1 引言
1.1 课题背景和意义
不可再生资源的合理利用和环境保护是实现可持续发展的两大基本原则。随着人类环保意识的增强，以及不可再生资源的日益减少，以电池作为动力源的电动汽车（electrical vehicle EV），成为各个国家竞相研究开发的热点。目前，各国政府针对各自的国情，提出有关新能源汽车（特别是 EV)的计划。例如：中国科技部提出的“十城千辆”计划；日本政府根据矢野政经所编写的《电动汽车市场发展报告》，提出了电动车的发展规划；美国奥巴马政府也提出“低碳计划”发展新能源汽车等。总之，随着电动汽车的蓬勃发展，大功率动力电池具有广阔的市场空间。锂离子电池作为第三代动力电池的代表，与以阀控式铅酸蓄电池（valveregulated lead-acid battery VRLAB）代表的第一代动力电池，以及 Cd-Ni 电池和 MH-Ni 等碱性蓄电池[1]为代表的第二代动力电池相比，具有容量大、寿命长以及无记忆效应无污染等诸多优点。化成设备性能直接关系动力电池的性能，且动力电池需成组使用要求且在性能上具有较好的一致性，最初的人工操作效率低且精度不高，外界干扰因素多，不能适应大规模生产的要求。此外，动力电池化成过程中对充放电电压和电流都有严格的要求，一旦出现过充或过放将对电池造成严重的影响，甚至可能引起爆炸[2]。因此，研制一种安全可靠、自动化程度高的锂离子动力电池化成系统成为众多电池生产商迫切需求。
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1.2 生产工序及化成设备现状
锂离子大功率动力电池主要生产流程如图 1-1 所示。其中配料，涂布、辊压制片、装配（包括卷绕，注液）、化成为主要环节。锂离子动力电池生产中必须经历化成工序，化成就是电池在出厂前以一定的电压、电流对电池进行多次充放电的过程。按照行业要求，每个电池在出厂前至少要经过三次充放电的化成过程。目前，国内实现化成一般有两种方式，（1）通过充电设备对电池进行充电，放电时将电能以热能方式耗散在电阻上；（2）通过晶闸管移相控制对电池进行充电，放电时通过开关使电池反接采用晶闸管移相控制实现有源逆变。针对传统线性恒流源和相控恒流源结构在化成过程中存在的问题，本文采用三相 VSR 和 BDC 同步变换器[3]，以 DSC TMS320F28335 作为整个系统的控制核心，按照整流和逆变两种状态[5,6]进行充放电控制，实现“绿色电能变换”。本系统采用图 1-3 拓扑结构，主电路由三相 VSR 和 BDC 组成。系统将三相VSR 的直流侧作为直流母线，连接电网和 BDC。通过上位机控制锂离子电池的充放电，当锂离子电池充电时，通过三相 VSR 得到 360V 母线电压，再通过 BDC 得到锂离子电池充电电压电流（4.2V，50A）；当锂离子电池放电时，通过 BDC 电路得到 360V 母线电压，再通过三相 VSR 实现有源逆变，实现电能回馈。
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2 三相 VSR 建模分析与设计
2.1 三相 VSR 整流器概述
三相 VSR 整流器作为非传统意义上的 AC/DC 变换器，由于能够实现能量双向传递，可运行于整流、逆变、感性、容性等状态，在有源电力滤波器、交流传动、高压直流输电等领域有广泛的应用[7][8][9]。选择全控型器件且采用 PWM 控制有以下优良性能：
（1）网侧电流为正弦波且功率因数可控；
（2）实现电能双向传输且具闭环响应较快；
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2.2 三相 VSR 的建模
本章首先在同步旋转坐标系（d、q）中建立三相 VSR 数序模型并对模型进行分析，然后采用前馈实现 dq 坐标轴解耦控制，又分别对电流环和电压环进行分析设计，最后根据相应要求对电感、电容等参数进行整定，最后给出了基于前馈解耦双闭环的 SVPWM 控制三相 VSR 的仿真。对传统的电池化成装置的结构进行分析，然后阐述本论文采用的系统结构图以及工作原理。建立三相 VSR 整流器数学模型，采用基于前馈解耦双闭环（电流内环和电压外环）控制策略，并对电压环和电流环控制器以及滤波电感和电容的参数进行设计整定。针对三相 VSR 整流器的研究现状，选择 SVPWM 作为该系统的控制方法，分析其工作原理以及阐述其在 DSC 中实现过程。分别分析 BDC 同步半桥变换器在充放电模式下的工作状态，同时给出其主要参数的波形。对该电路进行设计，包括高频变压器和滤波电感电容参数计算、MOSFET 选型、驱动电路设计等，最后给出了充放电算法控制结构图。介绍 DSC TMS320F28335 主要特点，给出了系统软件的总体设计框图和相应的硬件电路。搭建锂离子动力电池化成系统实验平台，给出并分析相关实验波形。指出了设计过程中的待改进地方，值得进一步学习研究。
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3 SVPWM 控制算法研究与实现...........29
3.1 SVPWM 概述.........29
3.2 SVPWM 的模型建立.........30
3.3 SVPWM 算法研究与实现.............34
3.4 小结........39
4 BDC 同步半桥变换器分析与设计.........40
4.1 BDC 概述.............40
4.2 BDC 同步半桥变换器过程分析.......40
4.3 BDC 同步半桥变换器参数设计.......48
4.3 小结........56
5 系统软硬件设计和实验结果分析........57
5.1 TMS320F28335 控制器简介.......57
5.2 硬件电路设计..........57
5.3 系统软件设计..........63
5.4 实验结果分析..........65
5.5 小结........69
5 系统软硬件设计和实验结果分析
5.1 TMS320F28335 控制器简介
系统采用 TI 公司的 DSC TMS320F28335 作为整个系统的控制核心。由于该控制器具有较快的运算速度以及丰富的外设，广泛用于工业、数字电源以及消费类电子等，性价比非常高。TMS320F28335 的主要技术指标[40]为：
（1）该芯片主频为 150MHz，快速中断响应和处理；256k×16 Flash 和34k×16 SARAM 的容量为系统支持复杂的算法提供硬件基础。
（2）12 路（包含 6 路高精度的 HRPWM）PWM 模块，具有较高的控制精度。
（3）片内 16 路 12 位分辨率高速 ADC，12.5MSPS 的采样速率，32 位捕获功能加快系统的响应速度。
（4）丰富的外设资源，支持 CAN、SPI、SCI、IIC 等外设接口，便于实现与其它模块通信以及系统扩展升级。
要实现 VSR 双闭环控制，需要检测的模拟量包括：网侧电压电流、直流侧母线电压、网侧工频电压相位，同时保证设备安全可靠，必须测量开关管散热器的温度。在一个控制周期内，采用 DSC 的 AD 模块对网侧电压电流、直流母线、网侧工频相位、开关管散热器温度进行采样，在未出现过压、过流以及过温时产生7 路 PWM 信号，三相 VSR 采用 3 路 PWM 信号实现控制，BDC 同步半桥变换器的半桥电路和倍流电路分别采用 2 路 PWM 信号。DSC 的 AD 采样电压范围为 0～3V，数据采样需偏置处理然后送至采样通道。
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总结
本文针对论文——新能源汽车大功率动力电池化成系统设计，对三相 VSR和 BDC 同步半桥变换器做了较为详细的研究与分析，主要对以下几方面进行研究：
（1）建立三相 VSR 的数学模型并对其电流内环电压外环进行分析设计，同时对VSR 的硬件参数等进行设计，包括网侧电感，直流侧电容等进行设计。
（2）针对三相 VSR 整流器的研究现状，采用基于前馈解耦双闭环的 SVPWM 作为系统的控制策略，分析了 SVPWM 算法原理对详细阐述了 SVPWM 算法在 DSC 的实现过程。
（3）分别分析了 BDC 同步半桥变换器在充放电模式下的工作模态，并给出了其主要参数波形图，然后对 BDC 同步半桥变换器的硬件参数进行设计，包括 HFT设计，滤波电感和电容，MOSFET 选型，驱动电路设计等。同时设计了充放电控制算法。
（4）系统软硬件部分设计。给出了主程序以及两个中断子程序的实现的流程图；另外设计了相应的硬件原理图，包括直流母线电压电流采样电路、交流侧电压电流采样电路、开关管散热器温度测量电路、三相 VSR 驱动电路等。
（5）搭建锂离子动力电池化成系统平台，得出相关实验波形，实验结果表明，本文采取的软硬件设计方案能够较好的实现网侧电流正弦波，使其在化成过程中运行于高功率因数状态，实现锂离子动力电池的高效充电与放电回馈。
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参考文献（略）