【導讀】電動車燃料電池被認為是21世紀電動交通工具發(fā)展的最大成就。許多國家投資數(shù)百億美元開發(fā)這個項目。雙向DC--DC變換器是FCEV的一個核。當車輛正常運行和加速時變換器給發(fā)動機提供能量，當車輛減速或制動。本課題是“燃料混合動力車電氣模擬試驗系統(tǒng)”中的一個部件。它的典型拓撲可分為：推挽正激移相式雙向DC-DC變換器、級聯(lián)式雙。向DC-DC變換器、正反激組合式雙向DC-DC變換器；其輸出電感電流紋波小、可以實現(xiàn)開關管ZVS開關的優(yōu)點.為減小開關損耗,應速度快等優(yōu)點.級聯(lián)式BDC是一種新型BDC結(jié)構.首先以Buck/BoostBDC電路構建試驗平臺,移相式BDC采用變壓器漏電感傳遞能量的缺點。壓與降壓的目的。在升壓運行時，T2動作，T1截止，變換器工作在Boost狀態(tài);主要研究對象是電能可以雙向流動的DC/DC變換器，也稱為雙向DC/DC變換器。單向DC/DC變換器，能量只能從一端輸入，從另一端輸出，如圖所示，直流有源負載，它們的電壓極性保持不變。能量有時可從1V傳輸?shù)?V，有時可

　　

【正文】 內(nèi)移相。該方法實現(xiàn)原理參考圖 。 從圖 中可以看出，定時器 T1采用連續(xù)增減計數(shù)模式，在計數(shù)器 T1CNT=0下溢中斷和 T1CNT=T1PR 周期中斷時，計算和更新比較寄存器 CMPR1 和CMPR2 的值。設移相角 ?對應的延遲時間為 t?，對應的 DSP 內(nèi)部計數(shù)值為 N?，顯然在 0～ T/2 區(qū)間內(nèi) CMPR1 與 CMPR2 的關系以及 T/2～ T 時間段內(nèi) CMPRCMPR2 的值與 0～ T/2 時間段內(nèi) CMPR CMPR2 的值的關系可分別用 (411)式和 (412)式表示如下： 放電模式 放電模式時，變換器開關管 58～有驅(qū)動信號， 14～沒有驅(qū)動信號，全比較單元 單比較單元 1 工作。 全比較單元 3 產(chǎn)生的驅(qū)動信號 PWM5 用來驅(qū)動 5Q、 8Q，單比較單元 1 產(chǎn)生的驅(qū)動信號 PWM7 用來驅(qū)動 7Q、 6Q。 PWM5 和 PWM7 兩路信號進行與非運算后經(jīng)過數(shù)字 I/O 口輸出信號來驅(qū)動有源鉗位開關管 cQ。該方法實現(xiàn)原理參考圖 。 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應用 24 從圖 中可以看出，定時器 T3 采用連續(xù)增減計數(shù)模式。在計數(shù)器 T3CNT=0下溢中斷時，更新比較寄存器 CMPR3 和 SCMPR1 的值；在 T3CNT=T3PR 周期中斷時計算 58 比較寄存器 CMPR3 和 SCMPR1 的值。設開關管 58～同時導通的時間對應于 DSP 內(nèi)部計數(shù)值為 1N?，顯然在 0～ T/2 區(qū)間內(nèi) CMPR3 與 SCMPR1的值和 T/2～ T 時間段內(nèi)的值相等，即一個周期不改變 CMPR3 與 SCMPR1 寄存器中的值。 CMPR3 與 SCMPR1 的關系可用下式表示： (413) 圖 放電模式時 58～、 cQ 驅(qū)動信號產(chǎn)生機理 通過閉環(huán)控制得到 Q5~Q8 同時導通的時間所對應的計數(shù)值，在周期中斷中通過式 (413)計算得到比較寄存器的值，并更新。 實驗證明：這種驅(qū)動信號產(chǎn)生方法只需用到 DSP 的 PWM1～ PWM PWM7六路 PWM 輸出和一個 I/O 口，從而提供雙向全橋 DC/DC 變換器 8 個開關管和一個鉗位開關管 的驅(qū)動信號，非常方便。 五、雙向全橋 DC/DC 變換器系統(tǒng)的軟件設計 雙向 DC/DC變換器數(shù)字化控制的軟件實現(xiàn) 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應用 25 雙向 DC/DC 變換器，可以實現(xiàn)能量的雙向流動。通常充電模式時，要求充電電流恒定不變；而反向放電模式時，要求輸出電壓恒定不變。通過對高壓側(cè)開關管 14～的移相控制可以實現(xiàn)充電電流的恒定；通過對低壓側(cè)開關管 Q5Q8 對關同時導通時間的控制可以實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定?？刂齐娐返墓δ芫褪峭ㄟ^軟件設計實現(xiàn)以上功能，并且能根據(jù)需要自動切換充放電模式。 充放電模式間的切換 本實驗中，高壓側(cè) 正常供電電壓為 V1，并假設高壓側(cè)負載 R1所需要的最低供電電壓為 V1min；低壓側(cè)供電電源為蓄電池，其電壓為 V2；變壓器繞組匝比為n=N1:N2。供電正常時，變換器應工作在充電模式，對電池恒平均電流充電；若是供電電源 1V 出現(xiàn)故障或電壓未建立起來時，變換器應工作在放電模式，提供高壓側(cè)負載所需要的電壓 (至少是 V1min)。 為了方便充放電模式間的切換，放電模式時，輸出電壓穩(wěn)定在 V1min。 我們已經(jīng)知道穩(wěn)態(tài)工作時變換器兩側(cè)電壓的關系式如下： 其中 D 為半個開關周期內(nèi)變換器傳輸功 率所用的時間占空比， 1D，所以： ① 正常供電時， V1V1min，變換器應工作在充電模式； ② 故障或電壓未建立起來時， V1≤ V1min，變換器應工作在放電模式。 因此，檢測高壓側(cè) 1V，與 V1min 進行比較，即可確定變換器的工作模式，進而進行充放電工作模式間的切換。 程序流程 主程序流程圖和 ADC 的中斷服務程序流程圖分別如圖 (a)、 (b)所示。 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應用 26 變換器工作在充電模式時，充電電流恒定不變，采用電流閉環(huán)調(diào)節(jié)。充電電流 i2 通過采樣電路反饋給 DSP 的 ADC 模塊， 在 AD 中斷程序里讀取采樣值，然后進行數(shù)字濾波，數(shù)字 PID 控制器調(diào)節(jié)，實現(xiàn)恒流充電。前面第三章的控制模型中反饋量是電感電流 iLf，這是因為電感電流閉環(huán)調(diào)節(jié)時，相當于閉環(huán)傳遞函數(shù)增加了一個零點，使幅頻特性展寬，響應速度更快，實際試驗時即是采用電 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應用 27 感電流 iLf作為閉環(huán)調(diào)節(jié)量。 而變換器工作在放電模式時，電池放電，要求輸出電壓穩(wěn)定在 V1min，采用電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)。輸出電壓 V1 通過采樣電路反饋給 DSP 的 ADC 模塊，在 AD 中斷程序里讀取采樣值，然后進行數(shù)字濾，數(shù)字 PID 控制器調(diào)節(jié)，實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定。 在高壓側(cè)供電電源故 障或者電壓還沒有建立起來時， V1≤ V1min，通過軟件判斷，將變換器工作在放電模式，當負載端電壓上升到一定程度時， V1V1min，通過軟件判斷，將變換器工作在充電模式。 該程序可以進行電路工作模式的判斷，使變換器工作在正確的工作模式，同時可以實現(xiàn)變換器的閉環(huán)調(diào)節(jié)。 數(shù)字 PID 控制器的算法實現(xiàn) 模擬 PID 控制器的傳遞函數(shù)為： 使用后向差分法進行離散，可得數(shù)字 PID 控制器的增量式算法的表達式： 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應用 28 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應用 29 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應用 30 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應用 31 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應用 32 六、 附錄 主電路圖 PCB 圖 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應用 33 實物圖 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應用 34 七、參考文獻 [1] 陳堅 .電力電子學 — 電力電子變換和控制技術 .北京：高等教育出版社，2020 [2] 嚴仰光 .雙向直流變換器 .南京：江蘇科學技術出版社， 2020 [3] 阮新波，嚴仰光 .脈寬調(diào)制 DC/DC 全橋變換器的軟開關技術 .北京：科學 出版社， 1999 [4] 陳剛 .軟開關雙向 DC/DC 變換器的研究： [博士論文 ]. 杭州：浙江大學，2020 [5] 張方華 .雙向 DC/DC 變換器的研究： [博士 論文 ]. 南京：南京航空航天大學， 2020 [6] 張方華，嚴仰光 .一族正反激組合式雙向 DC/DC 變換器 .中國電機工程學報， 2020, 24(5):157162