電動汽車雙向直流傳動系統研究

摘 要：隨著傳統資源的日益減少和因為人口增多帶來的交通運輸壓力的不斷增大，電動汽車必將取代傳統汽油汽車成為汽車行業的主導。雙向直流傳動系統是電動汽車的重要技術之一，雙向DC-DC變換器能使電動機的調控得以完善、整車效能得以提升。

關鍵詞：電動汽車；雙向DC-DC變換器；動力驅動系統

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

1 課題背景和意義

當前技術條件下，電動汽車使用的大功率直流變換器大都有功率損耗大，能量轉換率低等缺陷。且很多設計方案大都忽略燃料電池等電源軟輸出的特性。因此，設計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，延長其使用壽命。

雙向DC-DC變換器是電動汽車動力驅動系統的核心組成部件，也是構成能量雙向流動、有效管理能量以及提高動力性能的關節所在。

2 電動汽車雙向直流傳動系統

2.1 雙向DC-DC變換器的控制方式

電動汽車的電機是經典的有源型負載，因為有較寬的轉速調節范圍，在行車時又要經常的進行加減速，而且在其工作中，蓄電池電壓的變化范圍非常大。若想在一定負載范圍內使蓄電池組的電壓穩定在一較高的值上，可使用DC/DC（Direct Current-Direct Current）變換器來實現，同時還可以很大程度上提高電機的驅動性能。

2.2 雙向DC-DC變換器的應用特點

當使用雙向DC-DC變換器來直接驅動電動機旋轉時，因為電動機電流紋波與加在輸入電壓的瞬時值和反電動勢間的電壓差值成正比，則調節逆變器的直流側輸入電壓可通過雙向DC-DC變換器調控電動機的轉速來實現，進而減小其電流紋波。其次，蓄電池組或另加的大容量電容器可以通過雙向DC-DC變換器控制反向制動電流來補充電能，而使電動汽車的接車效率得以提高。

3 系統工作模式分析

雙向DC-DC變換器可使能量雙向流動，需能量雙向流動時能使系統的體重和成本大幅降低，在航空電源系統和電動汽車驅動及蓄電池充放電維護等很多方面都得到了普遍的應用。

3.1 燃料電池動力系統工作模式分析

雙半橋雙向變換器在隔離變壓器的兩側分別是一對稱半橋。兩半橋之間的移相控制變換器中的功率傳輸即可，不需額外的輔助開關或無源諧振裝置，其中所有的開關都可工作在零電壓開通狀態，且開關電壓應力較低。此外電路中不存在大型延時器，變換器動態響應也很快，因此多用作燃料電池的輔助結構。此變換器可使功率雙向流動，與其優勢在于：組件少；較大的負載范圍內實現軟開關不需要輔助器件和諧振電路；能很輕松地進行控制；能輕易分配每一個輸入端的功率。

3.2 雙向DC-DC變換器工作模式分析

要求可通過雙向DC-DC變換器來實現：在蓄電池開始工作給電時，系統中的雙向DC-DC變換器正向升壓，當系統的輸入電壓出入不夠穩定的情況時，可以把輸出主線的電壓處在一個高壓的狀態下，這時系統會立即開啟能量電池，這樣就會使電動機的工作性能得到非常大的提升，非常實用。反之，減速、剎車的時候，系統中的雙向DC-DC變換器反向降壓充電，把電動機制動時產生的附加能量回收給蓄電池組或電容補充消耗的電能。

將蓄電池、燃料電池（主電源裝置）有效地與負載結合起來，這并不是非常簡單的事，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。

以汽車行車的各種形態為基礎，采用蓄電池、燃料電池的電動汽車驅動系統有三種不同的狀態模式：

模式1：開啟和加速的時候，負載的功率要求燃料電池和儲能電容等一起供電才可以，單獨靠燃料電池輸出是不行的；模式2：行車速度穩定時，燃料電池在為牽引電機供電的基礎上，還要給蓄電池充電，使其達到最優狀態，以免加速時不能有效的工作，有時還需要回收附加能量；模式3：減速的時候，電池不輸出電能功率，電動機反向工作在發電的形態，蓄電池吸收附加能量進行補充電能。

在模式1中，蓄電池放電，變換器升壓，向高壓側充入能量，使其上升保持在期望值；模式3 時，變換器減壓，回收制動過程中的附加能量來補充電能；模式2里，變換器處在中間狀態。通過設計合理的變換器調控方法，可以實現對附加能量的高效回收和功率的良好分配，調整電能流動方向則以負載狀況的差異為基礎來進行，進而明確變換器進行的狀態。

4 雙半橋雙向DC-DC拓撲結構

4.1 主功率的拓撲結構

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構。在DC-DC變換器中，由正反單管等構成的電路多普遍應用在功率不大的地方，半橋變換器多應用于中、大功率中。隔離型的DC-DC變換器當中，正激式的變壓器的磁化情況是單方向的，進而降低了其利用率。

電壓電流應力較小的半橋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現起來也就容易許多。這類變換器有電壓型和電流型兩種。電壓型DC-DC全橋變換器電路結構簡單、容易控制，類似于Buck型；電感在輸入電源側的電流型則與Boost型相似，適用于功率因數校正的大功率電路。

4.2 控制方案

橋電路用了移相軟開關之后，可實現功率管的ZVS方案，保持開關頻率的穩定持續。但在另一方面，諧振電感會丟掉副邊一定的占空比值，也會造成環流損耗。對于副邊占空比丟失，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解決。而對于環流，可用零電壓零電流開關來處理解決，就是用左側負責零電壓開關，右側負責零電流開關，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。因為元件并非是理想的，變換器運行過程中其會產生通態損耗，在輸入低電壓大電流時，經濟成本非常大。綜合考慮后，決定方案為零電壓開關結合PWM加移相控制。

參考文獻：

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

作者簡介：張連浩（1982-），男，遼寧沈陽人，現任沈陽科技學院信息與控制工程系副主任，講師，研究方向：計算機教育。