双向DC/DC变换器的广泛应用

电动汽车中的电机是典型的有源负荷，电机根据驾驶人的不同指令，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给电池组。由于电动汽车电机的转速范围很宽，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很大，在这样的条件下，如果用蓄电池组直接驱动电机运转，会导致电机驱动性能恶化，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荷范围内稳定在一个相对较高的电压值，从而明显提高电机的驱动性能。另一方面，DC/DC变换器又可以将电机制动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，这对于电动汽车有着非常重要的意义，尤其是在电动汽车需要频繁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变换器可以优化电机控制、提高电动汽车整车的效率和性能，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等不利情况。

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只能是单向的。然而，对于需要能量双向流动的场合，例如超级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能量双向流动的直接变换器。

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，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点。

由于双向DC/DC变换器具有上述优点，使其在电动汽车的发展过程中得到如下应用：

（1）在电动汽车发展初期，由于直流电机结构简单、技术比较成熟和优良的电磁转矩特性，所以直流电机得到广泛的应用。对于采用直流电机的电动汽车而言，如图6-1所示，为常见的利用双向DC/DC变换器的驱动系统机构图。

图6-1　采用直流电机的电动汽车驱动系统机构图

（2）由于直流电机存在价格高、体积和质量大、维护困难等缺点，目前，电动汽车用电机正在逐渐由直流向交流发展，直流电机基本上已经被交流电机、永磁电机取代。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6-2为这种驱动系统的结构图。

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图6-2　采用交流电机的电动汽车驱动系统结构图

电动汽车用电机是一些具有较低输入感抗的交流电机，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。当采用这类电机直接驱动车轮时，由于电机电流波形的纹波与加在电机输入端子上电压的瞬间值和电机反电动势之间的电压差值成正比，因此，利用双向DC/DC变换器可以根据电机转速不断调整逆变器的直流侧输入电压，从而减小电机电流波形的纹波。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者是一个附加的超级电容中，从而达到提高整车效率的目的。

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。铅酸蓄电池由于技术比较成熟、价格比较便宜，长期以来一直作为电动汽车的主要电源，并且改进型的铅酸蓄电池也在不断推出之中。还出现了以铅酸蓄电池为主电源的基础上，附加高功率密度的超级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，由超级电容器提供和吸收电动汽车加速或者减速过程中的附加能量。这样一方面利用了超级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；另一方面弥补了超级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，由于超级电容器的能量流动是双向的，因此需要在超级电容器与直流母线间接人双向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，将超级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给电容器充电。

燃料电池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电池的最佳选择。

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。

当电动汽车制动时，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器中。

通过加入超级电容器和双向DC/DC变换器，提高了电动汽车的加速和减速性能。图6-3所示为燃料电池电动汽车的驱动系统机构图。

图6-3　燃料电池电动汽车的驱动系统机构图