雙向DC/DC變換器在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

武紅玉

（許昌學(xué)院電氣（機(jī)電）工程學(xué)院，河南 許昌461000）

1 引言

近年來(lái)由于環(huán)境污染和石油能源枯竭，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車面臨前所未有的挑戰(zhàn)，世界各國(guó)對(duì)各種車輛能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅度調(diào)整。電動(dòng)汽車具有較低排放或零排放、噪聲低、熱效率高、排放的廢熱少、可回收利用的能量多等特點(diǎn)，是目前緩解環(huán)境污染和能源短缺的有效途徑。用電池替代傳統(tǒng)的汽油作為車載能源是電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)，但是在現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展不足的情況下，動(dòng)力電池的性能是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化道路上亟待解決的重要問(wèn)題之一。由于燃料電池的輸出電壓不穩(wěn)且輸出特性偏軟，在燃料電池與逆變器之間需要增加一個(gè)DC變換器，DC變換器是電動(dòng)汽車中能量管理單元的核心部件，應(yīng)用正越來(lái)越廣泛，其研究和發(fā)展勢(shì)在必行。

電動(dòng)汽車中的電動(dòng)機(jī)既能在汽車啟動(dòng)、加速時(shí)輸出能量，也能在再生制動(dòng)時(shí)回饋吸收能量，是典型的有源負(fù)載。由于電動(dòng)機(jī)需要頻繁加速、減速，轉(zhuǎn)速范圍寬且動(dòng)力電池端電壓的變化范圍寬，與傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方法相比，雙向DC/DC變換器不但能提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能，還可以提高能量利用效率[1]。本文介紹了雙向DC/DC變換器的工作原理，根據(jù)電動(dòng)汽車性能設(shè)計(jì)的要求,提出一種全橋串聯(lián)諧振雙向DC/DC變換器，可大大減少變換器的體積和重量，減小開(kāi)關(guān)損耗，提高變換器效率。

2 雙向DC-DC變換器

2.1 雙向DC/DC變換器概述

常用的DC/DC變換器大多單向工作，如圖1所示。通 常 在 單 向DC/DC變 換 器 （Unidirectional DC/DC Converter，UDC）中，主功率傳輸通路上有二極管，因此能量通過(guò)變換器流動(dòng)的方向只能是單方向的。在圖2中能量只能從Vi流動(dòng)到Vo，不能從Vo流向Vi。但是在需要能量雙向流動(dòng)的條件下（Vi和Vo的電壓極性保持不變，并且可以是直流有源負(fù)載或直流電壓源，在不同時(shí)刻能量可以從Vi傳輸?shù)絍o，也可以從Vo傳輸?shù)絍i），如果仍然使用單向DC/DC變換器，則兩個(gè)單向DC/DC變換器需要被反向并聯(lián)。一臺(tái)單向DC/DC變換器來(lái)控制從Vi到Vo的能量流動(dòng)，另一臺(tái)被反并聯(lián)的DC/DC變換器來(lái)控制從Vo到Vi的反向能量流動(dòng)。由于使用了兩臺(tái)DC/DC變換器，總的電路結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，變換裝置的體積變大，利用率和性價(jià)比降低，而且由正向到反向工作的切換時(shí)間比較長(zhǎng)[2]。

雙向DC-DC變換器就是DC-DC變換器在雙象限下運(yùn)行[3-4]，其輸入和輸出的電壓極性不變，但輸入和輸出的電流方向可以改變。通過(guò)雙向變換器的輸入與輸出接口的切換，可根據(jù)需要使功率在輸入端和輸出端之間雙向流動(dòng)。傳統(tǒng)的DC-DC變換器單向工作，雙向DC-DC變換器相當(dāng)于2個(gè)單向DC-DC變換器并聯(lián)的工作效果，達(dá)到了“一機(jī)兩用”功效，減少了功能器件的數(shù)目，提高了轉(zhuǎn)換器的切換速度，提高了轉(zhuǎn)換器效率。

圖1 單向DC/DC變換器

2.2 常用的雙向變換器結(jié)構(gòu)

Bi Buck-Boost、Bi Buck/Boost、Bi Cuk、Bi Zeta-Sepic為雙向直流變換器，圖3和圖4給出的是雙向Buck/Boost和雙向Buck-Boost的電路圖。電路圖中的組成器件主要由磁性元件（電感或變壓器）、功率開(kāi)關(guān)器件、輸出整流濾波電路3部分組成，這3部分是導(dǎo)致DC/DC變換器受到電磁干擾的主要器件。

傳統(tǒng)的變換器采用硬開(kāi)關(guān)技術(shù)，硬開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)下電壓和電流變化很快，其波形出現(xiàn)明顯的過(guò)沖現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)明顯的開(kāi)關(guān)噪聲，給功率器件帶來(lái)很高的電壓電流應(yīng)力。而且開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨著開(kāi)關(guān)頻率的升高而增加，大大影響變換器高頻的目的，在硬開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生極大的電磁干擾，不利于功率密度的提高。針對(duì)硬開(kāi)關(guān)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，行業(yè)對(duì)軟開(kāi)關(guān)的諧振技術(shù)產(chǎn)生極大的興趣。諧振技術(shù)的軟開(kāi)關(guān)就是利用電容和電感來(lái)改善開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)軌跡，構(gòu)成電壓電流振蕩器，為開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通，零電流關(guān)斷提供實(shí)現(xiàn)條件。本文提出的全橋串聯(lián)諧振雙向DC-DC變換器可有效解決硬開(kāi)關(guān)引起的問(wèn)題，減小開(kāi)關(guān)損耗，降低開(kāi)關(guān)管上的電壓/電流應(yīng)力，提高變換器的效率。

3 全橋串聯(lián)諧振雙向DC-DC變換器

3.1 全橋串聯(lián)諧振雙向DC-DC變換器的工作原理

全橋串聯(lián)諧振雙向DC-DC變換器電路圖如圖5所示[5-6]。2個(gè)全橋連接著1個(gè)LC諧振槽和高頻變壓器。變壓器作為輸入端和輸出端的電氣隔離和電壓變換部分，電路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性確保了能量的雙向流動(dòng)。若負(fù)載短路，諧振電感可以有效阻止電流突增，有充分的保護(hù)電路的動(dòng)作時(shí)間。另外，其負(fù)載側(cè)的濾波采用了容性濾波器，減小了變換器的體積和成本。輸出可以是直流電壓源，也可以是含有電容濾波器的電阻負(fù)載，都是可控整流。串聯(lián)諧振變換器的負(fù)載和諧振回路相串聯(lián)，串聯(lián)諧振槽與負(fù)載就類似于一個(gè)分壓器。當(dāng)變換器工作頻率改變時(shí)，諧振槽的阻抗也會(huì)改變，負(fù)載上的分壓就會(huì)改變，即輸出電壓改變。所以串聯(lián)諧振變換器通過(guò)改變開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的工作頻率即改變開(kāi)關(guān)頻率fm與諧振頻率fr的偏離程度來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。2個(gè)橋的所有開(kāi)關(guān)工作在50%的占空比，開(kāi)關(guān)頻率比諧振頻率稍高，變換器就工作在電流模式下。

由于諧振槽的存在，流過(guò)功率開(kāi)關(guān)管的電流都被整為正弦波，諧振槽阻抗的相位與fm和fr的比值有關(guān)。改變fm和fr的比值，即可改變流過(guò)主電路的電流與逆變橋輸出電壓之間的相位關(guān)系，這就使得主電路電流iLr或超前于或滯后于逆變橋的輸出電壓。正是由于主電路電流和逆變橋輸出電壓之間的這種相位差，開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。

圖2 全橋串聯(lián)諧振雙向DC-DC變換器

圖3 雙向Buck/Boost

圖4 Buck-Boost

圖5 全橋串聯(lián)諧振雙向DC-DC變換器電路圖

3.2 電壓源負(fù)載交流等效電路[7]

雙向全橋串聯(lián)諧振DC/DC變換器，輸出側(cè)既可以是電阻型負(fù)載，也可以是電壓源負(fù)載。下圖6為電壓源負(fù)載的交流等效圖，該圖包含串聯(lián)諧振槽和2個(gè)電壓源vAB和vCD，其中vAB，1和vCD，1是vAB和vCD的基波。

其中，

開(kāi)關(guān)頻率比定義為F=ωm/ωr=fm/fr，諧振頻率定義為fr=

圖6 電壓基波的交流等效圖

4 結(jié)論

本文提出了全橋串聯(lián)諧振雙向DC-DC變換器，分析了該變換器的工作原理，簡(jiǎn)化了電壓源負(fù)載交流電路，為開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通，零電流關(guān)斷實(shí)現(xiàn)提供理論依據(jù)。該變換器減少了變換器的體積和重量，降低了器件的開(kāi)關(guān)損耗，減少了系統(tǒng)的電磁干擾，并且提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。

［1］黃啟程.寬范圍輸入諧振雙向DC/DC變換器研究［D］.浙江大學(xué)，2014.

［2］張麗華.串聯(lián)諧振雙向DC/DC變換器研究［D］.燕山大學(xué)，2011.

［3］杜少武，方如舉.一種新型雙向DC/DC變換器的研究［J］.電力電子技術(shù)，2006，40（3）:45-47.

［4］趙川紅，徐德鴻，范海峰，等.PWM加相移控制的雙向DC/DC變換器［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（10）:67-70.

［5］劉燦.小型電動(dòng)汽車中雙向DC/DC變換技術(shù)研究［D］.天津大學(xué)，2013.

［6］趙慧超.雙向LLC諧振變換器的設(shè)計(jì)［D］.華北電力大學(xué)，2012.

［7］婁德海.雙向雙橋串聯(lián)諧振移相DC/DC變換器及其組合模塊研究.