淺談理論聯(lián)系實(shí)踐在電力電子教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：在高職的電力電子技術(shù)課程教學(xué)中，經(jīng)常存在學(xué)生覺得理論知識(shí)枯燥乏味聽不懂，好不容易有點(diǎn)理解又不知道在實(shí)際中有什么用。理論一旦脫離了實(shí)際，就會(huì)變得索然無味，所以理論聯(lián)系實(shí)際是高職教學(xué)中必須堅(jiān)持的基本教學(xué)法。在本文中聯(lián)系電動(dòng)汽車的相關(guān)技術(shù)淺談理論在實(shí)踐中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電力電子;理論;實(shí)踐;電動(dòng)汽車

一、前言

教育理論研究與教育實(shí)踐研究應(yīng)該是統(tǒng)一的、互相依托和互相促進(jìn)的。然而在高職教育中，電氣類的學(xué)生普遍存在，理論學(xué)習(xí)難，枯燥無味，不知道這些理論在生活中有哪些作用。畢業(yè)工作后，看到實(shí)際電路圖又不知道該和以前的哪個(gè)知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來。在教學(xué)中，理論如果脫離了實(shí)際，最后培養(yǎng)出的學(xué)生必定會(huì)缺少社會(huì)競爭力。理論要指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐又會(huì)不斷深化和完善理論并促進(jìn)理論向前發(fā)展，這才是高職院校對(duì)學(xué)生最終的培養(yǎng)目標(biāo)。

可是，在理論學(xué)習(xí)中，我們?nèi)绾螌⑦@兩者聯(lián)系在一起呢。在本文中，我們理論聯(lián)系實(shí)際，將電力電子課程中的直流斬波電路與電動(dòng)汽車中的雙向變換器相結(jié)合，從基本理論出發(fā)，看懂實(shí)際電路圖。

二、教學(xué)內(nèi)容講解：基本Buck-boost雙向DC-DC變換器

通過電力電子器件的開關(guān)作用，將恒定的直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，稱為直流斬波電路，也稱為DC-DC變換器。

DC-DC變換器種類很多，主要分為隔離性和非隔離型，不論哪種類型都可以由基本的DC-DC變換器進(jìn)行級(jí)聯(lián)、演化、等效、隔離等技術(shù)構(gòu)成。所以在在教學(xué)中，我們主要介紹Buck電路、Boost電路、Buck-boost電路以及Cuk電路這4個(gè)最基本的直流斬波電路。今天我們選取Buck-boost雙向DC-DC變換器的基本工作原理進(jìn)行簡單描述。

開關(guān)V導(dǎo)通：電源E通過開關(guān)管V向電感L供電，此時(shí)電流為i1，電感儲(chǔ)存能量，同時(shí)電容C向負(fù)載R供電并維持輸出電壓恒定;

開關(guān)V斷開：電感L中儲(chǔ)存的能量向負(fù)載釋放，電流為i2，負(fù)載電壓極性上負(fù)下正，與電源電壓極性相反。

該電路的輸出電壓為：Uo=α/（1-α）Ud（α為占空比），若改變?chǔ)?，則輸出電壓既可以比電源電壓低，也可以比電源電壓高。當(dāng)1<α<1/2時(shí)為降壓，1/2<α<1時(shí)為升壓，因此該電路稱為升降壓斬波電路，或者稱為Buck-boost變換器。為了讓學(xué)生便于理解這種技術(shù)與我們的生活息息相關(guān)，我們可以向?qū)W生介紹Buck-boost變換器在當(dāng)下比較熱門電動(dòng)汽車相關(guān)技術(shù)中的一些應(yīng)用。

三、理論聯(lián)系實(shí)際：電動(dòng)汽車中的DC-DC

作為電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)中重要組成部分，DC-DC變換器主要有2個(gè)作用：

1、提供電力給動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、空調(diào)、其他輔助設(shè)備;

2、在復(fù)合電源系統(tǒng)中，串聯(lián)超級(jí)電容，使電源輸出可調(diào)節(jié)，母線電壓得以穩(wěn)定。

在電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)中，DC-DC變換器的電能來自于動(dòng)力電池包，作用是供電給車載電器。它在系統(tǒng)中的位置如下圖所示：

在最近兩年中，雙向DC-DC已經(jīng)開始悄然取代單向的DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，成為了電動(dòng)汽車生產(chǎn)商的主流選擇對(duì)象。在兩端直流電壓極性保持不變的前提下，雙向DC-DC變換器可以根據(jù)電力系統(tǒng)的需要讓電流方向發(fā)生改變，變換電力系統(tǒng)能量的雙向流動(dòng)。降低電池組輸出電壓的等級(jí)，提高車輛的安全性，降低電池系統(tǒng)的成本，有助于提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

非隔離型Buck-Boost雙向DC-DC變換器在電動(dòng)汽車中是如何應(yīng)用的，如下圖所示。

C1：低壓側(cè)電容;C2：為高壓側(cè)電容;L1：電感;Q1，Q2：全控開關(guān)器件IGBT;

R：電阻;D1，D2：續(xù)流二極管;V1：蓄電池電壓;V2：輸出電壓。

我們發(fā)現(xiàn)，Buck-boost雙向DC-DC變換器中的元器件構(gòu)成和我們基本DC-DC變換器的元器件基本都是一樣。

開關(guān)管Q2關(guān)斷，Q1導(dǎo)通：此時(shí)C2為負(fù)責(zé)向啟動(dòng)或提速供電的電動(dòng)汽車電源，在該工作過程中電感L迅速儲(chǔ)存能量。

Q1關(guān)斷：此時(shí)，為電動(dòng)車負(fù)載供電的，是共同作用于電動(dòng)汽車的蓄電池電壓V1和電感L。在此工作周期中，電動(dòng)汽車高壓側(cè)輸出電壓U2=1/（1-α1）U1，式中：α1為Q1的占空比。調(diào)節(jié)占空比，電動(dòng)汽車輸出電壓就會(huì)更加穩(wěn)定，同時(shí)電動(dòng)汽車的能量轉(zhuǎn)換得以實(shí)現(xiàn)。

不僅如此，課堂上還可以向?qū)W生介紹一些簡單的DC-DC變換器主電路的工作原理。比如下圖所示：

在上圖中，我們可以看出，變壓器左邊接的是一個(gè)逆變電路，將直流變?yōu)榻涣?，變壓器的右?cè)接的是整流二極管，整流二極管的右邊是一個(gè)濾波電路。所以整個(gè)電路的變換是：DC→AC→AC→DC。

如圖所示：經(jīng)過左側(cè)全橋逆變電路得到的矩形脈沖波是變壓器的輸入，傳遞到變壓器的副邊，得到電壓幅值不同的交流正弦波;交流正弦波經(jīng)過DR1和DR2整流，由Cf和Rl進(jìn)行濾波處理，最終得到直流電，提供給輸出端。由此可見，輸出電壓是輸入電壓Vin，通過DC-DC回路得到的。

原邊開關(guān)電路依靠控制器對(duì)特定占空比的PWM波進(jìn)行調(diào)制，按照既定的順序和時(shí)間驅(qū)動(dòng)四個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通、截止，將輸入電流調(diào)制成矩形波，完成電流逆變過程。通過調(diào)節(jié)占空比可以調(diào)節(jié)原邊輸入電壓的大小，輸出電壓減小則減小占空比，若增加輸出電壓則增加占空比即可。通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率可以調(diào)節(jié)頻率。T1為變壓器，變壓比n。變壓器不僅可以調(diào)節(jié)電壓，還可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離。不同電壓等級(jí)可以通過改變副邊線圈匝數(shù)，固定原邊線圈匝數(shù)得到。

當(dāng)然，在介紹這樣的實(shí)例時(shí)，我們最好可以向?qū)W生簡單介紹電動(dòng)車的行業(yè)背景，發(fā)展歷程，讓學(xué)生清楚知道我們學(xué)習(xí)的DC-DC存在于電動(dòng)汽車研發(fā)中的哪一環(huán)節(jié)，用來干什么的。讓學(xué)生深刻體會(huì)，這些理論知識(shí)，不是孤零零毫無溫度的只存在于書本上，不僅僅只是印刷品讓大家去看，而是真真實(shí)實(shí)可以用在我們的生活生產(chǎn)科技之中，讓我們自己學(xué)過的理論真切的用在實(shí)際中，讓理論指導(dǎo)實(shí)踐，讓實(shí)踐推動(dòng)理論繼續(xù)前行。

四、結(jié)語

綜上所述，在傳統(tǒng)的理論課程學(xué)習(xí)中，不受教材的局限，將復(fù)雜深?yuàn)W的知識(shí)融入到日常生活、生產(chǎn)實(shí)踐、熱點(diǎn)新聞、當(dāng)下科技發(fā)展中，選取與我們息息相關(guān)，典型而又通俗易懂的案例融入到教學(xué)中，增強(qiáng)學(xué)科的實(shí)用性、時(shí)代感、歷史感，既可以盡可能增加學(xué)生的興趣，加深對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，又能提高分析和解決問題的能力，同時(shí)又可以為提高專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力打下基礎(chǔ)。

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作者簡介：饒晶晶（1987.02-），女，講師，碩士，研究方向：電力電子，傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和研究。