双向DC/DC变换器在电动汽车上的应用

伴随着能源枯竭、环境保护等问题的日益突出，作为21世纪最具有发展前途的绿色清洁汽车，电动汽车成为新时代的宠儿。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{奉的效率和性能。

电动汽车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、提商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电压的不利情况。

目前，大多数的DC/DC变换器都是单向工作的，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窟流变换器。

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。

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得到了广泛的应用：

(一)电动汽车发展初期，因为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1-1所示为常见的利用双向DC/DC变换器的驱动系统结构图。

(二)在之前的电动机使用中，我们发现，直流电动机存在价格高、体积和质量大、维护困难等缺点，因而，电动汽车用电动机正在逐渐由直流向交流方向发展，目前，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1-2为这种驱动系统的结构圈。

电动汽车用电动机是一些具有较低输入感抗的交流电动机，由于它具有高功率密度、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。电动汽车车载电动机是无刷直流电动机(BDCM)，在基速之上为了实现恒功率运行可以采用弱磁控制方式，然而，弱磁控制会导致电动机效率的下降以及增加电动机转子设计的复杂性。因而提出在基速之上可以通过直流升压变换器将蓄电池组的直流电压升高以扩大无刷直流电动机的速度范围。电动机的电压升高，电流随之下降，恒功率运行方式得以实现。由于回馈制动的需要，因此也必须采用双向DC/DC变换器。

(三)因为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，所以，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。铅酸蕾电池由于其技术比较成熟、价格比较便宜，长期以来。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。

本文提出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率加速或减速过程中的附加能量，这样一方衙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。

目前，在各种蓄电池中，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。燃料电池相比传统的铅酸蓄电池具有以下几方面的优势：

一是发电效率离，FC的理想效率为82.9%，而火力发电的最大效率不会超过50%。

二是污染小、噪声低，足理想的清洁能源。

三是比功率高，占用空间小，使用寿命长。

四是适应能力强，可以应用于很多场合，对负载响应速度快。

燃料电池平时将燃料和氧化齐《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—3给出了燃料电池的电流电压特性曲线。

我们从图1-3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，其电压U。下降较快。在起始阶段之后，当负载电流增加时，其电压F降率仍比普通电池大得多，因此燃料电池的输出特性相对较软。除此之外，燃料电池的特点鼓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。若以燃料电池作为连接驱动电源，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)当汽车制动时，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菱换器，提高了电动汽车的加速和减速性能。图1-4为燃料电池电动汽车的驱动系统结构图。