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基于交错并联磁集成双向变换器的动力电池化成系统设计

张乐斌  
【摘要】:近年来,化石资源的日渐匮乏使得电力驱动的机动车的发展成为了一种必然趋势,动力电池等储能装置也随之得到了发展。而化成作为动力电池生产流程中不可或缺的环节,其水平高低与铅酸蓄电池质量的优劣息息相关。我国目前的电池生产企业技术落后,能量浪费巨大,而国外的化成设备造价高昂,使得企业的发展受到了严重的制约。因此,研究设计一款新型的化成设备具有很大的现实意义。本文依托横向项目,根据甲方的设计需求,研究设计了一款基于交错并联磁集成的双向变换器,它具有体积小、纹波低、效率高等特点,并基于此变换器制造了一款电池化成系统。主要研究内容如下:(1)研究和分析了两相交错并联磁集成双向DC/DC变换器,介绍了电池化成过程中的一些技术基础。首先解释了化成的概念,并对蓄电池的特点和充放电方法进行了介绍;对两相交错并联磁集成双向DC/DC变换器Boost和Buck工作状态进行了分析,并对其各个模态的等效暂态与稳态电感做了详细的研究,得出了其优点与应用于电池化成系统的可行性。(2)提出了一种“EEEE”形耦合电感。鉴于传统耦合电感的不足,提出了一种应用交错并联磁集成双向DC/DC变换器的“EEEE”形耦合电感,一方面对其磁路模型进行了详细的数学推导,并对推导的结果、仿真求解的结果和电感样机的结果相比较,验证了该结构的正确性,并与传统“EI”型耦合电感进行对比仿真,得出了其具体优势。(3)设计了交错并联磁集成双向DC/DC变换器的双闭环PI控制器。根据变换器工作在升压和降压的各个工作状态,分别列出状态方程,利用状态空间平均的方法,得出了系统的控制模型,然后加入PI补偿环节,最终得到了稳定的系统双闭环控制器。(4)设计制造了一台电池化成样机。详细研究了系统的模块软硬件设计方案,设计制造了一台化成样机,并通过化成工艺验证了该样机功能。该设备分为上位机软件、集中管理后端、下位机3个部分,采用节能母线结构,能够大大节约电能。本文研究的动力电池化成系统,具有效率高、纹波小、动态响应快、效率和精度高、便于扩展等特点,能满足国内电池生产行业的需求,有广阔的市场前景。


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