1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1目的及意义

随着全球经济的迅速发展和人口的不断增加，能源的需求也是有增无减，能源危机也迫在眉睫。具2008年统计，作为能源结构中占主导地位的煤、石油和天然气在世界能源结构中三者的比例之和83.1%，这三种能源均属于非可再生能源。为了世界经济的可持续发展，能源结构的调整势在必行。清洁的、可再生的能源将占据越来越重要的地位，例如现在大力发展的太阳能、风能、潮汐能等。

在上述可再生能源中，太阳能以其绿色、环保、取之不尽用之不竭等特性成为最具发展潜力的发展形式。双向DC/DC变换器作为光伏发电系统的关键部件，一端连接光伏阵列，另一端连接储能元件。如图 1所示，介绍双向DC/DC变换器在光伏发电系统中担负的作用。

图1光伏发电储能系统

由于光伏阵列受光照和温度影响较大，从而直流母线侧的电压波动明显。当使用储能元件时，可保证直流母线侧向负载侧传输连续稳定的电能。常见的储能元件是蓄电池或超级电容，为使得储能元件和直流母线侧进行能量交换，桥接二者之间的枢纽双向DC/DC变换器，从而建立了直流母线侧和负载侧两级之间的能量控制中心。双向DC/DC变换器根据负载的需要调节系统中能量的双向流动。轻载时，将系统中的富余能量通过双向DC/DC变换器向蓄电池组充电；重载时，由蓄电池组通过隔离双向DC/DC变换器 向负载提供，从而稳定直流母线侧电压。通过双向DC/DC变换器 控制蓄电池组的充放电来实现储能系统的能量交换，使系统稳定可靠工作。

由于光伏发电具有随机性和不稳定性等问题，严重阻碍光伏产业的发展，高性能的储能环节对光伏产业的发展至关重要。目前，大部分光伏发电系统都采用铅酸电池作为储能装置。相比于铅酸电池，锂离子电池具有功率密度大，无记忆性，充放电次数多、使用成本低等优点。因此本课题采用锂离子电池作为储能装备。但由于锂离子电池对充放电控制和保护电路的要求较高，在使用过程中应严格避免出现过充、过放、过流等现象。需要对其充放电过程进行控制。

本课题是以光伏发电储能系统为背景，以锂离子电池组为储能元件，设计充电电压和充放电电流可调的高性能双向DC/DC变换器。

1.2 锂离子电池的发展及应用现状

1.2.1锂离子电池工作原理和特点

锂作为负极的锂离子电池具有开路电压高、放电电压平稳、适用范围大和使用寿命长等特点。早期的锂离子电池直接在负极中使用金属锂，容易在充电过程中产生锂沉积和锂枝晶并且产生腐蚀现象，大大缩短了电池的循环寿命，严重时可造成电池短路甚至爆炸。

为了解决该问题，开发出了锂离子电池(摇椅式电池)。所谓锂离子电池，是

在正极和负极中采用可以容纳锂离子的晶状结构活性材料，使锂离子随着充放电从正极转移到负极或者从负极转移到正极。

图2锂离子电池结构示意图

电池通过锂金属氧化物正极产生的锂离子在负极碳材中的嵌入与迁出来实现电池的充放电过程。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有许多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。当对电池进行放电时，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高，通常所说的电池容量指的就是放电容量。一般锂离子电池的负极由碳(C)材料组成，正极由锂金属氧化物(Li M02)构成。总的来说，锂离子电池具有以下优点：

(1)工作电压高。通常单节锂离子电池的电压为3．7 V。单体电池即可为3 V的逻辑电路供电。对于要求较高供电电压的电子设备，电池组所需串联电池数也可大大减少。

(2)体积小、重量轻、比能量高。通常锂离子电池的比能量可达镍镉电池的2倍以上，与同容量镍氢电池相比，体积可减少30％，重量可降低50％，有利于便携式电子设备小型轻量化。

(3)寿命长。锂离子电池采用碳负极，在充放电过程中，碳负极不会生成金属锂，从而可以避免电池因内部金属锂短路而损坏。目前，锂离子电池的寿命可达1200次以上，远远高于各类电池。

(4)安全快速充电。锂离子电池与金属锂电池不同，它的负极用特殊的碳电极代替金属锂电极，因此允许快速充电。采用l C充电速率，可在两小时内充足电，而且安全性能大大提高。

(5)允许温度范围宽。锂离子电池具有优良的高低温放电性能，可在．20-- 60℃之间工作。高温放电性能优于其它各类电池。

此外，锂离子电池还具有自放电电流小、无记忆效应和无环境污染等优点，综合性能优于铅酸、镍镉、镍氢和金属锂电池，被称为性能最好的电池。表1、表2分别为锂离子电池和铅酸电池常规性能的比较、各种蓄电池性能对比。

表1 锂离子电池和铅酸电池常规性能

表2各种蓄电池性能对比

1.2.2国内外发展及现状

自从1859年Gston Plate试制成功铅酸电池以来，人们一直在寻找能量更高、体积更小、重量更轻、寿命更长的储能装置。20世纪70年代初，开始有金属锉与插层化合物或硫化物组成锂电池报道。1991年索尼公司开发出以碳材料为负极的锂离子电池，使锂二次电池的安全性和容量有了更进一步的提高，锂离子蓄电池实现了商品化。锂离子二次电池以其高比能量(100～130Wh*kg‘1)、高电压(单体电池3．6V)、体积小、重量轻、安全性好等优点，在很大程度上顺应了通讯类电子产品(移动电话、PDA等)发展的需求，近十年来锂离子二次电池技术取得了巨大的突破，已成为通讯类电子产品的主要能源之一。1996年，美国加州和7个主要汽车制造商(克莱斯勒、福特、通用、本田、马自达、尼桑和丰田)签订协议，要求在这个州销售新的汽车和轻型卡车必须有2％为零排放，到2003年有10％为零排放。随后马塞诸塞州和纽约及缅因州、马里兰州和新泽西州，也要求到1998年至少有2％汽车为零排放，到2003年有10％为零排放，这就是著名的ZEV法案，由于ZEV法案及世界各国对环保的要求，各主要工业国纷纷以政府的形式支持电动车项目，电动车用动力电池是该项目的瓶颈。

由于锂离子电池的诸多优点，成为目前新能源领域的一个研究热点。在成本很高的航天领域，电源的重量在整个航天器和卫星中的比重较大，采用锂离子蓄电池取代旧有的蓄电池等，可以显著减小发射的成本。美国宇航局NASA，欧洲宇航局ESA，日本宇航局JAXA和俄罗斯宇航局都在开展空间用锂离子蓄电池的研究工作。美国的Yardney， Eagle Picher，加拿大的Blue Star，法[]SAFT，德国的Varta，日本GS，以及俄罗斯土星等公司都在空间用锂离子蓄电池的研发方面已经取得重大进展。

国内相关研究所和大学机构都在上世纪九十末期开始空间用锂离子蓄电池的预研工作，目前国内研究的锂离子蓄电池己在卫星上成功使用。

图3未来锂离子电池市场需求量的预测及应用领域

锂离子电池组因其突出优点，现已应用于笔记本电脑、通讯电台以及便携式电子设备、航天卫星、电动自行车、电动汽车及储能装置中。图3为未来锂离子电池市场需求量的预测及其应用领域。

1.3双向DC/DC变换器的研究现状

1.3.1双向DC/DC变换器的基本拓扑结构

双向 DC/DC 变换器是 DC/DC 变换器的双象限运行。它的输入、输出电压极性不变，输入、输出电流的方向可以改变。双向 DC/DC 变换器实现了能量的双向传输，在功能上相当于 2个单向 DC/DC变换器，是典型的“一机两用”设备。一般来说，双向DC/DC变换器可分为隔离式和非隔离式2种。、

常见非隔离型双向 DC/DC 变换器的拓扑结构电路形式如图4 所示。这四种电路拓扑结构分别是图 4 a)双向 BUCK-BOOST 变换器，图4 b)双向半桥变换器，图4 c)双向 CUK 变换器，图4 d)双向 SEPIC变换器。常见隔离型双向 DC/DC 变换器的拓扑结构电路形式如图 5 所示。这四种电路拓扑结构分别是图 5 a)反激式双向 DC/DC 变换器，图 5 b)正激式双向DC/DC 变换器，图 5 c)推免型反激式双向DC/DC 变换器，图 5 d)桥式双向 DC/DC 变换器。

图4非隔离型的双向DC-DC变换器拓扑结构

图5隔离型的双向DC/DC变换器基本拓扑

1.3.2国内外研究现状

2007年，童亦斌等人提出了如图6 所示的一种新颖的、基于单端正激变换器拓扑、带同步整流技术的双向 DC/DC 变换器[1]。

图6一种新颖的DC/DC变换器主电路拓扑

2012年，北京交通大学武琳等人针对传统的LC串联谐振式双向DC／DC变换器，在负载加重时开关管的开关损耗增加，带来系统效率的下降的问题，提出一种在宽范围负载变化下，DC／DC变换器逆变侧和整流侧的开关器件均能实现软开关的控制策略[2]。

2013年，Hrishikesh Nene提出了一种数字控制双向DC / DC转换器系统，PCMC控制实现的PSFB级与自适应ZVS / LVS跨宽负载范围和不同的同步整流方案提出了降压模式操作[3]。王冕等人针对分布式电源波动性强的特点，提出了直流母线含储能环节的分布式电源统一模型；针对传统两相并联双向DC—DC变换器总电流纹波较大且相间不均流的问题，提出了一种移相均流控制策略[4]。

2015年，晏坤等人针对微电网储能应用中各储能装置以及直流母线存在的电压波动对变换器工作造成的不利影响、电路环流带来的损耗问题。在原边全桥一副边升压半桥隔离型双向DC／DC拓扑的基础上，提出了PWM配合双重移相的控制方法[5]。

2016年，梅杨等人提出了一种新的预测电流控制法 ，该方法引入模型预测控制(MPC)思想 ，控制思想明确且实现简单。通过预测模型的建立和目标函数的优化使得控制目标实现系统综合最优[6]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1设计的基本内容

本文以光伏发电储能系统为背景，以锂离子电池组为储能元件，设计出充电电压和充放电电流可调的高性能双向dc/dc变换器。具体章节安排如下：

第一章简要介绍锂离子电池的历史背景和国内外发展现状，以及双向dc/dc变换的基本拓扑结构和国内外研究现状。

3. 研究计划与安排

第3周：撰写并提交毕业设计开题报告；

第4~5周：完成英文文献翻译；

第6~8周：搭建matlab仿真模型；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 童亦斌等.双向dc/dc变换器的拓扑研究[j].中国电机工程学报.2007.27（13）:81-86.

[2] 武琳等.一种隔离是双向全桥dc/dc变换器的控制策略[j] 电机与控制学报.2012.16(12).

[3]hrishiken nene.digital control of bi-directional dc-dc converter for automotive applications.