（电机与电器专业论文）节能型电动车交流驱动系统的研究和设计.pdf

四川i 大学硕十学位论立( 2 0 0 3 ) an o v e l e n e r g y s a v e de l e c t r i c a lm o t o r c y c l ea cd r i v e e l e c t r i cm a c h i n e e l e c t r i c a le q u i p m e n t p o s t g r a d u a t e d o ug u o z h e n s u p e r v i s o rh u a n g n i a n c i e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n de n e r g ys o u r c es h o r t a g ea r et h et w os u b j e c t si n2 1 5 c e n t u r y s g r e e nr e v o l u t i o n a st h ek e yr o l eo fv e h i c l er e v o l u t i o n ，t h ee l e c t r i c a l m o t o r c y c l ed r i v es y s t e mh a sm a n ys h o r t c o m i n g s s u c ha sl o we n e r g ye f f i c i e n c y , s h o r tr u n n i n gd i s t a n c ew i t h i no n c e c h a r g e ，e t c int h i sp a p e r , b a s e do ns t u d y i n gt h et r a d i t i o n a lb i - d i r e c t i o n a le n e r g yc o n v e r t e r so f d c d r i v e s ，an o v e le n e r g ys a v e de l e c t r i c a lm o t o r c y c l ea c d r i v ei sp r e s e n t e d t h i s n e w - s t y l ed r i v ec o m p o s e so f az c z v sb o o s tb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e ra n da v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ( v v v f ) i n v e r t e rw h i c hd r i v e sam o u s ec a g e a s y n c h r o n o u sm o t o r w h e nt h em o t o r c y c l ei sb r a k i n go rs l o w i n gd o w n ，t h ek i n e t i c a n d o rp o t e n t i a le n e r g yi sf e db a c kt ot h eb a t t e r y , s ot h er u n n i n gd i s t a n c ec a nb e e x t e n d e da n dt h e e n e r g ye f f i c i e n c y i s i m p r o v e d a na s y n c h r o n o u s m o t o ri s e m p l o y e di nt h i sn e ws y s t e mw h i c hc a no v e r c o m et h et r a d i t i o n a ld c d r i v es y s t e m b u g sa n dt or e d u c et h ec o s ta n dm a i n t e n a n c e i na d d i t i o n ，t h es w i t c h e so fd c d c c o n v e r t e rs w i t c hu n d e rz e r oc u r r e n ta n dz e r ov o l m g ec o n d i t i o n s ，w h i c hc a l la l s o r e d u c et h es w i t c hl o s s e s ，e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) a n dp r o l o n gi t sl i f e a n di no r d e rt op r e d i g e s tt o p o l o g ys t r u c t u r ea n ds a v es p a c e a ni n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l ei su s e d t h e r e f o r e ，a l lo ft h ea b o v eh a v ei m p r o v e dt h ed r i v er e l i a b i l i t ya n d p e r f o r m a n c e c o s tr a t i o ，e t c f u r t h e r m o r e ，t h eo p e r a t i o nd i s c i p l i n eo f t h i sn e wd r i v ei si l l u s t r a t e di nd e t a i la n dt h e t o p o l o g ya n di t sp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o na r ea l s op r e s e n t e d f i n a l l y , a3 0 0 wp a t t e r n i sm a n u f a c t u r e dt os i m u l a t ea n dt e s tt h en e wd r i v e ，a sa r e s u l t ，t h i sd r i v eh a sg o o d p e r f o r m a n c e s i tc a l lb ew e l la p p l i e dt ot h o s em o t o r c y c l e sw o r k i n gu n d e rf r e q u e n t a c c e l e r a t i n g d e c e l e r a t i n ga n db r a k i n gd o w ni nm a n ys c e n e r yp l a c e sa n dm o u n t a i n c i t i e s k e y w o r d s ：e l e c t r i c a lm o t o r c y c l e ；e n e r g yf e e d b a c k ；i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e ( i p m ) i i 四川丈学硕士学位论艾( 2 0 0 3 ) 1 概述 1 1 “绿色革命”与电动车 二十一世纪是“绿色革命”的世纪，环境保护和能源问题已突出成为新世 纪的两大主题。 随着工业发展，城市汽车数量急剧上升，石油资源严重匮乏大气污染日 益严重，地球气温不断升高。据日本环境分析家不完全统计和分析，全世界2 0 的二氧化碳源于汽车的废气排放，8 0 的城市噪声由交通车辆造成；另外，一 项美国空气污染指数显示，美国城区中4 3 的n m o g 、5 0 的n 0 和8 2 的c o 都是由汽车废气产生的。在我国，随着国民经济的快速发展，城市用车数量急 剧增加，石油资源紧缺，价格逐年攀升，与_ f 圪同时，各大中城市空气污染指数 越来越高，联合国公布的全球空气污染最严重的城市里中国占据了三席。甚至 像大连、青岛这样的环保城市也出现了不同程度的污染，气候不断恶化。洪水 肆虐，疾病蔓延等等，这些都与城市汽车数量的增加有着千丝万缕的联系。 可见，正确处理好环境、能源及汽车工业的关系已经成为迫在眉睫的问题， 仨将直接关系着二十一世纪“绿色革命”的最终成果，也关系着全人类的健康 和幸福。 近年来，随着计算机技术和电力电子技术的发展，电动车逐渐成为了汽车 行业“绿色革命”的主角，那么什么是电动车? 电动车就是电力驱动的车辆， 由电动机、功率变换器和蓄电池组成了它的核心部分，其动力部分的特性与燃 油机有着本质的区别，它是一个涵盖了电力电子工程、机械和汽车工程、化学 工程、电力能源系统、交通运输工程以及环境工程的社会系统。 与传统的燃油汽车相比，电动车有如下的优点： 无污染电动车以电力为动力源，不会产生废气排藏，也没有机油、冷 却剂等污染物的存在： 无噪音燃油汽车的噪声已经成为城市的一种严重污染源，电动车的行 驶基本上没有噪声产生： 高效率在都市行车中，燃油汽车在交通灯处要重复起停，既大量消耗 了能量，又增办7 业已十分严重熙空气污染。两带有能量反馈型豹屯动攀。减 速停车时可以将驱动系统的能量“再生”地转化为系统的电能，这可以大大提 高能源使用效率，减小空气的污染；另外，在车辆下坡时将系统机械能回馈到 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 电源，也可以起到节能和提高能量利用率的作用。 方便电动车结构简单，不需要更换机油、油泵、汽化器等部件，不需 要添加冷却水； 经久耐用由于电动车结构简单，基本上不需要保养，除了定期充电和 更换电源之外，它的使用寿命比常规燃油汽车长的多。 而且，随着计算机技术、蓄电池技术、电力电子器件技术以及控制技术的 进一步发展，电动车将成为性能和价格上都媲美于燃油汽车的交通工具。我们 有理由相信，不久的将来电动车将可代替燃油汽车成为交通工具的主体，电动 车将带领汽车工业进入无“烟”的世界。 1 2 国内外电动车发展概况 1 8 3 4 年，美国人戴文波在英国城市布兰顿展示了世界上第一辆小蓄电池 车，它标志着电动车的问世，然而它却随着工业技术的不断提高销声匿迹。在 2 0 世纪中叶。电动汽车又成为世界汽车工业研究的热点，其直接推动力就是世 界石油资源日益匮乏所造成的能源危机，尤其以美国、日本和一些欧洲国家为 代表。 2 0 世纪7 0 年代初由于世界石油危机对美国经济的严重影响，美国政府下 定决心加快电动汽车的发展，其标志就是1 9 7 6 年国会通过的“电动汽车和复合 电动汽车的研究开发和样车试用法令( 第9 4 4 1 3 公法) ”，并拨款4 6 亿美元 资助电动车的开发。1 9 7 8 年美国国会通过“第9 5 2 3 8 公法”又加以修订，增 加拨款，责成能源部电力研究所与电力公司加快研制电动汽车，责成国家阿贡 实验室( a n l ) 与电池公司合作研制车用高性能蓄电池。8 0 年代美国已有4 0 0 多家电动汽车部件制造厂，有2 万辆以上的电动汽车投入使用。 日本是一个汽车大国，但由于它所处地理环境的限制，石油全靠进口，因 而对电动车的研制非常重视。1 9 7 1 年日本通产省将发展电动车列为1 2 个大型 课题项目之一，成立了电动车委员会、协会和工程研究会，以二轮摩托车为主 要对象大力开发电动车。8 0 年代它们以改造燃油车为突破口，生产了大约4 5 0 种电动汽车，但是由于车辆走行性能远远差于燃油车，严重影响了它的普及。 在我国，最早开发电动车的城市是上海，因为当时处于沦陷区的上海汽油 极端匮乏，为了解决市内交通问题，一家电机厂研制了3 0 辆电动小客车，但是 2 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 限于进口蓄电池质量问题，它们不久就被淘汰了。在6 0 8 0 年代之间，上海、 杭州、无锡等地又掀起了研制电动车的热浪，成立了一些全国性和地方性的电 动车辆学术团体，国家科委也将电动车的开发列入了“八五”科研计划，分别 于1 9 9 3 年和1 9 9 5 年生产出了多台试验样车，取得了一些阶段性的成功。但是 相对于美日等国，我国的电动车事业还处于初探阶段。 近年内，由于全球气候变暖、环境污染不断恶化，全世界不得不对电动车 研发的力度进一步加大。美国加州已颁布了零排放电动车( z e v ) 法案，它的几 大汽车制造商己广泛深入地开展了z e v 研究和开发。以通用汽车公司( g m ) 为 代表，它已开发了s a t u r ne v l 两座铅酸电池电动车。1 9 9 8 年，g m 一0 v o n i c 公 司与美国能源部合作研制了洲一n i 电池电动车，使电动车的一次充电行驶距离 高达1 6 0 k m ，而价格只有1 0 0 0 0 美元辆；另外，g m 公司于2 0 0 1 年已经开始生 产混合动力源电动车，在2 0 0 4 年有望生产燃料电池电动车。还有像福特汽车公 司推出的r a n g e re v 、克莱斯勒公司的e p i c 汽车等，都已经在一次充电行驶距 离上有了极大地突破。在日本，电动车协会予1 9 9 1 年1 0 月制定了2 0 0 0 年电动 车普及计划，再加上加州z e v 法案及世界各国对环保的要求，以丰田为代表的 几大汽车制造商异常活跃地进行着电动车的研发工作。它们最新生产的r a v 4 l v - - e v 使用洲一ni 电池，一次充电行驶距离达到1 3 0 k m ，最大车速达到8 0 k m h 。 另外，日产公司生产的a i t r a e v 一次充电的行驶距离也达到了1 2 4 k m ，最高 车速为7 5 k m h 。欧洲的一些国家，也生产出了以标致1 0 6 为代表的电动车，它 的一次充电的行驶距离达到了1 2 4 k m 。在我国，“九五”期间电动汽车( 概念车) 已作为重大科技产业工程项目展开实质性研究，但相比于国外产品化、商业化 的电动车现状，电动车产业仍处于初级阶段。目前，国内有许多厂商生产电动 自行车、电动摩托车并已经投放市场：在汕头南澳开辟了电动汽车示范区，有 1 7 辆电动汽车在进行试车，为制定有关法规和技术标准提供依据；另据报 道，2 0 0 0 年7 月3 日开始，参与香港“另类燃料公共小巴试验计划”的绿色专 线电动小巴车已经在港岛区试运行。这些都表明我国的电动车辆的研究开发已 经迈出了实质性的步伐。文后附表为我国生产的部分电动车资料。 1 3 电动车的分类及研究热点 电动车一般都由车体、电驱动系统和传动系统构成，其中电驱动系统作为 婴型查兰堡兰堂竺堡苎! ! ! 塑! 要害单元直接决定着电动车性能的好坏。在工业应用中，由于电驱动系统所处 的环境不尽相同，因此对速度的精度也提出了不同的要求，比如轧钢、造纸等 对速度精度非常敏感，需要建立闭环控制的驱动系统：而普通交通电动车辆对 速度精度要求相对较低，所以大都采用开环系统以简化电路和降低成本，如图 1 i 、1 2 所示。 匡亟 托圃 ：匪妇 il 娌币q l l 圉1 ，1 电动车开环驱动系统 匦到甲捍 ! i 压忐口上jl 控制h 一 图f2 电动车闭环驱动系统 显然，无论是开环系统还是闭环系统，蓄电池、功率变换器( 包括功率变 换和其控制部分 和电机共同组成了整个电驱动系统的心脏，因此自从电动车 诞生起，国内外关于电动车的研究也就紧紧围绕着电驱动系统的三大部件进行。 纵观电动车发展和研究的历史，可以按照三大部件对其进行如下分类： ( 1 ) 按照动力源分类： 电动车( b a t t e r y e i e c t r i c a lv e h i c l e ，简称为b e v ) ：以蓄电池作为动力 源，实现了零排放，但是蓄电池容量小，导致行车里程短，成为了制约 电动车发展的瓶颈问题。 一 混合动力源电动车( h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ，简称为h e v ) ：既有燃 油机的存在，也有蓄电池的存在，提高了燃油经济性，但没有达到零排 放，还多出了一套系统。 燃料电池电动车( f u e l c e l le l e c t r i c a lv e h i c l e ，简称为f o e v ) ：燃料 电池可成为未来电动车动力源的主流，它可极大地提高电池容量，解决 行车里程短的问题，但是技术水平尚未成熟，它已成为国内外研究的热 点；另外，其造价太高，经济性相对较低。 4 四川i 大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) ( 2 ) 按照驱动电机分类： 直流电机驱动的电动车：包括传统的有刷直流电机和无刷直流电机，在 国内有刷直流电机占有主导地位，而国外以无刷直流电机为主。虽然直 流电机具有可控性好，调速范围宽，控制电路相对简单，成本较低，起 动转矩大等优点，但它的缺点同样明显，有刷电机存在换向器，容易导 致换向火花的产生，维护困难，体积庞大，电磁干扰严重；对无刷电机 而言，虽然克服了有刷电机的一些缺陷，但是它的转子位置检测比较困 难，需要安装传感器，而且价格也颇高。 交流电机驱动的电动车：包括交流异步电机、永磁同步电机等。该类系 统主要采用变压变频( v a r i a b l ev o i t a g ev a r l a b i e f r e q u e n c y ，简称 为v v v f ) 控制、转差频率控制、矢量控制等技术，它们从电机结构和控 制技术上克服了直流系统的缺陷，因此已经成为了国际上电动车驱动系 统的主流。 开关磁阻电机驱动的电动车：开关磁阻机( s w i t c h e dr e l u c t a n o e m a c hi n e ，简称为s r m ) 虽然没有转子导体和永磁体，但它的转矩波动很 大，噪声严重，而且也需要位置检测，系统处于非线性等缺点，使其应 用受到了限制。 ( 3 ) 按功率流向分类： 单向功率电动车：该类系统中，能量按照从电源到变换器再到电机的方 向单向流通，不能将车辆在下坡或减速时系统的能量回馈至蓄电池，因 此能量的利用率低，节能效果差。 双向功率电动车：该系统与单向功率系统的最大区剐就在于将车辆在下 坡或减速时系统的能量回馈至蓄电池，能量利用率相对较高，节能效果 明显，利用回馈的能量可以一定程度上增加行车里程。 总之，从目前国内外研究的情况来看，电动车用动力源即蓄电池成为了制 约其快速发展的瓶颈问题。因此，关于各种高性能蓄电池的研究也就成为了国 内外研究的热点问题，但是限于技术、材料、造价等原因，在近期内彻底解决 电动车动力源问题的可能性较小，尤其国内的可能性更小；另外，鉴于电机理 论已经非常成熟，那么关于车用电机的研究很大程度上将寄望于新材料和新工 艺技术的发展，虽然逐渐出现了盘式电机等电动车专用电机，不过这并未从根 四川丈学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 本上解决制约电动车的发展的本质问题；至于对电动车用功率变换器的研究， 早期在国外掀起了一股热潮，也取得了一定成果，但在国内起步较晚，成果也 相对较少。尤其近两年内，国内外研究的焦点集中在燃料电池上，对于电动车 用功率变换器的关注程度越来越低，甚至没有取得什么可喜成果。然而，值得 我们注意的是，随着计算机技术和电力电子技术的高速发展，相对于蓄电池和 车用电机，电动车功率变换器将随着电力电子新器件、新拓扑、新控制技术的 出现拥有广阔的发展空间，电动车行业也将拥有一个良好的发展前景。所以， 作为专门从事电力电子技术的研究人员，我们应该把握这个机遇，通过深入研 究来推动电动车行业发展，同时也促进环保事、业的进步发展。 1 4 本文所作的工作 本文从电动车实现节能、增加车辆一次充电行驶里程、降低整机价格等角 度出发，通过对不同类型的双向d c d c 功率变换器深入研究，在b o o s t 双向 d c d c 变换器的基础上提出了一种z c z v s 双向d c d c 变换器与v v v f 交频调速器 结合，来驱动鼠笼型异步电机的节能型交流驱动系统。该系统在功能上完全实 现了车辆刹车减速或下坡制动时能量向蓄电池的反馈，达到了节能和增加车辆 行使里程的目的，提高了能量使用效率：另外，使用鼠笼型交流异步电机作驱 动电机，克服了传统直流电机驱动系统的很多缺陷，大大降低了成本，减少了 维护甚至不维护，非常适合于经常处于上下坡或刹车减速的电动车辆；此外。 本文的d c d c 变换器采用z c z v s 技术，既降低了开关管的损耗，增加了管子的 使用寿命，而且降低了电磁干扰，还提高了系统的效率。 文章系统地阐述了节能型电动车交流驱动系统的工 乍原理，分析和设计了 主电路和控制回路，在计算机仿真的基础上制造了3 0 0 w 的样机，通过实验测试， 验证了该系统的可行性。 g q ) j l 大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 2 双向功率变换器研究 21 概述 从前文可知，功率变换器是电动车辆能量流通的必经桥梁，它在一定程度 上影响着电动车性能的优劣。从国内外的研究情况来看，采用双向功率变换器 和新的控制策略，不但可以实现节能，增加车辆行车里程，还提高了蓄电池能 量的利用率。 本章将深入研究广泛用于直流调速系统的几种双向d c d c 功率变换电路。 2 2 双向d c - d c 功率变换电路 2 2 1 相移控制双向d c d c 变换器 逆变桥 q 1l o 。c 土一 ；lc 土 叫舀2 j 叫t 3 t l - j n l l k i ( t ) n _ c 3 ! 一 u d 龋 。t 压一型 汁叫与2 1 t 整流桥 d 引z 。j -y 一， 叶 i o n t 1 t 叫马 f o u t c o u t ： i ! r i d 酊卫正吁 3 t 叫# 1 。j 图21 相移控制双向d c d c 变换器 图2 1 为相移控制的双向d c d c 变换电路，它包含一个q ，q 。组成的逆 变桥和m ，m 。组成的整流桥，并通过一个高频变压器相连。图2 2 为相移控 制d c d c 双向变换电路工作波形，加在q 上的门极脉冲信号v 。同时加在 m ，、m 。上，q 2 上的门极脉冲信号v g , ：同时加在m ：、m ，上，r v v s , 2 超前 于v 。，、v 醉，因此称q 。、q ：为超前臂，q ，、q 。为滞后臂。 下面结合图2 2 分析该拓扑工作于正常负载下处于电动运行模式时的情 况，由于正负半周除了符号外在本质上完全相同，因此这里只介绍正半周工作 情况： ( 1 ) 模式1 ( t l t ( t 2 ) ：如图2 2 示，此时q 1 、q 4 已开通，输入电压v 。加 四川大学硕上学位论文( 2 0 0 3 ) 砘，l v s s 2 v g s 3 h “ l i i i ! l 一期穆 ：i l l ； 最选电压 启赆： ；y n 下 、0 2z 嘟i 、 j 。每 9 q in 疆 ： 、讲。 原边 e 瀛 固 - 驰：谶 | 翻ir 电压 l -啼 t l ：t 2t 3 【l “t 5t 6 图2 2 相移控制双向d c - - d c 变换器正常负载工作波形 在变压器原边上，由于m ，、m 。同步导通，那么变压器副边因为输入滤波 电容c 。的存在被箝位在输出电压v o 。水平上，此时前一阶段存储在变压 器漏感l 。及原边线圈上的能量就可回馈到电源中去。 ( 2 ) 模式2 ( t ： t t 3 ) ：f ：时刻处，变压器原边电流过零由负变正，并向 负载供出能量，那么漏感作为储能元件以妄= 乏一爰 匕充电至时 刻。 ( 3 ) 模式3 ( t ， t t 4 ) ：q 保持导通，而q 。关断，漏感l k 中的能量为q 的寄生电容c 。充电，同时q ，的寄生电容c ，放电。当心，= 0 时，q ，的体 内二极管d ，在z v s 下导通，为o ，的零电压开通创造了条件。( 此时需要注 意q 。、q ，之间必须有一定的死区时间，以防止直通，另外也可保证d ，在 z v s 下开通。) ( 4 ) 模式4 ( t 。 t t ，) ：这一阶段h q 做续流阶段，q 。、o ，继续保持导通， 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) l ，。中的能量继续向负载供出。由于c 。的箝位作用，那么变压器原边电流 将以石2 一专茁减小，直到q 。关断。 ( 5 ) 模式5 t ， t t 6 ) ：t ，时刻后，q ，继续保持导通，q 在大电流下关 断，那么c 。开始充电而c ：放电，一旦，= o ，d ：就可以在z v $ 下导通， 即q ，实现z v s 导通，进入负半周工作过程，不再说明。( 此时需要注意q 关断和q ，开通必须保证一定的死区时间。) 从上面的分析可以看出：开关管均工作于恒频状态下，同时实现了同步整 流。要调节输出电压的大小，只需改变v g s l 和v 鲫之间的时间差，即实现相移控 制；另外，所有开关管均可利用寄生电容及变压器漏感实现z v s ，从理论上讲 这降低了开关损耗，提高了拓扑效率。这些都是该拓扑的优点，不过它们是建 立在正常负载的前提下，如果系统处于轻载，由于相移间隔较小，负载电流很 小变压器原边电流也很小，使其在v 。到来之前已经进入负电流部分，将导 v g s l y g s 2 v t s 3 f g s t l lil j l j l l ：i i ! 原边电压i粜棚2 船通：i ! ： l f 谚写弋；：! ：懈 ； 卜酞i ! i _ ：； i i f i jli ：l i _ i i i i i j l 图2 3 楣移控制双向d c d c 变换器轻载时工作波形 四川丈学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 致q ：在v 。：到来时硬开通，负半周亦然，见图2 3 所示。因此说该拓扑的应用 应有一个比较严格的负载范围限制。 再者。考虑到该拓扑主要利用器件的寄生参数来实现z v s ，在实际电路操 作中很难准确把握。从电动车整体利益出发，该拓扑使用的开关器件过多，控 制电路肯定复杂，丽且大容量高频变压器的存在，进一步造成了有限空间的浪 费和成本增加，因此实用性、经济性相对较差。鉴于此，不再对该拓扑处于能 量回馈模式下的工作情况作进一步的分析。 22 2 零开关隔离式双向双半桥d c d c 变换器 i 卜j7 士 一 叫$ c 3 ： 一 i c cv c 一 ! c l 一 e 1c 。 叫岛 s 丰型= j 图2 4 零开关隔离式双向双半桥d c - - d c 变换器 如图2 4 所示，该拓扑包含了两个半桥桥臂，它们通过隔离变压器相连。 当能量从低压侧( 变压器原边) 传送到高压侧( 变压器副边) 时，拓扑工作于 b o o s t 模式，反之则工作于b u c k 模式。并将回馈的能量存储到电源中。为了 便于分析图2 ，4 的拓扑工作情况，现将其转化为以变压器原边为参考的等效电 路，见图2 5 所示a 图2 6 给出了该拓扑工作于b o o s t 模式下的基本波形，现 将一个工作周期划分为1 2 个工作区间，则对应的有： 阶段i ( f f 1 ) ：电路处于稳态，s 1 和d 3 保持导通状态。 阶段2 0 t f 2 ) ：在t 时刻，关断开关s 1 ，那么开关管的寄生电容c 。c ， 0 四川i 大学硕上学位论文( 2 0 0 3 ) 图25 零开关隔离式双向双半桥d 0 - - d c 变换器等效电路 和变压器的原边绕组将产生谐振，使得c ，：放电其两端电压u 。从 ( v l + v 2 ) 下降，c ，i 充电，相应地v r l 也从v 1 开始下降。此期间c ，、c 。 的充放电速度取决于= i ，- i d 。，若k 较大，则充放电时间较长。 阶段3 ( f 2 f t 3 ) ：在，2 时刻，v c d 已经减小到v 2 水平，此时一旦v c n 超 过v 2 ，那么d 2 将导通，为s 2 的零电压开通创造条件。由于、k 被箝位在 v 2 水平上，所以在f 2 到i ，i = i m ( 即f 3 时刻处) 这段时间内都可以在z v s 下 开通s 2 ，而j ，在恒定斜率下继续减小。 阶段4 ( f 3 f r 。) ：从，时刻后，由于1 ，l l l ，那么有一部分电流就从s 2 上流过，直到，。= 0 的时刻。此时由于，= 0 ，那么变压器副边电流也为 零，即流过d 3 的电流为零，在此之前s 3 就可以在z v s 下开通。 阶段5 ( r 。 r t ，) ：由于，过零后由正变负，。改变了流向，电流从原来 的d 3 上转移到了s 3 上，直到s 3 被关断。 阶段6 ( r ， f k ) ：在f 5 时刻关断s 3 ，那么开关管的寄生电容c f 3 、c 。和变 压器的副边绕组将产生谐振，使得c 。放电，c 。充电，k 也从v 3 开始下 降，充放电的时间长短取决于t ，时刻，。的大小，若，。越大则速度较慢，时 间越长。 阶段7 ( f 6 ， t ，) ：在f 6 时刻，v c h 已经增加到v 4 水平，一旦它超过v 4 ， 则d 4 因正偏而导通，为s 4 的零电压开通创造了条件，v c 。被箝位在v 4 水 平上。 阶段8 ( t ， f t 8 ) ：f ，时刻，s 2 被门极信号关断，寄生电容c ”c 。和变压 器的原边绕组再一次产生谐振，c 。放电c 。充电，v “从v 1 + v 2 t l 绛，v r ， 1 1 四川大学硕t 学位论文( 2 0 0 3 ) f、 j 卜、7 、t 1 -、 l k - - - _ l 义 1 么 、h - - - - 添 f 5 沙驯 、一 1， ， t i - l 1 d - 一 2 si + 1 (瓣f 筘。 2 门汪 c1c r ： f卜谮自 关j昕 t一谣拓 s !s ：is 4 s 2ss ： n 擞门极f 1 投 门极门极 门极门极 美断开通关断 开通关断 开通关断 图2 6 零开关隔离式双向双半桥d c - - d c 变换器b o o s t 椟式工作波形 从v 2 上升，此时上升速率的大小将取决于j 。+ f 。，之和，若较大则速率 较，j 、时问较长。 阶段9 ( f 8 f t 9 ) ：r 8 时刻，v c ，l 达到+ v 1 ，此后d 1 正偏，为s 1 在z v s 下 导通创造了条件，从f 。到，。处i ，= 0 之前的时间段内都可在z v s 下开通s 1 。 阶段l o ( t ， t ) ：在r 。时刻后i ，。改变流向，它不断增大直到达到，。水 平，流过d 4 的电流将减小到o ，而v ，保持在v 4 ，此之前可以使s 4 在z v s 下开通。 阶段1 1 ( ，l o ， i 将有部分电流从d 1 转移到 s l 上，宜到关断s 4 为止。 阶段1 2 0 一t ， ，一，) ：f 。时刻，给s 4 门极关断信号，那么电容c r 3 、c 。重 新进入充放电阶段，此时充放电的快慢将主要由i ，。的大小来决定。在r ，处， v 一的增加将使d 3 导通，s 3 就可以在z v s 第二次开通，并进入下一个开关 周期。 通过以上对零开关隔离式双向双半桥d c d c 变换器在b o o s t 模式工作情况 的分析，可以得出以下些结论： 型型奎兰堡主兰垡堡苎! ! ! 塑： 该拓扑通过关断主导通器件来强迫电流转移到相应的缓冲( 寄生) 电容上产 生充放电，以实现另一只管子体内二极管的预导通，为其z y s 创造条件；该拓 扑利用变压器实现了隔离，无需电压箝位电路和辅助谐振环节，与图2 1 相比， 在主拓扑结构上相对简化。 然而，与图2 1 相似的是，该拓扑在实现z v s 时，还是主要利用器件本身 的寄生参数，在实际电路中较难准确把握；开关管数量较多，控制电路较复杂， 较难满足轻型电动车辆功率变换器体积小型化要求，拓扑中变压器和多个电解 电容的存在浪费了很多空间。鉴于以上一些原因，不再阐述b u c k 工作模式下的 情况。 2 2 3z v t z c t 双向软开关变换器 与前文分析的两个拓扑相 比，图2 7 中的z v t 双向软开关 变换器大幅度简化了拓扑结构， 省去了变压器，大大节约了空间 和成本。其中的l ，、c ，为增加 的谐振环节，用于实现开关管的 z v t ，s 、s 。为电动运行开关， s 、s ：为能量反馈开关，下面分 别分析电路处于电动运行和能 量回馈模式下的工作情况。 ( 一) 电动运行模式：此时能 量反馈开关全部处于截至状 态，那么可将拓扑简化为图2 8 所示的电路，结合图2 9 的工 作时序波形，对一个电动运行 周期进行如下分析： 阶段s 1 ：开关s 、s a 均处 于关断状态，电容c 与开 关s 的体内二极管d 形成 图2 7z v t 双向软开关变换器 怿 “ r 2油丁 j1 图28z v t 双向软开关变换器电动运行等效电路 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) i 1 l i l厂 ： 八八 i ：l ：i 、 i 、 1 ： ! ，j i厂 一 l i y i 、，、 图2 9z v t 双向软开关变换器电动运行时序波形 一个续流回路。 阶段s 2 ：给开关管s 。一门极驱动信号，s 。导通，电感电流将以斜率为， 从零上升到，。 阶段s 3 ：当f 。= i 。时，流经d 。的电流为零，d 在z c s 下关断，l ，、c ，开 始谐振，电感电流将正弦上升。 阶段s 4 ：谐振后，当y ，余弦上升到电源电压k 时，开关s 就可以在z v s 下开通，并将s 。关断，将有一部分储存在电感中的能量被反送回电源，而 流经d ：的电流i 。将以一九线性下降。 阶段s 5 ：i 。继续下降，开关s 上的电流不断增加，直到i l ，为零使得d ：在 z c s f 关断。 阶段8 6 ：进入能量向负载传递的阶段，通过调节这一时间段的大小，就可 以调节输出电压的大小。 阶段s 7 ：关断开关s ，输出电流，。使得电容c ，以。勉线性放电直到其两端 电压等于o ，这样为d 零电压导通提供了条件，完成一个电动运行周期。 ( 二) 能量回馈模式：此时电动运行开关全部处于截至状态，现将拓扑简化为 图2 1 0 所示的电路，并结合图2 1 1 的工作时序波形，对一个能量回馈周期进 行如下分析： 阶段s 1 ：开关s 的体内二极管d 均处于导通状态，使电源与负载形成一个 能量回馈回路。 4 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 阶段s 2 ：给开关s ：门极驱 动信号使之导通，则电感 电流f 。将以斜率死，由零 上升。 阶段s 3 ：当i ，达到电源电 流，。时，流过二极管d 的 电流变为零，在z c s 下自 然关断，l ，、c ，开始谐振， 图2 1 0z v t 双向软开关变换器能量回馈等效电路 电感电流和电容电压分别按照正弦和余弦变化。 阶段s 4 ：当电容c ，两端电压v f ，( 即v ：) 从降到零时，那么开关管s 就可 以在z v s 下导通，此时关断s ：，将储存在电感中的能量回馈到电源中去， 原来的电感电流将通过二极管d 。流通并且线性地减小。 阶段s 5 ：电感电流i l ，继续减小，而i ：继续增加直到f n 为零，那么二极管d 。 就在z c s 下自关断。 阶段s 6 ：续流阶段。 阶段s 7 ：关断开关管s + ，电源电流，以1 池对电容c ，线性充电直到v 。等 于旷，这样二极管d 提前预导通为开关s 导通创造了条件并进入下一周期。 厂 l ill i 。 ：、j ：i 1卜：i n一。! ；厂 - _ _ _ i iy 、：，、 图21 1z v t 双向软开关变换器能量回馈时序波形 通过以上对z v t 双向软开关变换器在电动运行和能量回馈模式下各种工作 l ! ；i 川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 状态的分析，可以得出： 该类拓扑极大地简化了电路结构，控制也相对简化，能量回馈明显。另外， 采用z v t 技术，可以很方便地进行电压调节，开关频率控制容易等等。相对于 前文分析的两类拓扑，它更符合电动车电驱动系统的要求，不过，该电路还是 存在一些不足，比如实现z v t 需要增加辅助电路，在电动运行和能量反馈时， 系统都有两只管子工作，因此 每种状态下都需要两个控制电 路，所以有必要继续寻求能更 好地满足电动车驱动要求的功 率变换电路。至于z c t 双向软、 开关变换电路，它是z v t 双向 软开关变换电路在结构上的变 异，因此可以类似于z v t 电路 进行分析，在此不再赘述，只 给出其拓扑结构，见图2 ，1 2 。 图21 2z c t 双向软开关变换器 22 4 b u c k - - b o o s t 级联双向d c - - d c 变换器 图2 l 3 所示拓扑将一个b u c k 变换器和b o o s t 变换器级联在一起，具有升 压和降压的功能。当系统处于电动运行时，开关s ，、s 。均处于截止状态，s 。为 降压运行开关，若需要升压电动运行，则在保持s ，导通的前提下来动作开关是 实现；在系统处于能量回馈 模式时，开关s 。、s ：均处于 截止状态，如果采用降压回 馈导通开关s 。，如果需要 进行升压回馈，那么需要在 保持s ，导通的前提下，通过 操作s ，来实现。表2 1 给出 了所有的开关状态和对应的 动作情况。图21 3b u c k - - b o o s t 级联双向o c d c 变换器 1 6 四川大学顿l ：学位论文( 2 0 0 3 ) 表2 1b u c k - - b o o s t 级联双向d c d c 变换器工作状态表 工作状态 s 1s 2s 3 s 4 降压电动 s w i s h i n go f fo f fo f f 升压电动 o n s w i s h i n go f fo f f 降压回馈 o f fo f fs w i t c h i n go f f 升压回馈 o f fo f f o n s w i t c h i n g ( 一) 下面分析电动运行时电路的工作情况 降压电动运行： 此时只有开关s 处于工作状态。当s 在门极信号下导通后，将形成从 s 。到l 再到d 。的通路，那么电感l 中的电流将线性增加，能量一部分被存 储在电感中，另一部分送往负载：当s 。关断后，将形成一个从矾到l 到d 。 的续流通路，电感中的能量继续向负载供出，直到下一个开关周期到来。 显见这一阶段构成了一个b u c k 电路，通过调节开关管s 占空比的大小， 可将电源电压降至相应的输出要求，不过，这对于驱动电动车功率变换器 而言，显得比较多余，因为电动车电源电压一般都在十几到几十伏之间， 比电机驱动电压小，因此工作时大多需要升压而不是降压。 升压电动运行： 要进行升压电动运行，必须在s 保持导通的前提下进行，此时动作升 压开关s z ，则相应的有：当s 。导通后，将建立s ，、l 、s 。这样一条通路，能 量储存在电感中：当s ：关断后，建立s 。、l 、瓯的通路，电感中的能量向负 载供出。此过程显然是一个b o o s t 电路工作模式，而且还可以通过调节s ： 的占空比，对输出电压进行相应改变以满足实际需求。不过，在此值得注 意的是，如果s ，导通后，s z 尚未导通，那么必然建立了s 、l 、d ，的通路， 此时一旦s z 导通，则必然建立s 。、l 、s ：这样一条通路，但是二极管d 。是 否会自然关断就不能确定，尤其在实际电路中器件不理想的情况下，如果 d ：；不关断，它必然会影响电感中能量的储存。 ( 二) 下面分析系统处于能量反馈时的工作情况 当系统处于能量反馈模式时，开关管s 。、s 。全部处于截止状态。 降压反馈运行： 此阶段开关管s ，处于工作状态，而s 。处于截止状态。当s 。导通后，必 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 将形成s 。、l 、d j 这样一个能量反馈通路，反馈的能量被储存到电感l 中； 当s 。关断后，因为电感电流的存在，将迫使二极管眈导通，建立d 。、l 、 d 的续流通路。这与前文提到的降压电动运行一样，建立了一个b u c k 电路。 升压反馈运行： 此时s 。必须保持导通状态，而开关s 。处于开关动作状态。当s 。导通后， 那么将形成s 。、l 、s 。这样一个通路，能量被存储再电感l 中；当s ；关断后， 电感电流迫使二极管d 导通，形成s ，、l 、d 的续流回路，将电感l 中的能 量反送到电源中去。当然，这里同样存在着类似于b o o s t 电动运行中的问 题。 总之，通过研究b u c k - - b o o s t 级联变换器的工作原理，我们可以得到以下 一些结论： 该电路从主拓扑结构上极大地简化了复杂程度，实现了系统处于电动运行、 反馈运行时可降压、升压多种功能，比较适合于电动车辆的功率变换要求。不 过，它还存在着一些不足之处，除了前文分析工作原理时提到的问题外，还存 在着每个开关管都需要建立独立的驱动电路，而且在升压模式下又要改变s 、 s 。的驱动模式等问题。另外，该拓扑具有升压、降压两种功能，其实对于电动 车功率变换而言，这显得多余了，因此可以考虑将电动降压和反馈升压两种运 行模式省去。再者，相比于前文提到的几个拓扑，虽然它省去了谐振环节，但 并没有减少开关数量和驱动电路。 2 2 5b o o s t 双向d c d c 变换器 这是广泛用于国外直 流电机驱动的轻型电动车 辆上的功率变换电路。该拓 扑中开关数量少，因此在简 化拓扑结构的同时，也大大 降低了控制电路的复杂程 度；另外，省去了变压器和 大量电解电容，节约了很多 空间：系统电动运行时，实 图21 4b o o s t 双向d c d