（电力电子与电力传动专业论文）双向dcdc变换器在混合动力汽车中的应用研究.pdf

b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e rf o rh y b r i de l e c t r i c a l v e h i c l e a b s t r a c t a st h ec o m b i n a t i o no fi n t e r n a l c o m b u s t i o n ( i c ) v e h i c l e sa n de l e c t r i c v e h i c l e s ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ( h e v ) c a nl e a dt os i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n t s i nv e h i c l ep e r f o r m a n c e ，e n e r g yu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c y , d r i v e d i s t a n c ea n d p o l l u t i n ge m i s s i o n s h y b r i de l e c t r i cv e h i c l eh a sb e e nt h o u g h ta st h em o s t p r o m i s i n gr e s e a r c hd i r e c t i o no fa l lc l e a nc a r s m a n yd e v e l o p e dc o u n t r i e s i n c l u d i n gu s a ，j a p a na n ds o m ee u r o p ec o u n t r i e sa l em a k i n gg r e a te f f o r t st o d e v e l o ph y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s i no u rc o u n t r y ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e sh a v e b e e nl i s t e da so n eo ft h ei m p o r t a n tp r o je c t s t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt o s t u d yt h ek e yt e c h n o l o g i e so fh e v a st h em a j o rk e yt e c h n i q u e s ， b i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ni n t e r f a c ec i r c u i t a n de n e r g yr e c y c l eo fh e v t h e r e f o r e ，s t u d y i n gt h eb i - d i r e c t i o n a ld c d c c o n v e r t e rw h i c hc a n r e c y c l ee n e r g yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e f o rh i g hp o w e rd c d cc o n v e r t e ra p p l i c a t i o n s ，c o m b i n i n gt h ec a s c a d e c o n v e r t e rw i t ht h ep u s h - p u l l f u l l b r i d g ec o n v e r t e r , an o v e lh i g hp o w e rc a s c a d e d c d cc o n v e r t e ri s p r e s e n t e d i nt h i s p a p e r t h i s c o n v e r t e rw i t h t r a n s f o r m e r - i s o l a t e di sc a s c a d e db yab o o s tc o n v e r t e ra n da p u s h - p u l l c o n v e r t e r , a n dt h eo u t p u tu s e sd i o d e sr e c t i f i e rb r i d g er e c t i f i c a t i o n b y i n t r o d u c i n ga ne n e r g yf e e d b a c kc i r c u i to fac o u p l e di n d u c t o r , a l lt h es w i t c h e s a c h i e v es o f t s w i t c h i n g t h i s p a p e re m p h a s i so na n a l y z i n gt h eo p e r a t i o n p r i n c i p l eo ft h ep r o p o s e dd c - d cc o n v e r t e ri nb o o s tm o d e ，t h ec o n t r o ls t r a t e g y , a n dt h ea c h i e v eo fs o f t s w i t c h i n g a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o no ft h en o v e lb i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r i nt h eh y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ( h e v ) e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，t h e o r e t i c a l a n a l y s i so ft h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e ，c o m m u t a t i o np r o c e s sa n ds o f ts w i t c h i n g c o n d i t i o n so ft h i sc o n v e r t e rt o p o l o g yi nt h eb o o s ta n db u c ko p e r a t i n gm o d e ， h a v eb e e nm a d ei nt h ep a p e r o nt h eb a s i s ，ap r o t o t y p ei sd e s i g n e d ，a n dt h e e x p e r i m e n tr e s u l t sa r ei na c c o r dw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ，b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r ， s o f t - s w i t c h i n g ，p h a s es h i f t ，c a s c a d e ，b o o s tc o n v e r t e r , p u s h p u l lc o n v e r t e r 插图清单 图1 1 混合动力汽车动力系统结构图。5 图1 2 电动汽车用驱动电机的分类5 图1 3 串联式混合动力汽车结构简图7 图1 4 并联式混合动力汽车结构简图7 图2 1 双向d c d c 变换器原理图。1 3 图2 2 ( a ) 航空电源系统图；( b ) 光伏系统结构图1 3 图2 3 风力发电能量管理系统( s e s a m ) 的结构图1 5 图2 4 开关管改造示意图1 5 图2 5 基本的双向d c d c 变换器1 6 图2 6b u c k b o o s t 型双向变换器1 6 图2 7 三种隔离型双向d c d c 变换器。1 9 图2 8 隔离型双向d c d c 变换器2 0 图2 9 移相全桥电路及开关时序图2 1 图2 1 0 ( a ) 移相控制方式原理图；( b ) 电压电流关系示意图2 2 图2 1 1 推挽全桥双向变换器电路主拓扑2 3 图2 1 2 推挽全桥双向变换器电路波形2 3 图2 1 3 带r c d 缓冲电路的推挽全桥双向直流变换器2 6 图2 1 4 ( a ) 三电平升降压双向变换器( b ) 级联型三电平双向变换器。2 6 图2 1 5 正反激组合型双向d c d c 变换器2 7 图2 1 6 传统b u c k b o o s t 双向变换器2 8 图2 1 7 无磁性元件开关型双向变换器2 8 图2 1 8 两输入电压型全桥双向d c d c 变换器2 8 图2 1 9 两输入双半桥双向d c d c 变换器2 9 图2 2 0 两输入型三半桥双向d c d c 变换器2 9 图2 2 l 三端口三相双向d c d c 变换器2 9 图2 2 2 新型软开关双向d c d c 变换器3 l 图3 1 新型软开关双向d c d c 变换器电路3 l 图3 2 降压变换电路等效电路模型3 2 图3 3 升压变换电路等效电路模型3 2 图3 4 降压变换模式工作波形3 3 图3 5 降压变换器模式半周期等效工作电路一3 5 图3 6 蓄电池放电时变换器升压工作波形3 6 图3 7 蓄电池放电时变换器半个周期等效电路3 7 图3 8 隔直电容抑制偏磁。4 0 图4 1u c 3 8 7 5 外围电路图4 9 图4 2 降压驱动电路一5 0 图4 2 降压驱动电路。5 0 图4 4 电流检测电路。5 2 图4 5 降压变换电压电流反馈电路5 3 图5 1 电路拓扑5 4 图5 2 主要实验波形。5 5 图5 3 升压变换主要实验波形5 6 表格清单 表1 1 几种混合动力汽车电机各自特点。6 表1 2 某车型混合动力汽车驱动牵引系统工作模式表8 表2 1 开关工作状态与变换器工作模式的对应关系2 5 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导卜_ 进行的研究i ：作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰弓过的 研究成果，也不包含为获得 金目墨= 些厶堂 或其他教育机构的学位或证i5 而使川过的 材料。与我同i ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明井表示谢 意。 学位论文作者签名： 决g 签字日期：b 【拜嘲况日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆：l 些厶堂有关保留、使刖学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部j j 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权业 ：! ：些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采刚影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适川本授权j i5 ) 学位论文作者签名： 漫3 签字日期：沪【。年叶月力易日 学位论文作者毕业后去向： 萝趔， l ! ! 姜! ：懈u 、l 叼娑嬗j 1 钒 通讯地址： 。 o 导师签名： 矽扒 签字日期：扣l 。年巧月彩日 电话： 邮编： 致谢 本课题的研究是在杜少武教授的悉心指导下完成的，在我两年多的硕 士研究生学习过程中，杜老师严谨的科研态度、朴实的作风、广博的理论 和忘我的工作精神，使我敬佩不已、受益匪浅。在杜老师认真负责的教导 和潜移默化的熏陶下，使我的科研能力有了很大的提高，更重要的是使我 掌握了通用的研究方法，明白了许多待人接物和为人处事的道理。在此， 向杜老师表示由衷的感谢和诚挚的敬意! 在两年多的硕士生活中，我的同学和我的师兄师姐师弟师妹陪我度过 了许多难忘的时光，在一起学习的日子使我终身难忘，他们是：钟安明、 孟祥志、汤华奇、赵钦、芮琦骅等，在研究生学习时光即将结束之际，在 此向各位曾经朝夕相处的同学表示诚挚的谢意，祝大家在新的岗位上再创 佳绩! 我还要特别感谢我的父母以及其他亲友。他们对我深深的爱，支持和 关心，是我学习的动力和不断进步的源泉，在此我要向他们表示由衷的敬 意! 最后，再次感谢我的导师一一杜少武教授! 作者：史金仙 2 0 10 年4 月5 日 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 近年来，环境问题和能源问题已经成为世界研究的热点问题。随着环境污 染和能源危机的日趋严重，世界各国纷纷采取了改善能源结构、提高能源利用 效率、探究新能源、开发利用可再生资源等措施，来解决当前面临的问题，达 到可持续发展的目的【l 】。随着我国经济的快速发展，能源需求在快速增长，对 能源的依赖性也在日益加重。近年来，世界各国都面临能源供应不足，环境污 染加剧等问题，这些问题已经成为发展的“瓶颈。开发新型能源，发展可再生 能源发电，提高能源利用效率，被认为是缓解电能紧张的有效方法。2 0 0 6 年开 始颁布实施的国家“十一五规划 以及可再生能源法，把能源问题作为国家 发展战略的重点问题来对待，将可再生能源发电提高到战略高度，并从国家立 法的角度为其发展和应用提供充足的支持和保障。 随着经济的发展，汽车的数量在飞速的增加，目前世界汽车保有量约1 0 亿 多辆，预计到本世纪二十年代全球汽车保有量将达到2 0 亿辆。2 0 0 3 全球5 7 的石油消费在交通领域，预计到2 0 2 0 年交通用油占全球石油总消耗的6 2 以 上。特别是在汽车保有量高和汽车使用比较集中的大都市，汽车带来的污染已 经对城市环境造成严重破坏【2 】。因此研究节约能源，保护环境，降低排放污染 物的汽车，以绿色环保汽车代替燃油汽车是社会可持续发展战略的需要，成为 世界各国共同关注的问题。 电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ) 是一种节约燃油资源、减少污染甚至零排放的理 想绿色汽车，是未来汽车的发展方向，世界各国都相当重视。电动汽车( e v ) 一 般可定义为全部或部分使用电能作为动力源来驱动的汽车。驱动电动汽车的电 力一般为各种蓄电池、燃料电池、超级电容和太阳能电池等。根据储能元件和 电能所占比例的不同，电动汽车一般分为纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动 力汽车。 其中纯电动汽车发展时间最早，经验也比较丰富。然而，纯电动汽车受到 汽车行驶里程和充电基础设施建设及其加速性能等的制约，也存在废旧电池回 收和二次污染等问题，这些技术瓶颈严重抑制了纯电动汽车的发展步伐，阻碍 了市场化发展进程。 另外一种比较有前途的汽车是燃料电池汽车( f u e lc e l l se l e c t r i cv e h i c l e ) ，燃 料电池汽车( f c e v ) 的电能来源于见和0 相互化学反应的化学能，由于只和d 之间相互反应比较安静，所以整个过程没有内燃机一样的噪音，能量利用效率 也比较高。由于皿和d 的反应产物是- 2 0 ，所以燃料电池汽车( f c e v ) 没有任何 污染物排放，是真正意义上的零排放绿色环保汽车。我们知道，风资源蕴藏十 分丰富，见的来源也非常的广泛，海水，化工原料中都可以提取，并且燃料电 池汽车( f c e v ) 的排放物水理论上也可以重复利用，所以原理上不用担心原料资 源问题。然而由于目前技术条件的限制，燃料电池汽车成本很高，加上没有廉 价的制氢技术，短期内更难以实现市场化 3 1 - 1 5 】。 在此大背景下，以内燃机和电动机为驱动设备的汽车一一混合动力汽车 ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) ) 应运而生，并且迅速成为新型动力汽车研 究的热点，世界各国都把混合动力汽车的研究作为当前汽车工业的首要任务。 混合动力汽车具有节能减排、保护环境、行驶里程不受限制和不改变基本的基 础设施等优点，最主要的是目前技术已经基本成熟，被认为是当前电动汽车中 最具有产业化和市场化前景的车型之一。相关专家都认为，在储能元件的技术 瓶颈没有实质性提高的今天，使用混合动力汽车( h e v ) 是解决能源与排放问题 的有力手段。 混合动力汽车( h e v ) 所具备的优点主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 与同类内燃机汽车相比，排放降低，性能几乎不改变。 ( 2 ) 由于以电动机作为辅助动力，使发动机能够在发挥良好效率的工况下工作， 并且通过回馈制动能量，提高了整车的燃料效率。 ( 3 ) 通过减小内燃机负荷降低了内燃机噪声。 ( 4 ) 只要改造目前的加油站即可，不必重建新的燃料供应站。 1 2 混合动力汽车的发展状况及主要技术 1 2 1 混合动力汽车的发展状况 国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会【t e c h n i c a lc o m m i t t e e 6 9 ( e l e c t r i cr o a dv e c h i c l e s ) o ft h ei n t e l n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n 建议把混 合动力汽车定义为“由两种或两种以上的储能元件、能源或转换装置作动力来 源，其中至少有一种能提供电能的车辆称为混合动力电动汽车 。由于单纯的燃 料电池汽车有很多不足，如无法回收制动能量等，所以目前开发的燃料电池汽 车几乎都带有蓄电池或超级电容器等辅助能源装置。而由内燃机和电动机两种 动力驱动组成的混合动力电动汽车简称为混合动力汽车。 1 ) 国外混合动力电动汽车发展状况 目前，邻国日本的两家汽车公司丰田和本田己批量生产销售混合动力汽车 相关车型。丰田p r i u s 混合动力轿车己于二十一世纪初开始出口北美、欧洲等 2 0 多个国家，该车型的节油率高达达百分之四十。截止到2 0 0 9 年，全球混合 动力汽车销售量已达1 2 万多辆，丰田占了其中的9 0 左右。丰特别是在美国， 欧洲一些国家，丰田公司的混合动力汽车非常手欢迎。而这些国家本身近年来 也开始重视本国电动汽车( h e v ) 的发展，比如说在美国方面，c h r y s l e r 、f o r d 和g m 三家汽车公司在研发电动汽车( h e v ) 这一块投入资金8 0 0 0 多万、1 3 亿多和1 4 亿多美元，相继推出了三款混合动力汽车概念车型。在法国方面， 2 c i t r o e n 和r e n a u l t 汽车公司在法国政府支持下共同承担了电动汽车研制任务。 另外，为了推动本国电动汽车( h e v ) 发展，法国政府提出在全国几十个城市试 点使用环保汽车，使得全国电动汽车保有量在几十万辆。在德国，英国，瑞士 及西欧一些国家也偷相继出台了推动电动汽车的政策方案，大力支持本国汽车 公司全面开展绿色环保汽车研制。 目前，国际市场上，混合动力汽车已经多款车型。2 0 0 7 年世界h e v 销售 5 5 万辆之多。特别是在美国，2 0 0 7 年在轻型车销量下滑2 5 的情况下，混合 动力汽车销量仍增长3 8 ，达到三十多万辆。另外，自混合动力汽车上市以来， 单一品牌混合动力轿车，目前的销售量最大的已经超过1 2 0 万量。 2 ) 国内混合动力电动汽车发展状况 在传统汽车行业，中国落后世界领先水平几十年，但在电动汽车等新能源 汽车领域，各国处于相同起跑线。我国财政部在2 0 0 9 年2 月5 日公布了由该部 和科技部共同出台的节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办 法，此项新能源鼓励政策的出台为我国新能源汽车的发展提供了保障。中国有 经济和市场优势，有潜力在全球电动汽车市场占有一席之地。新能源汽车对于中 国汽车行业而言，或将是一次实现跨越式发展的绝好时机，这是机遇也是挑战。 0 6 年初，丰田普锐斯成为国内第一款量产上市的混合动力车；0 7 年，雷克 萨斯r x 4 0 0 h 和l s 6 0 0 h l 在国内上市，这两款车型分别是豪华s u v 和高端四 驱轿车，虽然排量分别达到3 3 l 和5 0 l ，但因为运用了混合动力技术，大大提 高了燃油经济性，其综合路况测试的百公里油耗不超过十升；0 7 年底，东风本 田推出思域混合动力车型；0 8 年初，通用发布了“绿动未来”战略，推出别克君 越e c o h y b r i d 油电混合动力车，这使得其成为了国内第一款量产中高档混合动 力汽车。 在国家“8 6 3 连续两个五年计划持续支持下，中国已基本掌握了混合动力 汽车关键技术和动力系统平台技术，并建立了相关技术标准和测试平台，开发 出一系列混合动力汽车车型，拥有小批量整车的生产能力，在多个城市开展了 小规模示范应用，并成功服务于北京奥运会和残奥会，取得了良好的社会效益 和环境效益，初步证明了中国混合动力汽车开发和应用方面取得了长足的进步。 2 0 0 8 年，5 0 0 辆新能源车为北京奥运会和残奥会赛事服务，这成了我国新 能源汽车的一次集中展示。锂离子电池纯电动客车、由东风和一汽集团研发的 2 5 辆混合动力客车以及长安、奇瑞、一汽集团等企业研发生产的7 5 辆混合动 力轿车，成为“绿色奥运”的一道景观。据统计，目前国内至少有3 0 家客车企业 已涉足新能源汽车领域；六大汽车集团以及奇瑞、吉利、b y d 都争相开发自己 的新能源汽车，上汽集团更是在去年投资2 0 亿元成立了上汽捷能公司，专门研 发新能源车。长安、东风、奇瑞、一汽、b y d 等汽车公司完成了各自承担的混 合动力轿车课题，研发的相关车型在技术方案、结构特点、成本价格方面各具 3 特色。 为推动包括混合动力汽车在内的节能与新能源汽车的产业化进程，中国政 府目前局部小规模示范应用的基础上，近期将组织开展大规模推广应用工程， 相关政府部门也在加紧制定专项财政补贴方案。将加速启动中国节能与新能源 汽车市场。 1 2 2 混合动力汽车的关键技术 混合动力汽车是以先进控制技术为纽带的传统内燃机汽车与纯电动汽车的 结合，其技术涵盖面广，涉及机电工程、电力电子、车辆工程、电化学和控制 工程等多门学科。由于混合动力汽车( h e v ) 自身的特殊性，使得对汽车储能 装置、电能变换装置、控制系统装置要求较高，不仅需要有较高的稳定性，而 且要求经济高效。对于混合动力汽车本来来说需要解决的主要问题包括：车身 设计、发动机及传动系统、电机及其驱动控制、电池及电池管理系统、多能源 控制策略与整车管理等几个方面。但归结到混合动力汽车本身，需要解决的几 个核心问题是：双向d c d c 变换器技术、电机驱动技术及能量管理技术等。 ( 1 ) 双向d c d c 变换器技术 根据上面的介绍我们已经知道，混合动力汽车的储能元件可以为蓄电池、 蓄电池与超级电容、燃料电池与超级电容等，目前几乎所有的混合动力汽车储 能元件主要都是蓄电池。蓄电池的能量通过电动机将电能转化为机械能驱动车 轮。蓄电池可以直接接到电动机上为电动机提供能量，但在实际应用中必须采 用电能变换环节，这是因为：电动机的工作电压一般很大，而蓄电池虽然可以 通过串联达到任意电压，但过多的蓄电池串联会带来许多新的问题，所以需要 有一个升压电能变换环节；蓄电池本身的电压在使用过程是变化的，如果直接 驱动电动，电机的工作电压就不稳定，所以中间也需要一个稳压装置；汽车在 形式过程中的所需电压是变化的，而蓄电池的电压在一定时间范围内是相对稳 定的，所以也需要有一个变换装置提供变化的实时电压来提高电机的驱动性能。 因此，蓄电池和电动机之间增加d c d c 变换器是必须的。 若我们选择普通单向d c d c 变换器作为中间的变换环节，可以满足以上提 出的问题，但是由于混合动力汽车( h e v ) 自身的特殊性，我们希望汽车在内 燃机运行过程中能对蓄电池元件充电，同时能够回馈汽车在制动或减速过程中 的能量，这样就可以大幅提高汽车一次充电后的行驶里程，提高能量利用的效 率。一般认为选择两个单向d c d c 变换器的并联既可解决问题，然而这样带来 的新问题就是系统变得复杂，稳定性也大大降低。另外，考虑到电动汽车储能 元件一般为两个或两个以上，而它们的输出电压特性和工作特性都不尽相同， 所以简单并联两个单向d c d c 变换器是不行的。 在此背景下，双向d c d c 变换器被提出，它可以很好的解决上面分析的问 题，同时为混合动力汽车能量管理提出了挑战。双向d c d c 变换器的拓扑形式 4 一般都是和单向d c d c 变换器拓扑对应的，具体的拓扑形式和特点将在下一章 介绍。 ( 2 ) 电机驱动技术 电机及其驱动控制系统是电动汽车的心脏，是提高电动汽车的驱动性能、 行驶里程及可靠性的根本保证。尤其是在目前蓄电池技术未取得突破的背景下， 电驱动系统是保证电动汽车续行里程、使之实用化的关键。电机驱动技术是由 电机驱动装置实现的，而电机是驱动装置的执行机构，也是驱动技术的核心， 一般其有以下特点： 图1 1 混合动力汽车动力系统结构图 1 ) 电动机动态性能好，可以适应复杂的需要频繁加减速路况； 2 ) 电机运行在高的功率密度下的范围比较宽； 3 ) 恒功率输出和高功率密度，且有足够的转速范围来满足恒功率和恒转矩 条件； 4 ) 电机瞬时功率较高和其调速范围也较宽； 5 ) 汽车在制动或减速时能够回馈制动能量，增加汽车续驶里程； 6 ) 性价比高，可靠性强。 感 应 电 机 永 磁 同 步 电 机 图1 2 电动汽车用驱动电机的分类 目前，供h e v 使用的驱动电机如图1 2 所示。各驱动电机的和相应控制装 置的优缺点如表1 1 所示。 表1 1 几种混合动力汽车电机各自特点 无刷直流开关磁阻电 比较内容直流电机感应电机 电机机 驱 控制方式差一般优优 动 大小、质量差优优一般 电 弱磁升速能力差优一般优 维修性差优一般优 机 效率 差 一般优优 控尺寸、质量优优一般一般 制控制性能一般优优一般 器 功率元件数量少多多较多 综合评价差一般优 较优 3 ) 能量管理技术 目前混合电动汽车上常用的动力电池有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。 铅酸电池价格最便宜，但能量密度低，有被其它两类电池取代的趋势。锂离子 电池性能最好，但随着功率增大，成本会急剧增加，同时大功率锂离子电池的 安全问题比较突出，因而在手机、笔记本电脑上用的居多，而在汽车上用的比 较少。从目前的情况看，混合动力汽车用动力电池以镍氢电池居多。 混合动力汽车的能量管理( h e v ) 包括整车的能量管理和蓄电池的能量管 理两个方面，对于蓄电池的能量管理一般包括以下几个方面： 1 ) 准确地计算电池s o c ，s o c 对整车控制策略至关重要； 2 ) 对电池单体模块的电压和温度的监控； 3 ) 能够确定电池的当前工作极限并及时向整车e c u 发送信息： 4 ) 能够对电池组进行热管理，包括需要时加热或冷却电池组； 5 ) 能够监控并校正电池组内单体或模块电池的库仑不均衡。 整车的能量管理是一个大的系统，情况复杂，对数字处理单元和控制逻辑 单元要求都比较高，其中关于变换器这一块的分析下一节将结合不同路况做详 细的介绍。 1 3 混合动力汽车动力系统概述 上两节已经对混合动力汽车的发展背景、状况和主要技术做了全面的介绍， 本节将结合双向d c d c 变换器在混合动力汽车能量管理系统中所起的作用，重 点介绍混合动力汽车动力系统的能量流动过程，进而说明双向d c d c 变换器在 混合动力汽车技术中的重要地位，为后面章节对双向d c d c 变换器的研究赋予 现实意义i l6 。 1 3 1 混合动力汽车动力结构与能量管理系统 混合动力汽车( h e v ) 分类按照不同的侧重点有不同的分类方法，主流的 分类方式是按照汽车的能量流动线路结构来划分的，分为串联式混合动力汽车 6 ( s e r i e sh e v ) 、并联式混合动力汽车( p a r a l l e lh e v ) 和混联式混合动力汽车 ( c o m b i n e dh e v ) 。 图1 3 串联式混合动力汽车结构简图 机械连接 电气连接 图1 4 并联式混合动力汽车结构简图 串联式混合动力系统的结构图如图1 3 所示，燃油发动机不是直接驱动车 轮，而是首先把机械能通过发电机转化成电能，一路送往电动机驱动车轮，另 一路直接给蓄电池充电。这样燃油发动机就可以始终工作在最佳运行状态，在 需要加速或低速的路况可由蓄电池辅助输出电能，达到既不影响汽车的机动性 能又节约燃油减少污染的目的。然而，由于燃油发动机输出的机械是经过两次 变换送到车轮的，所以能量在这个过程中损失比较严重。 如图1 4 所示为并联式混合动力系统，从图上我们可以看出，燃油发动机直 接驱动车轮，储能元件通过电动机把电能转化为机械能驱动车轮。两个系统是 相对独立的，各自都可以独立使汽车运行。并联连接方式结构紧凑，能量经过 的环节较少效率较高，但控制方式和工作模式相对复杂。 混联式( c o m b i n e d ( 串并联式) ) 混合动力汽车是串联式( s e r i e s ) 和并联 式( p a r a l l e l ) 两者的融合，也有自身的特点，不再详述。 要实现混合动力电动汽车性能的提高，就必须对整车，尤其是动力系统进 行控制，使各个部件能够协调工作。所以混合动力汽车整车能量管理系统是汽 车的核心，能量管理的优劣直接影响汽车的性能和能量利用的效率。 要使得储能单元( 蓄电池) 与负载有效的结合起来，需要一种合适的双向 7 d c d c 变换器。下一章将在对以往国内外所提出的各种双向d c d c 变换器拓 扑的优缺点进行综合分析和比较的基础上，选择了一种新颖的软开关双向 d c d c 变换器来作为储能单元( 蓄电池) 的接口电路。 1 3 2 混合动力汽车动力系统工作模式分析 混合动力汽车在不同的路况下，有不同的工作状态。混合动力汽车的运行 工况有启动或低负荷行驶，正常行驶、加速、减速与制动，停车或滑行等。以 采用蓄电池作为储能装置的某车型混合动力汽车驱动牵引系统为例，来说明系 统工作的过程。根据汽车行驶过程的不同状态，一般有以下几种工作模式： 工作模式1 ：汽车在启动或极低速运行时，发动机将在低效率区域中工作， 故此时能量管理系统将切断燃油，使发动机停止，仅由电动机提供机械能。 工作模式2 ：汽车在正常行驶时，发动机一般在相对较高的效率下工作， 故此时启动发动机运行，输出两路能量，一路提供汽车运行的机械能，另一路 使得电机工作在发电状态，向蓄电池充电，直至合理状态，以备加速或爬坡时 提供辅助能量或回收制动能量。当蓄电池达到规定的充电状态后，发动机停止 运转，等待下一条运行指令。 工作模式3 ：汽车在加速或爬坡时，除了发动机正常运转外，还需启动蓄 电池输出电能，使得电机工作在电动状态提供辅助机械能，增加车轮的驱动力， 使发动机始终工作在最佳效率区间。 工作模式4 ：汽车在减速或制动时，车轮驱动电机，电机工作在发电状态， 能量回馈给储能装置。 工作模式5 ：汽车在怠速状态时，发动机一般自动停止，没有常规发动机 那样的怠速。但当蓄电池没有达到规定的充电状态是，发动机会驱动电机给蓄 电池充电，直至达到合理的充电状态。 8 i双向 d c _ a c 电 t 刀 d c d cg 逆变器 动 n 机 模式2 ：正常行 t 变换器 驶 ，、 j 7_ l 发l l _ 筇l 变速器 i双向 d c a c 电 t 、 d c d c 逆变器 动 模式3 ：加速或 t 变换器 机 爬坡运行 管动栩i - l ：变：速器 l lll l双向 d c _ a c 电 t g d c d cg 逆变器 动 模式4 ：减速或 t 变换器 机 制动运行 种 譬孙| ：丌ll 亦浦舆 u _ l i双向 | 一一 电 d c a c 动 广，- d c d c 逆变器 一 、0 机 模式5 ：停车状 t 变换器 卜一一 态 r 一。、_ ； 发动机变速器 r_ i 总之，汽车在行驶过程中的状态是多种多样的，以上只是汽车运行过程中 的几种主要状态，为了使混合动力汽车始终工作在最优的状态下，强大的可以 实时调控的能量管理系统是必须的，所以整车能量管理系统是混合动力汽车研 究的一个重点，也是一个难点。 9 1 4 本文研究的意义和主要工作 1 4 1 本文研究的主要意义 能量管理系统是混合动力汽车的关键，而双向d c d c 变换器是实现能量管 理系统的核心部件之一，它不仅为储能单元与电动机之间提供连接接口，而且 在对汽车下坡或刹车过程中的制动能量吸收中扮演着重要的作用，使得能量不 仅可以从储能元件流向电动机转化为机械能，而且也可实现对储能元件的充电， 提高混合动力汽车的续驶里程。 另外，双向d c d c 变换器在u p s 系统、航空电源系统、风能太阳能发电 系统等领域中亦已被广泛应用。国内外在双向d c d c 变换器的应用研究方面已 经取得了相当大的成绩。双向d c d c 变换器( b d c ) 和单相d c d c 变换器一 样，拓扑的结构形式分为隔离型和非隔离型。对于单向非隔离型变换器只要把 单向开关元件改造成双向功率元件即可实现功率的双向流动。在非隔离型拓扑 中加入高频变压器就构成了隔离型拓扑。由于隔离型拓扑有许多优点( 输入输 出隔离，变压器可调电压等) ，而隔离型变换器存在升压启动和开关管的电压尖 峰两个问题，所以隔离型在研究和应用方面比较广泛。在控制策略方面，电流 型控制方式是首选，其与电压型相比动态响应较快。 在现阶段由于受储能技术，基础设施，制氢技术等限制，混合动力汽车被 认为是最切实可行的方案。而双向d c d c 变换器是混合动力汽车中的核心元件 之一，因此研究高效率、高功率密度和高可靠性的双向d c d c 变换器在混合动 力汽车中的应用有着十分重要的意义。 1 4 2 本文的主要研究内容 本文在介绍课题背景和意义的基础上，首先对混合动力汽车的发展状况和 关键技术进行了概述，并结合能量流动过程指出双向d c d c 变换器在混合动力 汽车中所起的作用；然后简单概述了双向d c d c 变换器的一般概念和相关技 术；在此基础上，重点分析了移相全桥和推挽隔离等双向d c d c 变换器技术， 随之提出推挽与全桥相结合的新型变换器；接着结合混合动力汽车动力系统工 作模式对新型变换器的工作原理和实现软开关的过程进行分析；最后设计了相 关电路，对提出的新型变换器经行实验验证。 1 0 第二章双向d c d c 变换器拓扑发展与研究 双向d c d c 变换器作为一种新型的变换器，其在电动汽车、u p s 系统、 太阳能风能发电等应用领域，世界各国的科技工作者都已经开展了对双向 d c d c 变换器的研究，相继提出了许多新型电路拓扑。本章第一节将对双 向d c d c 变换器拓扑构成形式做了简单的介绍，然后全面介绍主要的双 向d c d c 变换器拓扑类型，并针对典型的变换器做详细的分析，最后综 合考虑各种拓扑类型后，介绍了一种新颖的软开关级联式双向d c d c 变 换器，该电路拓扑将是本文的主要研究对象。 2 1 双向d c d c 变换器概述 2 1 1 双向d c d c 变换器的概念 双向d c d c 变换器的结构示意图如图2 1 所示，变换器的两端电压k 、 k 为直流电压，通过不同的控制信号，实现功率的双向流动，且在这期间 变换器两端的电压极性不变。 + n ) 如，脚 ，l 卜、j 一厶 l 一r i 双向d c d c 变换器 l 一1 i 、j + 圪 ，l 加，1 2 0 ，i s o 此时变换器工作在反向模 式。因此，仅仅使用单一的变换器，通过改变不同的控制信号就可以实现能量的 双向流动，做的一机两用的效果。因此，双向d c d c 变换器在不间断电源，航 空电源，电动汽车等需要双向功率流的场合使用可以大幅度降低设备的体积，减 少成本。随着控制技术和器件技术的发展，越来越多的变换器拓扑被提出，促进 双d c d c 变换器更加广泛的应用于实际生产生活中。 2 1 2 双向d c d c 变换器的典型应用 在实际应用系统中，若不同条件下功率流动的方向会发生变化，那么 就可以采用双向d c d c 变换器，因此许多领域都有其使用场合。由于环 境保护和能源短缺等问题的提出，太阳能光伏独立发电系统、风能发电系 统、混合动力汽车、节能型建筑等新领域对变换器的实际需求，更加推动 了双向d c d c 变换器的应用和发展。下面列举双向d c d c 变换器在几个 领域的实际应用。 一、航空电源系统 图22 ( a ) 航空电源系统图； ( b ) 光伏系统结构图 在空间轨道运行的航天器，其能量主要来自太阳能电池板和航天器自 身的电池系统，在两者之间必然会有一个或多个双向d c d c 变换器做连 接，因为太阳能电池板阵列除了提供正常的供电电源外，还通过双向 d c d c 变换器对蓄电池充电以存储能量；当日光不足时，太阳能电池阵列 不足以提供负载全部的能量，雷电池通过双向d c d c 变换器对负载提供 部分的能量。 二、光伏发电系统 太阳能光伏发电系统按是否与电网相连可分为独立运行系统和并网 运行系统。太阳能光伏独立发电系统由于配置灵活、维护简单、高可靠性、 成本较低等优点而应用广泛。太阳能光伏独立技电系统主要由太阳能电池 阵列、储能装置、系统控制器等组成，向交流负载供电时还需逆变器，如 图13 所示。储能环节是太阳能光伏独立发电系统中必不可少的，在日光充 足时，将多余的能量储存起来，在日光不足时，储存的能量向负载释放。 常用的储能方法有电容器储能，飞轮储能，超导储能，蓄电池储能等，但 从简单，可靠，成本等综舍的角度考虑高能蓄电池是独立光伏系统储能装 置的最佳选择。日光充足时，系统控制器控制双向d c d c 变换器将多余的 能量存储到蓄电池组中，当日光不足时，蓄电池通过双向d c d c 变换器向 负载供电，从而保证了太阳能光伏系统供电的可靠性和稳定性。 研究和设计合理的双向d c d c 变换器拓扑对于减小太阳能光伏系统的体 积，提高太阳能光伏系统的整体效率和供电可靠性具有重要的意义。 三、风力发电系统 在一天中风的大小和方向是变化不定的，甚至每时每刻都在变化，当 风速较大时，风能充分风机发出的电能较大，反之风机则运行在低输出状 态。另外，即便风速稳定，在天中不同的时间段用户所需的电能也是不 同的，因此风力发电在实际应用中都会配备储能系统，用来实现“储峰弥 谷”，进而起到平滑功率输出的作用。如图1 5 为风力发电能量管理系统 ( s e s a m ) 的结构图，它主要由随机电源模块、电网接口模块、长期进路储 能模块和短期进路储能模块组成。其中长期进路储能模块和短期进路储能 模块都通过双向变换器与直流母线连接，通过实时控制实现对电网瞬时功 率调节，达到改善设备效率，提高电网电能质量的目的。 图2 3 风力发电能量管理系统( s e s a m ) 的结构图 2 1 3 双向d c d c 变换器的拓扑构成 双向d c d c 变换器的拓扑基本上可以看成是由单向d c d c 变换器的 拓扑经过简单的改造得来的。我们知道在单向d c d c 变换器中总是用一 个或多个单向二极管来阻止电流反向通过，若我们把二极管换成一个开关 管和二极管的反方向并联的组合开关管那么就可以实现电流的双向通过， 如图1 6 所示。当我们把六种基本的单向d c d c 变换器中的相应单向二极 管替换成组合开关管后就可以得到相应的六种双向d c d