摘 要

随着能源资源的匮乏和环境污染等问题日益严重，电动汽车逐渐出现在人们的日常生活中，电动汽车以他在环保、经济和技术等方面的巨大优势广泛的引起了人们的关注。电动汽车DC/DC变换器用于将动力电池的高压直流电转换为低压直流电，为整车低压电器供电，并为辅助电池补充能源，因此对电动汽车DC/DC变换器的研究就显得尤为重要。本课题的任务是基于实验室现有的以TMS320F28335型DSP为核心的控制器硬件，设计DC/DC变换器软件，包括A/D转换与数据处理程序设计、CAN通信接口程序设计、控制策略研究与仿真及其软件实现、保护程序设计。其中是将输入电压为165-247.2V变换为9-16V。本设计主要采用的是Buck电路进行DC/DC变换，用PWM来控制Buck电路，采用PID进行闭环控制，用MATLAB进行Buck电路仿真，对A/D转换与数据处理的程序以及CAN通信接口程序进行设计，并且采用了过流保护和欠压保护进行保护程序设计。

关键词：电动汽车；DC/DC；Buck；PID；MATLAB。

Abstract

With the shortage of energy resources and environmental pollution, electric vehicles are gradually appearing in people's daily lives. Electric vehicles have attracted people's attention because of their great advantages in environmental protection, economy and technology. The electric vehicle DC/DC converter is used to convert the high-voltage direct current of the power battery into low-voltage direct current, to supply power for the low-voltage electrical equipment of the whole vehicle, and to supplement the auxiliary battery. Therefore, research on the DC/DC converter of the electric vehicle is particularly important. The task of this project is based on the existing controller hardware based on the TMS320F28335 DSP in the laboratory, designing DC/DC converter software, including A/D conversion and data processing program design, CAN communication interface program design, control strategy research. And simulation and its software implementation, protection program design. Among them, the input voltage is 165-247.2V and converted to 9-16V.This design mainly uses Buck circuit for DC/DC conversion, PWM to control Buck circuit, PID for closed-loop control, MATLAB for Buck circuit simulation, A/D conversion and data processing program and CAN communication interface program. Designed with overcurrent protection and undervoltage protection for protection program design.

Key Words：Electric vehicles；DC/DC；Buck；PID；MATLAB。

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 DC/DC变换器在电动汽车中的研究现状 1

1.2.1电动汽车国内外研究现状 1

1.2.2 DC/DC变换器在电动汽车上的应用 2

1.2.3 DC/DC变换器国内外研究现状 2

1.3 本文研究内容 3

第2章 DC/DC变换器工作原理 4

2.1 直流-直流变流电路（DC-DC Converter） 4

2.2 降压斩波电路（Buck Chopper） 4

2.3 PWM软件生成方案 5

2.4 PID控制 5

2.4.1 模拟PID控制 6

2.4.2 数字式PID 6

2.5 DC/DC变换模块选择 7

2.6 DC/DC变换参数计算 8

2.6.1电感量 9

2.6.2电容量 9

第3章 程序设计 10

3.1 A/D转换与数据处理程序设计 10

3.1.1滤波算法程序 10

3.1.2 AD转换采集程序 12

3.2 CAN通信接口程序设计 12

3.3 PID控制程序设计 13

3.4 保护程序设计 14

3.4.1过流保护程序设计 14

3.4.2欠压保护程序设计 14

第4章 MATLAB仿真分析 17

4.1 MATLAB仿真简介 17

4.2 主电路仿真 17

4.2.1瞬态性能分析 17

4.2.2稳态性能分析 18

第5章 总结 20

参考文献 21

致谢 22

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

近年来，随着燃油汽车的迅猛发展，在我们带来巨大方便的同时，对环境的污染也越加严重。而电动汽车在这方面占据着巨大的优势，所以近年来电动汽车得到的飞速的发展，DC/DC变换器的设计和发展也得到了广泛的关注。

目前我国大气污染严重、石油资源日益减少，环境保护工作以及石油资源危机已经是迫在眉睫。2009年中国的汽车产销在世界排名第一，我国大气污染的主要来源就包括燃油汽车的尾气排放。根据有关资料显示，中国早在1993年就是纯石油进口国，2009年中国的石油进口量达2亿吨，更有报告指出预计在2020年我国石油消费量将增加到5.72亿吨。而引起这些问题的主要原因就是燃油汽车，显然这些因素已经引起了人们的广泛关注，如果继续使用燃油汽车将会对我国的环境保护和能源保护造成巨大的危机，所以电动汽车以其无污染、噪声低等独特的优势出现在了如今的汽车行业中。

DC/DC变换器是电动汽车不可或缺的一部分，一款好的DC/DC变换器可以使电路运行高效、可靠。目前DC/DC变换器的硬件拓扑结构已经逐步成熟，针对特定场合进行程序设计成为DC/DC变换器设计的重点，本课题对电动汽车DC/DC变换器进行A/D转换与数据处理程序设计、CAN通信接口程序设计、控制策略研究与仿真及其软件实现、保护程序设计。使DC/DC变换器适用于电动汽车系统中，在电动汽车的发展中具有重大的意义。

1.2 DC/DC变换器在电动汽车中的研究现状

1.2.1电动汽车国内外研究现状

在国内方面，由于节约资源、保护环境等策略的出台，我国电动汽车行业也得到了跨越式的发展，并且在“十五”期间设立了“电动汽车重大科技专项”，对电动汽车行业的发展进行联合攻关，联合企业、高校、国家等力量进行集中发展，国家对这一方面的重视程度也相当高，为此投入了很多的经费用来电动汽车的研究，在经过国家以及众多高校、企业和科研所的努力下，我国电动汽车的发展也取得了重大的成效，中国的电动汽车市场在全球排名第二，电动汽车的产量和销量都位居世界前列，特别是包括比亚迪、东风日产等等。在现行国家政策的帮助下，新能源汽车的发展取得了显著的成效^[1]。有数据统计指出，前年我国新能源汽车销量增加56.8%；其中，纯电动车销量占新能源车总量的78.6%，占绝大部分。

在国际方面，美国、日本、欧洲等国家在电动汽车的研制与开发上呈现出很强的实力。 美国是全球规模最大的电动汽车市场，前年美国新能源汽车的年销售量同比增加34%。日本开始发展电动汽车的时间很早，因此在世界上第一个实现量产混合动力汽车，他们的混合动力汽车在很多方面的性能位居世界前列，比如低排放和行驶性能，一直以来，日本政府对电动汽车的研究发展都十分重视，丰田公司成功研制出燃料电池汽车，并且开始批量生产，本田也有混合动力汽车上市，随后推出相继的混合动力车，这些混合动力在全球电动汽车市场上都处于十分重要的地位。21世纪后，欧洲的电动汽车开始迅速发展。在荷兰、挪威等某些起步较晚的国家，电动汽车的发展更加迅猛，其中法国、瑞士和德国处于世界前列，欧洲的汽车企业还推出了自己的一些电动汽车品牌，譬如插电式混合动力和纯电动汽车品牌^[2]。

1.2.2 DC/DC变换器在电动汽车上的应用

DC/DC变换器是构成车载电源的核心部分，他用来连接车载电源中的动力电池和动力蓄电池，用于二者之间的能量传递，所以对DC/DC变换器的要求就显得十分重要，DC/DC变换器和动力电池以及动力蓄电池之间的关系如下图1.1所示：

图1.1变换器与动力电池、蓄电池的关系

由图可以看出，动力电池用来存储能量并且可以给动力系统输出能量，动力蓄电池就为电动汽车负载提供能量，如收音机、雨刮器、驾驶控制系统、仪表、车灯、空调系统等。随着人们生活水平的提高、国家政策的支持，人们都电动汽车的要求也随之增长，对DC/DC变换器的要求也随之提高，高效和方便已然成为必然趋势^[3]。

1.2.3 DC/DC变换器国内外研究现状

在国内外，DC/DC变换器的发展均有很大的发展前景。美国来自电力电子研究中心的研究员曾通过全桥拓扑结构研制出了DC/DC变换器，但有很多不足之处，结构复杂造价较高，并且在性能方面不能满足人们的要求^[4]。

除此之外，日本有人从事对DC/DC变换器在太阳能发电上的研究，现在重点在于提高DC/DC变换器的工作效率问题，所以对于DC/DC变换器工作效率的研究也随之增加^[5]。

1991年R．M．Dedoncker等人申请了美国专利“双有源电桥直流-直流转换电源转换装置”，利用变压器漏感或者外接电感实现了开关管的ZVS软开关^[6]。

2000年美国弗吉尼亚理工学院和州立大学电力电子系统研究中心的李泽元教授也从事于对DC/DC变换器的研究，他主要从事的是对应用在燃料电池的研究^[7]。

2008年美国弗吉尼亚理工学院和州立大学未来能源电子中心的研究人员采用软开关技术对DC/DC变换器进行研究，极大的提高了变换器在运行时的运行效率^[8]。

2009年比利时威杰布鲁塞尔大学的Lataire．P采用交错并联的方式从事对混合动力的DC/DC变换器的研究^[9]。

在国内，1994年起，我国香港大学的陈清泉教授，从事于DC/DC变换器的研究，研究DC/DC变换器在电动汽车上的应用^[10]。

2001年，我国浙江大学的陈刚博士为DC/DC变换器的研究做出了巨大贡献，有效的减小了作用在开关管的电压应力，在双向反激式DC/DC变换器的基础上引入钳位电路,并研究出了有源钳位双向反激式直流变换器^[11]。

此外，我国对DC/DC变换器研究较早的还有浙江大学和中科院电工所等研究机构，再加上国家政策的支持，我国DC/DC变换器研究呈现了多元化趋势的发展，各式各样的DC/DC变换器逐渐被各研究机构研究出来^[12]。为了适应当今时代的潮流，解决大气污染以及资源短缺的问题，新能源电动汽车的研究以及变得更为普及，相应的DC/DC变换器的研究也变得更为重要。

1.3 本文研究内容

本文的具体研究内容如下：

第一章讲述了本课题的研究背景以及国内外电动汽车以及DC/DC变换器的研究现状；第二章介绍所采取的方案，对DC/DC变换电路、Buck电路、PWM生成策略、PID控制策略以及DC/DC变换器各个模块的选择进行有关介绍；第三章重点介绍了本课题所要求的各功能程序设计包括A/D转换与数据处理程序设计、CAN通信接口程序设计、PID控制程序设计以及保护程序设计；第四章对电路和算法进行仿真验证；第五章对全文进行总结。

第2章 DC/DC变换器工作原理

2.1 直流-直流变流电路（DC-DC Converter）

直流-直流变流电路（DC-DC Converter）又称为DC/DC变换电路，DC/DC变换电路又分为直接直流变流电路和间接直流变流电路，直接直流变流电路就是将直流电变为另一直流电，而间接直流变流电路是先通过逆变环节将直流电变为交流电，然后通过整流电路来进行大小变换，最后再变换为直流电，与直接直流变流电路相比多了逆变的环节。而最基本的直接直流变流电路主要有升压斩波电路（Boost）和降压斩波电路（Buck）^[13]，由于本文要求是降压，所以下面将对降压斩波电路进行有关介绍。

2.2 降压斩波电路（Buck Chopper）

降压斩波电路（以下简称Buck电路）的工作原理图以及工作波形如图2.1所示：

图2.1 Buck电路的工作原理图及工作波形

如图2.1 a所示，Buck主电路图由电源E、开关管V、二极管VD、电感L、负载电阻R、反电势。其中，电源E输入直流电，开关管V可以为Mosfet、IGBT、晶闸管等可控开关器件，二极管VD在开关管V关断时为负载电流提供回路，反电动势是当电路连接电动机时产生的，若没有连接电动机，则反电动势为0。

如图2.1 b所示，此时输出电流连续，开关管栅极电压在一个周期内先输出高电压再输出0电压，即开关管在栅极电压的控制下在一个周期内先导通在导通再关断，当开关管导通时，电源E给电感充电，电感电流在开光管导通期间指数上升，当开关管关断时，由于没有电源E充电，电感通过二极管回路释放能量，电感电流指数下降，在一个开关周期内，电感电流的的初始值和终止值相等，则输出的负载电压的平均值满足下式（2.1）。

（2.1）

上式中，为开关管的导通时剑，为开关管的关断时间，T为一个开关周期的时间，为开通时间与周期的比值，即为占空比。

可知一个周期内负载电流的平均值满足下式（2.2）。

（2.2）

如图2.1 c所示，此时电流断续，这种情况是因为电感值较小，电源给电感充电后，开关管关断的时间内，下一个周期电源给电感充电前电感电流已经下降为0，即电感电流在t2之间已经下降为0，导致电流在每个周期中有一段时间为0，即电流断续。

综上所述，输出电压的平均值可通过改变开关周期T，开通时间来调节，通常有一下三种调节方式：脉冲宽度调制，频率调制，混合调制。脉冲宽度调制就是保持周期不变，改变导通时间，频率调制是保持导通时间不变，调节开关频率，即调节周期大小，混合调制是既调节导通时间也调节周期，由于脉冲宽度调制方法较为容易，目前多采用脉冲调制的方法，应用较为广泛，本文中即采用此种方法调控输出电压^[13]。

2.3 PWM软件生成方案

Buck电路的控制信号是通过TMS320F28335的PWM（脉冲宽度调制）模块产生的PWM 信号，脉冲宽度调制数字处理器输出的用来对开关电路控制的一种常用技术， 28335芯片拥有6组（12）路互补型双路PWM，常在电力电子技术中用于控制开关管的通断^[14]。

在本设计中，TMS320F28335产生占空比可调的两路互补带死区的PWM，控制

同步BuckK电路中的两个开关管通断，在通过AD转换采集Buck电路输出电压，作为PI调节器的反馈值，反馈压与设定电压相比较，通过PI运算，将Buck输出电压稳定在设定值左右。

2.4 PID控制

PID控制原理：

PID是将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成的控制量。在一个系统中，通常控制要求达到稳、准、快，稳指稳定性，当系统受到外界干扰后，经过一定时间的调整能够重新回到原来的状态；准是指准确性，即系统稳定后的状态与期望的状态的差值越小则越准确；快指快速性，即当系统接收到指令后，能够迅速发生响应。现代控制理论中，最经典同时也是应用最广泛的当属PID控制^[15]。

2.4.1 模拟PID控制

模拟PID控制是经典的PID控制结构，其控制结构简单、稳定性好。

PID控制系统结构原理图如图2.2所示。

图2.2 PID控制系统结构原理图

由图可以看出，给定值r(t)与输出值y(t)的差值为e(t)，然后e(t)通过比例（P）、积分（I）和微分（D）的运算之后形成控制量u(t)，同时作为被控对象的输入量，最终输出y(t)。所以模拟PID控制可以用如下式（2.3）表示。

（2.3）

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