重点实验室结题报告

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。技术参数如下：

1 电池电压：DC24V

2 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.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--DC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f≠0。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

⑴DC/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。

⑵DC/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。

⑶AC/DC整流器，将频率0f≠的交流电转变成频率0f=的直流电的电能变换器。

⑷AC/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