混合动力电动车用高效双向直流变换器的设计
随着能源危机、环境污染加剧等问题的日益突出，绿且经济的电动汽车的发展越来越受到人们的重视，是21世纪最具有发展前途的绿清洁汽车。电动汽车是用电池替代传统燃油作为车载能源，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、提高电动汽车的整体效率和性能。
本论文针对传统以蓄电池为动力的电动车存在的问题，提出以超级电容加双向DC-DC变换器为辅助动力源的方案。该方案在弥补了蓄电池缺陷的同时，提高了整个系统的能源利用效率，并增加了电动车的续驶里程。在参阅国内外相关文献的基础上，论文在简要介绍了超级电容储能系统的基础上，分析了双向DC/DC变换器的拓扑结构，列举了四种非隔离型双向DC/DC变换器的拓扑结构，通过对它们的分析、比较，选取非隔离Buck/Boost双向DC/DC变换器作为本次设计的拓扑结构。论文分析了非隔离Buck/Boost双向变换器的惰行、Boost、Buck三种工作模式，Boost和Buck模式控制器均采用平均电流控制的方法，并对双向变换器进行了软开关分析，使用仿真软件MATLAB/Simulink建立了双向DC/DC变换器的仿真模型，仿真结果证明了理论分析和计算的正确性。
1.1 课题背景及研究的目的和意义
从蒸汽机发明至今的两个半世纪里，汽车工业得到了飞跃式的发展。汽车的出现和使用大大改变了人们的
生产生活方式，为人类社会的进步提供了巨大的推动力。可以说，汽车已经成为当今人类活动不可或缺的交通工具。
传统汽车消耗的是石油、天然气等不可再生能源，与传统耗能工业一样，传统汽车工业也面临着石油资源短缺，大气环境污染加剧等难题，传统汽车发展的道路困难重重。
依照国土资源部的统计，全国在2014年的石油产量是2.1亿吨，有138万吨净增长，增长率0.7%，2亿吨以上年产量已经连续5年。据海关总署公布的数据，我国在2014年的进口原油量是3.1亿吨，本国内的石油资源也是非常短缺，能源危机迫在眉睫。同时，随着我国人民生活水平的提高，我国的汽车保有量正快速增长，每年都会产生大量的汽车尾气，这使得大气污染日益严重。
电动汽车的出现在一定程度上能够缓解汽车工业面临的资源和环境的压力。相对于传统汽车，电动汽车在环境保护，经济技术等方面有着巨大的优势。传统的电动汽车以蓄电池作为整车的单一能量源，具有零排放、噪声低等优点。但是在目前的技术水平下，
动力电池相对滞后的发展制约着电动汽车的发展，以蓄电池为单一能源的电动汽车有以下问题：
(1)蓄电池比功率相对较低，电动汽车在重载时需要电池释放较大的瞬时功率，造成电池瞬时放电电流过大，从而减小蓄电池的寿命；
(2)蓄电池有充放电次数限制，电池的更换费用是一个问题；
(3)废旧电池的有比较大的污染，处置比较困难。
为了提高蓄电池的使用寿命并保证电动汽车在重载时较大的功率输出，由蓄电池和其他能源组成的复合电源系统进入了研究者的视线，例如超级电容。超级电容的一个突出优点是具有很高的功率密度，既可以作为电动汽车重载时的辅助能源，还可以作为电动汽车制动时的能量回收装置。但是，超级电容不能直接装在蓄电池上，而是要通过双向DC/DC和蓄电池一起组成复合电源来对外工作。双向DC/DC对于电动汽车来说是能量管理部件的核心之一，它的研究和应用正日益得到国内外机构和学者的青睐。如今，双向DC/DC凭借其能降低驱动系统成本，提高能源效率等优点，已经在混合动力汽车、电梯、城轨交通以及新能源系统等领域都得到了广泛应用。所以，双向DC/DC对缓解资源环境压力有着促进作用。因此，快响应，高可靠性和高效率的双向DC/DC变换器的研究对电动汽车的研究和发展具有重大的意义。
1.2国内外研究与应用现状
电动汽车行驶工况比较复杂，尤其是城市电动公交，启动和制动比较频繁。启动和制动过程中均会产生较大的瞬时功率和电流，如果单纯以蓄电池作为能量源直接接在电机上驱动电动汽车，将会对电池产生巨大的冲击，使蓄电池的使用寿命缩短，并且大大降低整车的能量利用率。所以，双向DC/DC变换器的加入，对于合理的控制能量的流动，减轻蓄电池的压力，提高电动汽车的运行效率很有帮助。基于这些
原因，国内外众多机构和学者纷纷对电动汽车以及电动汽车用双向变换器做了研究。
1.2.1电动汽车国内外研究现状
城市公交系统的公共汽车经常要制动启动，这会降低电机的工作效率，使能耗加大，电动汽车可以将这一能耗大幅降低。技术先进的欧美日等国家很早就开始了对电动汽车的研制。日本丰田公司首次将电动汽车投向市场使用，就是经典的Prius混合电动汽车，随后几年又相继推出Estima、Crown、Insight和Civic等混合动力电动汽车[9]。美国在电动汽车上的研究略滞后于日本，真正量产的电动汽车仅有福特和通用公司的极个别车型。法国的车用充电站比较普及，设施相对齐全，其电动汽车的推广早就上升到国家层面，包括各种激励补贴政策以及国家电动汽车协调委员会的建立，使得法国成为全球纯电动汽车应用最成功的国家之一
国内电动汽车起步相较先进发达国家滞后不少，但是发展较快，充满朝气的市场和
研究团队推动了电动汽车在国内的迅速普及。“十五”制定的“电动汽车重大科技专项”刺激了高校、科研机构以及企业等科研团队对电动汽车的研究11。哈尔滨工业大学、清华大学和浙江大学等高校和企业组成的联合实验室展开了对电动汽车的研究。金龙客车，比亚迪，五洲龙等电动汽车已经投入量产并走入城市道路和市民的车库中。随着国家对新能源汽车的进一步高度重视，中兴等企业也投入了对电动汽车的研究，其无线充电电动汽车已经奔跑在一些城市的道路上。
1.2.2电动汽车用双向DC/DC 的应用现状
为了降低蓄电池在电动汽车启动时的输出功率波动，提高制动能量回收率，普通装载双向DC/DC 变换器的电动汽车结构如图1.1所示。
驱
动
轴逆变器双向
DC/DC 蓄电池
电动机
图1.1装载双向DC/DC 变换器的电动汽车驱动系统结构图
图1.1所示的结构解决了蓄电池直接接收逆变器上的应力过大问题，但是没有能够解决蓄电池比功率低，使用寿命短和蓄电池承受的瞬时功率过大等问题，尤其当电动汽车启动和加速等需要较大电流时，蓄电池将承受较大的输出压力，这是该结构研究发展的最大瓶颈。
多能量源复合电源的出现为解决上述问题提供了新的可行方法。将超级电容引入电动汽车，与双向DC/DC 变换器组成的复合电源将蓄电池比能量高、超级电容比功率高的特点结合起来。加速时超级电容可以为逆变器提供额外的大电流，减速制动时可以把电机回馈回来的能量储存在超级电容里。这样就能够较好地解决电动汽车存在的问题，还能提高电源效率和整车动力性。图1.2是装载了含超级电容复合电源的电动汽车驱动系统结构图。
驱
动
混合电动车
轴逆变器双向
DC/DC 蓄电池
电动机超级电容
图1.2电动汽车结合超级电容驱动系统结构图
1.3超级电容
超级电容器是近年来出现的一种新型储能元件，它兼具蓄电池能量密度大和普通电
容功率密度大的优点，充放电速度快、效率高、无污染，且在使用中无须维护。因此，有人认为它是介于蓄电池与普通电容器之间的一种新型的能量器件。
超级电容器由于其无可比拟的优越性，具有广泛的应用性，如微处理器、系统主板等小功耗的电子设备的备用电源、电动汽车及混合动力汽车电源、变频驱动系统的能量缓冲器等。由于超级电容单体电压较低，通常为3~4V ，不能满足电动车辅助动力源的能量要求，所以必须将多个超级电容单体串并联组成超级电容器组使用。假设超级电容器组的一条串联支路由n 个特性相同的单体电容组成，再由m 条相同的支路构成并联支路，则超级电容器组的容量可表示为：
()/cell C C m n
=⨯（1.1）
等效内阻为： ()/cell r R n m
=⨯（1.2） 从以上两式看，可近似将超级电容等效为电阻和电容的串联，其简单的RC 等效模
型使外在电气特性被较为准确地反映了出来。
超级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，保持电源输出功率的稳定：
(2) 当汽车加速时，超级电容通过双向DC-DC 变换器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级电容中。
1.4本文研究内容
本论文主要完成的主要研究内容有：
(1)在了解本文研究背景情况下，介绍电动汽车在国内外的发展研究现状，然后对超级电容做了简单介绍。
(2)介绍了双向DC/DC 变换器，对非隔离型直流变换器和隔离型直流变换器进行比较，并对选择非隔离型直流变换器说明理由。
(3)对所选非隔离Buck/Boost 双向变换器的工作模式进行介绍，分别在Buck 和
Boost 工作状态下建立小信号模型和控制框图，用平均电流控制变换器
(4)使用仿真软件MATLAB/Simulink 搭建双向DC/DC 变换器仿真模型，并对电动汽车不同行驶工况下的双向DC/DC 变换器进行仿真，最后对本文做出简单的总结。
2双向DC/DC变换器电路拓扑结构
2.1双向DC/DC变换器
双向DC/DC变换器在电动汽车的电动机驱动系统中起着举足轻重的作用，可以根据系统的要求完成相应的功能。例如，在由电池组供电的电动机驱动系统中，DC/DC
变换器可以根据转矩参考指令和转速来调整电动机的输入电压，在电动机需要将机械能反馈回电池组的再生制动过程中，DC/DC变换器可以实现能量的反向流动。
(1)双向DC/DC变换器的概念
双向DC/DC变换器是DC/DC变换器的双象限运行。它的输入，输出电压极性不变，输入，输出电流的方向可以改变。变换器的输出状态可以在V-I的第一二象限内变换，即双向DC/DC变换器实现了能量的双向传输。从基本的变换器拓扑上看，用双向开关代替单向开关就可以实现能量的双向流动。
双向DC/DC变换器可以实现能量的双向流动，在功能上相当于2个单向DC/DC变换器的能量流动，是比较典型的“一机两用”设备。在需要能量双向流动的应用场合可以很大幅度降低系统的体积、重量及成本，具有很高的研究价值。
(2)双向 DC/DC 变换器的应用场合
当在一个系统中的直流电源间需要实现能量的双向流动时，就需要用到双向DC/DC 变换器。例如燃料电池系统、可再生能源系统、不停电电源系统、直流电机驱动系统、航空航天电源系统、电动汽车系统等各种系统中都有其应用的场合。实际上这样的系统已经走进了我们的生活中，例如具有双向功能的充电器在供电网正常时用于向蓄电池充电，一旦供电网供电中断，该电器可将电池电能返回电网，向电网短时应急供电。控制直流电动机的变换器也应是双向的，电动机工作时，将电能从电源送到电动机，电动机旋转，带动设备工作，制动时电机能量通过变换器返回电源。
(4)研究双向DC/DC变换器的意义
双向直流变换器是典型的一机两用设备，有很重要的研究价值。目前针对双向直流变换器的研究主要在两个方面：一方面是电路的拓扑，另一方面是电路的控制。目前研究的常见的几种拓扑结构存在下面一些问题：
(1)隔离型双向直流变换器因为含有隔离型Boost 存在开关管电压尖峰问题；
(2)移相式双向直流变换器通过变压器的漏感传递能量，存在环流大的问题；
(3)反激式双向直流变换器通过耦合电感传递能量，传输功率等级受到限制；
(4) Cuk和Sepic/Zeta型直流双向变换器由于电路拓扑结构复杂，能量传输复杂，实际应用很少。所以，
研究直流双向变换器的拓扑结构对了解双向直流变换器的适用场合有很重要的意义。在控制功率流向时，控制模型也很重要。因此，在不同的场合运用不同的控制模型，也是双向直流变换器的研究方向。