双向功率变换器在电动汽车中的应用

在混合动力电动汽车中，动力电池组通过双向功率变换器连接到直流母线上，以实现动力电池和燃料电池组或发电机组的功率混合。当燃料电池组或发电机组对动力电池进行充电时，功率变换器起到降压作用；当动力电池通过总线释放能量时，功率变换器起到升压作用。

图5-16 双向功率变换器的电路原理

双向功率变换器采用Buck-Boost复合电路结构，如图5-16所示。在Boost工作模式下，电池组端电压为U₁，总线电压为U_h，U₁通过升压电感L、开关管VT₂的升压变换经二极管VD₁接到总线电压，和燃料电池或发电机组实行功率混合。在Buck工作模式下，总线电压U_h通过开关管VT₁的斩波降压，经电感L、电容C₂的滤波作用输出电压U₁对电池组进行充电，二极管VD₂在降压过程中实现输出电流的续流作用。

混合动力电动汽车中通常将电机作为运动执行机构，而将动力电池等储能元件作为输入电源。电动汽车中电机的转速工作范围很广，且在行驶过程中频繁加减速，其动力电池端电压的变化范围也很大，若用动力电池直接驱动电机，会造成电机驱动性能的恶化；最后，为了充分回收制动或减速能量，必须采用双向DC/DC变换器。图5-17所示为双向功率变换器实物及示意图。

图5-17 双向功率变换器实物及示意图

（1）直流不停电电源系统（DC-UPS）

图5-18所示是一种DC-UPS的结构框图，由AC/DC变换器、电池包BA和双向DC/DC变换器构成。其工作原理是：当供电正常时，AC/DC变换器将直流母线电压调整到稳态电压，对直流母线上的负载供电，同时经双向DC/DC变换器给电池包BA充电，若BA已充足电，则双向变换器不进行功率转换；当供电电源掉电或出现故障时，双向直流变换器将电池包电压转变成直流母线负载所需电压，给负载供电，使负载不断电。(www.xing528.com)

图5-18 DC-UPS电源系统

双向DC/DC变换器的功能：供电正常时作为电池包的充电器，保持电池充足电状态；在供电故障后将电池包电压转变为直流母线电压，给负载供电。通常，电池包充电的功率较小，放电时功率较大，因此对双向DC/DC变换器的功率等级应以放电功率为准。使用双向DC/DC变换器的好处是，可以将电池的充放电工作分离出来，运用双向DC/DC变换器单独处理蓄电池的充放电操作，更容易优化充放电过程，对于延长蓄电池的使用寿命和提高充电效率都有好处。

（2）电动汽车燃料电池电源系统

在燃料电池系统中含有一个压缩机电动机，正常运转情况下，该压缩机可由燃料电池输出电压供电，但在电动汽车起动时，燃料电池电压尚未建立起来，需要辅助电源来供电，提供压缩机电动机的驱动能量，给燃料电池创造起动条件。辅助电源有两个作用：①在燃料电池起动前，提供直流母线的电压；②当汽车制动时，希望制动能量能够回馈并得到合理的应用。采用蓄电池作为辅助供电电源，通过双向DC/DC变换器可以满足这两个方面的要求：快速起动燃料电池、将制动能量回馈给蓄电池。

图5-19所示为电动汽车燃料电池电源系统结构框图，双向DC/DC变换器是此电源管理系统中的重要组成部分之一。为了和目前的汽车负载保持兼容，电池包电压一般为12V，直流母线电压为288V。蓄电池供电时，双向DC/DC变换器工作在放电模式，输入电池电压波动，输出稳定电压288V，放电功率1.5kW；蓄电池储能时，双向DC/DC变换器工作在充电模式，将电能存储于蓄电池中。

图5-19 电动汽车燃料电池电源系统结构框图