鉛酸蓄電池充放電中雙向DC-DC變換器系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析目錄TOC\o"1-3"\h\u27333鉛酸蓄電池充放電中雙向DC-DC變換器系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 1152851.1引言 112591.2設(shè)計(jì)模型的仿真波形結(jié)果分析 1274331.2.1鉛酸蓄電池雙向DC/DCBuck/Boost仿真電路工作方式模型 1207301.2.2Boost升壓模式的仿真結(jié)果 3315771.3鉛酸電池充放電系統(tǒng)的波形研究 5144601.3.1寄生體二極管反向恢復(fù)電流尖峰 574911.3.2Boost升壓模式的鉛酸電池充放電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 6265051.3.3Buck降壓模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 101.1引言我們選擇了鉛酸充放電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并從理論上分析了電流推拉全橋雙向直流轉(zhuǎn)換器的buck模式和boost模式。然后，設(shè)計(jì)設(shè)備參數(shù)和主電路的控制方法，顯示樣品的模擬設(shè)計(jì)結(jié)果和實(shí)際實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，并通過兩種結(jié)果進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)分析。1.2設(shè)計(jì)模型的仿真波形結(jié)果分析1.2.1鉛酸蓄電池雙向DC/DCBuck/Boost仿真電路工作方式模型在降壓模式工作時(shí)，鉛酸電池充放電系統(tǒng)的模擬電路如圖4-1所示。圖4-1全橋逆變和全波整流電路工作方式仿真圖在Buck模式下工作時(shí)：左側(cè)電壓通常情況下高于右側(cè)電壓的規(guī)定值的情況下，電壓環(huán)路調(diào)節(jié)飽和，蓄電池能量單元可根據(jù)頁面的電池儲(chǔ)能狀態(tài)和負(fù)載狀態(tài)設(shè)置電流基準(zhǔn)限幅值,將導(dǎo)出的感應(yīng)電流信號(hào)IL與規(guī)定的電源信號(hào)進(jìn)行比較。現(xiàn)在在鉛酸蓄電池充放電過程中，通過直流母線向電池充電的能量的過程如下。穩(wěn)定狀態(tài)下工作時(shí),如圖4-2所示為開關(guān)關(guān)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)裝置，橋臂在一定的時(shí)間內(nèi)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)裝置關(guān)斷，以防止上下開關(guān)穿透，所有橋接開關(guān)均通過驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接。但關(guān)斷后開關(guān)必須承受一定的電壓。兩個(gè)上下臂開關(guān)中的其一連接到全橋電路，其二關(guān)斷后，則開關(guān)的輸入電壓應(yīng)為400V;當(dāng)兩個(gè)開關(guān)同時(shí)關(guān)斷時(shí),必須承受200V電壓,這是輸入電壓的12圖4-2四個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形圖4-3開關(guān)管M1、M2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和其關(guān)斷電壓波形圖4-4表示全橋高頻變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)的電壓波形。圖4-4全橋高頻變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的電壓波形圖4-5由于電流回路反應(yīng)速度較快,4ms內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)基線值20A,經(jīng)過幾次振動(dòng)循環(huán)后,電流回路恢復(fù)到原來的穩(wěn)態(tài)值20A恒定功率輸出狀態(tài)。結(jié)果表明,整個(gè)電橋電路工作穩(wěn)定,具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性。圖4-5環(huán)形電流控制作用方式下的電流的波形1.2.2Boost升壓模式的仿真結(jié)果在升壓模式下需要穩(wěn)定系統(tǒng)母線側(cè)的直流電壓，采樣高壓側(cè)V2的電壓。當(dāng)V2的電壓低于高壓側(cè)電壓的規(guī)定值時(shí)，高壓側(cè)的電壓環(huán)路調(diào)整器維持飽和狀態(tài)，電池充電的給定信號(hào)由電流基準(zhǔn)電路決定，控制推挽側(cè)開關(guān),目前鉛酸蓄電池充放電中,電池的能量給直流母線電壓穩(wěn)定的過程，轉(zhuǎn)換器在電壓電流的放大部分工作，它可以穩(wěn)定直流母線的電壓,同時(shí)限制電池的最大輸出電流。鉛酸電池充放電系統(tǒng)的模擬仿真電路圖如圖4-6所示,圖4-6電流型推挽電路工作方式仿真圖如圖4-7所示,感應(yīng)線圈電流以及開關(guān)信號(hào)波形,圖中顯示了M5和M6開關(guān)同時(shí)運(yùn)行時(shí),變壓器一次側(cè)短路,感應(yīng)電流增大。當(dāng)開關(guān)打開和關(guān)閉時(shí),感應(yīng)電流減小,能量通過變壓器從輸入端轉(zhuǎn)移到輸出端,完成升壓的過程。圖4-7電感電流和開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形 圖4-8所示為M5開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和關(guān)閉時(shí)的電壓波形。推挽開關(guān)根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)而接通，但必須承受一定的電壓。電壓型推挽電路的開關(guān)在關(guān)斷時(shí)可以承受雙倍輸入電壓，但通過模擬，電流型推挽電路的開關(guān)斷開電壓明顯大于雙倍輸入電壓（48V），如果推挽開關(guān)在電流模式下斷開,必須要承受住兩倍的輸入電壓,并將電壓施加到電流型的推挽開關(guān)管上。而在電流模式下選擇推挽開關(guān)時(shí),要有足夠的電壓,圖中還顯示,當(dāng)開關(guān)接通時(shí),電壓明顯下降,在測(cè)試電路過程中中是無法省略的。圖4-8開關(guān)管M5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和其關(guān)斷時(shí)承受的電壓波形 當(dāng)一個(gè)開關(guān)打開,另一個(gè)開關(guān)關(guān)閉時(shí),變換器傳輸能量。此時(shí),變壓器漏感的換算值可以忽略不計(jì),這樣就不會(huì)出現(xiàn)電壓波動(dòng)。變壓器二次側(cè)分別為400V。80V是變壓比5:1的比值。圖4-9推挽高頻變壓器的原、副邊電壓波形 圖4-10表示使用雙閉環(huán)電壓和電流限制模式的電壓控制的模擬波形。該電路應(yīng)通過電流型推挽電路將較低的電池電壓增加到穩(wěn)定的400V直流母線電壓。另外，為了保證電池的安全，控制輸入電流。該電路以電壓穩(wěn)定和功率限制的方式工作，可以向直流母線提供能量。圖4-10電壓閉環(huán)和電流閉環(huán)的穩(wěn)定限流模式的波形1.3鉛酸電池充放電系統(tǒng)的波形研究1.3.1寄生體二極管反向恢復(fù)電流尖峰雙向直流轉(zhuǎn)換器由反并聯(lián)二極管和反并聯(lián)開關(guān)管組成，MOSFET的主體二極管作為整流DC/DC轉(zhuǎn)換器使用的話，功率器件會(huì)損壞并導(dǎo)致效率低。圖4-11帶反并聯(lián)二極管結(jié)構(gòu)的MOSFET。圖4-11帶反并聯(lián)二極管結(jié)構(gòu)的MOSFET 1.3.2Boost升壓模式的鉛酸電池充放電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖4-12為電流推挽電路的信號(hào)波形,圖中推挽側(cè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)在穩(wěn)態(tài)下具有共同的導(dǎo)電性,即電路工作,當(dāng)占空比大于0.5時(shí),通過變壓器供給負(fù)載能量，完成輸入電壓的升壓過程。圖4-12電流型推挽電流的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。圖4-12電流型推挽電流的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形推挽側(cè)開關(guān)關(guān)閉時(shí)的電流和電感如圖4-13所示。如果開關(guān)相互連接,電感電流增大,電感儲(chǔ)能;當(dāng)一個(gè)開關(guān)接通,另一個(gè)開關(guān)斷開時(shí),此時(shí)的電流很小，變壓器的泄漏效率和開關(guān)的寄生容量不構(gòu)成振蕩。,開關(guān)處無電壓最高值,這種波形與理論分析和仿真結(jié)果一致。圖4-13開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和關(guān)斷時(shí)承受的電壓及電感電流波形 圖4-14顯示了在沒有RCD吸收電路的情況下關(guān)閉開關(guān)時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形電壓峰值是穩(wěn)態(tài)電壓的四倍以上,這主要是由于變壓器的漏感和開關(guān)的寄生電容之間的諧振。由于變壓器的漏感是不可避免的,所以這個(gè)峰值只能被抵抗或吸收,但不能完全消除。圖4-14沒有剩余電流裝置的開關(guān)管在關(guān)斷時(shí)的電壓關(guān)于電壓峰值問題，在開關(guān)關(guān)閉時(shí)用最簡(jiǎn)單的剩余電流裝置吸收電路抑制電壓峰值，如圖4-15所示剩余電流裝置原理圖。圖4-1剩余電流裝置的吸收電路圖 這里使用一個(gè)近似公式: R?Tonmin式(4-1)中Tonmin是最小開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間。由式（4-1）計(jì)算可得R和C的值。在這里取R=50Ω，C=47nF。如圖4-16示出了具有剩余電流裝置吸收電路的開關(guān)的截止電壓波形。該圖表示峰值電壓僅為穩(wěn)定電壓的0.5倍，剩余電流裝置吸收電路在電壓峰值的降低中起著重要的作用，但吸收元件的加入增加了變換器的體積。為了最大限度地抑制張力峰值,需要一種新的軟開關(guān)技術(shù)。圖4-16帶RCD吸收電路的開關(guān)管關(guān)斷電壓感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓的實(shí)驗(yàn)波形如圖4-17所示。該圖顯示開關(guān)管正在運(yùn)行。圖4-17電感電流和電感電壓的實(shí)驗(yàn)波形當(dāng)開關(guān)接通時(shí),電壓為輸入電壓，電流增大,體現(xiàn)了電流可以有效的濾波的作用。圖4-18是表示變壓器和整流二極管的二次側(cè)的電壓波形的圖。二次電壓發(fā)生電壓變動(dòng)，峰值寬度由全橋整流側(cè)的輸出容量控制，不超過輸出電壓。二極管在選取時(shí)注意取額定電壓較低的。圖4-18高頻變壓器二次側(cè)和整流二極管的電壓波形如圖4-19所示，開關(guān)時(shí)的變壓器的一次側(cè)電壓有高頻振動(dòng)，當(dāng)前的變壓器的電壓是在輸入電壓和原側(cè)端增加的電感電壓的重疊，輸出電壓為400V，一次側(cè)輸入電壓為80V相當(dāng)于5:1的轉(zhuǎn)換比。圖4-19推挽變壓器原邊電壓波形圖4-20是開關(guān)斷開時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)的輸入電流、輸出電壓和電壓波形，在穩(wěn)定狀態(tài)下開關(guān)的截止電壓峰值是穩(wěn)定值的一半，這表明剩余電流裝置吸收電路起到抑制峰值的作用。圖4-20穩(wěn)態(tài)時(shí)輸入電流輸出電壓及開關(guān)管關(guān)斷電壓的波形圖4-21為直流絕緣電容器的電壓波形,說明直流絕緣電容器具有良好的直流絕緣作用,有效防止了變壓器的偏磁現(xiàn)象。圖4-21隔直電容器上的電壓波形1.3.3Buck降壓模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果電路工作在全橋逆變整流工作狀態(tài)下，蓄電池輸入電壓為400V,對(duì)20A電池進(jìn)行電流維持在恒定值的充電,圖4-22是打開和關(guān)斷時(shí)電壓波形，如圖所示，是開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)和斷開時(shí)的電壓波形。開關(guān)周期為20μs,如果有驅(qū)動(dòng)信號(hào),開關(guān)管接通,輸入能量會(huì)轉(zhuǎn)移到負(fù)載側(cè)。如果開關(guān)有驅(qū)動(dòng)信號(hào),則開關(guān)導(dǎo)通。如果開關(guān)為關(guān)斷,所有開關(guān)的輸入電壓為200V的一半。當(dāng)同一橋架上的一個(gè)開關(guān)接通,另一個(gè)開關(guān)斷開時(shí),斷開的開關(guān)400V的電壓斷開。圖4-23電感以及開關(guān)管的電壓波形圖4-24為全橋變壓器二次側(cè)電壓波形，開關(guān)合閘時(shí)變壓器二次電壓為正或負(fù)80V，變比為5:1,與理論分析相符。圖4-24變壓器二次側(cè)電壓波形圖4-25顯示了輸出濾波器感應(yīng)的電流波形。當(dāng)開關(guān)打開時(shí),感應(yīng)電流增加,輸入功率將能量傳輸?shù)截?fù)載;便于減少流量,提高供電質(zhì)量。圖4-25全橋