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1、重点实验室开放项目结题报告（第十四期）双向DC-DC变换器在燃料电池能量管理中的应用项目编号：ZD201314062单 位：磁浮列车与磁浮技术重点实验室指导教师： 项目成员： 实验时间：2014年 9 月2014年 6 月一、概述我们此次实验项目的名称为“双向DC-DC变换器在燃料电池能量管理中的应用”。电动车燃料电池（FCEV)被认为是21世纪电动交通工具发展的最大成就。许多国家投资数百亿美元开发这个项目。双向DC-DC变换器是FCEV的一个核心部分。当车辆正常运行和加速时变换器给发动机提供能量，当车辆减速或制动是，则反馈能量。本课题是“燃料混合动力车电气模拟试验系统”中的一个部件。技术参数
2、如下：1 电池电压：DC24V2 双向DC-DC变换器输出电压24V 3 输出电流3A关键词：双向全桥DC/DC变换器充电模式放电模式控制模型 双向DC-DC变换器二、双向DC-DC变换器的几种典型拓扑双向DC-DC变换器是直流变换器的双象限运行，可实现能量的双向传输，在功能上相当于两个单相直流变换器，是典型的“一机两用”设备，在需要能量双向流动的场合可大幅度减轻系统的体积重量以及成本，具有重要的研究价值和实用价值。它的典型拓扑可分为：推挽正激移相式双向DC-DC变换器、级联式双向DC-DC变换器、正反激组合式双向DC-DC变换器；(一) 推挽正激移相式双向DC-DC变换器：其输出电感电流纹波
3、小、可以实现开关管ZVS开关的优点.为减小开关损耗,提出了一种谐振网络中谐振电容充电回路和放电回路分离的ZCT实现策略,减小了导通损耗和原有ZCT策略存在的开关管附加电流应力.研究了输入输出电压变比和移相角对移相式BDC环流能量的影响,指出移相式BDC方案不适于宽调压范围应用.最后把推挽正激电路应用在移相式BDC场合,它具有开关管有效箝位、响应速度快等优点.图一 推挽正激移相式双向DC-DC变换器原理图(二) 级联式双向DC-DC变换器 级联式BDC是一种新型BDC结构.首先以Buck/Boost BDC电路构建试验平台,研究了BDC的控制模型,指出单电压闭环的PID调节器可实现BDC系统稳定
4、.然后研究了直流变压器的工作特性,它具有易于实现ZVS开关、频带宽、功率密度高等优点.在此基础上,采用具有调压功能的Buck/Boost BDC和具有隔离变压功能的直流变压器级联,构成了级联式BDC.级联式BDC具有:两部分可分别优化设计、功率密度高、适于大变比变换的应用等优点.最后扩展了直流变压器的概念,提出了三种形式的AC-AC变压器,研究了控制方案,并进行了仿真和试验验证.该变压器的优点是:可对各种形状的低频电压进行比例变换、实现全部功率开关的ZVS开关、变换效率和功率密度高、宽频带、适用于各种负载性质等。图二 级联式双向DC-DC变换器原理图 (三)正反激组合式双向DC-DC变换器正反
5、激组合式BDC是一种新颖的BDC构成方案.正激和反激组合式BDC的一侧绕组串联,另一侧并联.这种结构的BDC拓扑解决了Buck/Boost隔离型BDC拓扑存在的开关管电压尖峰问题.正激和反激组合式BDC中的耦合电感和正激变压器一起向副边传递功率,克服了反激式BDC单纯采用耦合电感传递能量的缺点和移相式BDC采用变压器漏电感传递能量的缺点。图三 正反激组合式双向DC-DC变换器电力机车上的电动机是典型的有源负载，电动机根据驾驶员的不同指令既可以工作在电动状态，又可以工作在再生发电状态，既可以吸收电力牵引网电能将其转化为机械能及其它形式的能源输出，又可以将再生发电产生的电能反馈回牵引网中去。由于电
6、力机车中的电动机转速范围很宽，在这种情况下，双向DC-DC变换器可以将电力机车制动刹车时由机械能转换而来的电能，以可控的方式给蓄电池组充电。电力机车采用双向DC-DC变换器可以优化电力机车控制，提高机车整体的性能和能量使用效率。双向DC-DC变换器可以非常方便地实现能量的双向传输，使用的电力电子器件数目小，具有体积小、效率高、成本低等优点。双向DC-DC变换器原理：双向DC-DC变换器电路如图所示。通过控制开关T1和T2,达到双向直流升压与降压的目的。在升压运行时，T2动作，T1截止，变换器工作在Boost状态;当T1动作，T2截止时，变换器工作在Buck状态，实现降压功能。图四 双向DC-D
7、C变换器原理图三、双向DC-DC变换器基本原理3.1几种基本的变换器 电力电子变换器是应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电能的装置。电源可分为两类：一是直流电(DC)，其频率f=0；二是交流电(AC)，其频率f0。因此按转换电源的种类，可分为4类基本的电能变换器，如图1.1所示。 图1.1电能变换器类型 DC/DC变换器，又称直流斩波器，将一种直流电转换成另一种直流电的电能变换器，是直流开关电源的主要部件。 DC/AC逆变器，将频率0f=的直流电转换成频率0f的交流电的电能变换器，是交流开关电源和不间断UPS的主要部件。 AC/DC整流器，将频率0f的交流电转变成频率0f=的直流
8、电的电能变换器。 AC/AC变频器，将频率为1f交流电转变为另一种频率为2f交流电的电能变换器。 这四类变换器可以是单向的，也可以是双向的，单向电能变换器将从一端输入的电能经变换后从另一端输出，双向电能变换器可实现电能的双向流动。本文主要研究对象是电能可以双向流动的DC/DC变换器，也称为双向DC/DC变换器。3.1.1双向DC/DC变换器的原理介绍 单向DC/DC变换器，能量只能从一端输入，从另一端输出，如图1.2所示，这类变换器的主功率传输通路上一般都有二极管这个环节，因此变换器传递能量时只能是单向的，即图1.2中，能量只能从1V经变换器传输到2V，而不能反向流动。然而对于有些需要能量可双
9、向流动的场合（1V和2V可以是直流电压源或直流有源负载，它们的电压极性保持不变。能量有时可从1V传输到2V，有时可从2V传输到1V），如果仍使用单向DC/DC变换器，则需要将两个单向DC/DC变换器反并联，如图1.3(a)所示，单向DC/DC变换器实现从1V到2V的能量流动，反并联单向DC/DC变换器实现从2V到1V的能量流动。但是这样电路就会变得复杂化，实际上可以将这两个单向变换器的功能由一个变换器来完成，即是双向DC/DC变换器。 图1.2单向DC/DC变换功能框图(b)双向DC/DC变换器结构图1.3双向DC/DC变换功能框图 双向DC/DC变换器是指在保持变换器两端的直流电压极性不变的
10、情况下，能够根据需要调节能量传递方向的直流变换器，如图1.3(b)所示。双向DC/DC变换器置于电源V1和V2之间，控制其间的能量传递。I1和I2分别是V1和V2的平均输入电流。根据实际需要，可以通过双向DC/DC变换器的控制器控制功率流向：使能量从V1传输到V2称为正向工作模式，此时I1为负、I2为正；使能量从V2传输到V1称为反向工作模式，此时I1为正、I2为负。3.1.2 双向DC/DC变换器的构成方法图1.5双向Buck-BoostDC/DC变换器演变示意图 从电路拓扑上讲，单向DC/DC变换器可简化为含有如图1.4(a)所示单向基本变换单元的基本原理结构5，该基本变换单元由一个有源开
11、关和一个二极管构成，简单的实例如图1.5(a)中的单向BuckDC/DC变换器和图1.5(b)中的单向BoostDC/DC变换器，由于二极管的存在，能量只能单方向传输。而常规的双向DC/DC变换器可简化为如图1.4(b)所示双向基本变换单元的基本原理结构，此双向变换单元由两个各自有反并联二极管的有源开关构成（反并联二极管也可是有源开关管体内寄生二极管）。图1.5(c)为基本的双向Buck-BoostDC/DC变换器，它有两种简单的工作方式：2Q保持关断，Q1采用PWM方式工作，变换器实际为一个Buck电路，能量从V1传输到V2；Q1保持关断，Q2采用PWM方式工作，变换器实际为一个Boost电
12、路，能量从V2传输到V1。 用同样的方法，可以将升降压式(Buck/Boost)、库克(Cuk)、瑞泰(Zeta)、赛皮克(Sepic)、全桥(Full-Bridge)等直流变换器构成BiBuck/Boost、BiCuk、BiSepic-Zeta、BiFull-Bridge等双向直流变换器。 与传统的采用双-单向DC/DC变换器来达到能量双向传输的方案相比，双向DC/DC变换器应用一个变换器来控制能量的双向传输，使用的总体开关器件数目少，且可以更快的进行功率传输方向的切换。而且，一般双向DC/DC变换器更方便在现有的电路上使用同步整流工作方式，有利于降低通态损耗。总之，双向DC/DC变换器具有
13、高效率、体积小、动态性能好和成本低等优势。1.1.3双向DC/DC变换器的分类 按照双向DC/DC变换器的构成方法，双向DC/DC变换器可以由单向DC/DC变换器演变而来，按输入和输出之间是否有电气隔离，或功率开关器件的个数进行分类。 非隔离型双向DC/DC变换器有：BiBuck-Boost、BiBuck/Boost、BiCuk、BiSepic-Zeta等，这类变换器只能实现电流的双向流动，并不能改变电压的极性，故称为电流双向变换器，即在电压和电流为坐标的平面内，仅电流可正可负，变换器工作在第I和第II象限。电压双向变换器则只能实现电压极性的变换，电流方向不变，变换器工作在第I和第象限。桥式直
14、流变换器既能实现电流的正与负，也能改变输出电压的极性，为四象限直流变换器。因而这种四象限直流变换器对直流电机电枢供电时，可以使直流电机在四个象限区域工作。 隔离型双向DC/DC变换器有：反激式双向(Biflyback)DC/DC变换器，正激式双向(Biforward)DC/DC变换器，双向半桥(Bihalfbridge)DC/DC变换器，双向推挽(Bipush-pull)DC/DC变换器，双向全桥(Bifullbridge)DC/DC变换器等。不仅同一种类型的隔离直流变换器可构成隔离型双向DC/DC变换器，而且不同形式的隔离直流变换器也可组合成隔离型双向DC/DC变换器。 直流变换器的拓扑有很多种，也在不断发现新的电路拓扑。双向直流变换器的电路拓扑也在不断增加。双向直流变换器按开关转换条件，也可分为硬开关和软开关两类。3.2.2燃料电池电源系统 燃料电池是一种可以将化学能转变成电能的装置，在电动汽车和电力机车中有很好的应用前景。 在燃料电池系统中含有一个压缩机电机，正常运转情况下，该压缩机可由燃料电池输出电压供电，但在电动汽车启动时，燃料电池电压尚未建立起来，需要辅助电源来供电，提供压缩机电机的驱动能量，给燃料电池创造启动条件。辅助电源有两个作用:在燃料电池启动前，提供直流母线的电压；当汽车制动时，希望制动能量能够回馈并得到合理的应用。采用蓄电池作为辅助
