摘 要：隨著傳統(tǒng)資源的日益減少和因?yàn)槿丝谠龆鄮?lái)的交通運(yùn)輸壓力的不斷增大，電動(dòng)汽車(chē)必將取代傳統(tǒng)汽油汽車(chē)成為汽車(chē)行業(yè)的主導(dǎo)。雙向直流傳動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)的重要技術(shù)之一，雙向DC-DC變換器能使電動(dòng)機(jī)的調(diào)控得以完善、整車(chē)效能得以提升。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；雙向DC-DC變換器；動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.180

1 課題背景和意義

當(dāng)前技術(shù)條件下，電動(dòng)汽車(chē)使用的大功率直流變換器大都有功率損耗大，能量轉(zhuǎn)換率低等缺陷。且很多設(shè)計(jì)方案大都忽略燃料電池等電源軟輸出的特性。因此，設(shè)計(jì)出符合其特性條件的大功率直流變換器，不僅可以使燃料電池的輸出特性得到改善，還可以使燃料電池得到很好的保護(hù)，延長(zhǎng)其使用壽命。

雙向DC-DC變換器是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心組成部件，也是構(gòu)成能量雙向流動(dòng)、有效管理能量以及提高動(dòng)力性能的關(guān)節(jié)所在。

2 電動(dòng)汽車(chē)雙向直流傳動(dòng)系統(tǒng)

2.1 雙向DC-DC變換器的控制方式

電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)是經(jīng)典的有源型負(fù)載，因?yàn)橛休^寬的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍，在行車(chē)時(shí)又要經(jīng)常的進(jìn)行加減速，而且在其工作中，蓄電池電壓的變化范圍非常大。若想在一定負(fù)載范圍內(nèi)使蓄電池組的電壓穩(wěn)定在一較高的值上，可使用DC/DC（Direct Current-Direct Current）變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還可以很大程度上提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能。

2.2 雙向DC-DC變換器的應(yīng)用特點(diǎn)

當(dāng)使用雙向DC-DC變換器來(lái)直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)電流紋波與加在輸入電壓的瞬時(shí)值和反電動(dòng)勢(shì)間的電壓差值成正比，則調(diào)節(jié)逆變器的直流側(cè)輸入電壓可通過(guò)雙向DC-DC變換器調(diào)控電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而減小其電流紋波。其次，蓄電池組或另加的大容量電容器可以通過(guò)雙向DC-DC變換器控制反向制動(dòng)電流來(lái)補(bǔ)充電能，而使電動(dòng)汽車(chē)的接車(chē)效率得以提高。

3 系統(tǒng)工作模式分析

雙向DC-DC變換器可使能量雙向流動(dòng)，需能量雙向流動(dòng)時(shí)能使系統(tǒng)的體重和成本大幅降低，在航空電源系統(tǒng)和電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)及蓄電池充放電維護(hù)等很多方面都得到了普遍的應(yīng)用。

3.1 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)工作模式分析

雙半橋雙向變換器在隔離變壓器的兩側(cè)分別是一對(duì)稱(chēng)半橋。兩半橋之間的移相控制變換器中的功率傳輸即可，不需額外的輔助開(kāi)關(guān)或無(wú)源諧振裝置，其中所有的開(kāi)關(guān)都可工作在零電壓開(kāi)通狀態(tài)，且開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力較低。此外電路中不存在大型延時(shí)器，變換器動(dòng)態(tài)響應(yīng)也很快，因此多用作燃料電池的輔助結(jié)構(gòu)。此變換器可使功率雙向流動(dòng)，與其優(yōu)勢(shì)在于：組件少；較大的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)不需要輔助器件和諧振電路；能很輕松地進(jìn)行控制；能輕易分配每一個(gè)輸入端的功率。

3.2 雙向DC-DC變換器工作模式分析

要求可通過(guò)雙向DC-DC變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)：在蓄電池開(kāi)始工作給電時(shí)，系統(tǒng)中的雙向DC-DC變換器正向升壓，當(dāng)系統(tǒng)的輸入電壓出入不夠穩(wěn)定的情況時(shí)，可以把輸出主線的電壓處在一個(gè)高壓的狀態(tài)下，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)立即開(kāi)啟能量電池，這樣就會(huì)使電動(dòng)機(jī)的工作性能得到非常大的提升，非常實(shí)用。反之，減速、剎車(chē)的時(shí)候，系統(tǒng)中的雙向DC-DC變換器反向降壓充電，把電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的附加能量回收給蓄電池組或電容補(bǔ)充消耗的電能。

將蓄電池、燃料電池（主電源裝置）有效地與負(fù)載結(jié)合起來(lái)，這并不是非常簡(jiǎn)單的事，需要有一種雙端口雙向DC-DC變換器，蓄電池和逆變器接口電路選用雙端口雙半橋DC-DC變換器。

以汽車(chē)行車(chē)的各種形態(tài)為基礎(chǔ)，采用蓄電池、燃料電池的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有三種不同的狀態(tài)模式：

模式1：開(kāi)啟和加速的時(shí)候，負(fù)載的功率要求燃料電池和儲(chǔ)能電容等一起供電才可以，單獨(dú)靠燃料電池輸出是不行的；模式2：行車(chē)速度穩(wěn)定時(shí)，燃料電池在為牽引電機(jī)供電的基礎(chǔ)上，還要給蓄電池充電，使其達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，以免加速時(shí)不能有效的工作，有時(shí)還需要回收附加能量；模式3：減速的時(shí)候，電池不輸出電能功率，電動(dòng)機(jī)反向工作在發(fā)電的形態(tài)，蓄電池吸收附加能量進(jìn)行補(bǔ)充電能。

在模式1中，蓄電池放電，變換器升壓，向高壓側(cè)充入能量，使其上升保持在期望值；模式3 時(shí)，變換器減壓，回收制動(dòng)過(guò)程中的附加能量來(lái)補(bǔ)充電能；模式2里，變換器處在中間狀態(tài)。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的變換器調(diào)控方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)附加能量的高效回收和功率的良好分配，調(diào)整電能流動(dòng)方向則以負(fù)載狀況的差異為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行，進(jìn)而明確變換器進(jìn)行的狀態(tài)。

4 雙半橋雙向DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4.1 主功率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙向DC-DC變換器也有正激式、反激式、推挽式、橋式、電流饋式及其它一些混合式的隔離型變換結(jié)構(gòu)。在DC-DC變換器中，由正反單管等構(gòu)成的電路多普遍應(yīng)用在功率不大的地方，半橋變換器多應(yīng)用于中、大功率中。隔離型的DC-DC變換器當(dāng)中，正激式的變壓器的磁化情況是單方向的，進(jìn)而降低了其利用率。

電壓電流應(yīng)力較小的半橋DC-DC變換器，其功率變壓器的磁化是雙方向的，則就大功率輸出方面實(shí)現(xiàn)起來(lái)也就容易許多。這類(lèi)變換器有電壓型和電流型兩種。電壓型DC-DC全橋變換器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易控制，類(lèi)似于Buck型；電感在輸入電源側(cè)的電流型則與Boost型相似，適用于功率因數(shù)校正的大功率電路。

4.2 控制方案

橋電路用了移相軟開(kāi)關(guān)之后，可實(shí)現(xiàn)功率管的ZVS方案，保持開(kāi)關(guān)頻率的穩(wěn)定持續(xù)。但在另一方面，諧振電感會(huì)丟掉副邊一定的占空比值，也會(huì)造成環(huán)流損耗。對(duì)于副邊占空比丟失，可用可飽和電感代替諧振電感；也可用降低諧振電感的方式來(lái)解決。而對(duì)于環(huán)流，可用零電壓零電流開(kāi)關(guān)來(lái)處理解決，就是用左側(cè)負(fù)責(zé)零電壓開(kāi)關(guān)，右側(cè)負(fù)責(zé)零電流開(kāi)關(guān)，但若想阻斷變壓器圓邊電流的反向通路，需將阻斷二極管、阻斷電容器等串接到變換器主電路中。因?yàn)樵⒎鞘抢硐氲?，變換器運(yùn)行過(guò)程中其會(huì)產(chǎn)生通態(tài)損耗，在輸入低電壓大電流時(shí)，經(jīng)濟(jì)成本非常大。綜合考慮后，決定方案為零電壓開(kāi)關(guān)結(jié)合PWM加移相控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬棡，瞿文龍，劉圓圓.一種隔離型雙向軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換器[J]，清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2006：46（10）：15-19.

[2]唐杰.數(shù)字相移控制隔離Buck-Boost型雙向DC-DC變換器的研究：[碩士學(xué)位論文][D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2008：76-93.

作者簡(jiǎn)介：張連浩（1982-），男，遼寧沈陽(yáng)人，現(xiàn)任沈陽(yáng)科技學(xué)院信息與控制工程系副主任，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)教育。