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目录
摘要 I
Abstract II
1绪论 1
1.1研究的背景及意义 1
1.2国内外发展现状 3
1.3本文主要研究内容 5
2 能量调节器主电路的分析与设计 6
2.1 主电路拓扑结构选择 6
2.1.1 buck变换器原理 6
2.1.2 boost变换器原理 7
2.1.3 buck-boost变换器原理 8
2.1.4 几种电路拓扑的比较 9
2.2 主电路工作原理 9
2.3 buck-boost变换器建模分析 10
2.3.1 buck变换器开关网络建模 11
2.3.2 boost变换器开关网络建模 13
2.3.2 buck-boost变换器建模 15
2.4 主电路参数设计 17
2.4.1输出滤波电感的设计 17
2.4.2输出滤波电容的设计 18
2.5 主电路仿真 19
2.6本章小结 24
3平均电流模式研究 25
3.1 电流型控制器概述 25
3.1.1 电流型控制器的结构 25
3.1.2 平均电流控制模式分析 26
3.2 电流控制器的设计 27
3.2.1 电流内环设计 27
3.2.2 功率级等效模型 29
3.2.3 电压外环设计 31
3.3 平均电流控制模式仿真 33
3.4 本章小结 37
4能量输出控制研究 38
4.1 能量模式的分析 38
4.2 基于电流模式的变换器建模分析 39
4.3 电流型控制器的设计 41
4.4 数字控制器实现 44
4.4.1 数字控制器概述 44
4.4.2 数字PID控制器的实现 45
4.4.3基于DSP2407的控制策略概述 46
4.5本章小结 46
5能耗分析与机箱设计 47
5.1 调节器能耗分析 47
5.2机箱设计 49
5.2.1散热方式选择 49
5.2.2参数计算 50
5.2.3散热分析仿真 52
5.3本章小结 52
6全文总结及展望 53
参考文献 54
致谢 56
摘要
燃料电池是21世纪全新、高效、节能、环保的发电方式之一，但其输出特性偏软，直接给负载供电时不能满足输出稳定的要求并会给燃料电池带来严重伤害，因此研究一种高效的能量调节器具有十分重要的意义。能量调节器要求能适应输入电压宽范围变化，在传统buck和boost变换器的基础上，本文研究一种buck-boost级联型变换器及其控制方法，主要研究内容如下：
首先阐述了buck-boost级联变换器的结构特点及其工作原理，并根据设计要求计算主电路参数并通过MATLAB和saber仿真进行优化，利用开关网络建模法建立了buck和boost型开关网络的小信号模型，进而得到级联变换器的小信号模型。其次，根据平均电流控制法设计了电压环和电流环控制器并在MATLAB中进行仿真，验证了设计的合理性。然后，论述了调节器工作于能量输出模式的必要性并分析了调节器在能量流动中的作用，建立了基于蓄电池二阶等效模型的能量输出模式下的调节器模型，并设计了PID控制器，根据仿真结果对整个设计进行了评价。采用前向差分法进行离散化并推导得出数字控制算法，阐述了基于DSP的控制策略。最后应提高效率和功率密度的要求进行了机箱散热设计，在ansys软件中用Icepack工具进行温度分布仿真，验证了设计结果符合要求。
关键词：buck-boost；建模；MATLAB仿真；能量输出；散热设计
本文主要研究内容
根据6kW燃料电池能量调节器的课题研究，输入为80片燃料电池，轻载时燃料电池输出80V，满载时输出30V，输出功率为6kW，要求输出电压稳定48V，电压纹波≤2%，电流纹波≤10%，根据6kW燃料电池能量调节器的设计要求，本文做了以下方面的研究：
（1）概述燃料电池的研究背景及其工作特性，由其输出特性引出了本文对能量调节器研究的意义。简单介绍了能量调节器的国内外研究现状；
（2）分析boost-buck级联型能量调节器的拓扑结构和工作原理，利用小信号模型建模法建立变换器的数学模型，并设计主电路参数；
（3）针对平均电流模式和能量输出控制模式建立相应控制器模型，设计平均电流模式的双环控制系统控制器和能量输出模式控制器，并在 MATLAB仿真验证；
（4）对基于DSP数字控制的系统控制策略进行了说明；
（5）为提高变换器的工作效率，对开关器件的功耗进行了分析和说明，并以此为指导进行机箱设计。
