摘 要

当前，能源形势日益严峻，发展新能源技术，成为一项新的研究热点。电动汽车以清洁的电能作为能源，未来将拥有很好的发展前景。研究发展高效率的电动汽车车载双向充电逆变一体机技术对电动汽车的普及发展具有重要意义。本文对电动汽车锂电池组双向充电逆变一体机相关技术的研究现状进行了阐述，并对各技术方案进行了对比，并确定了合适的技术方案。

根据一体机功能需求，提出了带隔离的两级功率拓扑结构。对系统总体拓扑结构和系统主电路进行了设计，主电路的前级采用单相可逆PWM整流器，后级选用隔离型的双向双半桥DC/DC变换器，并对主电路功能进行了简单的阐述。最后设计了智能充放电控制策略，以实现锂电池的安全高效充电。

对充电逆变一体化硬件进行了设计，详细介绍了前级的单相可逆PWM整流器电路拓扑结构和电路中各元件的作用，并对单极性SPWM调制和双极性SPWM调制下单相可逆PWM整流器的工作状态进行了比较分析，最终确定了单极性SPWM控制方式，建立开关函数对单相可逆PWM整流器工作原理进行了分析，最后设计了整流器的电路元件参数；对后级的双向双半桥DC/DC变换器电路拓扑结构进行了详细介绍，通过对电路进行拆分，得到变换器等效电路，分析了电路在移相控制下的工作原理，建立了双向双半桥DC/DC变换器的空间状态平均模型，最后对变换器的参数进行了设计；设计了MCU控制电路、IGBT驱动电路、信息采样电路。

确定了模块化的系统软件结构，对系统软件进行了设计，包括CAN总线通信子程序、信息采集与处理子程序、中断服务子程序等，接着设计了控制算法，对单相可逆PWM整流器设计了双闭环控制策略。

关键词：双向充电逆变一体机；单相可逆PWM整流器；双向双半桥DC/DC变换器；软件设计

Abstract

At present, the energy situation is increasingly serious, the development of new energy technology, become a new research hotspot. Electric cars to clean the energy as energy, the future will have a good development prospects. Research and development of efficient electric vehicle two-way charging inverter integrated technology for the popularization of electric vehicles is of great significance. In this paper, the status quo of research on the related technology of two-way charging inverter in electric vehicle lithium battery is expounded, and the technical scheme is compared and the suitable technical scheme is determined.

According to the functional requirements of the integrated machine, a two-stage power topological structure with isolation is proposed. The overall topology and the main circuit of the system are designed, the front-stage of the main circuit adopts single-phase reversible PWM rectifier, and the back-stage adopts bidirectional dual half-bridge DC/DC converter. And the main circuit function has been briefly described. Finally, the intelligent charge and discharge control strategy are designed to realize the safe and efficient charging of lithium battery.

Designed the integrated charging inverter hardware. The structure of the single-phase reversible PWM rectifier circuit and the function of the components are described in detail, and the working status of single-phase reversible PWM rectifier under unipolar SPWM modulation and bipolar SPWM modulation is described in detail. The principle of unipolar SPWM control is established, and the switching function is used to analyze the working principle of single phase reversible PWM rectifier. Finally, the circuit component parameters of the rectifier are designed. For the bi-directional dual half bridge DC/DC converter The circuit topology is described in detail. The circuit is split and the equivalent circuit of the converter is obtained. The working principle of the circuit under the phase shift control is analyzed. A state-space averaged model for the bidirectional dual half-bridge DC/DC converter is developed. Finally, the parameters of the converter are designed. The MCU control circuit, IGBT drive circuit, information sampling circuit.

The design of the system software is carried out, including the information acquisition and processing subroutine, CAN bus communication subroutine, interrupt service subroutine, and then design the control algorithm. The single-phase reversible PWM rectifier is designed with double closed-loop control strategy.

Key Words: bidirectional charging inverter integrated machine; single-phase reversible PWM rectifier; bidirectional dual half-bridge DC/DC converter; software design

目录

摘要 I

Abstract I

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 双向AC/DC变换器研究现状 2

1.2.2 双向DC/DC变换器研究现状 4

1.3 本文研究内容 6

第2章 系统总体方案设计 8

2.1 主要技术指标 8

2.2 双向充电逆变一体机主电路拓扑结构 8

2.3充电方法选择 10

第3章 充电逆变一体化硬件设计 12

3.1 输入电源整流电路设计 12

3.1.1 单极性SPWM调制分析 12

3.1.2 双极性SPWM调制分析 15

3.1.3 数学模型 17

3.1.4 参数设计 18

3.2 功率输出主电路设计 20

3.2.1 双向双半桥DC/DC变换器工作原理 21

3.2.2 状态空间平均法建模 25

3.2.3 参数设计 30

3.3 MCU控制电路设计 31

3.4 功率驱动电路设计 32

3.5 采样电路设计 33

3.5.1 电压采样电路 33

3.5.2 电流采样电路 34

3.5.3 温度采样电路 34

第4章 软件设计 35

4.1 系统软件设计 35

4.1.1 控制系统主程序 35

4.1.2 信息采集与处理子程序 36

4.1.3 CAN总线通信子程序 36

4.1.4 中断服务子程序 37

4.2 控制算法设计 38

4.2.1 单相可逆PWM整流器控制策略 38

第5章 总结与展望 42

5.1 全文工作总结 42

5.2 下一步工作展望 43

参考文献 44

致谢 45

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

能源对人类生存和社会发展的重要性不可言喻，能源的消耗量甚至成为评价一个国家发展程度的一项重要指标。某种程度上，一个国家越发达，科技文化越进步，对能源的依赖程度就越高，人类社会发展的历史也是一部认识和利用能源的历史。目前，非可再生的化石能源如石油、煤炭等，是人类认识最深刻，应用最广泛的能源。在进入工业化社会后，人类社会对能源物质的需求越来越大，这些化石能源被大量开采使用，很快就将枯竭。另外，化石能源的大量使用会严重破坏自然环境。以煤炭为例，煤炭在开采过程中会严重破坏当地地质结构，在运输、使用过程中，会向空气中排放大量的CO₂和SO₂，不仅导致酸雨蔓延，破坏建筑，使土壤酸化，还会引起温室效应，使全球平均气温升高，两极冰雪融化，海平面升高。目前，发展清洁的可再生能源以及化石能源的清洁利用技术，成为世界各国的一项紧急任务。

电能是迄今为止人类文明史上最优质的能源^[1]：①电能容易控制与变换，方便大规模生产和远距离的输送分配；②电能还是信息的载体，在人类的工作、生活和科研活动中发挥着无法替代的作用；③电能易于与机械能、热能、光能等其他形式的能量；④相对于其他能源，电能更清洁，使用效率更高。利用可再生能源发电是一个很有前景的发展方向，可以预见，随着电力技术的发展，电能在一些领域将逐步替代化石能源的地位。