高电压信号转换成dsp可接受的0~3.3v弱电压信号。
表2.1霍尔电压传感器chv-25p基本参数
3. 研究计划与安排
| 3. 进度安排（按周次填写） 第1周 下达毕业设计任务书及要求，查阅国内外研究现状等文献； 第2周 查阅文献，讨论毕业设计任务和内容； 第3周 撰写并提交毕业设计开题报告； 第4-5周 毕业设计，并完成英文文献翻译； 第6-8周 毕业设计，完成中期检查； 第9-12周 深化毕业设计任务，完成实际设计； 第13-15周 撰写毕业设计论文提纲和正文，完成毕业设计论文； 第16-17周 准备论文答辩。
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4. 参考文献（12篇以上）
| 4. 参考文献 [1] 沈烨烨. 燃料电池DC-DC变换器建模与控制[D]. 浙江大学, 2014. [2] 王水平，王聪等.MOSFET/IGBT驱动集成电路及应用[M].北京：人民邮电出版社，2009.10 [3] 范新权. 数字控制双向全桥DC/DC变换器分析设计[J]. 电力电子技术, 2014,48(5):71-73. [4] Randal IS.Cenunen.Analysis for the Effect ofInverter ripple Current on Fuel Cell Operating Condition[J]. Jounal of FluidsEngineering， 2003， V〇l.125:576 —585 [5] M. Hinaje, I. Sadli, J.-P. Martin, P. Thounthong,S. Rael, B.Davat. Online humidification diagnosis of a PEMFC using a staticDC – DC converter. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 34,Issue6, March 2009, Pages 2718-2723 [6] Kong X, Choi L T, Khambadkone A M. Analysis andcontrol of isolated current-fed full bridge converter in fuel cell system[C]IECON, Busen, South Korea, 2004. [7] Peng Jin Wang, Anderson F Z, Joseph J, et al. Lowcost fuel cel 1 converter system for residential power generation[J], IEEETransactions on Power Electronics, 2004, 19(5): 1315-1322. [8] 衣宝廉.燃料电池:原理:技术:应用[M].化学工业出版社，2003,12-16 [9] 韩冰.燃料电池独立发电系统DC-AC功率变换器的设计[D].大连：大连理工大学，2008， 15-19 [10] 唐煥江.燃料电池发电系统DC — DC变换器及缓冲器的设计[D].大连：大连理工大学，2009,18-21 [11] 王彬.燃料电池DC-DC变换器的研究[D].武汉：武汉理工大学，2009，16-19 [12] 吴屏.燃料电池发电系统前端DC-DC变换器设计[D]，浙江大学，2007,15-18 [13] 孙娇俊，孙涛，龚春英.一种用于燃料电池发电系统的前级DC/DC变换器m.电子电力技术.第43卷第2期，2009，17-18
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