摘 要

随着经济的飞速发展，机动车辆越来越多，能源危机和环境污染等问题日益突出。电动汽车因其在技术、经济与环保等方面的巨大优势成为解决上述问题的有效方法之一。车载充电机是电动汽车的充电核心设备，关系着电动汽车能量的来源。一般来说，大型电动汽车采用充电桩进行充电。本文基于交错并联技术设计了一台60kW的大功率直流充电机DCDC变换器。主要研究内容如下：

本文根据60kW直流充电机DCDC变换器的性能指标和功能要求，选择了双相交错并联Buck变换器作为主电路拓扑，详细分析了其工作原理。对主电路中的电感、电容等无源器件参数进行计算，确定开关管，整流管的型号，设计了以DSP28335为主控芯片的数字控制电路。采用状态空间平均法建立了双相交错并联Buck变换器的交流小信号模型，以此为基础设计了相应的电压环、电流环PI控制器；同时通过MATLAB绘制相应的频域曲线，验证PI控制器设计的合理性。绘制软件流程图用以指导实际程序的编写，在搭建的60kW大功率直流充电机DCDC变换器样机上进行测试，证明了本设计的合理性和正确性。

关键词：大功率；交错并联；DCDC变换器；小信号模型；双闭环控制

Abstract

With the rapid development of economy, the number of motor vehicles is increasing quickly; however, the energy crisis and environment pollution are deteriorating. Electric vehicles（EV） have become one of the efficient solutions to the above problems due to their great advantages in technology, economy and environment protection. The electric vehicle charger is the central charging equipment of an EV, which directly related to the resource of energy. In general, large-scale electric vehicles charger using charging piles. This dissertation based on interleaved technology designs a 60kW high-power DC charger DCDC converter. The main contents are as follows:

According to the design parameter of the 60kW DC charger DCDC converter, a biphase interleaved Buck converter is chosen as the main circuit, and the working principle of the biphase interleaved Buck converter are analyzed. Parts selection and parameter calculation for the main circuit are presented specifically. Based on DSP 28335, a digital controller circuit is designed. After that, the dynamic small-signal mode of the biphase interleaved Buck converter is derived by state-space averaging method for the design of corresponding voltage loop, current loop PI controller. At the same time, the corresponding frequency domain curve is plotted by MATLAB to verify the reasonableness of the PI controller. According to the Software flow diagrams, DSP C language program can be written and applied to test platform. The experimental platform of the 60kW DC charger DCDC converter is built, and through a series of experiments , the rationality and correctness of the design are verified.

Keywords: high-power; interleaved; DCDC power converter; small-signal model;double-loop control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 电动汽车大功率直流充电机的研究现状 2

1.2.1 目前国内外电动汽车大功率充电机发展情况 3

1.2.2 DC/DC变换器主电路拓扑结构的分析与选择 4

1.2.3 目前大功率充电机DC/DC变换器所存在的不足 6

1.3 本文研究内容 7

第2章 大功率直流充电机DC/DC变换器方案设计 8

2.1 大功率直流充电机DC/DC变换器的技术要求 8

2.2 大功率直流充电机DC/DC变换器总体结构设计 8

2.3 大功率直流充电机DC/DC变换器充电方法及控制方式的选择 10

2.4 大功率DC/DC变换器软件方案设计 13

2.5 大功率双相交错并联Buck变换器的工作原理 15

2.6 本章小结 19

第3章 双相交错并联Buck变换器硬件电路设计 20

3.1 双相交错并联Buck电路主电路参数设计 20

3.1.1 开关频率的选取 20

3.1.2 开关管的选型 20

3.1.3 储能电感的设计 21

3.1.4 输出滤波电容的设计 21

3.2 数字控制器设计 22

3.2.1 DSP28335概述 23

3.2.2 驱动电路设计 24

3.2.3 采样电路设计 26

3.2.4 通讯电路设计 32

3.3 本章小结 33

第4章 双相交错并联Buck变换器控制算法软件设计 34

4.1 双相交错并联Buck变换器建模 34

4.1.1 状态空间平均建模 34

4.1.2 交流小信号模型 36

4.1.3 交错并联Buck电路 PI控制器设计 38

4.2 Simulink环境下系统仿真 41

4.2.1 单闭环恒流限压工作仿真 41

4.2.2 双闭环恒压限流工作仿真 43

4.2.3 效率实验及分析 48

4.3 双相交错并联Buck变换器软件程序设计 49

4.3.1 主程序 49

4.3.2 定时器中断程序 51

4.3.3 ADC中断程序 52

4.3.4 PI调节子程序 53

4.4 实验平台搭建及样机测试 55

4.5 本章小结 57

第5章 总结与展望 58

5.1 全文工作总结 58

5.2 下一步工作展望 59

参考文献 60

致 谢 62

绪论

研究背景及意义

随着我国经济的飞速增长，石油等不可再生能源日益枯竭，环境污染问题十分严重。联合国气候委员会的一项报告中指出，全球温室气体碳排放量的百分之十五由交通运输造成，可见汽车使用的化石燃料所消耗的能量和碳排放量在总能源消耗与碳排放量中占有相当大的比例。2008年，麦肯锡电动汽车行业分析报告显示，与汽车驱动内燃机相比，电动汽车能够非常有效地提高能源的利用率，从而降低温室气体的排放量。图1.1、1.2所示分别为各种动力技术削减的耗油量、到2030年可节约的成本及在汽车整个生命周期中的减排潜力。