用于电动汽车的双向DC-DC变换器研究与仿真.doc

用于电动汽车的双向DC-DC变换器研究与仿真.doc 南京邮电大学 毕 业 设 计(论 文) 题 目 用于电动汽车的双向DC-DC变换器研究与仿真 专 业 学生姓名 班级学号 指导教师 指导单位 日期: 年 月 日至 年 月 日 毕业设计(论文)原创性声明 本人郑重声明:所提交的毕业设计(论文)，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本毕业设计(论文)不包含任何其他个人或集体已经发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。 论文作者签名: 日期: 年 月 日 摘 要 随着能源、环保等问题的日益突出，电动汽车成为近年来发展迅速的一种新型汽车，是21世纪最具有发展前途的绿色清洁汽车。电动汽车是用电池替代传统的汽油作为车载能源的，然而在现有的技术条件下，动力电池的性能是电动汽车发展的主要瓶颈。双向DC-DC变换器可以优化电动机控制、提高电动汽车整体的效率和性能。 针对双向DC-DC变换器存在的开关损耗高等问题，本文研究了一种隔离型双向软开关DC-DC变换器。在介绍变换器工作原理的基础上，本文着重分析了电压、电流的变化规律，特别是推导出各开关元件实现软开关的条件及其数学表达式，并得到了实现软开关的通用条件。最后通过Saber软件对电路在两种模式下的稳态工况和软开关特性进行仿真研究，仿真结果证明根据该通用条件设计的变换器能够在大负载范围内实现软开关。 关键词:双向DC-DC变换器;PWM控制;移相控制;软开关 ABSTRACT Electric Vehicle(EV) becomes a kind of new, fast-developing vehicle in the last years, which has the best future as a green vehicle, as the problems of energy and stenvironment are becoming more and more serious in the 21 century. The energy in EV is provided by storage batteries instead of traditional gasoline and the development of EV are limited by the capacity of its storage batteries with current technologies. It can improve the performance of the storage batteries and the working efficiency of driving systems by using bidirectional DC/DC converter in Electric Vehicle at present. A soft switching bi-directional DC/DC converter was developed to reduce switching losses. Operation principle of the proposed converter is introduced. The soft switching principle is also introduced briefly. On the basis of the operational analysis, the characteristic of the voltage and current is illustrated and the ZVS conditions of the different switches are also given in detail. What is more, the formula of the universal ZVS condition for all the switches is specially deduced to simplify the four ZVS conditions into one formula for the convenience of the design. And the steady state conditions and soft switching characteristic of the circuit in those two operating mode， are demonstrated by the Saber, experimental results obtained from the converter are shown to verify the validity of the universal ZVS condition. Key words: Bi-Directional DC/DC converter; PWM control; Phase-shift control; Soft switching 目 录 第一章 绪论 ...................................................... 1 1.1课题背景和意义 ................................................. 1 1.2双向DC-DC变换器概述 .......................................... 2 1.2.1双向DC-DC变换器的原理 .................................... 2 1.2.2双向DC-DC变换器的拓扑结构 ................................ 3 1.2.3双向DC-DC变换器的控制方式 ................................ 5 1.3双向DC-DC变换器在电动汽车上的应用 ............................ 6 1.4论文的主要研究内容和结构 ....................................... 9 第二章 双半桥双向DC-DC变换器工作原理与结构分析 .......... 11 2.1电动汽车双向DC-DC变换器 ..................................... 11 2.1.1燃料电池电动汽车能量管理系统 .............................. 11 2.1.2蓄电池燃料电池电动汽车动力系统工作模式分析 ................ 12 2.2双半桥双向DC-DC拓扑结构的选择与分析 ......................... 12 2.2.1主功率拓扑的选择 .......................................... 12 2.2.2控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 选择 .............................................. 13 2.2.3拓扑电路的分析 ............................................ 13 2.3变换器等效电路 ................................................ 14 2.4变换器换流分析 ................................................ 16 2.4.1正向工作模式 .............................................. 16 2.4.2反向工作模式 .............................................. 18 2.5正向/反向模式下的软开关条件 .................................... 19 2.6本章小结 ...................................................... 19 第三章 双半桥双向DC-DC变换器稳态特性分析与设计 .......... 20 3.1双向变换器输出特性分析 ........................................ 20 3.2变换器设计 .................................................... 22 3.2.1变压器漏感选择 ...................................................... 22 3.2.2开关管应力分析 ...................................................... 23 3.2.3输入电感设计 ......................................................... 24 3.3本章小结 ...................................................... 24 第四章 仿真验证 ................................................. 25 结束语 ............................................................ 28 致 谢 ............................................................ 29 参考文献 .......................................................... 30 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 第一章 绪论 1.1 课题背景和意义 当今世界，环境和能源问题成为世界各国关心的热点问题。随着环境污染和能源危机的日益严重，世界各国采取了提高能源利用率、改善能源结构、探索新 [1]能源、发展可再生能源等措施，以实现能源的可持续发展与和谐发展。2006年开始实施的《可再生能源法》，把能源作为国家发展战略的重点，将可再生能源发电提高到战略高度，并通过国家立法，为其发展和应用提供支持和保障。 全国政协副主席、科技部部长万钢在2009中国汽车产业发展国际论坛上说，电动汽车作为新一轮经济增长突破口和实现交通能源转型的根本途径，已经成为世界各主要国家和汽车制造厂商的共同的战略选择。在各国政府的大力推动下，世界汽车产业进入了全面的交通能源转型时期，越来越多的企业已经自觉把发展新能源汽车、节能环保汽车、电动汽车作为今后发展的目标，共识正在形成，转型已经起步。 我国在“十五”将混合动力电动汽车作为重点攻关项目，明确了我国的电动汽车发展重点:燃料电池汽车发展居首位，第二为混合动力电动汽车，兼顾纯电动汽车的基本原则。明确提出“三横三纵”的研发布局。在能源枯竭、环境恶化的大背景下，这些“利好”消息无不透露出电动汽车的春天信息。“以电代油”的 [2]电动汽车也因此站在了全球汽车产业竞技的制高点。可以预见，电动汽车产业链将以生产电动汽车的整车厂商为核心，向上下游延伸，受益方包括整车及能量转换和管理的DC-DC变换设备。 目前电动汽车电能动力系统动态性能差、不支持能量的双向流动(不能吸收汽车制动过程中产生的电能)的特点使得其作为动力源完全独立的为车辆行驶提供动力还不完善。因此多能源匹配构成动力系统成为目前可行的方案。然而，各种辅助能量装置的电气特性往往有很大差异，如何使这种由各种能量装置构成的混合动力系统能够稳定的、可靠的、高效的工作，成为提高电动汽车动力性能的 [3]关键问题。 双向DC-DC变换器是电动汽车(包括燃料电池电动汽车、混合动力电动汽车、纯电动汽车等)系统的动力系统重要部件，是构成能量双向流动实现能量有效管理和改善动力性能等不可缺少的关键环节。 目前各种电动汽车所使用的大功率DC-DC变换器存在着自身的功率损耗较大，能量转换效率较低等问题。而且大部分方案往往没有考虑燃料电池等电源较软的输出特性。设计出符合燃料电池等输出特性的大功率DC-DC变换器，不但可以改善燃料电池的输出特性，而且还可以更加有效的保护燃料电池，延长燃料电 [4]池的寿命。 1 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 本文结合PWM移相控制策略，设计双端口双半桥拓扑的小功率双向DC-DC变换器。有效地选取和调节变换器的各个参数，不仅关系到燃料电池和整车系统的正常运行， 而且也关系到整个燃料电池轿车的动力性能、能源利用效率及其他控制系统的稳定可靠运行。研究高效隔离式双向DC-DC变换器对于燃料电池电动汽车的开发研制具有十分重要的理论意义和工程应用价值。 1.2 双向DC-DC变换器概述 DC-DC变换器将输入的直流电压，经过高频斩波或高频逆变后，通过整流和滤波环节，转换成所期望幅值的直流电压。它在新能源利用、家用电器、工业控制、通信、国防、交通等领域都有广泛的应用。 2.1.1 双向DC-DC变换器的原理 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情况下，能 [5]够根据需要调节能量传递方向，实现电能双向流动的直流变换器。如图1-1所示是双向DC-DC变换器结构图。 II,,0,012 I2I1，， VV12双向DC-DC变换器 ,, II,,0,012 图1-1 双向DC-DC变换器结构 VVII双向DC-DC变换器置于电源和之间，控制其间的能量传递。和分别1212VV是和的平均输入电流。根据实际需要，可以通过双向DC-DC变换器的控制器12 VVII控制功率流向:使能量从传输到，称为正向工作模式，此时为负，为正;1212 VVII使能量从传输到，称为反向工作模式，此时为正，为负。 2112 双向DC-DC变换器实现了能量的双向传输，在功能上相当于两个单向DC-DC变换器。在需要双向能量流动的应用场合可以大幅度减轻系统的体积重量及成本，现已被广泛应用于UPS系统、航天电源系统、电动汽车驱动及蓄电池充放电维护 [6]等场合。一般来说，双向DC-DC变换器可分为隔离式和非隔离式2种，其中隔 2 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 离式的双向DC-DC变换器应用较多，电路拓扑有多种变化形式，前人在这一领域也做了不少研究工作。 2.1.2 双向DC-DC变换器的拓扑结构 同传统单向直流变换器一样，双向直流变换器分为隔离型和非隔离型两大类。下面分别列出了四种典型的非隔离型双向DC-DC变换器及其他几种改进的双向DC-DC变换器拓扑结构。 如图1-2所示是四种典型的非隔离型电路拓扑结构，分别是双向Buck/Boost变换器、双向半桥变换器、双向Cuk变换器以及双向SEPIC变换器，相对于隔离的变换器拓扑而言，其电路比较简单，采用的元器件相对较少。 D1D2 S1S2 V2C1C2V1L (a) 双向Buck/Boost变换器 D1S2 L V2C2 V1C1S1D2 (b) 双向半桥变换器 L1L2 C3 C2V1C1V2S1D2S2D1 (c) 双向Cuk变换器 3 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) L1 C3S2 D1 C1L2C2V1V2D2S1 双向SEPIC变换器 (d) 图1-2 四种典型的非隔离型双向DC-DC变换器 双向DC-DC变换器同样有反激式(Flyback)、正激式(Forward)、推挽式 (Push-pull)、桥式(Bridge)、电流馈式(Current-fed)以及其它一些混合式的隔离式变 换结构。图1-3介绍了几种改进的双向DC-DC变换器拓扑结构。 Lc Q5Q1Q7Q3 D5D1D7D3Sc L2 VbusVbat1:n Q6Q8Q2Q4CcD6D8D2D4 (a) 全桥双向DC-DC变换器 L1 Cc1Cc2V1V2Tx M3M4 M1 C2C1M2 (b) 双反激双向DC-DC变换器 4 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) S1 S3 L1 Rint C1Vbat S2 S4 (c) 双推挽双向DC-DC变换器 S1S3 D1C1D3C3 L1 V0 TxVin S4S2 D4C4D2C2 (d) 双半桥双向DC-DC变换器 图1-3 四种改进的隔离型双向DC-DC变换器 2.1.3 双向DC-DC变换器的控制方式 1.占空比(PWM)控制 非隔离型双向DC-DC变换器一般都采用PWM控制来调节与各个输入级中开关的导通时间，从而控制电源与负载，以及各个电源之间的能量传递。此外，通过PWM控制来调整各个开关的通断顺序，也能实现多个输入电源单独或同时向负载供电。 2.移相控制 文献[7]提出了PWM加移相复合控制的单输入不对称半桥双向DC-DC变换器，其等效简化电路以及电压电流波形如图1-4所示，通过占空比的PWM控制相 VVV当于在等效输入电压和等效输出电压之间加入了一个电子变压器，使和ABCDABV幅值始终匹配，并通过移相角的控制来调节传输功率大小和方向。该控制方式CD 主要应用于隔离型双向DC-DC变换器中，通过该方式控制开关管的通断，可以降低电流应力和通态损耗，并且在某一端输入电压变化范围较大时，拓展软开关工作范围。 5 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) (a)移相控制方式原理图 (b)电压电流波形图 图1-4 移相PWM控制方式的等效电路和电压电流示意图 1.3 双向DC-DC变换器在电动汽车上的应用 电动汽车中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，既可以吸收电池组电能将其转换成机械能输出(也可以将机械能转换成电能反馈绘电池组。由于电动汽车中的电动机的转速范围很宽，行驶过程中频繁加速、减速，而且在电动汽车运行过程中蓄电池电压的变化范围也是很大的，在这样的条件下如果用蓄电池组直接驱动电动机运转，会造成电动机驱动性能的恶化，使用直流/直流(DC-DC)变换器可以将蓄电池组的电压在一定的负载范围内稳定在一个相对较高的电压值，从而可以明显提高电动机的驱动性能。另一方面，DC-DC变换器又可以将电动机制动刹车时由机械能转化而来的电能回馈给蓄电池组，以可控的方式对蓄电池组进行充电，这对于电池电动汽车有着非常重要的意义，尤其是在电动汽车需要较频繁的启动和制动的城市工况运行条件下，有效地回收制动能量，可使电动汽车的行驶里程大大增加。电动汽车采用DC-DC变换器可以优化电动机控制、提高电动汽车整体的效率和性能，同时还可以避免出现反向制动无法控制和变换器输出端出现浪涌 [8]电压的不利情况。 目前，大多数DC-DC变换器是单向工作的，即通过变换器的能量流动的方向只能是单向的。然而。对于需要能量双向流动的场合，例如超容量电容器在电动汽车中的应用，如果仍然使用单向DC-DC变换器，则需要将两个单向DC-DC变换器反方向并联使用，这样的做法虽然可以达到能量双向流动的目的，但是总体电路会变得非常复杂，双向DC-DC变换器就是可以完成这种功能的直流变换器。 双向DC-DC变换器是指在保持交换器两端的直流电压极性不变的情况下，根据实际需要完成能量双向传输的直流变换器。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少，具有效率高、体积小和成本低等优势。 6 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 由于双向DC-DC变换器具有以上优点，使其在电动汽车的发展过程中一直得到应用: 1. 在电动汽车发展的初期，由于直流电动机结构简单，技术比较成熟，具有优良的电磁转矩特性，所以直流电动机得到了广泛的应用。对于采用直流电动机的电动汽车而言，图1-5所示为常见的利用双向DC-DC变换器的驱动系统结构图。 双向 直流电动机DC-DC驱动桥 变换器 图1-5 采用直流电动机的电动汽车驱动系统结构图 2. 由于直流电动机存在价格高、体积和质量大，维护困难等缺点，目前，电动汽车用电动机正在逐渐由直流向交流发展，直流电动机基本上已经被交流电动机、永磁电动机所取代。在这些应用场合，双向DC-DC变换器可以调节逆变器的输入电压，并且可以实现再生回馈制动。图1-6为这种驱动系统的结构圈。 双向三相DC-DC交流电动机驱动桥逆变器变换器 图1-6 采用交流电动机的电动汽车驱动系统结构图 由于交流电动机具有高功率密度、低转动惯量、转动平滑以及低成本等优点，因此其得到了越来越多的应用。对于这种交流电动机如果仍然采用通常的固定直流母线电压脉宽调制的驱动方式，较低的输入感抗必然会导致电动机电流波形中出现较大的纹波，同时会造成很大的铁损耗和开关损耗，使用双向DC-DC变换器就可以很好地解决这个问题。当采用这类电动机直接驱动电动汽车车轮时，由于电动机电流波形的纹波是与加在电动机输入端子上电压的瞬时值和电动机反电动势之间的电压差值成正比的，因此利用双向DC-DC变换器可以根据电动机的转速来不断调整逆变器的直流侧输入电压，从而减小电动机电流波形的纹波。另外，通过控制反向制动电流，双向DC-DC变换器可以将机械能回馈到蓄电池组或是一个附加的超容量电容器中，从而达到提高接车效率的目的。 3. 由于单一的动力电池难以满足电动汽车对于电池提出的各项要求，因此，人们开始探索将几种电池组合使用，以发挥它们各自性能上的优势。铅酸蓄电池 7 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 由于其技术比较成熟、价格比较便宜，长期以来一直作为电动汽车的主要能源，并且改进型的铅酸蓄电池也在不断推出之中。参考文献[9]提出了在以铅酸蓄电池为主电源的基础上附加高功率密度的超容量电容器作为辅助电源的电源结构，由铅酸蓄电池提供电动汽车正常运行过程中所需要的能量，由超容量电容器提供或吸收电动汽车加速或减速过程中的附加能量，这样一方面利用了超容量电容器功率密度大的优点，减少了对蓄电池峰值功率的要求:另一方面弥补了超容量电容器单一电源能量密度低的缺点，增加了电动汽车的行驶里程，也延长了蓄电池的使用寿命，降低了成本。在这样的电源结构中，由于超容量电容器的能量流动方向是双向的，因此，需要在超容量电容器与直流母线间接入双向DC-DC变换器。当电容器输出能量时，DC-DC变换器正向升压工作，将超容量电容器的电压升高到较高的直流母线电压;当电容器吸收能量时，DC-DC变换器反向降压工作，将母线电压降低以恒流的方式对电容器充电。 参考文献[10]指出在现有各种蓄电池中，燃料电池(FC)以:其优越的性能和良好的开发前景，被广泛认为是未来电动汽车车载电池的最佳选择。燃料电池平时将燃料和氧化剂分别作为电池两极的活性物质保存在电池的本体之外，当工作时，燃料连续通入电池体内，使电池放电。燃料电池所需维修少、保养费用低、启动时间短，图1-7给出了燃料电池的电流-电压特性曲线。 图1-7 燃料电池的电流-电压特性曲线 从图1-7可以清楚地看出燃料电池的特性，在燃料电池加载的起始阶段，其电U压下降较快;在起始阶段之后，当负载电流增加时，其电压下降率仍比普通电fc 池大得多，因此燃料电池的输出特性相对较软。此外，燃料电池的特点及结构决定了如果其输出功率波动较大，将会导致其效率下降。若以燃料电池作为直接驱动电源，因其输出特性偏软，必须在燃料电池之后接入输出特性较硬的DC-DC变换器，即由燃料电池和DC-DC变换器组成一个统一电源，由其负责对整车供电。为了提高峰值功率，改善燃料电池输出功率的瞬态特性，在燃料电池电动汽车电 8 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) [11]源中多加入超容量电容器。超容量电容器主要有三个作用: 1) 在燃料电池发电前通过双向DC-DC变换器升高电压，提供较高的总线电压能量，保持电源输出功率的稳定; 2) 当汽车加速时，超容量电容器通过双向DC-DC变换器，可以提供所需的峰值功率; 3) 汽车制动时，逆变器和双向DC-DC变换器将再生制动的能量存储到超容量电容器中。 通过加入超容量电容器和双向DC-DC变换器，提高了电动汽车的加速和减速 -8为燃料电池电动汽车的驱动系统结构图。 性能。图1 DC-DC燃料三相电动机驱动桥变换器电池逆变器 双向超容量DC-DC电容器变换器 图1-8 燃料电池电动汽车的驱动系统结构图 1.1 论文的主要研究内容和结构 双向DC-DC功率变换器要在电动汽车、航天等许多应用场合获得实际应用，但仍面临三大问题，即双向DC-DC功率变换器的功率密度、电磁兼容性和成本问题。软开关技术是解决功率密度和电磁兼容性问题的关键技术。 目前双向DC-DC功率变换器的软开关方法主要可以分为采用辅助开关软开关方法和不采用辅助开关软开关方法。采用辅助开关的软开关法有:零电压转换(ZVT)和零电流转换(ZCT)双向DC-DC功率变换器、有源钳位双向DC-DC 功率变换器。零电压转换(ZVT)和零电流转换(ZCT)双向DC-DC功率变换器 结合了PWM工作和谐振变换器的优点，但需要额外引入辅助开关，且辅助开关 通常为硬开关，在辅助开关上仍存在较大的开关损耗，因此实用性并不高。有源钳位的双向DC-DC [12]功率变换器也结合了PWM工作和谐振变换器的优点，但是也需要额外引入辅助开关。典型的有源钳位电流全桥式双向DC-DC功率变换器 虽然正向工作时可以实现软开关，但反向工作时辅助钳位开关为硬开关。因此，目前采用辅助开关的软开关双向DC-DC功率变换器存在电路元件多，需要额外引入辅助开关及其控制电路等缺点，因此影响成本和功率密度。而且，仍存在由于硬开关操作造成的 9 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 开关损耗和电磁干扰问题。 不采用辅助开关软开关方法有:谐振、准谐振、多谐振双向DC-DC功率变换器、准方波零电压开关双向DC-DC功率变换器、相移控制双向DC-DC功率变换器。它们的显著优点是无需增加辅助器件即可实现功率器件的零电压或零电流开关条件，电路简单、可靠、经济。但谐振、准谐振、多谐振技术的双向DC-DC功 [13]率变换器由于基于LC谐振工作原理，存在功率器件电压和电流应力大，通态损耗高，软开关的负载范围受限等缺陷;软开关准方波零电压开关双向DC-DC功率变换器虽然可以定额工作，但存在电流脉动大、功率器件通态损耗和铁心损耗大的缺点;相移控制双向DC-DC功率变换器具有功率器件电压和电流应力小，额定工作无需增加辅助器件即可实现功率器件的零电压开关条件等优点，但当功率变换器的输入电压或输出电压偏离标称电压时，移相控制在电路中造成严重环流，导致通态损耗的迅速增加和软开关条件的破坏，严重影响移相控制双向DC-DC功率变换器的应用。PWM控制具有器件的电压电流应力低、通态损耗小、无环流的优点，但功率开关为硬开关。若能将相移控制和PWM相结合，发挥PWM控制对双向DC-DC功率变换器的输入和输出电压大范围变化适应性强的优点，发挥移相控制具有无须辅助开关即可实现双向DC-DC功率变换器零电压开关的能力优势， [14]就可较好的解决双向DC-DC变换器在应用中所遇到的问题。 本文在深入了解双向DC-DC变换器最新研究动态和方向的基础上，分析介绍一种新型的中、小功率双向半桥零电压切换(ZVS)DC-DC变换器的拓扑结构。把软开关技术和PWM控制技术以及双向DC-DC变换器技术有机结合在一起，有效降低了电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关过程中产生的电磁干扰，为变换器装置提高开关频率和效率、降低尺寸和重量提供了良好的条件。同时，还保持了常规的硬开关半桥PWM双向DC-DC变换器中拓扑结构简洁、控制方式简单、开关频率恒定和元器件的电压和电流应力小等优点，通过仿真进行了验证分析。 本文结构说明如下: 第一章绪论部分介绍了课题的研究背景，双向DC-DC变换器的基本概念，应用场合，拓扑的衍化方式和国内外的研究现状，提出一种实用于燃料电池电动汽车的双向半桥DC-DC变换器的基本要求和解决的方法。 第二章详细分析了所提出的适用于电动汽车的双向DC-DC变换器的工作原理，根据各个开关管的开关状态，分析该等效电路的换流过程，推导出了实现软开关的条件。 第三章结合所提出的双向DC-DC变换器的稳态特性对电路的输出做了详尽的分析，并为实现该特性对电路中主要元件参数的选取原则进行推导和计算。 第四章通过Saber软件对双半桥双向DC-DC变换器在正向(Boost)和反向(Buck)两种工作模式下的工作进行了仿真，仿真结果验证了理论分析。 10 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 第二章 双半桥双向DC-DC变换器工作原理与结构分析 本章对本文提出的一种双半桥双向DC-DC变换器拓扑图进行了原理分析，并给出了此变换器的主电路参数设计。所提出的双向DC-DC变换器可以在不用增加辅助电路的情况下实现开关管的零电压通断，并且各开关管的反并联二极管的反向恢复特性良好。 2.1 电动汽车双向DC-DC变换器 2.1.1 燃料电池电动汽车能量管理系统 双半桥双向变换器的结构简单，隔离变压器的两端各有一个对称半桥。变换器中的功率传输由两个对称半桥之间的移相控制。无需另外加入任何辅助开关或无源谐振网络，变换器中的所有开关均可在双向变换中工作于零电压开通状态，且开关的电压应力低。另外电路中没有大的延时器件存在，变换器的动态响应较快。此变换器主要用于混合动力汽车燃料电池的辅助启动。该变换器实现了输入端与输出端之间的双向功率流动，与前述所提到的其它拓扑的直流变换器相比较， [15]具有下列优势:(1)元器件数目少;(2)在没有辅助器件和谐振电路的情况下，能够在较大的负载范围内实现软开关;(3)控制简单。此外，双半桥(DHB)DC-DC变换器的另一个重要优势是可以提供连续的输入电流，从而适合于连接蓄电池、超级电容器等储能元件。通过对输入电感电流的控制，也可以很容易实现每个输入端之间的功率分配。 高压直流母线 双向压缩机燃料电压CMEU逆变牵引蓄电池DC-DC电机电池箍位控制器器电动机变换器(CMEU) 图2-1 燃料电池电动汽车能量管理系统框图 近年来国内外的研究表明，蓄电池与燃料电池混合使用，蓄电池能量密度大的特性显著提高功率和电能利用效率，降低成本。蓄电池构成辅助储能装置连接的双向DC-DC变换器是此能量管理系统中的重要组成部分之一。通过双向DC-DC变换器可以满足这两个方面的要求:(1)蓄电池供电时，双向DC-DC变换器工作在升压放电(Boost)模式，在输入电池电压波动的情况下，使输出直流母线电压稳定 11 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 在高压，实现燃料电池的快速启动，并提高牵引电动机的驱动性能;(2)在汽车刹车制动时，双向DC-DC变换器工作在降压充电(Buck)模式，将由机械能转化而来的电能回馈给蓄电池。燃料电池电动汽车能量管理系统如图2-1所示。 )与负载之间有效地结合起来，需要一种合适的要使蓄电池和主电源(燃料电池 双端口双向DC-DC变换器。选择两端口双半桥(DHB)DC-DC变换器作为蓄电池和逆变器接口电路。 2.1.2 蓄电池燃料电池电动汽车动力系统工作模式分析 采用蓄电池(燃料电池电动汽车驱动牵引系统根据汽车行驶过程中的不同状 [16]态，有以下三种工作模式: 工作模式l:在汽车启动和加速时，燃料电池所发出的功率小于电机负载所需要的功率，此时燃料电池和储能元件蓄电池同时向负载供电; 工作模式2:当汽车行驶速度稳定时，燃料电池不但要保证给牵引电机供电，同时还要将蓄电池充电到合理状态，以备加速,爬坡时能提供瞬时功率输出，或者回收制动能量; 工作模式3:在刹车制动阶段，燃料电池停止供电，牵引电机工作在发电机状态，此时将制动能量回馈给储能装置，向蓄电池充电。 在模式1中，蓄电池处于放电状态，此时双半桥DC-DC变换器工作在正向Boost升压模式，使电能由低压侧流向高压侧时，高压侧电压达到预期值并保持恒定;而在模式3中，双半桥DC-DC变换器工作在反向Buck降压模式，通过回收制动能量对混合储能装置进行充电;在模式2中，双半桥变换器的工作状态处于半工作或待工作状态，实际上是Boost和Buck模式的过渡阶段。为了实现高效的电动功率分配和制动能量回馈，双半桥DC-DC变换器需要采用合理的控制方式，根据不同的负载情况来决定能量的流动方向，从而确定双向变换器的工作状况。本文将对双半桥DC-DC变换器在Boost和Buck两种基本模式下的工作原理进行讨论。 2.2 双半桥双向DC-DC拓扑结构的选择与分析 2.2.1 主功率拓扑的选择 在DC-DC变换器中，Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Flyback和Forward等单管构成的电路一般只适用于中小功率场合，而在中大功率场合，则一般采用半桥变换器。此外，由于本论文所研制的DC-DC变换器是将蓄电池输出的低压12V直流电，变换成300V稳定不变的直流电输出，输入输出差别比较大，所以非隔离型DC-DC变换器是不适用的。在隔离型的DC-DC变换器中，正激电路需磁复位绕组，变压器单向磁化，利用效率低。推挽电路铁芯容易引起直流偏磁饱和。反激变换器的功率很难做大，一般只用在数十瓦到百瓦级的功率变换场合。 12 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 对于半桥DC-DC变换器，由于开关管承担的电压电流应力小，功率变压器为双向磁化，磁芯利用效率高，易于实现大功率输出。半桥DC-DC变换器可以分为两类:一类是电压型，一类是电流型。电压型DC-DC全桥变换器是一种类似于Buck型的变换器，电路结构简洁，控制简单;电流型DC-DC全桥变换器则是一种类似于Boost型的变换器，该变换器的电感处于输入电源侧，可用于大功率功率 [17]因数校正电路。 综上所述，本变换器的主功率电路采用的是带隔离变压器的双向(正向升压Boost，反向降压Buck)DC-DC双半桥拓扑结构。 2.2.2 控制方案选择 传统的PWM全桥变换器，由于工作在硬开关状态，因而影响了效率的提高;谐振变换器可以工作在软开关状态，但它的输出变化是通过调节开关频率来实现的，这就给滤波器的优化设计带来了麻烦。而全桥移相软开关技术，以恒定频率PWM方式工作，在功率器件开关过程中谐振，使其工作在软开关状态，兼顾了PWM变换器和谐振变换器的优点。使用移相软开关技术的全桥电路的优点是: 1) 实现了功率管的ZVS(Zero-Voltage Switch)工作方式 2) 开关频率恒定 这种电路的缺点是: L1) 由于谐振电感的存在，造成了副边占空比的丢失 r 2) 电路内部存在环流损耗 对于存在副边占空比丢失的现象，可以用两种方法改善: L1) 谐振电感可以用可饱和电感代替。可饱和电感是一种工作在线性区时具r 有一定的电感量，工作在饱和状态时电感量为零的电感。 2) 采用辅助谐振网络来减小谐振电感，从而减小副边占空比丢失。 对于存在环流这种现象，可以使用零电压零电流开关(ZV-ZCS)方案，即左边桥臂实现零电压开关，右边桥臂实现零电流开关。但是，ZV-ZCS方案需要在变换器的主功率电路中串入某些元件(如阻断二极管、阻断电容等)，用以阻断变压器原边电流的反向通路。由于串入的元件不是理想器件，在变换器工作时它们存在通态损耗，这在低压大电流输入的情况下，损耗特别巨大。故权衡利弊，还是决定采用ZVS结合PWM加移相控制方案。 2.2.3 拓扑电路的分析 该电路包含一个输入级升压半桥电路，一个两绕组的高频变压器，以及一个输出级电压型半桥电路。从图2-2中可知，该双向DC-DC变换器(DHB)两端分别为高压侧和低压侧，可工作在升压和降压两种模式，具有能量双向流动的特点。 13 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 开关管S和S互补导通，S和S互补导通，当开关管S的导通相位超前于开关12341 管S的导通相位时，变换器工作在正向升压模式，而当开关管S的导通相位滞后31于开关管S的导通相位时，变换器工作在反向降压模式。由此可根据开关管S、31S的导通相位来控制变换器能量的双向流动。 3 图2-2 双半桥双向DC-DC变换器主电路拓扑 由图2-2可以看出该变换器输入级的组合式升压半桥拓扑单元是一个Boost升 L压电路与一个电压型半桥电路的复合。在Boost电路中，S的导通使得电感充2dc L电，导通时间的长短决定了中存储能量的大小，也决定了AB两点间的电压高dc 低。半桥电路中的S与S互补导通，使得加在变压器原边上的电压正负幅值分别12 等于电容C和C上的直流电压，形成了高频交流方波电压，导通的占空比决定了12 该交流方波电压的宽度。变压器副边高压侧是一个电压型半桥拓扑单元，利用S3和S的反并联二极管，把变压器上的脉冲交流电压整流成直流电，并对电容C43 V和C充电，从而实现了输入电源与高压侧负载之间通过隔离变压器的电能传递。4b 而当变换器工作在反向Buck时，拓扑结构是一个降压电路与电流型半桥电路的复合，能量由高压侧向低压侧传递。其工作过程与正向升压电路类似。 2.3 变换器等效电路 LL图2-3中的双绕组变压器中和分别为变压器原、副边的漏感，变压器在s1s2 变换器中所起的作用:(1)提供储能元件与负载之间的电气隔离;(2)从低压侧至高压侧的升压。变压器漏感被用作输入和输出负载之间的能量传递元件。 T由于变换器工作过程中是以变压器漏感作为低压侧和高压侧能量传递元r 14 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 件，因此在进行电路简化分析时，可以用漏感来代替变压器。变压器的漏感 ，双向DC-DC变换器的等效电路如下图2-3所示: LLL,，sss12 图2-3 双半桥(DHB)DC-DC变换器以原边为参考的等效电路 图2-4中显示了以原边为参考时，变压器两侧的理想电压与电流波形。低压侧 V(LVS)的半桥电路三在变压器原边生成了一个方波电压，而高压侧(HVS)的半桥p 电路在变压器副边生成了一个方波电压(K)。变压器两侧所传递的能量大小由方波电压之问的移相角来决定。而电流波形是由移相角以及(VVVV，)与(，)之间的1324电压关系来共同确定的，在下文中将进行详细论证。 图2-4 以原边为参考时变压器两次的电压和电流波形 15 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 2.4 变换器换流分析 [18]在分析该变换器的工作原理和换流过程之前，先作如下假设: 1. 变换器已达到稳态工作; 2. 所有开关管、二极管均为理想器件; 3. D为与开关管S相对应的寄生二极管，Cr为开关管S的对应结电容和外nnnn 并电容之和(其中n=1~4); 4. 输入电感L足够大，使得其中通过的电感电流i保持连续和恒定，纹波电dc1 流很小: 5. 变压器乃的激磁电感足够大，激磁电流较小，对功率流动的影响可以忽略不计; CCCVV6. 两侧的均压电容~以及输出滤波电容足够大，使~保持恒定。 140142.4.1 正向工作模式 在Boost模式下，隔离式双半桥DC-DC变换器变压器原副边在一个开关周期 -5所示。每个开关周期所对应的变换器工作模的电压电流波形以及开关时序如图2 态都是相同的。一个完整的开关周期根据状态的不同可以划分成13个工作区间ttt(~，12个时间点)。这里假设时刻之前的稳态对应于开关管S和D导通。 131121 在模态分析中，有两个概念说明如下: 零电压开通(ZVS):指的是工作电流从开关管的反并联二极管流过，在此期间，向开关管加驱动信号的状态。 开关管导通:指的是开关管在已施加正向驱动信号的状态下工作电流从反并联二极管转移到开关管的状态。 下面分别对各个模态做出换流分析: 16 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 图2-5 正向Boost模式下的电压电流工作波形以及开关时序 t模态l(之前):电路处于稳定状态，S和D导通。 131 tttCCL模态2(~):在时刻， S关断。、与变压器漏感发生谐振，使1121r1r2sCVVVCV得通过两端的电压从+开始下降，通过两端的电压形从0V开始r2r212r1r1 iVV上升。的上升率和的下降率相同，取决于S关断前流过开关管S的电流11offr1r2 iti即在时刻变压器原边电流与输入电流的差值。 p1dc ttVt模态3(~):在时刻，下降到0V，此后D正偏导通。在这段时间内，2232r2 S可以零电压导通。 2 ititt模态4(~):从时刻开始，小于，所以通过二极管D的电流转移到2p343dc ttS上。一直减小到时刻为0A，因此在时刻之前D一直导通。 2344 ittt模态5(~):从时刻开始，开始改变极性，因此D上的电流将转移到3p454 17 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) S上，S零电压导通。 33 模态6(~):在时刻，S关断。、与变压器漏感发生谐振，使得tCCLtt3565r3r4s通过两端的电压从+开始下降，通过两端的电压场从0V开始上升。CVVVCr4r434r3 i的上升率和的下降率相同，取决于时刻的值。 VVtpr3r45 模态7(~):在时刻，当过零变负时，D正向偏置。在这段时间里，tttV4676r4 S可以零电压开通。 4 模态8(t~):在t时刻，S关断。C、C与变压器漏感L又一次发生谐振，t2787r1r2s使得通过C两端的电压V从V+V开始下降，通过C两端的电压V从0V开始r1r112r2r2 VV上升。的下降率和的上升率相同，取决于S关断前流过开关管S的电流，22r1r2 i即在t时刻变压器原边电流与输入电流i之和。 p7dc i模态9(~):在时刻，当V开始过零变负时，D正向偏置导通，一直ttt1p898r1 增加到t时刻为0A。在这期间，S能够零电压开通。 19 ittt模态10(t~):从t到时刻，开始改变极性并持续增长直到时刻等于p91091010i，电流从D转移到S。 44dc ittti模态11(~):从时刻开始，开始超过，电流从D转移到S，S零111p101110dc 电压导通。 tttCCL模态12(~):在时刻，S关断。、与变压器漏感又一次发生4111211r3r4s CVVVCV谐振，使得通过两端的电压从+开始下降，通过两端的电压从0Vr3r334r4r4 iVVt开始上升。的下降率和的上升率相同，取决于时刻的值。 pr3r411 ttV模态13(之后):在时刻，当过零变负时，D正向偏置而导通。电路回31212r3 到初始状态(模态1)，在这段时间里，S能够零电压导通。 3 2.4.2 反向工作模式 由于双半桥DC-DC变换器两侧半桥拓扑结构的对称性，反向(Buck)模式的工 V作原理与正向(Boost)模式是相似的。由于电能流动的方向是相反的，电压的相s 18 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) V角要超前于。此外，输入电感电流也要反向流动。Buck工作模式的开关周期ipdc 也可以被划分为13个区间。每个区间的工作过程和换流分析都与正向 (Boost)模式相似，在本文中将不再论述。 2.5 正向/反向模式下的软开关条件 双半桥双向DC-DC变换器在正向模式下的工作原理:即开关器件关断时，会将其中通过的电流转移到相应的箝位电容中，从而使箝位电容与变压器漏感谐振，与同一桥臂上两个开关管并联的箝位电容分别进行充电和放电，电压线性上升和下降，从而实现零电压关断，而零电压开通的实现是通过使已施加正向驱动信号 [19]的开关管在反并联二极管导通时开通。 在Boost模式下开关管S~S的零电压开关(ZVS)的实现与开关管关断前时刻14 的原副边电流的状态有关，不同时刻的电流要求如式(2-1)。 itit()(),,pdc11,itit()(),,pdc77 (2-1) ,it()0,p5, ,it()0,p11, 对于Buck模式，由于电路结构的对称性及功率流向的反向关系，各模态以及各开关管的零电压开关(ZVS)条件与Boost模式相同，即式(2-2)。 it()0,,p1,it()0,,p7 (2-2) ,itit()(),pdc55, ,itit()(),pdc1111, 2.6 本章小结 本章结合双半桥(DHB)DC-DC变换器在燃料电池电动汽车动力系统中启动,加速，巡航,平稳运行和刹车,制动等模式的应用问题进行需求分析，然后分别对双向变换器主拓扑结构和控制方案的选择进行论证，对正向(Boost)和反向(Buck)两种模式下的等效电路工作原理、换流过程和以及软开关条件等进行了详细的理论分析，为下一步的稳态特性分析做准备。 19 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 第三章 双半桥双向DC-DC变换器稳态特性分析与设计 3.1 双向变换器输出特性分析 对双半桥DC-DC变换器输出稳态特性的分析是以图2-4所示的以原边为参考的等效电路和图2-5所示的变压器理想电压电流波形为基础的。 从图2-3中可以看出，在一个开关周期内，变换器有4种模态?~?。变压器i电流是,(=)的函数，其中，为开关频率。当占空比为D时，一个,t,,,2ffp 周期内正半周的方波长度为,,,2D。 2 在模态? VV，14 0,,,, (3-1) ()(0),,iI,，1ppL,s 在模态? VV,13,,,,, (3-2) ())()(),,,,iI,,，12pp11L,s 在模态? ,,VV23,,,,,,， (3-3) ()()(),,,,iI,,，212pp22L,s 在模态? ,，VV24,,,,，,,2 (3-4) ()()(),,,,,,iI,,,，，12pp1212L,s i由于一个周期内变压器正负半周的伏秒值应平衡，即变压器电流初始条件p应满足式(3-5)所示的边界条件 II(0)(),,,,pp2 (3-5) ,II()(),,，,,,pp112, 由式(3-1)~(3-5)可求得 VV,VV，1314 (3-6) ()(),,,,I,,,p112122LL,,ss VVVV,，1323 (3-7) ()(),,,,I,,，p221122LL,,ss i上述两式结合边界条件式(3-5)，可得的初始条件如式(3-8)，表明，流过漏p 20 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 感的电流i与电容电压、、、线性相关。 VVVVp1234 VV,VV，,1314()(),,,,I,,,p1121,22LL,,ss, ,,，VVVV,1323()()I,,， (3-8) ,,,,p2211,22LL,,ss, ,(0)()II,,pp2,,()()II，,,pp121,,,,, 由以上分析，可得变换器的输出功率: 2,ivd()(),,,pp,0 ,P02, ,,,,,，211212,，，，ivdivdivdivd,,,,,,,,,,,,(()()()()()())()())pppppppp,,,,0，,,,,12122, 11,,,,,D[4(1)]112DD (3-9) ,VinL4,,s v(),其中为式(3-10)所示的分段函数: p V0,,,,,12v(), (3-10) ,,p,,,V2,,,22, 而且满足条件: VDVD,,,,(1),12 (3-11) ,VVVD，,/in12, 由式(3-9)可见，其中，双半桥DC-DC变换器的输出功率可通过改变,,,2f ,移相角、占空比D或开关频率f进行调节。如果占空比D=50%，则输出功率P01 的表达式(3-9)可以进一步简化为如下式(3-12)的形式: 2V,,,,,,()(),,2in1111 (3-12) PV,,in02LfLs2,,,s 21 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 图3-1 输出功率P与移相角φ之间函数关系的二维曲线图 01 图3-1中显示了当占空比D和开关频率固定时，输出功率P和移相角,之间01 ,,,,/2函数关系的二维曲线图，其中的范围定义在，从图中可以看出，当[0,],11 P时，输出功率取最大值。 0 i根据式(3-12)，还可以推导出输入电感电流的表达式。 dc ,,,(),11 (3-13) iV,dcin2fL2,s 3.2 变换器设计 3.1.1 变压器漏感选择 开关电源中变压器是核心器件，变压器设计的好坏不仅影响变压器本身的发热和效率，同时也影响到开关电源的技术性能和可靠性。同时，许多其它主电路 [20]元件的参数设计都依赖于变压器的参数。因此，在主电路拓扑确定以后首先应该进行的是变压器的设计。这里只讨论变压器漏感的选取。 此变换器电路中变压器有三种功能: (1)变换器的高压侧与低压侧进行隔离; (2)低压侧电压到相应的高压; (3)变压器的漏感用来存储和传递能量。 变压器的匝比主要根据此变换器的高、低压侧的电压比来确定。变压器的漏感在此变换器是一个非常重要参数，它的取值直接影响到变换器的输出功率的大小。下面来讨论该漏感是如何确定的。先考虑没有损耗的理想情况，即变换器的输入功率等于输出功率。 由式(3-12)可得 22 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) ,,,(),211 (3-14) LV,sin2fP2,0 当时，取最大值，故变压器漏感的选取范围为式(3-15)所示: ,,,/2L1s 2Vin (3-15) L,s8fP0 变压器漏感的选取应根据输入输出功率适当选取。漏感过大，将使变换器的效率降低，漏感过小，将影响漏感与开关管并联电容的谐振，不利于开关管软开关的实现。 3.1.2 开关管应力分析 变换器开关管上的电压和电流应力是硬件电路开关器件选择中必须要考虑的因素。双半桥DC-DC变换器稳态工作时，低压侧半桥拓扑单元中的开关管S、S12 VVV,,,2的电压应力均为输入电源电压的两倍，即，由于低压侧输入speakspeakin121 电源电压较低，所以低压侧开关管的电压应力也相应地较低。而高压侧半桥拓扑 VVV,,单元中的开关管S、S电压应力均为输出电容电压，即。 43speakspeak3434 II电流应力包括开关元件和二极管的电流有效值和电流峰值。电流SWrms,SWpeak,的有效值决定了元器件的导通损耗，而电流的峰值则决定了元器件的电流额定值。通过对双半桥拓扑电路的分析可以看出，在变换器工作时，通过低压侧开关管的 III,,||电流有效值为:，而通过高压侧开关管的电流有效值为:Srmsdcp1,2 II,||。 SrmsS3,4 在双半桥DC-DC变换器的正向Boost工作模式情况下，通过图2-6可以观察 t到，在时刻，通过低压侧开关管S、S的电流达到最大值，这个时刻对应S的1227 t关断时刻，而在S关断时刻，即时刻通过高压侧开关管S、S的电流达到最大1341 值。 可以推出变换器低压侧和高压侧开关管的电流峰值为式(3-16)所示: IIIII,,,，|(0)||()|,,Speakdcpdr1,21132 (3-16) ,II,|()|,Speaks3,42, 由于开关管的导通损耗是软开关功率变换器的主要损耗，因此合理选取移相角，实现开关管电流应力的最优化，对于变换器效率的提高是非常重要的。 23 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 3.1.3 输入电感设计 该变换器输入端的平均电流为: LVtI,,,,/dcin ,I在已知输入电感电流纹波()的情况下，电感值可以通过下式来计算: Ldc IPV,/dcinin ，为变换器的开关周期。因此，根据变换器输入电源的功率其中,,,tDTTss 输出以及电流纹波值，可以选择输入电感()的值。 Ldc 3.3 本章小结 本章通过多个数学表达式理论分析了该变换器的稳态特性和输出特性，还分 ,析了移相角对变换器软开关范围的影响;对所提出的双半桥双向DC-DC变换器1 的变压器和电感等磁性元件的参数做了推导和理论设计的计算。 24 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 第四章 仿真验证 本章将通过Saber2007软件，对上文中双半桥DC-DC变换器在Boost和Buck 两种工作模式下的稳态工作性能和软开关条件进行仿真验证，表4-1中列出了变换 器相关的仿真参数。 表4-1 双半桥双向DC-DC变换器仿真参数设置 元器件名称 参数值 输入电感L 25,Hdc 4.4mF 低压侧分压电容C，C 12 高压侧分压电容C，C 330,F34 输出稳压电容C 660,F0 nn1:22:20变压器匝数比 变压器漏感L 0.5,Hs CC低压侧谐振电容， 1,Fr1r2 CC高压侧谐振电容， 0.1,Fr3r4 20KHz开关频率 i图4-1中显示了双半桥DC-DC变换器在正向Boost模式下，电感电流，变dc ViV压器两侧电压i、以及变压器漏感电流和的稳态工作仿真波形，其中输入ppss VV,12VV,250R,,100PW,1600电压，输出电压，负载电阻，功率，移in3400,,,0.16相角。 1 从图4-1看出，双半桥DC-DC变换器低压侧的半桥电路和高压侧的电压型半 VVV桥电路分别在变压器原副边生成两个方波电压和,原边电压相位超前r12r34r12 VI,0于副边电压，蓄电池和超级电容器处于放电状态，电感电流。通过改变r34dc1 高低压侧方波电压之间的移相角大小，可以改变变换器所传输的能量大小。 25 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 图4-1 双半桥DC-DC变换器在正向模式的稳态工作仿真波形 i图4-2中显示了双半桥DC-DC变换器在反向Buck模式下，电感电流，变dc1VVii压器两侧电压和，以及变压器漏感电流和的稳态工作仿真波形，其r12r34r12r34 VV,400VV,15R,,0.15PW,807中反向输入电压，输出电压，电阻，功率，34in1b11 ,,,0.2VV移相角，从图中可以看到，副边电压相位超前于原边电压，蓄电31r34r12 I,0池和超级电容器处于充电状态，电感电流。 dc1 26 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 图4-2 双半桥DC-DC变换器在反向模式的稳态工作仿真波形 本章通过Saber软件对双半桥双向DC-DC变换器在正向(Boost)和反向(Buck)两种工作模式下的工作分别进行了仿真，最后的仿真结果验证了理论分析。 27 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 结束语 本文主要研究了用于电动汽车的双向DC-DC变换器。在现有的技术条件下，电动汽车动力电池的性能成为困扰电动汽车发展的显著难题，因此双向DC-DC变换器在电动汽车上得到了广泛的应用。本文主要做了以下几个方面的工作。 1. 对国内外迄今为止所提出的各种DC-DC变换器拓扑进行了简要回顾和介绍，在对这些变换的优缺点进行综合比较的基础上，选择使用双半桥(DHB) DC-DC变换器，将该双向直流变换器拓扑作为本文的研究对象。 2. 结合双半桥(DHB) DC-DC变换器在电动汽车能量管理系统中的应用问题，从正向(Boost)和反向(Buck)两种模式对该变换器的工作原理、换流过程和软开关条件进行了系统的理论分析;通过数学表达式介绍了该变换器的输出特性;分析了移相角对变换器软开关范围的影响。 本文通过理论和仿真分析，验证了双半桥DC-DC变换器在两种模式下的稳态工况和零电压开关(ZVS)特性。 由于时间的限制，论文还存在一些不足的地方，如文中对于电动汽车能量管理系统的分析是一种简化的情况，在实际应用中还应综合考虑蓄电池的负电状态、负载需求等。这将是本课题今后的研究方向。 28 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 致 谢 值此论文脱稿之际，衷心地感谢我的导师王瑾老师。在这几个月的毕业设计过程中，自始至终得到了王瑾老师无微不至的关怀和悉心指导。导师严谨求实的科研态度、谦虚朴实的人品、广博的理论知识、忘我的工作精神和务实的工作作风，使我敬佩不已、终生难忘。王瑾老师认真负责的培育，潜移默化的熏陶，不但使我的知识水平和科研能力有了很大的提高，更重要的是使我接受了全新的思想观念，掌握了通用的研究方法，而且还明白了许多待人接物和为人处事的道理。在此，谨向王瑾老师表示由衷的感谢和诚挚的敬意～ 在我的整个课题研究和实践过程中，还得到我的同学郁玉彬、徐淼、蒋小波等的帮助和指导，在此表示深深的谢意;同时，也非常感谢罗佳瑞同学在毕业设计期间对我对工作的大力支持。 最后，我还要特别感谢我的家人以及所有的亲朋好友。他们对我深深的爱，以及坚定的支持和关心，是我不断进步的源泉，在此我要向他们表示由衷的敬意和真心的祝福～ 29 南京邮电大学2012届本科生毕业设计(论文) 参考文献 [1] 陈全世,仇斌,谢起成.燃料电池电动汽车.清华大学出版社,2005.55~58 [2] 赵川红,徐德鸿.PWM加相移控制的双向DC/DC变换器.电机工程报,2003.23(10): 72~77 [3] 马学军.数字移相控制隔离型半桥双向DC/DC变换器研究:[博士学位论文].武汉:华中科 技大学,2005 [4] Li Quan. Peter Wolfs. An analysis of a resonant half bridge dual converter operating in continuous and discontinuous modes. IEEE.2002.13l3~13l8 [5] 马棡, 瞿文龙, 刘圆圆. 一种隔离型双向软开关DC/DC变换器, 清华大学学报, 2006, 46(10):15~19 [6] 杨玉岗.现代电力电子的磁技术.北京:科学出版社,2003.267~283. [7] Su Guijia. Fang Z.Peng. Experimental Evaluation of a Soft-Switching DC/DC Converter for Fuel Cell Vehicle Applications.IEEE.2002.39~44 [8] 李瑛，王林山. 燃料电池. 北京:冶金工业出版社，2006 [9] 田玉冬、朱新坚、曹广益. 电动汽车的动力电池技术. 移动电源与车辆,No.3,2005: 36~41 [10] 任恒良,姚勇涛等.电动汽车用直-直变换器及控制方法.同济大学学报.Vol.3l No.5, 2006:591~594 [11] Fang Z. Peng, Hui Li etc, “A New ZVS Bidirectional DC-DC converter for Fuel Cell and Battery Application”, IEEE trans. Power Electron, vol 19, pp.54~65, Jan. 2004. [12] 范海峰，赵川红，徐德鸿. 双向DC/DC 变换器的改进相移控制设计[J]. 电力电子技术, 2003,37(3):12~14. [13] J.M.Zhang, David M.Xu, Zhaoming Qian, “An improved dual active bridge DC/DC converter. PESC’01 2001:232~236 [14] 肖华锋，谢少军.一端稳压一端稳流型软开关双向DC/DC变换器(II)-设计原则和实验研究 [J].电工技术学报.2006，21(11):34~39 [15] Kent Holland. Fang Z.Peng. Z-source Inverter Control for Traction Drive of Fuel Cell-Battery Hybrid Vehicles.IEEE.2005.1651~1656 [16] 张方华，双向DC-DC变换器的研究. 南京航空航天大学博士论文,2004.6.69~70 [17] 许海平,温旭辉,孔力.全数字化双向DC,DC变换器的分析与设计[J].电力电子技术， vol.37,2003,1l:13~17 [18] 唐杰.数字相移控制隔离Buck-Boost型双向DC-DC变换器的研究,[硕士学位论文],合肥: 合肥工业大学,2008 [19] 陈刚.软开关双向DC-DC变换器的研究:[博士学位论文],浙江:浙江大学,2007 [20] 张先谋.移相全桥软开关DC-DC变换器的研究，中国科学院硕士学位论文，2005 30