电动汽车双向直流传动系统研究

摘 要：随着传统资源的日益减少和因为人口增多带来的交通运输压力的不断增大，电动汽车必将取代传统汽油汽车成为汽车行业的主导。双向直流传动系统是电动汽车的重要技术之一，双向DC-DC变换器能使电动机的调控得以完善、整车效能得以提升。

关键词：电动汽车；双向DC-DC变换器；动力驱动系统

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.09.180

1 课题背景和意义

当前技术条件下，电动汽车使用的大功率直流变换器大都有功率损耗大，能量转换率低等缺陷。且很多设计方案大都忽略燃料电池等电源软输出的特性。因此，设计出符合其特性条件的大功率直流变换器，不仅可以使燃料电池的输出特性得到改善，还可以使燃料电池得到很好的保护，延长其使用寿命。

双向DC-DC变换器是电动汽车动力驱动系统的核心组成部件，也是构成能量双向流动、有效管理能量以及提高动力性能的关节所在。

2 电动汽车双向直流传动系统

2.1 双向DC-DC变换器的控制方式

电动汽车的电机是经典的有源型负载，因为有较宽的转速调节范围，在行车时又要经常的进行加减速，而且在其工作中，蓄电池电压的变化范围非常大。若想在一定负载范围内使蓄电池组的电压稳定在一较高的值上，可使用DC/DC（Direct Current-Direct Current）变换器来实现，同时还可以很大程度上提高电机的驱动性能。

2.2 双向DC-DC变换器的应用特点

当使用双向DC-DC变换器来直接驱动电动机旋转时，因为电动机电流纹波与加在输入电压的瞬时值和反电动势间的电压差值成正比，则调节逆变器的直流侧输入电压可通过双向DC-DC变换器调控电动机的转速来实现，进而减小其电流纹波。其次，蓄电池组或另加的大容量电容器可以通过双向DC-DC变换器控制反向制动电流来补充电能，而使电动汽车的接车效率得以提高。

3 系统工作模式分析

双向DC-DC变换器可使能量双向流动，需能量双向流动时能使系统的体重和成本大幅降低，在航空电源系统和电动汽车驱动及蓄电池充放电维护等很多方面都得到了普遍的应用。

3.1 燃料电池动力系统工作模式分析

双半桥双向变换器在隔离变压器的两侧分别是一对称半桥。两半桥之间的移相控制变换器中的功率传输即可，不需额外的辅助开关或无源谐振装置，其中所有的开关都可工作在零电压开通状态，且开关电压应力较低。此外电路中不存在大型延时器，变换器动态响应也很快，因此多用作燃料电池的辅助结构。此变换器可使功率双向流动，与其优势在于：组件少；较大的负载范围内实现软开关不需要辅助器件和谐振电路；能很轻松地进行控制；能轻易分配每一个输入端的功率。

3.2 双向DC-DC变换器工作模式分析

要求可通过双向DC-DC变换器来实现：在蓄电池开始工作给电时，系统中的双向DC-DC变换器正向升压，当系统的输入电压出入不够稳定的情况时，可以把输出主线的电压处在一个高压的状态下，这时系统会立即开启能量电池，这样就会使电动机的工作性能得到非常大的提升，非常实用。反之，减速、刹车的时候，系统中的双向DC-DC变换器反向降压充电，把电动机制动时产生的附加能量回收给蓄电池组或电容补充消耗的电能。

将蓄电池、燃料电池（主电源装置）有效地与负载结合起来，这并不是非常简单的事，需要有一种双端口双向DC-DC变换器，蓄电池和逆变器接口电路选用双端口双半桥DC-DC变换器。

以汽车行车的各种形态为基础，采用蓄电池、燃料电池的电动汽车驱动系统有三种不同的状态模式：

模式1：开启和加速的时候，负载的功率要求燃料电池和储能电容等一起供电才可以，单独靠燃料电池输出是不行的；模式2：行车速度稳定时，燃料电池在为牵引电机供电的基础上，还要给蓄电池充电，使其达到最优状态，以免加速时不能有效的工作，有时还需要回收附加能量；模式3：减速的时候，电池不输出电能功率，电动机反向工作在发电的形态，蓄电池吸收附加能量进行补充电能。

在模式1中，蓄电池放电，变换器升压，向高压侧充入能量，使其上升保持在期望值；模式3 时，变换器减压，回收制动过程中的附加能量来补充电能；模式2里，变换器处在中间状态。通过设计合理的变换器调控方法，可以实现对附加能量的高效回收和功率的良好分配，调整电能流动方向则以负载状况的差异为基础来进行，进而明确变换器进行的状态。

4 双半桥双向DC-DC拓扑结构

4.1 主功率的拓扑结构

双向DC-DC变换器也有正激式、反激式、推挽式、桥式、电流馈式及其它一些混合式的隔离型变换结构。在DC-DC变换器中，由正反单管等构成的电路多普遍应用在功率不大的地方，半桥变换器多应用于中、大功率中。隔离型的DC-DC变换器当中，正激式的变压器的磁化情况是单方向的，进而降低了其利用率。

电压电流应力较小的半桥DC-DC变换器，其功率变压器的磁化是双方向的，则就大功率输出方面实现起来也就容易许多。这类变换器有电压型和电流型两种。电压型DC-DC全桥变换器电路结构简单、容易控制，类似于Buck型；电感在输入电源侧的电流型则与Boost型相似，适用于功率因数校正的大功率电路。

4.2 控制方案

桥电路用了移相软开关之后，可实现功率管的ZVS方案，保持开关频率的稳定持续。但在另一方面，谐振电感会丢掉副边一定的占空比值，也会造成环流损耗。对于副边占空比丢失，可用可饱和电感代替谐振电感；也可用降低谐振电感的方式来解决。而对于环流，可用零电压零电流开关来处理解决，就是用左侧负责零电压开关，右侧负责零电流开关，但若想阻断变压器圆边电流的反向通路，需将阻断二极管、阻断电容器等串接到变换器主电路中。因为元件并非是理想的，变换器运行过程中其会产生通态损耗，在输入低电压大电流时，经济成本非常大。综合考虑后，决定方案为零电压开关结合PWM加移相控制。

参考文献：

[1]R，瞿文龙，刘圆圆.一种隔离型双向软开关DC/DC变换器[J]，清华大学学报，2006：46（10）：15-19.

[2]唐杰.数字相移控制隔离Buck-Boost型双向DC-DC变换器的研究：[硕士学位论文][D].合肥：合肥工业大学，2008：76-93.

作者简介：张连浩（1982-），男，辽宁沈阳人，现任沈阳科技学院信息与控制工程系副主任，讲师，研究方向：计算机教育。