汽车热电发电及变流系统的建模分析和控制研究

本项目针对汽车尾气废热回收问题，研究由汽车尾气热流、热电发电器件和直流变换器构成的汽车热电发电及变流系统中的一些关键性问题，包括：（1）建立完整的系统模型，包括前级热电发电器件的动态方程模型和等效电路模型、在典型最大功率跟踪和功率匹配两种控制切换模式和Boost与Buck两种电路切换模式下工作的后级直流变换器小信号状态空间和大信号状态空间平均模型、以及该直流变换器的大信号非线性行为级模型；（2）基于所建系统模型，分别采用阻抗特性法和相平面法分析系统的小信号和大信号稳定约束条件，探寻此级联系统动态特性规律；（3）建立以系统模型为参数辨识和控制基础、以控制直流变换器输入阻抗为特征的系统级最大功率跟踪及输入输出功率匹配控制策略；（4）建立汽车热电发电及变流系统试验装置，为理论验证和实际应用提供研究平台。

项目首先根据热传导理论以及热电转换效应原理，建立了热电发电器件及附件的数学模型和等效电路模型。再视直流变换器及其电池负载为等效负载电阻，建立整个装置的等效电路模型。分析了该模型源响应（热源阶跃变化）和负载响应特性，指出源响应具有四阶大惯性时间常数特性；而负载响应是一个相对小惯性二阶时间常数特性，在本质上负载响应是源响应不同稳态点的过渡过程。 . 项目然后研究了后级热电直流变换器的模型及行为特性。指出该直流变换器有适应负载的最大功率跟踪与功率匹配两种控制模式，以及适应输入电压的升压和降压两种电路模式。分析了占空比扰动下的功率行为特性（曲线）；阐述了电压扰动控制下的内部电压环模型和参数设计方法及其特性；比较了两相电路交错控制与单相电路在控制特性上的三维相轨迹图，指出了两相交错控制在功率跟踪上的精度优势。. 项目先后建立了单相，三相交错和两相交错控制热电直流变换装置。在单相变换器中研究了占空比扰动和电压扰动的功率控制方法。在三相交错变换器中研究了电流扰动的功率控制方法。最后在两相交错式变换器中研究基于内阻辨识的功率控制方法，具有快速稳定的特点。. 最后建立了一个750W两相交错式改进型Buck级联Boost直流变换器。完整的测试了电路在输入3V~26V范围内波动时在Buck电路模式和到Boost模式之间的平滑过渡过程，以及负载投卸时电路在最大功率跟踪和功率匹配间的平滑过渡过程。两相电路的均流度符合要求，证明了控制方法有效。电路的最高效率达到97%，满载效率达到94%。. 项目也提出了多种软开关隔离型电路，典型的是三种三开关推挽式电路。其中的两种改进型能实现三个开关管在宽负载范围内获得ZVS开通，提高了电路效率。另外，在两级式变流器中通过在线调节中间母线电压来优化系统效率的方法，以及空载时通过对前级变流器间歇式控制来降低空载损耗的方法，通过一个馈能电路将钳位电容能量回馈以降低开关管关断损耗的方法等四项成果获得四项国家发明专利。