电动汽车复合能源系统的高效率双向DC-DC变换器的研究

孙运全;项伟;赵李凤;张华

【摘要】[ Abstract] In view of the defects of the long current reset time and the large amount of circulating energy of traditional full bridge bi-directional DC-DC converter used in the hybrid energy system of electric vehicles, a high efficiency bi-directional DC-DC converter with nonlinear inductor and novel phase-shift control scheme is proposed, in which nonlinear inductor is adopted for reducing current reset time while the novel control scheme completely e-liminates circulating energy, so effectively enhancing the efficiency of bi-directional DC-DC converter. The results of comparison in efficiency between novel and traditional bi-directional DC-DC converter by Matlab/Simulink simula-tion verify the superiority of the novel converter proposed.%针对电动汽车复合能源系统中使用的传统双向全桥DC-DC变换器存在电流复位时间长和循环能量大的缺陷，提出了一种带非线性电感且采用新颖的移相控制方法的高效率双向DC-DC变换器。采用非线性电感来缩短电流复位时间，并通过控制策略完全消除了循环能量，有效地提高了双向DC-DC变换器的效率。通过Matlab/Simulink仿真，与传统变换器进行了效率比较，验证了该变换器的优越性。

【期刊名称】《汽车工程》

【年(卷),期】2015(000)001

【总页数】5页(P21-25)

【关键词】电动汽车;双向DC-DC变换器;非线性电感;循环能量;移相控制

【作者】孙运全;项伟;赵李凤;张华

【作者单位】江苏大学电气信息工程学院，镇江 212013;江苏大学电气信息工程学院，镇江 212013;江苏大学电气信息工程学院，镇江 212013;江苏大学电气信息工程学院，镇江 212013

【正文语种】中文

前言

随着能源短缺和环境污染等问题的日益突出，电动汽车已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清洁汽车［1］。在现有条件下，动力电池的性能是电动汽车发展的主要瓶颈，而双向DC-DC变换器不仅能够实现电动汽车复合能源系统中电池与超级电容的配合工作，而且还可以实现能量回收，从而达到节能环保的目的，所以高效率双向DC-DC变换器必将成为新的研究热点。

目前，市场上一般采用的是移相控制的隔离电压源型BDC［2］。但是在传统双向全桥DC-DC变换器［3－4］的移相控制策略［5－7］中，存在着电流复位时间长和循环能量大的缺陷，降低了变换器效率［8－9］。针对电流复位时间长的问题，在传统拓扑结构上增加了非线性电感，以增大电流变化斜率，缩短时间间隔［10］。而对于存在循环能量这个问题，本文中采用一种新颖控制策略，可完全消除循环能量。此双向DC-DC变换器通过缩短电流复位时间和完全消除循环能量，来提高其效率。

1 传统移相控制策略的不足

传统电压源型双向全桥DC-DC变换器电路如图1所示。此电路由左右完全对称的全桥电路构成。在其工作过程中，两侧采用相同的开关驱动信号(具有一定相位差而占空比为50%的方波)，使其对角开关交替导通。这样变压器两边输出电压UL1、UL2就是两个占空比为50

%的方波电压［11］。通过控制UL1、UL2的相位差可以控制能量的流向。现在假设U1向U2传输能量，则图2就是传统移相控制的波形。其中，UL1、UL2分别为U1、U2经过全桥逆变输出的电压，UL为电感电压(即U1－U2)。

图1 电压源型双向全桥DC-DC电路拓扑

从图2可以看出，由于 UL1、UL2之间存在相位差，导致电感电压UL会在正负之间变化，然而电感电流不能发生突变，所以存在电感电流与初级侧电压相位相反的阶段(即图2中 t0－t11和 t2－t22阶段)。这样在功率传输过程中就会使能量回流入电源，称为循环能量。循环能量并没有真正传递，只是先由U1(或者U2)存储在电感L中，然后又传递回U1(或者U2)中，所以循环能量毫无实际意义，但是却在流动中产生损耗，这就势必降低了变换器的效率。其次，从图2中可以发现，电流上升和复位时间较长(t11－t1和t2－t22阶段)，这使同一个周期内传输的能量减少，也在一定程度上降低了效率。

图2 传统移相控制的波形

2 带非线性电感双向DC-DC变换器的控制策略

2.1 带非线性电感的双向DC-DC变换器

当初级电流从一个方向向另一个方向变化时，希望电感的值越小越好，以增大变化率，缩短这段时间。然而考虑扩大变换器零电压开关范围时，则希望滞后臂开关管关断后谐振电感的值足够大，以满足滞后臂开关管零电压导通的需要。显然线性电感不能满足上述要求，故须采用变换器非线性电感。提出初级侧带非线性电感的双向DC-DC变换器，其拓扑结构如图3所示。

图3 带非线性电感的双向DC-DC变换器拓扑

理想非线性电感LS如图4所示，当其上通过的电流小于临界饱和电流IC时，其电感量为恒定值LS0，储能正比于通过电流的平方;当其上通过的电流大于IC时，其电感量接近于零，储能维持恒定。

图4 理想非线性电感特性

2.2 改进型移相控制策略

提出一种带非线性电感双向DC-DC变换器的新颖控制策略，其控制波形如图5所示。在这个控制策略中通过控制开关管的导通顺序，最终使i1、i2在一个周期里都为正值或者零，这就说明能量只在一个方向流动，即彻底消除了循环能量［12］。

此控制策略在一个周期内变换器有10种状态，有两次完全一样的能量传输过程，故下面以能量由U1向U2传递为例，分析前半个周期的开关过程。

图5 新型移相控制波形

(1)模式1:t1－t2阶段

工作状态如图6所示。在t1时刻之前，S1、S2、S6、S7开通，电流反方向减小。在t1时刻(电感电流变为零)同时关断S2、S6且同时打开S4、S8。这时U1传输能量给L与LS，电感电流iL在U1的作用下线性上升，在t2之前iL小于IC，电感LS处于未饱和状态。变压器次级电流通过 S7、S8。这时，i1=iL，UL1=U1，UL2=0。

图6 模式1和模式2工作状态

(2)模式2:t2－t3阶段

工作状态仍如图6所示，但是在t2时刻iL=IC，其电感量变为零。此时初级电流iL在U1的作用下快速上升，这就使电流上升的时间大大缩短。

(3)模式3:t3－t4阶段

工作状态如图7所示。在t3时刻S5和S7同时关断。变压器初级电流流过S1、S4，次级电流流过S5、S8。此时UL1=U1，UL2=nU2=UL1(n为变压器匝数比)，则电流iL在UL1－UL2=0的作用下保持不变。

图7 模式3工作状态

(4)模式4:t4－t5阶段

工作状态如图8所示。在t4时刻关闭S1，打开S3。此时变压器的初级电流流过S3、S4，次级电流流过S5、S8。这时由于电感电流iL＞IC，其电感量仍然为零。此时UL1=0，UL2=nU2=U1，所以电感电流iL在UL2的作用下以很大的斜率线性下降。

图8 模式4和模式5工作状态

(5)模式5:t5－t6阶段

工作状态仍如图8所示。由于电感电流的下降，当iL=IC时，非线性电感开始退出饱和状态，其电感量变为LS。这时电路的总电感为L+LS，UL1=0，UL2=nU2=U1。由于总电感变大，所以iL在UL2的作用下以较小的斜率线性下降。

经过上述分析发现，电感电流的上升时间t升为(t3－t1)以及下降时间t降为(t6－t4)都大大减小，这就使变换器在一个周期里可以传输更多的能量，且电流i1、i2在一个周期里都为正值或者零，这从根本上消除了循环能量。所以综合上述两点，带非线性电感双向DC-DC变换器的新颖控制策略可以有效提高变换器的效率。

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