《电动汽车双向直流传动问题研究5500字（论文）》

PAGEPAGE8第一章引言随着不可再生能源的不断消耗，即将到来的能源危机迫使各国更加重视新能源的开发。作为一个国家经济发展重要支柱的汽车产业一直是一个高能源消耗产业。现在越来越多的人拥有家用汽车，可以预见在将来人们对石油资源的需求将会越来越大。新能源电动汽车是汽车产业解决能源问题的重要突破口，将成为拉动国内经济增长的一个新兴产业。为了满足动汽车中电池充电装置，并解决传统内燃机的环境污染问题，目前大部分电动汽车使用的是大功率直流变换器，但由于其功率损耗大，能量转换率低的缺点难以得到普及。在实际设计并实现一套专用的电池充电控制系统时，忽视燃料电池等电源软输出的特性也常常发生。双向DC/DC变换器作为实现电力储能源与负载的核心部件，受到电动汽车部门的广泛关注，对其研究和发展势在必行。本文基于电动汽车双向直流传动系统的基本特点和工作模式，分二端口和三端口两种结构，对目前研究热门的双向DC/DC变换器的拓扑结构进行了分析，并提出一种合适的控制方案。电动汽车双向DC/DC发展现状2.1电动汽车的特点电动汽车通常是一种速度较低的简单四轮电动汽车，具有微型、短距离、在特定区域行驶等特点，但目前的法律属性尚不明确。美国法律中对电动汽车有着较为准确的规定，在规定中限制低速电动汽车车速，使其不能超过20-25英里/小时，并且对这种汽车的总重量也有所规定。另外，也需要具备汽车行驶证、汽车保险、和具备标准的车辆识别码才能在路上行驶。电动车驾驶员在刚得到新车时，需要到美国的汽车管理部门登记注册，在登记时要驾驶员要持有相关证件才能驾驶车辆。电动汽车有以下特点：电动汽车最主要的特点就是低污染。这是由于低速电动车使用的是电力驱动，驾驶时不释放有害气体。即使用含有石油燃料的火力发电厂满足低速电动汽车的电力消耗，火力发电厂排放的热污染物也不会达到类似汽油汽车的10%；电动汽车可以使用多种能源。因为低速电动车辆使用二次能源，因此它们不限于石油资源并且可以使用天然气，水，太阳能等，能够节省越来越多的石油资源；电动车辆没有空转损失，电池的转化率也超过80%，这不仅对汽车的性能有所提高还能够延长行驶距离。由于电能不容易在路上取得，电动汽车也提供有原油的发电机；电动车的噪音远比传统能源车要小，这是由于电动车所使用的驱动系统是电动机的缘故；加速性能良好。电动车辆不受传统内燃机的速度增加和变速器响应的影响，其由电机提供动力并且具有较强的加速性能。2.2国内电动汽车发展现状近年来，我国部分省市自发形成的低速电动汽车市场发展迅速。国内外巨大的市场潜力吸引了众多公司投资电动汽车行业，制造企业数量迅速增长。2010年，国内唯一功率突破50KW的1.0L四缸发动机电动汽车长安Mini正式上市，达到世界顶尖水平；2011年10月，比亚迪E6纯电动车在深圳正式上市。截至2019年底，据不完全统计，全国有200多家厂商正在开发或生产小批量电动汽车。仅仅是山东省，就有具有一定规模的十多家企业。在浙江、江苏、安徽和广东的南部地区，电动车制造商的数量逐年增加。目前，国内电动车产业具有以下特点：企业众多，地域分布广，投资额低。2.3双向DC/DC的研究现状DC-Direct目前是直流的意思，DC/DC变换是将直流变换为直流，DC/DC转换器就是将直流电变为直流电的设备，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为整流，功率流由负载返回电源的称为有源逆变。DC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流，滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准及EMC指令的限制，直流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制DC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频，高压，大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了DC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度DC/DC变换按电路的接线方式可分，为半波电路，全波电路。按电源相数可分为，单项，三相和多相。美国供电是世界上专业生产直流/直流电源(DC/DC)变换产品的著名厂家，其产品在世界各地广泛销售，得到世界工业界的普遍应用和好评。MPC是近些年新兴的一种方法。传统MPC使用６个非零电压矢量和１个零矢量对指标函数进行寻优，选择最优电压矢量来控制下一个周期。新型MPC中直接弃用零矢量，减小了共模电压，将电流控制误差减小和开关频率降低都加入指标函数中，每个周期采用６个非零矢量进行优化运算，从而实现降低开关频率的同时，保证电流控制效果。第三章电动汽车双向直流传动系统3.1双向DC/DC变换器的应用特点电动汽车的电机是典型的电源型负载，在车辆行驶时需要经常变速，有较大的转速调节范围。因此在电机工作时，蓄电池电压的变化范围非常大。如果在一定载荷范围内，蓄电池组的电压需要维持一定稳定性并保持较高效率，就需要DC/DC变换器来辅助，并在一定程度上提高电机的驱动性能。当双向DC/DC变换器应用于驱动电动机旋转时，电动机电流的高次谐波与输入电压的瞬时值、反电动势的电势差成正比。通过调控双向DC/DC变换器电动机的转速，逆变器的直流侧输入电压随之改变，进而减小其电流纹波。其次，通过双向DC/DC变换器控制反制动电流，蓄电池组或大容量电容器可以加大电能补充，而使电动汽车的运转效率得以提高。3.3双向DC/DC变换器在电动汽车中的应用情况电动机作为电动汽车的启动部件，通常使用牵引型铅酸蓄电池作为输入电源，另一组启动型铅酸蓄电池或者大容量电容，负责电动汽车在突然启动、加速状况下提供短暂动能，这样就能把大容量电容的高比功率和蓄电池高比能量优点相结合。依靠双向DC/DC变换器，实现能量在存储源之间的双向流动。DC/DC变换器作为完成HEV电力驱动能量组织管理的核心部件，其功能包括：管理蓄电池组、大容量电容互联的充放电能量、驱动直流电机起动机。依靠电力电子功率电路，所有的这些功能都得以实现，而功率变换器拓扑、控制的实现方案，性能提高效率及减小损耗等方案，也是现在双向DC/DC变换器的应用研究重点。

第四章系统工作模式分析4.1燃料电池动力系统工作模式分析半桥是指双向变换器在隔离变压器的两侧。移相控制变换器在两半桥间进行功率传输，不需额外的辅助开关或其他谐振装置。所有的开关都可以在零电压开通状态下直接工作，有开关电压应力低的特点。此外由于变换器动态响应较快，不需要设置大型延时器，多用于新型燃料电池的辅助结构。双向变换器由于其组件少，在较大的负载范围内实现软开关，因此能够方便控制和分配每一个输入端的功率。4.2双向DC/DC变换器工作模式分析双向DC/DC变换器在蓄电池开始工作时，系统中的双向DC/DC变换器开始升压，当系统的输入电压波动较大的情况时，可以让输出主线的电压处在高压状态，同时系统利用变换器开启能量电池，这样就能极大提升电动机的工作性能。反之，在减速的时候，输出主线的电压下降，系统中的双向DC/DC变换器给反向降压充电，把电动机制动时产生的附加能量回收，并给蓄电池组或电容补充消耗的电能。因此双向DC/DC变换器将蓄电池、燃料电池（主电源装置）有效地与负载结合起来，双向DC/DC变换器的工作模式分析如下。在汽车行车的各种情况下，蓄电池、燃料电池的电动汽车驱动系统有不同的工作模式：在开启和加速的时候，启动功率要求燃料电池和储能电容等一起供电，蓄电池放电，变换器升压，向高压侧充入能量，使其上升至一个较高值；行车速度稳定时，燃料电池在为电机供电的基础上，还要给蓄电池充电，使其达到最优状态。变换器处在中间状态，一方面保持加速时的较高功率，一方面回收附加能量，同时以负载状况的差异调整电能流动方向，保障变换器的平衡状态；减速的时候，电池不输出电能功率，电动机反向工作，蓄电池吸收附加能量进行补充电能。这时变换器通过回收制动过程中的附加能量，来补充电能。

第五章双半桥双向DC/DC拓扑结构研究5.1主功率的拓扑结构在大功率直流变换器中，可靠性和功率因数是其中较关键的技术指标。而电解电容是大功率直流变换器寿命的主要因素之一。电解电容的寿命主要与电容的工作频率和外施电压有关系，因此减小电解电容的工作频率和外施电压，可有效提高变换器开关电源的可靠性。此外，通过减小变换器开关电源输入滤波电容的大小，可提高开关电源的功率因数。变换器开关电源按输入电源的形式一般分为单相输入型和三相输入型。虽然单相输入型开关电源输入整流滤波电容的工作频率和外施电压较低，其可靠性较高，但所需滤波电容的容值较大，因此单相输入型开关电源功率因数较低。三相输入型开关电源输入整流滤波电容的工作频率和外施电压较高，其可靠性较低。此外三相电压相位相差120°，满足电流纹波效应的条件，所需滤波电容较小，即三相输入型开关电源功率因数较高。三相输入型开关电源变换器可降低主要元器件的电压应力，减小滤波电容的容值，提高变换器的可靠性、功率因数和功率密度。在中、小功率开关电源中，DC/DC变换器的电路拓扑具有结构简洁，控制简单等优点。对于单相输入型变换器的电路拓扑，主要元器件的电压应力较小，输入整流滤波电容工作寿命较长，但是滤波电容的容值较大，为提高电源的功率因数，一般需要体积重量较大的输入LC滤波电路，降低其电源的功率密度。单相输入型变换器的电路拓扑，其输入整流滤波电路满足电流纹波效应的条件，所需滤波电容的容值较小，一般不需要输入LC滤波电路，从而提高了电源的功率因数和功率密度，但是滤波电容的工作频率和电压均较高，主要元器件的电压应力较大，滤波电容工作寿命较短，即降低了电源的可靠性。此外，双向DC/DC变换器分为正激式、反激式、桥式、电流馈式及其它一些混合式的变换结构。在DC/DC变换器中，由正反单管等构成的电路多普遍应用在中小功率的地方，半桥变换器多应用于大功率中。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，进而降低了其可靠性。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，在大功率输出方面更容易实现。全桥变换器有电压型和电流型两种，电压型全桥变换器电路结构简单、容易控制，类似于Buck型；电流型则与Boost型相似，适用于功率因数校正的大功率电路。5.2双端口输入双向DC/DC变换器双向DC/DC变换器在电动车得到越来越广泛的重视与应用，对于大气污染与能源危机问题能得到有效的缓解。单向工作的DC/DC变换器为我们所熟悉和研究。然而电动汽车由于其在不同的工况下要实现功率在几个电力储能源之间双向流动，如果使用单向DC/DC变换器，就需要将两个单向DC/DC变换器反向并联，使一台变换器控制能量正向流动，另一台控制能量反向流动。这样就使控制系统复杂化，变换器装置体积大，利用率和性价比都低，而且正向到反向的切换时间比较长。通过设计合理的拓扑结构和控制方法可以使一台变换器完成两台单向变换器的功能，这就是双端口输入双向DC/DC变换器。图1双端口双向DC/DC变换器示意图双端口双向DC/DC变换器保持直流电压极性不变，根据需要控制能量的传输方向。在低压大电流情况下，可使其工作在同步整流方式下，有利于降低开关管的通态损耗。双向DC/DC变换器连接拓扑种类多样，根据输入和输出端是否电气隔离，可分为非隔离型和隔离型两大类。5.3三端口输入双向DC/DC变换器近半个世纪以来，电动汽车一直使用了14V电气系统。随着科技的发展，电动汽车需要添加更多的高科技电气产品，以提高汽车的运行性能，满足用户需求。对于14V的电气系统，功率常常大于3kW，电流要超过200安培，如此大的电流会带来诸多问题，如电线体积增大，成本提高，电路线损增大，负载电压纹波增加，温升提高等，电动汽车的相关性能受到威胁。因此综合考虑，科研技术工作者提出了42V的电气系统。增加一个高压系统用来解决电流过大带来的诸多问题，从而满足电动汽车运行要求，同时实现能量的双向流动，如图2所示三端口变换器连接三个不同等级的电压母线以实现系统中的能量管理。图2三端口双向DC/DC变换器示意图三端口双向DC/DC变换器根据不同的连接方式，分为隔离型和非隔离型两种。连接方式一般包括直流链和磁耦合，直流链连接方式是通过转换单元将各端口接到直流母线上，电容作为直流母线的能量缓冲单元进行能量传递；磁耦合连接方式是通过变压器使各个端口之间实现电气隔离。其中磁耦合方式可以使不同电压等级的电源连接在一起。5.4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