【正文】 (A)/蓄電池放電速率 (1/h) 蓄電池的充電 蓄電池的充電方法有很多種，下面介紹幾種常用方法： 1. 恒流充電：在充電過程中調(diào)節(jié)變化的充電電壓，使充電電流保持在恒定的某一設(shè)定值，這種方法適合由很多電池串聯(lián)的電池組，電池容量容易恢復(fù)，缺點(diǎn)是開始充電時(shí)電流過小，而充電后期電流又過大，充 電時(shí)間較長。 ：充電過程中電壓始終不變，保持在一設(shè)定值，開始充電時(shí)電流會(huì)相對(duì)較大，隨著充電的進(jìn)行充電電流慢慢減小，最后電流穩(wěn)定在一個(gè)很小的值，這樣充電時(shí)便不用控制充電電流的大小，充電效率也較高。缺點(diǎn)是剛開始充電時(shí)由于充電電流較大容易對(duì)蓄電池造成損傷，后期充電電流較小，會(huì)導(dǎo)致充滿需要的時(shí)間較長。 ：在充電電源和電池間串聯(lián)一個(gè)限流電阻，電流大時(shí)，電阻上壓降增大，這樣便減小了充電電壓，電流小時(shí)電阻上的壓降減小，這樣便達(dá)到了自動(dòng)調(diào)節(jié)電流的效果，是充電電流不超過某個(gè)限度。 4. 先恒流再恒 壓充電：結(jié)合了恒流充電和恒壓充電兩種方法，剛開始充電式使用恒流模式，電池電壓到達(dá)某一設(shè)定值時(shí)，轉(zhuǎn)換模式使用恒壓充電，有效避免了兩種方法的不足之處。 雙向 DC/DC變換器的結(jié)構(gòu)和工作原理 雙向 DC/DC變換器是連接蓄電池和 SPWM逆變器的重要部分，它的工作燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 性能直接關(guān)系到蓄電池的壽命和在電網(wǎng)出現(xiàn)問題供電不正常時(shí)提供給負(fù)載的電源質(zhì)量，因此， EPS的雙向 DC/DC變換器的轉(zhuǎn)換質(zhì)量直接關(guān)系到 EPS系統(tǒng)的性能。 雙向 DC/DC 變換器由直流端穩(wěn)壓電容 C，濾波電感 L， IGBT 雙管 TT2，續(xù)流二極管 D D2及蓄電池組構(gòu)成， BT 為蓄電池， 如圖 32 所示。 CD1D2LT2T1B T 圖 32 雙向 DC/DC 變換器電路 雙向 DC/DC變換電路有兩種工作模式： Boost模式和 Buck模式。下面分別來介紹它在兩種模式下的工作原理。 當(dāng)市電供電失常時(shí)，由蓄電池放電，雙向 DC/DC變換器工作在 Boost模式下，也就是升壓模式。該升壓電路由電感 L， IGBT(T2)和續(xù)流二極管 D1組成，如圖 33 所示。在升壓模式下，雙向 DC/DC變換器有兩種工作狀態(tài)： L放 電UCD1D2T1T2B T 圖 33 雙向 DC/DC 變換器的升壓模式 第 3章 EPS系統(tǒng)主體設(shè)計(jì) 15 工作狀態(tài) l：當(dāng) T2導(dǎo)通時(shí)，蓄電池電壓加到儲(chǔ)能電感 L的兩端，二極管 D1反偏截止，電流通過儲(chǔ)能電感 L，將電能轉(zhuǎn)換成磁能存在儲(chǔ)能電感 L中。同時(shí)，提供給負(fù)載的電能由濾波電容 C放電來供給。其等效電路如圖 34 所示。 CD1D2LUB TT1T2 圖 34 IGBT 導(dǎo)通時(shí)的等效電路 工作狀態(tài) 2：當(dāng) T2截止時(shí)，儲(chǔ)能電感 L 兩端的電壓極性顛倒，二極管變?yōu)檎瑸閮?chǔ)能電感 L 和蓄電池串聯(lián)放電提供通路，電流流經(jīng)二極管至負(fù)載和濾波電容 C。這樣儲(chǔ)能電感 L 和蓄電池就一起向負(fù)載和濾波電容 C 提供能量。其等效電路如圖 35 所示。 LUCT1T2D1D2B T 圖 35 IGBT 關(guān)斷時(shí)的等效電路 當(dāng)市電正常供電時(shí)，電網(wǎng)給蓄電池充電，雙向 DC/DC變換器工作在 Buck模式，也就是降壓模式。該降壓電路由電感 L、 IGBT(T1)和續(xù)流二極管 D2組燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 成，如圖 36 所示。在降壓模式下，雙向 DC/DC變換器也有兩種工作狀態(tài)： U充 電CT1T2D1D2LB T 圖 36 雙向 DC/DC 變換器工作在降壓模式 工作狀態(tài) l：當(dāng) T1導(dǎo)通時(shí)，二極管 D2反偏截止，電流通過儲(chǔ)能電感 L，向蓄電池供電，電流通過儲(chǔ)能電感 L將電能轉(zhuǎn)換成磁能存在儲(chǔ)能電感 L中。其等效電路如圖 37 所示。 UD2D1T1T2LB TC 圖 37 IGBT 導(dǎo)通時(shí)的等效電路 工作狀態(tài) 2：當(dāng) T1截止時(shí)，由于儲(chǔ)能電感的電流不能突變，所以在它的兩端便感應(yīng)出一個(gè)與原來極性相反的自感電勢，使續(xù)流二級(jí)管導(dǎo)通。此時(shí)儲(chǔ)能電感 L 便把原先儲(chǔ)存的磁能轉(zhuǎn)換成電能供給電池。其等效電路如圖 38 所示。 第 3章 EPS系統(tǒng)主體設(shè)計(jì) 17 UT1T2D1D2B TLC 圖 38 IGBT 關(guān)斷時(shí)的等效電路 電路參數(shù)設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)中，兩個(gè) IGBT 以恒定的開環(huán)頻率工作，采用 PWM 的方式控制，通過改變 IGBT 的占空比，便可以改變輸入 /輸出電壓的大小。 開關(guān)器件的頻率選擇 選擇器件的開關(guān)頻率主要參考： (1)開關(guān)頻率越高，變換器的體積和重量便可以做的越小。 (2)器件開關(guān)的損耗是一定的，開關(guān)頻率的提高會(huì)導(dǎo)致器件運(yùn)行損耗增加。 (3)提高開關(guān)頻率有助于降低變換器的工作噪聲。 (4)普通 IGBT 的開關(guān)頻率最大值為 20kHz。 參考以上原則 和其他文獻(xiàn)資料，選用的 IGBT 開關(guān)頻率 fK 為 20kHz。 電感 L的計(jì)算 電路的電感 L 需要滿足充放電兩種狀態(tài)，所以要計(jì)算兩種狀態(tài)下的電感量并進(jìn)行綜合考慮。 將變換器中開關(guān)管的占空比表示成電壓變比 (V0/Vi)的函數(shù)。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 Boost 模式時(shí) 01 VVD i?? (34) Buck 模式時(shí) iVVD 0? (35) 電感參數(shù)的選擇應(yīng)考慮平均電感電 流 IL與最大負(fù)載電流 I0。 Boost 模式時(shí) DIIL ??1 0 (36) Buck 模式時(shí) DIIL 0? (37) 首先考慮工作在 Buck 模式下： 電感的紋波電流取 If=1A，根據(jù)設(shè)計(jì)要求輸入電壓 220V，充電電壓 120V，此時(shí)開關(guān)器件占空比 D=120/220=，根據(jù)公式 37 計(jì)算電感 L 的值 fki If DUL ???? (38) mHL 0 0 3 ????? 再考慮 Boost 模式下： 設(shè)電感紋波電流 If=2A,根據(jù)設(shè)計(jì)要求蓄電池輸出 120V， DC/DC 變換器輸出 240V，此時(shí)占空比為 D=1120/240=，根據(jù)公式 38 計(jì)算電感 L 的值 fki If DUL ???? 2 (39) mHL 2 03 ???? ?? 根據(jù)實(shí)際仿真，選取的電感值 L=。 第 3章 EPS系統(tǒng)主體設(shè)計(jì) 19 電容設(shè)計(jì) 在電路仿真時(shí)使用了兩個(gè)電容，一個(gè)并聯(lián)在蓄電池兩端作為充電濾波電容，一個(gè)并聯(lián)在輸入 /輸出口，作為放電濾波電容。 先設(shè)計(jì)蓄電池的并聯(lián)電容，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電容電荷量為 TIQ L ???? 81 (310) 電容的計(jì)算公式為 fi UL DDTVC ? ????? 8 )1(1 (311) 設(shè)電壓紋波 Uf= FC ? )1050(2 2 0 3261 ???? ????? ?? 根據(jù)實(shí)際仿真取 C1=70μ F 接下來計(jì)算輸入 /輸出口并聯(lián)的電容 C2 的值 fi UR TDVC ???? (312) 設(shè)母線上的等效輸出電阻 R=16Ω ，紋波電壓 Uf=1V，由式 311 得 FC ?3 7 5 4 0 62 ??? ???? ? 根據(jù)實(shí)際仿真選取 C2=3000μ F。 建立變換器的小信號(hào)模型 本文使用小信號(hào)模型法給雙向 DC/DC 變換器建模，系統(tǒng)原理如圖 32所示，在分析時(shí)，使用理想的電壓源 Vb 和一個(gè)小內(nèi)阻 Rb 的串聯(lián)作為蓄電 池的等效電路，再由等效理想的電壓源擾動(dòng)為零，所以雙向 DC/DC 變換器在充放電兩種狀態(tài)下的小信號(hào)模型是相同的，下面來通過等效模型求變換器的傳遞函數(shù)。 充電時(shí)，由母線電壓給負(fù)載 RL供電，同時(shí)通過雙向 DC/DC 變換器給蓄電池充電，在穩(wěn)定情況下，負(fù)載 RL所消耗的能量是恒定的，對(duì)充電沒有影燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 響，濾波電容 C1 是針對(duì)于放電時(shí)的濾波，充電時(shí)其電壓也保持恒定不變，對(duì)系統(tǒng)沒有影響，這樣便可得到變換器在 Buck 模式下的小信號(hào)模型，如圖39 所示。 C 2D 1LS 1R L+U 圖 39 Buck 模式下 等效電路 當(dāng)開關(guān)器件（ IGBT） S1閉合時(shí)，狀態(tài)方程為： inLinLbLUBuiAULiCRCLdtdudtdi?????????????????????????????????????????????????101222 0101110 (313) 當(dāng)開關(guān)器件（ IGBT） S1斷開時(shí)，狀態(tài)方程為： inLLbLUBuiAuiCRCLdtdudtdi????????????????????????????????????????2222222 1110 (314) 在此基礎(chǔ)上，設(shè) D1為 S1的導(dǎo)通占空比，通過小信號(hào)模型的傳遞函數(shù)可以得到 Buck 模式下，控制 輸出傳遞函數(shù)和輸入 輸出傳遞函數(shù)分別 10)(??)(?)(221 ?????binin RsLLCsUsUdsEsG (315) 10)(?)(?)(?)(222 ?????bin RsLLCsDsdsUsEsG (316) 與 Buck 模式相似，在 Boost 模式下，設(shè) Rb=0， E=Vb，得到放電模式下的等效電路如圖 310 所示。 第 3章 EPS系統(tǒng)主體設(shè)計(jì) 21 C 1C 2D 2LS 2R L+V b 圖 310 Boost 模式下等效電路 當(dāng)開關(guān)器件（ IGBT） S2閉合時(shí)，狀態(tài)方程為： bLinLLinVLiuCRdtdidtdu??????????????????????????????????1000011 (317) 當(dāng)開關(guān)器件（ IGBT） S2斷開時(shí)，狀態(tài)方程為： bLinLLinVLiuLCRdtdidtdu???????????????????????????????????????1001111 (318) 在此基礎(chǔ)上，設(shè) D2為 S2的關(guān)斷占空比 ，通過小信號(hào)模型的傳遞函數(shù)可以得到 Boost 模式下，控制 輸出傳遞函數(shù)和輸入 輸出傳遞函數(shù)分別為： 221223 )( )(0)(?)(? )(?)( DDRsLLCs UDRsLsEsd sUsGLinLin ?????? (319) 21224 0)(?)(? )(?)( DRsLRLCs DRsdsE sUsGLLLin ????? (320) 變換器控制方案設(shè)計(jì) 在前面的分析中可知，雙向 DC/DC 變換器工作在升壓模式時(shí)，由蓄電池給電網(wǎng)供能，放電要求電壓輸出穩(wěn)定，需要實(shí)現(xiàn)輸出電壓負(fù)反饋控制使電壓穩(wěn)定，使用電壓單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 變換器工作在降壓模式時(shí)電網(wǎng)給蓄電池充電，由上舉出的幾種充電方法中，綜合 考慮使用恒壓充電法，恒壓充電法的實(shí)現(xiàn)比較簡單，且 EPS