引言

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，雙向DC － DC 變換器近年來(lái)得到了較多的關(guān)注和研究。雙向DC － DC 變換器由于其電路拓?fù)涞膬?yōu)越性，不僅可以進(jìn)行能量的雙向流動(dòng)，而且具有效率高、體積小和穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。憑借著這些優(yōu)點(diǎn)，雙向DC － DC 變換器在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在應(yīng)急電源、航空太陽(yáng)能、電動(dòng)汽車供電系統(tǒng)等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

船舶作為重要的海上交通運(yùn)輸工具，航行條件相對(duì)比較惡劣，經(jīng)常遭遇電力系統(tǒng)故障，為了保證其在供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，仍然能夠正常工作，一般都為船舶額外配備了應(yīng)急電源裝置。一旦船舶發(fā)生故障，導(dǎo)致船舶電力系統(tǒng)失靈，應(yīng)急電源將提供短時(shí)的電力供應(yīng)，以保障船舶的安全運(yùn)行以及工作人員的人身安全。

本文對(duì)船舶應(yīng)急電源展開(kāi)研究，以雙向DC －DC 全橋變換器作為主拓?fù)洌O(shè)計(jì)一種適用于船舶的應(yīng)急電源，實(shí)現(xiàn)了較好的效果。

1 船舶應(yīng)急電源

船舶應(yīng)急電源系統(tǒng)是船舶供電系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部分，主要功能是在主電源由于客觀原因不能供電時(shí)，向船舶上的一些應(yīng)急負(fù)載供電。按照功率大小，船舶應(yīng)急電源可分為大的發(fā)電機(jī)組應(yīng)急電源和小的蓄電池組備用應(yīng)急電源，本文所研究的應(yīng)急電源是蓄電池應(yīng)急電源。

基于雙向DC － DC 變換器的船舶應(yīng)急電源系統(tǒng)框圖如圖1 所示，大的應(yīng)急電源由應(yīng)急發(fā)電機(jī)、AC/DC變換器和負(fù)載組成; 小的應(yīng)急電源由應(yīng)急蓄電池組、雙向DC － DC 變換器和應(yīng)急負(fù)載組成。

2 雙向DC － DC 變換器

船舶電源系統(tǒng)中的雙向DC － DC 變換器，是一種能量能夠雙向流動(dòng)、電壓極性不變的直流轉(zhuǎn)直流變換器，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

U1和U2是雙向DC － DC 變換器的2 個(gè)端，2 端極性相同，都是上正下負(fù)，I1、I2分別為U1和U2端的輸入電流。變換器可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸: 當(dāng)能量從U1傳遞到U2端時(shí)，能量為正向傳輸，電流方向?yàn)镮1 ＜ 0，I2 ＞ 0; 當(dāng)能量從U2傳遞到U1端時(shí)，能量為正反向傳輸，電流方向?yàn)镮1 ＞ 0，I2 ＜ 0。

雙向DC － DC 變換器根據(jù)其的工作象限，可以分為電壓型和電流型，以及四象限雙向變換器。雙向DC － DC 變換器根據(jù)U1和U2兩端是否有隔離，可以分為隔離型和非隔離型2 種。非隔離線雙向變換器一般是通過(guò)在單項(xiàng)變換器中的二極管兩端反并聯(lián)開(kāi)關(guān)管或是在開(kāi)關(guān)管兩端反并聯(lián)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸。隔離型雙向DC － DC 變換器是在兩個(gè)端口加上了變壓器等隔離器件，通過(guò)磁耦合，實(shí)現(xiàn)了輸入輸出的電氣隔離，提高了系統(tǒng)的安全性。

3 雙向全橋DCDC 變換器

3. 1 電路拓?fù)?/p>

本文船舶應(yīng)急電源中的雙向DC － DC 變換器采用的是隔離型雙向全橋DC － DC 變換器。該變換器為雙向DC － DC 變換器中常用的一種電路拓?fù)?，原副邊都采用全橋結(jié)構(gòu)，中間通過(guò)變壓器進(jìn)行隔離的雙向DC － DC 變換器。全橋雙向DC － DC 變換器與其他拓?fù)湎啾龋_(kāi)關(guān)管的應(yīng)力較小，可以進(jìn)行較大功率的傳輸，適用于船舶應(yīng)急電源的應(yīng)用場(chǎng)合。

隔離型的雙向全橋DC － DC 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示。變換器由左右2 個(gè)全橋、變壓器、諧振電感等組成。其中Vln和Vbat為變換器的2 個(gè)端口，左側(cè)直流母線側(cè)為電壓型全橋結(jié)構(gòu)，右側(cè)電池組側(cè)為電流型全橋結(jié)構(gòu)，直流母線與電池組之間可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，進(jìn)行充電和放電。Lr1、Lr2分別為原副邊的變壓器等效漏感與外部串聯(lián)電感之和，C1是濾波穩(wěn)壓電容，L2在充電模式時(shí)充當(dāng)濾波電感的作用，在放電模式時(shí)充當(dāng)儲(chǔ)能電感的作用。

由于雙向DC － DC 變換器含有8 個(gè)開(kāi)關(guān)管，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗需要引起格外的注意，不然變換器的效率將受較大影響。變換器中的Lr1、Lr2與開(kāi)關(guān)管的寄生電容構(gòu)成諧振回路，為開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)創(chuàng)造條件，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的ZVS 軟開(kāi)關(guān)，從而可以有效減小變換器的開(kāi)關(guān)損耗，降低開(kāi)關(guān)噪聲，提高EMI 性能，為變換器提升開(kāi)關(guān)頻率、提高工作效率、減小尺寸創(chuàng)造了條件。

3. 2 工作原理

雙向DC － DC 變換器有充電模式和放電模式2種工作模式。其工作原理是: 當(dāng)供電正常時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)AC － DC 變換器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髂妇€電壓，為負(fù)載供電，同時(shí)經(jīng)過(guò)雙向DC － DC 變換器，為電池組充電，直至充滿，當(dāng)充滿電時(shí)，雙向DC －DC 停止工作，不再進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換; 當(dāng)船舶遇到故障，正常供電系統(tǒng)不能提供電能時(shí)，蓄電池將通過(guò)雙向DC － DC 變換器，將電池組中存儲(chǔ)的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髂妇€電壓，通過(guò)直流母線給應(yīng)急負(fù)載供電，滿足負(fù)載的應(yīng)急用電需求。

傳統(tǒng)的應(yīng)急電源，直接在直流母線上并接備用蓄電池，蓄電池一直處于充電和放電狀態(tài)。本文通過(guò)雙向DC － DC 變換器可以實(shí)現(xiàn)以下優(yōu)點(diǎn): 通過(guò)變換器可以維持船舶直流母線電壓的恒定，而不被電池組電壓所影響; 通過(guò)變換器可以對(duì)蓄電池進(jìn)行靈活有效的充放電管理，從而可優(yōu)化電池的使用方式，提高電池組的使用壽命。

3. 3 控制策略

為提高變換器的性能，采用DSP 作為變換器的主控芯片，充分利用DSP 在數(shù)字信號(hào)處理方面以及開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)方面所具有的優(yōu)勢(shì)

在開(kāi)關(guān)管的控制方面，采用移相PWM 控制策略，以圖3 中左邊的全橋?yàn)槔ㄟ^(guò)DSP 控制Q1與Q4管之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，讓兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間固定的移相角α，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，Q1和Q4就會(huì)先后導(dǎo)通。

假設(shè)變換器左邊全橋相對(duì)于右邊全橋的移相角為，定義

則雙向全橋DC － DC 變換器的輸出電壓的數(shù)學(xué)公式為:

式中: P 為變換器的輸出功率; Vin 為變換器的輸入電壓; L 為電感值; T 為工作周期。由公式可看出，雙向全橋DCDC 變換器的輸出電壓和多個(gè)因素有關(guān)，而不只是與輸入電壓和占空比有關(guān)。

由式( 2) 可推導(dǎo)出變換器的輸出功率的公式為:

由式( 3) 可看出，功率傳輸?shù)姆较蚺c移相角有關(guān)，移相角為正時(shí)，左邊全橋領(lǐng)先于右邊全橋一個(gè)角度，能量由左邊傳向右邊，為充電模式，反之為放電模式。傳輸功率的大小也與移相角呈正相關(guān)關(guān)系，移相角越大，變換器所能傳輸?shù)墓β示驮酱?。變換器通過(guò)DSP 對(duì)移相角進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，可以在額定功率下，得到理想的輸出電壓。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在充分利用實(shí)驗(yàn)室的條件下，搭建雙向全橋DC－ DC 變換器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以直流電源和鉛酸蓄電池作為變換器的2 個(gè)端。對(duì)一些主要的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)一些重要的波形進(jìn)行測(cè)試和分析，以驗(yàn)證變換器的工作性能。

圖4 為在充電模式下，額定功率3 kW 時(shí)，工作頻率為100 kHz，采用移相PWM 控制策略時(shí)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)波形。

其中通道1 和通道2 分別為變換器的電感電流波形、電感兩端電壓波形，由圖可以發(fā)現(xiàn)，采用移相PWM 控制策略，可以較好的傳輸功率，同時(shí)波形很干凈，沒(méi)有較大的毛刺，說(shuō)明變換器的EMI 性能較好。變換器采用的是完全對(duì)稱器件，在放電模式下的波形和充電模式下的主要波形，并無(wú)較大不同。

另外，對(duì)變換器的軟開(kāi)關(guān)特性進(jìn)行了測(cè)量，變換器的開(kāi)關(guān)器件均實(shí)現(xiàn)了ZVS 軟開(kāi)關(guān)，整機(jī)效率達(dá)到了96%。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，雙向DC － DC 變換器得到了越來(lái)越多的應(yīng)用和研究。本文在研究船舶應(yīng)急電源的基礎(chǔ)上，對(duì)其中的DC － DC 變換器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇將雙向全橋DC － DC 變換器應(yīng)用于船舶應(yīng)急電源系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)靈活的充放電控制。本文對(duì)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理和控制策略進(jìn)行了分析和研究，為了充分驗(yàn)證雙向全橋DC － DC 變換器的性能，搭建了原理樣機(jī)，并對(duì)主要的參數(shù)和波形進(jìn)行了測(cè)試，取得了預(yù)期的效果，驗(yàn)證了雙向全橋DC － DC 變換器在船舶應(yīng)急電源中應(yīng)用的可行性。