《電動汽車雙向直流傳動問題研究5500字（論文）》

PAGEPAGE8第一章引言隨著不可再生能源的不斷消耗，即將到來的能源危機迫使各國更加重視新能源的開發(fā)。作為一個國家經(jīng)濟發(fā)展重要支柱的汽車產(chǎn)業(yè)一直是一個高能源消耗產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)在越來越多的人擁有家用汽車，可以預(yù)見在將來人們對石油資源的需求將會越來越大。新能源電動汽車是汽車產(chǎn)業(yè)解決能源問題的重要突破口，將成為拉動國內(nèi)經(jīng)濟增長的一個新興產(chǎn)業(yè)。為了滿足動汽車中電池充電裝置，并解決傳統(tǒng)內(nèi)燃機的環(huán)境污染問題，目前大部分電動汽車使用的是大功率直流變換器，但由于其功率損耗大，能量轉(zhuǎn)換率低的缺點難以得到普及。在實際設(shè)計并實現(xiàn)一套專用的電池充電控制系統(tǒng)時，忽視燃料電池等電源軟輸出的特性也常常發(fā)生。雙向DC/DC變換器作為實現(xiàn)電力儲能源與負載的核心部件，受到電動汽車部門的廣泛關(guān)注，對其研究和發(fā)展勢在必行。本文基于電動汽車雙向直流傳動系統(tǒng)的基本特點和工作模式，分二端口和三端口兩種結(jié)構(gòu)，對目前研究熱門的雙向DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)進行了分析，并提出一種合適的控制方案。電動汽車雙向DC/DC發(fā)展現(xiàn)狀2.1電動汽車的特點電動汽車通常是一種速度較低的簡單四輪電動汽車，具有微型、短距離、在特定區(qū)域行駛等特點，但目前的法律屬性尚不明確。美國法律中對電動汽車有著較為準(zhǔn)確的規(guī)定，在規(guī)定中限制低速電動汽車車速，使其不能超過20-25英里/小時，并且對這種汽車的總重量也有所規(guī)定。另外，也需要具備汽車行駛證、汽車保險、和具備標(biāo)準(zhǔn)的車輛識別碼才能在路上行駛。電動車駕駛員在剛得到新車時，需要到美國的汽車管理部門登記注冊，在登記時要駕駛員要持有相關(guān)證件才能駕駛車輛。電動汽車有以下特點：電動汽車最主要的特點就是低污染。這是由于低速電動車使用的是電力驅(qū)動，駕駛時不釋放有害氣體。即使用含有石油燃料的火力發(fā)電廠滿足低速電動汽車的電力消耗，火力發(fā)電廠排放的熱污染物也不會達到類似汽油汽車的10%；電動汽車可以使用多種能源。因為低速電動車輛使用二次能源，因此它們不限于石油資源并且可以使用天然氣，水，太陽能等，能夠節(jié)省越來越多的石油資源；電動車輛沒有空轉(zhuǎn)損失，電池的轉(zhuǎn)化率也超過80%，這不僅對汽車的性能有所提高還能夠延長行駛距離。由于電能不容易在路上取得，電動汽車也提供有原油的發(fā)電機；電動車的噪音遠比傳統(tǒng)能源車要小，這是由于電動車所使用的驅(qū)動系統(tǒng)是電動機的緣故；加速性能良好。電動車輛不受傳統(tǒng)內(nèi)燃機的速度增加和變速器響應(yīng)的影響，其由電機提供動力并且具有較強的加速性能。2.2國內(nèi)電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀近年來，我國部分省市自發(fā)形成的低速電動汽車市場發(fā)展迅速。國內(nèi)外巨大的市場潛力吸引了眾多公司投資電動汽車行業(yè)，制造企業(yè)數(shù)量迅速增長。2010年，國內(nèi)唯一功率突破50KW的1.0L四缸發(fā)動機電動汽車長安Mini正式上市，達到世界頂尖水平；2011年10月，比亞迪E6純電動車在深圳正式上市。截至2019年底，據(jù)不完全統(tǒng)計，全國有200多家廠商正在開發(fā)或生產(chǎn)小批量電動汽車。僅僅是山東省，就有具有一定規(guī)模的十多家企業(yè)。在浙江、江蘇、安徽和廣東的南部地區(qū)，電動車制造商的數(shù)量逐年增加。目前，國內(nèi)電動車產(chǎn)業(yè)具有以下特點：企業(yè)眾多，地域分布廣，投資額低。2.3雙向DC/DC的研究現(xiàn)狀DC-Direct目前是直流的意思，DC/DC變換是將直流變換為直流，DC/DC轉(zhuǎn)換器就是將直流電變?yōu)橹绷麟姷脑O(shè)備，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為整流，功率流由負載返回電源的稱為有源逆變。DC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流，濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)及EMC指令的限制，直流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制DC/DC電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻，高壓，大電流開關(guān)動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作消耗增大，限制了DC/DC變換器模塊化的進程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度DC/DC變換按電路的接線方式可分，為半波電路，全波電路。按電源相數(shù)可分為，單項，三相和多相。美國供電是世界上專業(yè)生產(chǎn)直流/直流電源(DC/DC)變換產(chǎn)品的著名廠家，其產(chǎn)品在世界各地廣泛銷售，得到世界工業(yè)界的普遍應(yīng)用和好評。MPC是近些年新興的一種方法。傳統(tǒng)MPC使用６個非零電壓矢量和１個零矢量對指標(biāo)函數(shù)進行尋優(yōu)，選擇最優(yōu)電壓矢量來控制下一個周期。新型MPC中直接棄用零矢量，減小了共模電壓，將電流控制誤差減小和開關(guān)頻率降低都加入指標(biāo)函數(shù)中，每個周期采用６個非零矢量進行優(yōu)化運算，從而實現(xiàn)降低開關(guān)頻率的同時，保證電流控制效果。第三章電動汽車雙向直流傳動系統(tǒng)3.1雙向DC/DC變換器的應(yīng)用特點電動汽車的電機是典型的電源型負載，在車輛行駛時需要經(jīng)常變速，有較大的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍。因此在電機工作時，蓄電池電壓的變化范圍非常大。如果在一定載荷范圍內(nèi)，蓄電池組的電壓需要維持一定穩(wěn)定性并保持較高效率，就需要DC/DC變換器來輔助，并在一定程度上提高電機的驅(qū)動性能。當(dāng)雙向DC/DC變換器應(yīng)用于驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)時，電動機電流的高次諧波與輸入電壓的瞬時值、反電動勢的電勢差成正比。通過調(diào)控雙向DC/DC變換器電動機的轉(zhuǎn)速，逆變器的直流側(cè)輸入電壓隨之改變，進而減小其電流紋波。其次，通過雙向DC/DC變換器控制反制動電流，蓄電池組或大容量電容器可以加大電能補充，而使電動汽車的運轉(zhuǎn)效率得以提高。3.3雙向DC/DC變換器在電動汽車中的應(yīng)用情況電動機作為電動汽車的啟動部件，通常使用牽引型鉛酸蓄電池作為輸入電源，另一組啟動型鉛酸蓄電池或者大容量電容，負責(zé)電動汽車在突然啟動、加速狀況下提供短暫動能，這樣就能把大容量電容的高比功率和蓄電池高比能量優(yōu)點相結(jié)合。依靠雙向DC/DC變換器，實現(xiàn)能量在存儲源之間的雙向流動。DC/DC變換器作為完成HEV電力驅(qū)動能量組織管理的核心部件，其功能包括：管理蓄電池組、大容量電容互聯(lián)的充放電能量、驅(qū)動直流電機起動機。依靠電力電子功率電路，所有的這些功能都得以實現(xiàn)，而功率變換器拓撲、控制的實現(xiàn)方案，性能提高效率及減小損耗等方案，也是現(xiàn)在雙向DC/DC變換器的應(yīng)用研究重點。

第四章系統(tǒng)工作模式分析4.1燃料電池動力系統(tǒng)工作模式分析半橋是指雙向變換器在隔離變壓器的兩側(cè)。移相控制變換器在兩半橋間進行功率傳輸，不需額外的輔助開關(guān)或其他諧振裝置。所有的開關(guān)都可以在零電壓開通狀態(tài)下直接工作，有開關(guān)電壓應(yīng)力低的特點。此外由于變換器動態(tài)響應(yīng)較快，不需要設(shè)置大型延時器，多用于新型燃料電池的輔助結(jié)構(gòu)。雙向變換器由于其組件少，在較大的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)，因此能夠方便控制和分配每一個輸入端的功率。4.2雙向DC/DC變換器工作模式分析雙向DC/DC變換器在蓄電池開始工作時，系統(tǒng)中的雙向DC/DC變換器開始升壓，當(dāng)系統(tǒng)的輸入電壓波動較大的情況時，可以讓輸出主線的電壓處在高壓狀態(tài)，同時系統(tǒng)利用變換器開啟能量電池，這樣就能極大提升電動機的工作性能。反之，在減速的時候，輸出主線的電壓下降，系統(tǒng)中的雙向DC/DC變換器給反向降壓充電，把電動機制動時產(chǎn)生的附加能量回收，并給蓄電池組或電容補充消耗的電能。因此雙向DC/DC變換器將蓄電池、燃料電池（主電源裝置）有效地與負載結(jié)合起來，雙向DC/DC變換器的工作模式分析如下。在汽車行車的各種情況下，蓄電池、燃料電池的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)有不同的工作模式：在開啟和加速的時候，啟動功率要求燃料電池和儲能電容等一起供電，蓄電池放電，變換器升壓，向高壓側(cè)充入能量，使其上升至一個較高值；行車速度穩(wěn)定時，燃料電池在為電機供電的基礎(chǔ)上，還要給蓄電池充電，使其達到最優(yōu)狀態(tài)。變換器處在中間狀態(tài)，一方面保持加速時的較高功率，一方面回收附加能量，同時以負載狀況的差異調(diào)整電能流動方向，保障變換器的平衡狀態(tài)；減速的時候，電池不輸出電能功率，電動機反向工作，蓄電池吸收附加能量進行補充電能。這時變換器通過回收制動過程中的附加能量，來補充電能。

第五章雙半橋雙向DC/DC拓撲結(jié)構(gòu)研究5.1主功率的拓撲結(jié)構(gòu)在大功率直流變換器中，可靠性和功率因數(shù)是其中較關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。而電解電容是大功率直流變換器壽命的主要因素之一。電解電容的壽命主要與電容的工作頻率和外施電壓有關(guān)系，因此減小電解電容的工作頻率和外施電壓，可有效提高變換器開關(guān)電源的可靠性。此外，通過減小變換器開關(guān)電源輸入濾波電容的大小，可提高開關(guān)電源的功率因數(shù)。變換器開關(guān)電源按輸入電源的形式一般分為單相輸入型和三相輸入型。雖然單相輸入型開關(guān)電源輸入整流濾波電容的工作頻率和外施電壓較低，其可靠性較高，但所需濾波電容的容值較大，因此單相輸入型開關(guān)電源功率因數(shù)較低。三相輸入型開關(guān)電源輸入整流濾波電容的工作頻率和外施電壓較高，其可靠性較低。此外三相電壓相位相差120°，滿足電流紋波效應(yīng)的條件，所需濾波電容較小，即三相輸入型開關(guān)電源功率因數(shù)較高。三相輸入型開關(guān)電源變換器可降低主要元器件的電壓應(yīng)力，減小濾波電容的容值，提高變換器的可靠性、功率因數(shù)和功率密度。在中、小功率開關(guān)電源中，DC/DC變換器的電路拓撲具有結(jié)構(gòu)簡潔，控制簡單等優(yōu)點。對于單相輸入型變換器的電路拓撲，主要元器件的電壓應(yīng)力較小，輸入整流濾波電容工作壽命較長，但是濾波電容的容值較大，為提高電源的功率因數(shù)，一般需要體積重量較大的輸入LC濾波電路，降低其電源的功率密度。單相輸入型變換器的電路拓撲，其輸入整流濾波電路滿足電流紋波效應(yīng)的條件，所需濾波電容的容值較小，一般不需要輸入LC濾波電路，從而提高了電源的功率因數(shù)和功率密度，但是濾波電容的工作頻率和電壓均較高，主要元器件的電壓應(yīng)力較大，濾波電容工作壽命較短，即降低了電源的可靠性。此外，雙向DC/DC變換器分為正激式、反激式、橋式、電流饋式及其它一些混合式的變換結(jié)構(gòu)。在DC/DC變換器中，由正反單管等構(gòu)成的電路多普遍應(yīng)用在中小功率的地方，半橋變換器多應(yīng)用于大功率中。隔離型的DC/DC變換器當(dāng)中，正激式的變壓器的磁化情況是單方向的，進而降低了其可靠性。電壓電流應(yīng)力較小的半橋DC/DC變換器，其功率變壓器的磁化是雙方向的，在大功率輸出方面更容易實現(xiàn)。全橋變換器有電壓型和電流型兩種，電壓型全橋變換器電路結(jié)構(gòu)簡單、容易控制，類似于Buck型；電流型則與Boost型相似，適用于功率因數(shù)校正的大功率電路。5.2雙端口輸入雙向DC/DC變換器雙向DC/DC變換器在電動車得到越來越廣泛的重視與應(yīng)用，對于大氣污染與能源危機問題能得到有效的緩解。單向工作的DC/DC變換器為我們所熟悉和研究。然而電動汽車由于其在不同的工況下要實現(xiàn)功率在幾個電力儲能源之間雙向流動，如果使用單向DC/DC變換器，就需要將兩個單向DC/DC變換器反向并聯(lián)，使一臺變換器控制能量正向流動，另一臺控制能量反向流動。這樣就使控制系統(tǒng)復(fù)雜化，變換器裝置體積大，利用率和性價比都低，而且正向到反向的切換時間比較長。通過設(shè)計合理的拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法可以使一臺變換器完成兩臺單向變換器的功能，這就是雙端口輸入雙向DC/DC變換器。圖1雙端口雙向DC/DC變換器示意圖雙端口雙向DC/DC變換器保持直流電壓極性不變，根據(jù)需要控制能量的傳輸方向。在低壓大電流情況下，可使其工作在同步整流方式下，有利于降低開關(guān)管的通態(tài)損耗。雙向DC/DC變換器連接拓撲種類多樣，根據(jù)輸入和輸出端是否電氣隔離，可分為非隔離型和隔離型兩大類。5.3三端口輸入雙向DC/DC變換器近半個世紀(jì)以來，電動汽車一直使用了14V電氣系統(tǒng)。隨著科技的發(fā)展，電動汽車需要添加更多的高科技電氣產(chǎn)品，以提高汽車的運行性能，滿足用戶需求。對于14V的電氣系統(tǒng)，功率常常大于3kW，電流要超過200安培，如此大的電流會帶來諸多問題，如電線體積增大，成本提高，電路線損增大，負載電壓紋波增加，溫升提高等，電動汽車的相關(guān)性能受到威脅。因此綜合考慮，科研技術(shù)工作者提出了42V的電氣系統(tǒng)。增加一個高壓系統(tǒng)用來解決電流過大帶來的諸多問題，從而滿足電動汽車運行要求，同時實現(xiàn)能量的雙向流動，如圖2所示三端口變換器連接三個不同等級的電壓母線以實現(xiàn)系統(tǒng)中的能量管理。圖2三端口雙向DC/DC變換器示意圖三端口雙向DC/DC變換器根據(jù)不同的連接方式，分為隔離型和非隔離型兩種。連接方式一般包括直流鏈和磁耦合，直流鏈連接方式是通過轉(zhuǎn)換單元將各端口接到直流母線上，電容作為直流母線的能量緩沖單元進行能量傳遞；磁耦合連接方式是通過變壓器使各個端口之間實現(xiàn)電氣隔離。其中磁耦合方式可以使不同電壓等級的電源連接在一起。5.4控制方案橋電路用了移相軟開關(guān)之后，可實現(xiàn)功率管的ZVS方案，保持開關(guān)頻率的穩(wěn)定持續(xù)。但在另一方面，諧振電感會丟掉副邊一定的占空比值，也會造成環(huán)流損耗。對于副邊占空比丟失，可用可飽和電感代替諧振電感；也可用降低諧振電感的方式來解決。而對于環(huán)流，可用零電壓零電流開關(guān)來處理解決，就是用左側(cè)負責(zé)零電壓開關(guān)，右側(cè)負責(zé)零電流開關(guān)，但若想阻斷變壓器圓邊電流的反向通路，需將阻斷二極管、阻斷電容器等串接到變換器主電路中。因為元件并非是理想的，變換器運行過程中其會產(chǎn)生通態(tài)損耗，在輸入低