第1页 / 共101页
第2页 / 共101页
第3页 / 共101页
第4页 / 共101页
第5页 / 共101页
第6页 / 共101页
第7页 / 共101页
第8页 / 共101页
燃料电池DCDC建模.pdf
封面
声明
致谢
摘要
英文摘要
目录
第1章 绪论
1．1 引言
1．1．1 研究背景
1．1．2 研究意义
1．2 燃料电池性能特点
1．3 国内外燃料电池DC-DC研究进展
1．3．1 燃料电池DC-DC交换器拓扑研究进展
1．3．2 燃科电池DC-DC变换器控制技术研究进展
1．4 本文创新点及研究主要内容
1．4．1 论文创新点
1．4．2 论文研究主要内容
第2章 燃料电池推挽DC-DC变换器电路方案
2．1 DC-DC变换器在燃料电池中的作用
2．2 推挽Buck型DC-DC交换器
2．2．1 推挽Buck型DC-DC交换器工作原理分析
2．2．2 推挽Buck型DC-DC交换器小信号模型
2．3 推挽Boost型DC-DC变换器
2．3．1 推挽Boost型DC-DC交换器工作原理分析
2．3．2 推挽Boost型DC-DC交换器小信号模型
2．4 本章小结
第3章 推挽Buck型DC-DC交换器硬件设计及控制
3．1 变压器设计
3．2 滤波电感及滤波电容设计
3．3 检测电路设计
3．3．1 电压检测
3．3．2 电流检测
3．4 驱动电路设计
3．5 辅助电源电路设计
3．6 频域分析及补偿网络设计
3．7 本章小结
第4章 基于快速模型预测控制的DC-DC控制
4．1 快速模型预测控制算法原理
4．1．1 离线控制律计算
4．1．2 在线控制
4．2 辅助电源单端正激DC-DC控制
4．2．1 正激DC-DC交换器建模
4．2．2 正激DC-DC交换器控制策略
4．2．3 模型失配校正
4．3 仿真分析
4．3．1 补偿反馈控制器设计
4．3．2 快速模型预测控制器设计
4．3．3 两种算法控制效果比较
4．4 本章小结
第5章 燃料电池推挽DC-DC变换器软件设计
5．1 连续控制器的离散化
5．2 DSP程序设计
5．3 本章小结
第6章 DC-DC变换器实验结果
6．1 推挽Buck型DC-DC变换器实验结果
6．1．1 变压器工作波形
6．1．2 交换器阶跃实验
6．1．3 输出负载突变实验
6．2 推挽Boost型DC-DC变换器实验结果
6．3 本章小结
第7章 全文总结和展望
7．1 本文工作总结
7．2 后续工作展望
参考文献
附录1 推挽Buck型DC-DC变换器PCB图
附录2
作者简历
攻读硕士期间的主要成果
燃粒电池i DC-DC銮搀墨蕉搓鱼揎剑
⑧
论文作者签名：王坠壁鳖
指导教师签名：
论文评阅人1：
评阅人2：
评阅人3：
评阅人4：
评阅人5：
答辩委员会主席：
委员l：
委员2：
委员3：
委员4：
委员5：
答辩日期：一垡1蛆9
眦—●㈣9啪4嘲5螂5㈣2删Y
枷4
Author’S signature：
一
Supervisor 7S signature：
‘
●
·
External Reviewers：
鲍Q蛩幽坠Q坠墨
△塾Q鲤蛩殴竖
△殴毅毽Q塑
Examining Committee Chairperson：
——Zhihuan Song／Professor／Zhejiang University．．．．．．．．．—．—．．．．．—．——
Examining Committee Members：
——Li Xu／Professor／Zhejiang University．—．——．———————————．———————————一
——Weihua Xu／Associate Professor／Zhe)iang Univeristy—．．—————
—．Jianming Zhang／Associate Professor／Zhejiang University—．
——Lei Xie／Associate Professor／Zhej iang University．．—．—————————
Date oforal defence：
2014．3．9
浙江大学研究生学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取碍
的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已
经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙婆太堂或其他教育机构的
学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均
已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名：矿定诊辞彤字 签字日期： 弦f妒年弓月26日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解 逝婆太堂 有权保留并向国家有关部c1或机
构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堑婆太堂
可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用
影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后适用本授权书)
学位论文作者签名：了灶烨嵴
签字日期：印f￥年多月“日
导师签名： 牵勋
签字日期：沙I p年弓月习日
致谢
致谢
时间如白驹过隙，论文也即将完成，回首研究生过去的时光，首先要衷心感
谢我的导师谢磊副教授，谢老师严谨的治学态度，勤奋刻苦的工作精神值得我学
习。在浙江大学智能系统与控制研究所学习生活的这三年，感谢谢老师给予我学
习和生活上极大的指导和鼓励，您针对我的个人特长制定研究方向，激发了我对
科学研究的兴趣，使我非常享受科研的过程。
感谢燃料电池实验室李修壳老师对我学习研究上的指导和鼓励。感谢您在课
题研究和论文撰写中对我的建议和指点。感谢陈剑教授对我学习的关心，您渊博
的学识令我受益匪浅。感谢中控软件技术有限公司的张艳辉工程师，感谢您对我
先进控制算法研究上的指点。感谢控制系苏宏业教授、许超副教授、徐巍华副教
授对我的关心和帮助。
感谢在我刚进入研究生学习时陪伴我的107实验室的同学们：赵宇师兄、李
酷师姐、陈贵师兄、焦云强师兄、沈清泓师兄、刘营师兄、娄海川师兄、王燕青
师兄、林晓钟师兄、朱理师兄、郜旭凯师姐、蔡星师兄、冯皓师兄、林文益、师
明华、孙培、卢山、郭子旭、王培宇、宋超等。感谢你们对我的关心和支持。
由衷感谢课题组杨融师兄、张博师兄、陈雪兰师姐、吴禹、邵诚俊、王凡、
欧阳权、刘佳、缪畅宇、谢炜、黄假卉、武成帅、刘浩、高飞、刘志洋、吴中乐
对我论文的建议、修改和实验中的帮助，和你们一起的时光是我美好的日子，会
终生难忘。同样感谢与我一起攻读学位的姚建江、韩清垄、倪志风、郭首宇、谢
琪，和你们相处的日子和分享彼此生活中的快乐是美好的记忆。
特别感谢胡灵龙对我各方面的支持和给予的关心，若没有你的支持和帮助，
本文也不会如此顺利完成，谢谢你。
还要感谢我的父母和姐姐，在我近二十年的求学路上给予我无徼不至的关心
和呵护，使我能够无忧无虑地学习和生活。我会再接再励，秉承求是精神，用我
的成绩回报你们，祝父母身体健康，姐姐幸福快乐。
最后感谢所有关心、帮助和支持我的人，祝你们一切顺利。
沈烨烨
2014年2月于浙大求是园
摘要
摘要
随着环境污染和能源危机问题的加剧，新型绿色能源的发展越来越受到国际
学术器和工程界的关注。燃料电池具有无污染、零排放、清洁、能量密度高等优
点。燃料电池电能的产生依赖于燃料的提供，燃料供给的波动往往会导致燃料电
池的输出电压不稳定甚至出现大范围波动，所以设计一个安全、可靠和高效的
DC-DC变换器至关重要。
本文旨在设计能够有效转换燃料电池电能的DC-DC变换器，对其进行理论
分析和研究，并采用嵌入式芯片实现控制算法，保证DC．DC变换器实现高效的
电能转换。文章主要完成工作总结如下。
(1)提出了推挽Buck型DC．DC变换器和推挽Boost型DC-DC变换器拓扑
结构。分别对其工作原理和特性进行分析，采用状态空间平均法建立各自的大信
号系统模型。考虑到设计线性控制器需要基于线性模型的需求，通过分离大信号
系统模型中电路的稳态参量和动态参量，获得线性小信号模型，便于线性控制器
的设计。
(2)首先，设计并制作了推挽Buck型DC-DC交换器实验样机，硬件电路
包括功率主回路、检测电路、驱动电路等。其次，结合电路小信号模型与已设计
的电路参数进行实际电路的频域分析，指出电路存在的动态响应不足的问题，设
计对应的模拟补偿反馈控制器，为实际硬件电路控制提供理论支撑。然后，通过
DSP实现DC．DC电路的实际控制，实验结果表明DC．DC交换器的输出电压在
DSP控制下能很好地跟踪到设定电压，并且具有良好的阶跃响应特性和抗负载突
变的能力。
(3)采用快速模型预测控制算法控制正激DC．DC变换器，分析了该算法与
传统模型预测控制相比的优点。首先建立了正激DC-DC变换器的小信号线性化
模型和离散时间混杂模型，然后提出快速模型预测控制算法的控制目标性能函数
和约束条件，针对可能存在的模型失配闻题，采用修正设定电压的方式进行校正
补偿。最后将控制效果与传统补偿反馈控制器进行比较，控制效果显著。
关键词：燃料电池；DC．DC变换器；快速模型预测控制；补偿反馈控制；DSP控
制
m
Abstract
With increasing environmental pollution and energy crisis，the development of
new green energy attracts more and more international academic and engineering
attentions．The fuel cell has an advantage of non-polluting，zero emission and purifying．
Fuel cell power generation depends on the supplement of fuel which often leads to
instability or even large—scale fluctuations in the output voltage of the fuel cell，SO the
design of a safe，reliable,efficient DC-DC converter is essential．
This paper aims tO design a DC·DC converter capable of converting fuel cell
energy efficiently,do its theoretical analysis and research，and use embedded chip to
ensure that DC-DC converter achieve efficient and reliable power conversion．The
article summarizes the work completed as follows．
(1)A push-pull Buck DC—DC converter and push-pull Boost DC-DC converter
topologies
are proposed．Analyze their working principle and characteristics
respectively．Establish their large-rsignal system model with state·-space average
modeling method,as linear controller is always designed based on a linear model，SO
the nonlinear model is linearized between the steady-state values tO obtain a linear
small signal model，supporting the design of linear controller．
(2)Finish the push-pull Buck I)C-DC converter hardware design．Then combine
the small—signal circuits and circuit model parameters have been designed to perform
frequency domain analysis，pointed out the problem of insufficient dynamic response，
then design compensation feedback controller,the simulation shows that the control
effect is remarkable，which provides theoretical support for the actual hardware circuit
contr01．Finally,use the DSP to control the DC-DC circuit，the experimental results
show that the DC-DC converter output voltage Can tracking the design voltage quickly,
has a good response of step change and load variation．
(3)Control the forward DC-DC converter研tll fast model predictive control
algorithm．Analyze the advantages compared、析tll traditional model predictive control
algorithm．Establish the small-signal model and discrete-time hybrid model of forward
DC-DC converters，and then propose fast model predictive control performance
V
浙江大学硕士学位论文
function and constraints，modify the set voltage to solve the problem of model
mismatch may exists．Finally,compared with traditional compensation feedback
controller,the situation is much better in step response than compensating feedback
controller,the fast model predictive controller is effective．
Keywords：fuel cells；DC-DC converter；fast model predictive control；compensation
feedback control；DSP control
VI
目录
目录
!目C谢……………………………………………………………………………………………………………I
摘j要…………………………………………………………………………．
ABSTRACT…………………………………………………………………………………………………V
目录…………………………………………………………………
第1章绪论……．．．…………………………………………………………………………………………．1
1．1引言………………………………………………………………………………1
J．j．J研究孝是……………………………………………………………J
j．7．2多臃意吠………………………………………………………………………2
1．2燃料电池性能特点……………………………………………………………．2
1．3国内外燃料电池DC．DC研究进展……………………………………………3
1．3．1燃料电池DC-DC变换器拓扑研究递展…………………………………3
1．3．2燃料宅池DC-DC变换器控制技术研究进展……………………………5
1．4本文创新点及研究主要内容…………………………………………………．7
J．4．1礁支僦点………………………………………………………………．．7
』．4．2教劈君主要力容……………………………………………一7
第2章燃料电池推挽DC．DC交换器电路方案
2．1 DC．DC变换器在燃料电池中的作用…………………………………………1l
2．2推挽BUCK型DC．DC变换器………………………………………………一12
2．2．i推挽Buck型DC-DC变换器I作原理分析……………………………12
2．2．2推挽Buck型DC-DC变换器小信号模型………………………………15
2．3推挽BOOST型DC．DC变换器………………………………………………19
2．3．i推挽Boost型Dc．DC变换器I作原理分析……………………………19
2．3．2推挽Boost型DC-DC变换器小信号模型………………………………23
2．4本章小结………………………………………………………………………27
第3章推挽BUCK型DC-DC交换器硬件设计及控制……………………………．29
3．1变压器设计……………………………………………………………………29
VⅡ
相关推荐
2023年江西萍乡中考道德与法治真题及答案.doc
2012年重庆南川中考生物真题及答案.doc
2013年江西师范大学地理学综合及文艺理论基础考研真题.doc
2020年四川甘孜小升初语文真题及答案I卷.doc
2020年注册岩土工程师专业基础考试真题及答案.doc
2023-2024学年福建省厦门市九年级上学期数学月考试题及答案.doc
2021-2022学年辽宁省沈阳市大东区九年级上学期语文期末试题及答案.doc
2022-2023学年北京东城区初三第一学期物理期末试卷及答案.doc
2018上半年江西教师资格初中地理学科知识与教学能力真题及答案.doc
2012年河北国家公务员申论考试真题及答案-省级.doc
2020-2021学年江苏省扬州市江都区邵樊片九年级上学期数学第一次质量检测试题及答案.doc
2022下半年黑龙江教师资格证中学综合素质真题及答案.doc
