【正文】 電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)研制具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。如圖 11所示是雙向 DCDC 變換器結(jié)構(gòu)圖。2I2V1I2雙向 DCDC 變換器實(shí)現(xiàn)了能量的雙向傳輸，在功能上相當(dāng)于兩個(gè)單向 DCDC 變換器。下面分別列出了四種典型的非隔離型雙向 DCDC 變換器及其他幾種改進(jìn)的雙向DCDC 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。1 : nL 2Q 3D 3Q 1D 1Q 4D 4Q 2D 2Q 7D 7Q 5D 5Q 8D 8Q 6D 6S cL cC cV b a tV b u s(a) 全橋雙向 DCDC 變換器L 1T xC c 1M 3 M 4M 1C c 2C 2C 1M 2V 1V 2(b) 雙反激雙向 DCDC 變換器S 1S 2S 3S 4L 1R i n tC 1V b a t(c) 雙推挽雙向 DCDC 變換器T xS 1D 1 C 1S 2D 2 C 2S 3D 3C 3S 4D 4C 4L 1V 0V i n(d) 雙半橋雙向 DCDC 變換器圖 13 四種改進(jìn)的隔離型雙向 DCDC 變換器 DCDC 變換器的控制方式(PWM)控制非隔離型雙向 DCDC 變換器一般都采用 PWM 控制來(lái)調(diào)節(jié)與各個(gè)輸入級(jí)中開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，從而控制電源與負(fù)載，以及各個(gè)電源之間的能量傳遞。 (a)移相控制方式原理圖 （b）電壓電流波形圖圖 14 移相 PWM 控制方式的等效電路和電壓電流示意圖 雙向 DCDC 變換器在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用電動(dòng)汽車(chē)中的電動(dòng)機(jī)是典型的有源負(fù)載，電動(dòng)機(jī)根據(jù)駕駛員的不同指令既可以工作在電動(dòng)狀態(tài)又可以工作在再生發(fā)電狀態(tài)，既可以吸收電池組電能將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出．也可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能反饋繪電池組。目前，大多數(shù) DCDC 變換器是單向工作的，即通過(guò)變換器的能量流動(dòng)的方向只能是單向的。雙向 DCDC 變換器可以非常方便地實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸，使用的電力電子器件數(shù)目少，具有效率高、體積小和成本低等優(yōu)勢(shì)。在這些應(yīng)用場(chǎng)合，雙向 DCDC 變換器可以調(diào)節(jié)逆變器的輸入電壓，并且可以實(shí)現(xiàn)再生回饋制動(dòng)。當(dāng)采用這類(lèi)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)輪時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)電流波形的紋波是與加在電動(dòng)機(jī)輸入端子上電壓的瞬時(shí)值和電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)之間的電壓差值成正比的，因此利用雙向 DCDC 變換器可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)不斷調(diào)整逆變器的直流側(cè)輸入電壓，從而減小電動(dòng)機(jī)電流波形的紋波。參考文獻(xiàn)[9]提出了在以鉛酸蓄電池為主電源的基礎(chǔ)上附加高功率密度的超容量電容器作為輔助電源的電源結(jié)構(gòu)，由鉛酸蓄電池提供電動(dòng)汽車(chē)正常運(yùn)行過(guò)程中所需要的能量，由超容量電容器提供或吸收電動(dòng)汽車(chē)加速或減速過(guò)程中的附加能量，這樣一方面利用了超容量電容器功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，減少了對(duì)蓄電池峰值功率的要求：另一方面彌補(bǔ)了超容量電容器單一電源能量密度低的缺點(diǎn)，增加了電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程，也延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命，降低了成本。燃料電池平時(shí)將燃料和氧化劑分別作為電池兩極的活性物質(zhì)保存在電池的本體之外，當(dāng)工作時(shí)，燃料連續(xù)通入電池體內(nèi)，使電池放電。若以燃料電池作為直接驅(qū)動(dòng)電源，因其輸出特性偏軟，必須在燃料電池之后接入輸出特性較硬的 DCDC 變換器，即由燃料電池和 DCDC 變換器組成一個(gè)統(tǒng)一電源，由其負(fù)責(zé)對(duì)整車(chē)供電。圖 18 為燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。采用輔助開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)關(guān)法有：零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)和零電流轉(zhuǎn)換(ZCT)雙向 DCDC 功率變換器、有源鉗位雙向 DCDC 功率變換器。因此，目前采用輔助開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)關(guān)雙向 DCDC 功率變換器存在電路元件多，需要額外引入輔助開(kāi)關(guān)及其控制電路等缺點(diǎn)，因此影響成本和功率密度。但諧振、準(zhǔn)諧振、多諧振技術(shù)的雙向 DCDC功率變換器由于基于 LC 諧振工作原理 [13]，存在功率器件電壓和電流應(yīng)力大，通態(tài)損耗高，軟開(kāi)關(guān)的負(fù)載范圍受限等缺陷；軟開(kāi)關(guān)準(zhǔn)方波零電壓開(kāi)關(guān)雙向 DCDC功率變換器雖然可以定額工作，但存在電流脈動(dòng)大、功率器件通態(tài)損耗和鐵心損耗大的缺點(diǎn)；相移控制雙向 DCDC 功率變換器具有功率器件電壓和電流應(yīng)力小，額定工作無(wú)需增加輔助器件即可實(shí)現(xiàn)功率器件的零電壓開(kāi)關(guān)條件等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)功率變換器的輸入電壓或輸出電壓偏離標(biāo)稱(chēng)電壓時(shí)，移相控制在電路中造成嚴(yán)重環(huán)流，導(dǎo)致通態(tài)損耗的迅速增加和軟開(kāi)關(guān)條件的破壞，嚴(yán)重影響移相控制雙向 DCDC 功率變換器的應(yīng)用。把軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和 PWM 控制技術(shù)以及雙向 DCDC 變換器技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，有效降低了電路的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲，減少了器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的電磁干擾，為變換器裝置提高開(kāi)關(guān)頻率和效率、降低尺寸和重量提供了良好的條件。第三章結(jié)合所提出的雙向 DCDC 變換器的穩(wěn)態(tài)特性對(duì)電路的輸出做了詳盡的分析，并為實(shí)現(xiàn)該特性對(duì)電路中主要元件參數(shù)的選取原則進(jìn)行推導(dǎo)和計(jì)算。 電動(dòng)汽車(chē)雙向 DCDC 變換器雙半橋雙向變換器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，隔離變壓器的兩端各有一個(gè)對(duì)稱(chēng)半橋。此變換器主要用于混合動(dòng)力汽車(chē)燃料電池的輔助啟動(dòng)。燃料電池雙向D C D C變換器C M E U控制器壓縮機(jī)電機(jī)( C M E U )逆變器牽引電動(dòng)機(jī)電壓箍位蓄電池高壓直流母線(xiàn)圖 21 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)能量管理系統(tǒng)框圖近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究表明，蓄電池與燃料電池混合使用，蓄電池能量密度大的特性顯著提高功率和電能利用效率，降低成本。要使蓄電池和主電源(燃料電池)與負(fù)載之間有效地結(jié)合起來(lái)，需要一種合適的雙端口雙向 DCDC 變換器。為了實(shí)現(xiàn)高效的電動(dòng)功率分配和制動(dòng)能量回饋，雙半橋 DCDC 變換器需要采用合理的控制方式，根據(jù)不同的負(fù)載情況來(lái)決定能量的流動(dòng)方向，從而確定雙向變換器的工作狀況。在隔離型的 DCDC 變換器中，正激電路需磁復(fù)位繞組，變壓器單向磁化，利用效率低。半橋 DCDC 變換器可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是電壓型，一類(lèi)是電流型。而全橋移相軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，以恒定頻率PWM 方式工作，在功率器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中諧振，使其工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，兼顧了PWM 變換器和諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于存在環(huán)流這種現(xiàn)象，可以使用零電壓零電流開(kāi)關(guān)(ZVZCS)方案，即左邊橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，右邊橋臂實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)。該電路包含一個(gè)輸入級(jí)升壓半橋電路，一個(gè)兩繞組的高頻變壓器，以及一個(gè)輸出級(jí)電壓型半橋電路。圖 22 雙半橋雙向 DCDC 變換器主電路拓?fù)溆蓤D 22 可以看出該變換器輸入級(jí)的組合式升壓半橋拓?fù)鋯卧且粋€(gè) Boost升壓電路與一個(gè)電壓型半橋電路的復(fù)合。而當(dāng)變換器工作在反向 Buck 時(shí)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)降壓電路與電流型半橋電路的復(fù)合，能量由高壓側(cè)向低壓側(cè)傳遞。由于變換器工作過(guò)程中是以變壓器 漏感作為低壓側(cè)和高壓側(cè)能量傳遞元件，rT因此在進(jìn)行電路簡(jiǎn)化分析時(shí)，可以用漏感來(lái)代替變壓器。而電流波形是由移相角以及( ， )與( ， )之1324V間的電壓關(guān)系來(lái)共同確定的，在下文中將進(jìn)行詳細(xì)論證。一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)周期根據(jù)狀態(tài)的不同可以劃分成 13 個(gè)工作區(qū)間( ~ ，12 個(gè)時(shí)間點(diǎn) )。下面分別對(duì)各個(gè)模態(tài)做出換流分析：圖 25 正向 Boost 模式下的電壓電流工作波形以及開(kāi)關(guān)時(shí)序模態(tài) l( 之前) ：電路處于穩(wěn)定狀態(tài)， S1 和 D3 導(dǎo)通。ofit pidci模態(tài) 3( ~ )：在 時(shí)刻， 下降到 0V，此后 D2 正偏導(dǎo)通。4t模態(tài) 5( ~ )：從 時(shí)刻開(kāi)始， 開(kāi)始改變極性，因此 D3 上的電流將轉(zhuǎn)移到4t54tpiS3 上，S 3 零電壓導(dǎo)通。3rVr 5tpi模態(tài) 7( ~ )：在 時(shí)刻，當(dāng) 過(guò)零變負(fù)時(shí)，D 4 正向偏置。 的下降率和 的上升率相同，取決于 S2 關(guān)斷前流過(guò)開(kāi)關(guān)管 S2 的電rV2r流，即在 時(shí)刻變壓器原邊電流 與輸入電流 之和。dci模態(tài) 11( ~ )：從 時(shí)刻開(kāi)始， 開(kāi)始超過(guò) ，電流從 D1 轉(zhuǎn)移到 S1，S 1 零10t10tpidci電壓導(dǎo)通。rV4r 1tpi模態(tài) 13( 之后) ：在 時(shí)刻，當(dāng) 過(guò)零變負(fù)時(shí)，D 3 正向偏置而導(dǎo)通。此外，輸入電感電流 也要反向流動(dòng)。在 Boost 模式下開(kāi)關(guān)管 S1~S4 的零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS) 的實(shí)現(xiàn)與開(kāi)關(guān)管關(guān)斷前時(shí)刻的原副邊電流的狀態(tài)有關(guān)，不同時(shí)刻的電流要求如式(21)。從圖 23 中可以看出，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，變換器有 4 種模態(tài)Ⅰ~Ⅳ。pi1V234 (38)1314213221121()()()0()()pssssppVILLII?????????????????由以上分析，可得變換器的輸出功率： 20()pivdP????1 2 121 120()(()())())2ppppiivdivdivd?????????????? (39)112[4()]insDVL??????其中 為式(310)所示的分段函數(shù)：()pv? (310)1220()pvV??????????而且滿(mǎn)足條件： (311)12()/inD???????由式(39)可見(jiàn)，其中 ，雙半橋 DCDC 變換器的輸出功率可通過(guò)改2f???變移相角 、占空比 D 或開(kāi)關(guān)頻率 f 進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)，許多其它主電路元件的參數(shù)設(shè)計(jì)都依賴(lài)于變壓器的參數(shù) [20]。變壓器的匝比主要根據(jù)此變換器的高、低壓側(cè)的電壓比來(lái)確定。由式(312)可得 (314)2120()sinLVfP????當(dāng) 時(shí)， 取最大值，故變壓器漏感的選取范圍為式(315) 所示：1/2???s (315)208insLfP?變壓器漏感的選取應(yīng)根據(jù)輸入輸出功率適當(dāng)選取。而高壓側(cè)半橋拓?fù)鋯卧械拈_(kāi)關(guān)管 SS 4 電壓應(yīng)力均為輸出電容電壓，即 。3,4|SrmsSII?在雙半橋 DCDC 變換器的正向 Boost 工作模式情況下，通過(guò)圖 26 可以觀察到，在 時(shí)刻，通過(guò)低壓側(cè)開(kāi)關(guān)管 SS 2 的電流達(dá)到最大值，這個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng) S27t的關(guān)斷時(shí)刻，而在 S1 關(guān)斷時(shí)刻，即 時(shí)刻通過(guò)高壓側(cè)開(kāi)關(guān)管 SS 4 的電流達(dá)到最t大值。dcL 本章小結(jié)本章通過(guò)多個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式理論分析了該變換器的穩(wěn)態(tài)特性和輸出特性，還分析了移相角 對(duì)變換器軟開(kāi)關(guān)范圍的影響；對(duì)所提出的雙半橋雙向 DCDC 變換1?器的變壓器和電感等磁性元件的參數(shù)做了推導(dǎo)和理論設(shè)計(jì)的計(jì)算。通過(guò)34rV 0dcI?改變高低壓側(cè)方波電壓之間的移相角大小，可以改變變換器所傳輸?shù)哪芰看笮?。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的性能成為困擾電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的顯著難題，因此雙向 DCDC變換器在電動(dòng)汽車(chē)上得到了廣泛的應(yīng)用。本文通過(guò)理論和仿真分析，驗(yàn)證了雙半橋 DCDC 變換器在兩種模式下的穩(wěn)態(tài)工況和零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)特性。在這幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，自始至終得到了王瑾老師無(wú)微不至的關(guān)懷和悉心指導(dǎo)。最后，我還要特別感謝我的家人以及所有的親朋好友。王瑾老師認(rèn)真負(fù)責(zé)的培育，潛移默化的熏陶，不但使我的知識(shí)水平和科研能力有了很大的提高，更重要的是使我接受了全新的思想觀念，掌握了通用的研究方法，而且還明白了許多待人接物和為人處事的道理。這將是本課題今后的研究方向。1. 對(duì)國(guó)內(nèi)外