【導(dǎo)讀】電動(dòng)車燃料電池被認(rèn)為是21世紀(jì)電動(dòng)交通工具發(fā)展的最大成就。許多國(guó)家投資數(shù)百億美元開發(fā)這個(gè)項(xiàng)目。雙向DC--DC變換器是FCEV的一個(gè)核。當(dāng)車輛正常運(yùn)行和加速時(shí)變換器給發(fā)動(dòng)機(jī)提供能量，當(dāng)車輛減速或制動(dòng)。本課題是“燃料混合動(dòng)力車電氣模擬試驗(yàn)系統(tǒng)”中的一個(gè)部件。它的典型拓?fù)淇煞譃椋和仆煺ひ葡嗍诫p向DC-DC變換器、級(jí)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(shí)現(xiàn)開關(guān)管ZVS開關(guān)的優(yōu)點(diǎn).為減小開關(guān)損耗,應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn).級(jí)聯(lián)式BDC是一種新型BDC結(jié)構(gòu).首先以Buck/BoostBDC電路構(gòu)建試驗(yàn)平臺(tái),移相式BDC采用變壓器漏電感傳遞能量的缺點(diǎn)。壓與降壓的目的。在升壓運(yùn)行時(shí)，T2動(dòng)作，T1截止，變換器工作在Boost狀態(tài);主要研究對(duì)象是電能可以雙向流動(dòng)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(fù)載，它們的電壓極性保持不變。能量有時(shí)可從1V傳輸?shù)?V，有時(shí)可

　　

【正文】 內(nèi)移相。該方法實(shí)現(xiàn)原理參考圖 。 從圖 中可以看出，定時(shí)器 T1采用連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式，在計(jì)數(shù)器 T1CNT=0下溢中斷和 T1CNT=T1PR 周期中斷時(shí)，計(jì)算和更新比較寄存器 CMPR1 和CMPR2 的值。設(shè)移相角 ?對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間為 t?，對(duì)應(yīng)的 DSP 內(nèi)部計(jì)數(shù)值為 N?，顯然在 0～ T/2 區(qū)間內(nèi) CMPR1 與 CMPR2 的關(guān)系以及 T/2～ T 時(shí)間段內(nèi) CMPRCMPR2 的值與 0～ T/2 時(shí)間段內(nèi) CMPR CMPR2 的值的關(guān)系可分別用 (411)式和 (412)式表示如下： 放電模式 放電模式時(shí)，變換器開關(guān)管 58～有驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 14～沒(méi)有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(dòng)信號(hào) PWM5 用來(lái)驅(qū)動(dòng) 5Q、 8Q，單比較單元 1 產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào) PWM7 用來(lái)驅(qū)動(dòng) 7Q、 6Q。 PWM5 和 PWM7 兩路信號(hào)進(jìn)行與非運(yùn)算后經(jīng)過(guò)數(shù)字 I/O 口輸出信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)有源鉗位開關(guān)管 cQ。該方法實(shí)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(yīng)用 24 從圖 中可以看出，定時(shí)器 T3 采用連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式。在計(jì)數(shù)器 T3CNT=0下溢中斷時(shí)，更新比較寄存器 CMPR3 和 SCMPR1 的值；在 T3CNT=T3PR 周期中斷時(shí)計(jì)算 58 比較寄存器 CMPR3 和 SCMPR1 的值。設(shè)開關(guān)管 58～同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間對(duì)應(yīng)于 DSP 內(nèi)部計(jì)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(shí)間段內(nèi)的值相等，即一個(gè)周期不改變 CMPR3 與 SCMPR1 寄存器中的值。 CMPR3 與 SCMPR1 的關(guān)系可用下式表示： (413) 圖 放電模式時(shí) 58～、 cQ 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理 通過(guò)閉環(huán)控制得到 Q5~Q8 同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值，在周期中斷中通過(guò)式 (413)計(jì)算得到比較寄存器的值，并更新。 實(shí)驗(yàn)證明：這種驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生方法只需用到 DSP 的 PWM1～ PWM PWM7六路 PWM 輸出和一個(gè) I/O 口，從而提供雙向全橋 DC/DC 變換器 8 個(gè)開關(guān)管和一個(gè)鉗位開關(guān)管 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，非常方便。 五、雙向全橋 DC/DC 變換器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 雙向 DC/DC變換器數(shù)字化控制的軟件實(shí)現(xiàn) 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應(yīng)用 25 雙向 DC/DC 變換器，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。通常充電模式時(shí)，要求充電電流恒定不變；而反向放電模式時(shí)，要求輸出電壓恒定不變。通過(guò)對(duì)高壓側(cè)開關(guān)管 14～的移相控制可以實(shí)現(xiàn)充電電流的恒定；通過(guò)對(duì)低壓側(cè)開關(guān)管 Q5Q8 對(duì)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通時(shí)間的控制可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。控制電路的功能就是通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以上功能，并且能根據(jù)需要自動(dòng)切換充放電模式。 充放電模式間的切換 本實(shí)驗(yàn)中，高壓側(cè) 正常供電電壓為 V1，并假設(shè)高壓側(cè)負(fù)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(shí)，變換器應(yīng)工作在充電模式，對(duì)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(lái)時(shí)，變換器應(yīng)工作在放電模式，提供高壓側(cè)負(fù)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(shí)，輸出電壓穩(wěn)定在 V1min。 我們已經(jīng)知道穩(wěn)態(tài)工作時(shí)變換器兩側(cè)電壓的關(guān)系式如下： 其中 D 為半個(gè)開關(guān)周期內(nèi)變換器傳輸功 率所用的時(shí)間占空比， 1D，所以： ① 正常供電時(shí)， V1V1min，變換器應(yīng)工作在充電模式； ② 故障或電壓未建立起來(lái)時(shí)， V1≤ V1min，變換器應(yīng)工作在放電模式。 因此，檢測(cè)高壓側(cè) 1V，與 V1min 進(jìn)行比較，即可確定變換器的工作模式，進(jìn)而進(jìn)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(wù)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(yīng)用 26 變換器工作在充電模式時(shí)，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(guò)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(jìn)行數(shù)字濾波，數(shù)字 PID 控制器調(diào)節(jié)，實(shí)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?yàn)殡姼须娏鏖]環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)，相當(dāng)于閉環(huán)傳遞函數(shù)增加了一個(gè)零點(diǎn)，使幅頻特性展寬，響應(yīng)速度更快，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)即是采用電 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應(yīng)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(shí)，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(guò)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(jìn)行數(shù)字濾，數(shù)字 PID 控制器調(diào)節(jié)，實(shí)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(méi)有建立起來(lái)時(shí)， V1≤ V1min，通過(guò)軟件判斷，將變換器工作在放電模式，當(dāng)負(fù)載端電壓上升到一定程度時(shí)， V1V1min，通過(guò)軟件判斷，將變換器工作在充電模式。 該程序可以進(jìn)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(shí)可以實(shí)現(xiàn)變換器的閉環(huán)調(diào)節(jié)。 數(shù)字 PID 控制器的算法實(shí)現(xiàn) 模擬 PID 控制器的傳遞函數(shù)為： 使用后向差分法進(jìn)行離散，可得數(shù)字 PID 控制器的增量式算法的表達(dá)式： 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應(yīng)用 28 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應(yīng)用 29 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應(yīng)用 30 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應(yīng)用 31 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應(yīng)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(yīng)用 33 實(shí)物圖 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應(yīng)用 34 七、參考文獻(xiàn) [1] 陳堅(jiān) .電力電子學(xué) — 電力電子變換和控制技術(shù) .北京：高等教育出版社，2020 [2] 嚴(yán)仰光 .雙向直流變換器 .南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社， 2020 [3] 阮新波，嚴(yán)仰光 .脈寬調(diào)制 DC/DC 全橋變換器的軟開關(guān)技術(shù) .北京：科學(xué) 出版社， 1999 [4] 陳剛 .軟開關(guān)雙向 DC/DC 變換器的研究： [博士論文 ]. 杭州：浙江大學(xué)，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(xué)， 2020 [6] 張方華，嚴(yán)仰光 .一族正反激組合式雙向 DC/DC 變換器 .中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2020, 24(5):157162