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電動(dòng)汽車（Electric Vehicles, EV）利用動(dòng)力電池組的儲(chǔ)能為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量，通常該電池組通過充電機(jī)接入工頻電網(wǎng)進(jìn)行充電，其中車載充電機(jī)以其體積小、成本低及便捷性被廣泛使用[1-4]。由于單級(jí)車載充電機(jī)在輸入功率因數(shù)和輸出精度上不易同時(shí)滿足設(shè)計(jì)需求，因而只適用于鉛酸電池的充電[3,5-9]。

圖1所示為應(yīng)用廣泛的車載充電機(jī)兩級(jí)功率架構(gòu)。前級(jí)AC-DC變換器通常為升壓型變換器，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正和電能交直流轉(zhuǎn)換，后級(jí)的隔離DC-DC變換器級(jí)聯(lián)在前級(jí)AC-DC變換器輸出直流母線上，進(jìn)一步進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換以滿足動(dòng)力電池組充電要求[1,4,10,11]。

圖1 車載充電機(jī)兩級(jí)功率架構(gòu)

全橋拓?fù)浼婢咻^高的功率密度和功率傳輸能力，因而被廣泛采用為DC-DC變換器拓?fù)?，且通常控制變換器開關(guān)器件運(yùn)行在軟開關(guān)狀態(tài)以降低開關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)DC-DC變換器的高效運(yùn)行。

采用脈沖頻率調(diào)制的諧振變換器可實(shí)現(xiàn)變壓器一次側(cè)開關(guān)管的零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switching, ZVS）及二次側(cè)整流器的零電流開關(guān)（Zero CurrentSwitching, ZCS），具有電能轉(zhuǎn)換效率較高的技術(shù)特點(diǎn)，尤其以LLC型諧振變換器性能突出[12-14]。

但是這類變換器中開關(guān)管電壓及電流應(yīng)力較高，存在較大的環(huán)流損耗，且變頻控制方式使其分析建模困難，常用的基波分析法難以準(zhǔn)確刻畫諧振變換器特性，使得其參數(shù)設(shè)計(jì)面臨較大的挑戰(zhàn)[15-18]。

另一類降低開關(guān)損耗的方法是采用PWM軟開關(guān)技術(shù)，尤以原邊移相（Primary-sidePhase Shifted, PPS）全橋（Full-Bridge, FB）DC-DC變換器應(yīng)用廣泛[19-24]，它采用移相控制方式，利用電路自身參數(shù)進(jìn)行諧振而實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，保持了PWM技術(shù)基于恒頻實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)的特點(diǎn)，因而廣泛使用在車載充電機(jī)等應(yīng)用場(chǎng)合，但這類變換器輕載時(shí)難以實(shí)現(xiàn)ZVS，致使變換器輕載效率明顯降低。

由于車載充電機(jī)總體效率主要依賴于后級(jí)DC- DC變換器部分的運(yùn)行效率，因此DC-DC變換器在整個(gè)充電過程中的高效運(yùn)行成為車載充電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，為此，論文重點(diǎn)綜述車載充電機(jī)中PWM軟開關(guān)DC-DC變換器的研究進(jìn)展。

首先介紹電池組恒流-恒壓（Constant Current-ConstantVoltage, CC-CV）充電策略及傳統(tǒng)PPS-FB DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)方案，給出車載充電DC-DC變換器的設(shè)計(jì)要求，再?gòu)闹麟娐吠負(fù)洹Ⅱ?qū)動(dòng)方式和控制策略三個(gè)方面歸納整理車載充電機(jī)后級(jí)DC-DC變換器的研究成果。經(jīng)分析比較指出，目前車載充電高效PWM軟開關(guān)DC-DC變換器研究亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，為車載充電機(jī)后級(jí)DC-DC變換器的設(shè)計(jì)與控制提供借鑒和參考。

圖8 原邊移相控制與PWM控制相結(jié)合的多模式控制策略

 分析與討論

綜合上述各種實(shí)現(xiàn)車載充電機(jī)DC-DC變換器高效運(yùn)行方法的分析，論文對(duì)每種方法的技術(shù)特點(diǎn)與不足進(jìn)行了總結(jié)，車載充電機(jī)中DC-DC變換器高效運(yùn)行方案比較見表1。

基于優(yōu)化主電路拓?fù)涞姆椒稍谝欢ǔ潭壬峡朔鹘y(tǒng)PPS-FB DC-DC變換器存在的不足，獲得變換器效率的提升，但并不能提供較為全面的解決方案[34-40]。PWM-諧振混合型變換器雖然可以獲得滿意的運(yùn)行效率，但仍需在拓?fù)浞矫骈_展深入研究以簡(jiǎn)化電路，提高變壓器利用率[41-46]。

值得一提的是：電流驅(qū)動(dòng)型整流器具有優(yōu)良的特性，但考慮峰值電流限制的因素，只適合3.3kW功率等級(jí)以下的車載充電機(jī)[49-51]。對(duì)于更高功率等級(jí)車載充電機(jī)，可采用變換器模塊化設(shè)計(jì)措施以提高整體輸出能力，而單個(gè)變換器模塊仍采用電流驅(qū)動(dòng)型整流器以獲得更高的轉(zhuǎn)換效率[80-82]。

除PPS控制方式，其他驅(qū)動(dòng)方式的引入為變換器軟開關(guān)運(yùn)行開啟了新的實(shí)現(xiàn)思路，其中SPS控制方式具備出色的控制性能。相比于后沿脈寬調(diào)制技術(shù)，SPS-FB DC-DC變換器可運(yùn)行于CCM和DCM狀態(tài)，具有良好的輸出電壓增益特性[60,61]，尤其適用于車載充電機(jī)中；其次在SPS控制方式下，可利用變壓器勵(lì)磁電感擴(kuò)展軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)范圍[59-63]，省去輔助電路以提高功率密度；最后，與不對(duì)稱控制相同，SPS控制使變換器不存在一次側(cè)環(huán)流問題，利于減小變換器導(dǎo)通損耗，且變換器運(yùn)行過程對(duì)稱，開關(guān)管以等占空比開通關(guān)斷，不存在不對(duì)稱控制中變壓器易飽和的問題。

對(duì)車載充電機(jī)而言，其電池負(fù)載荷電狀態(tài)、端電壓等表征電池狀態(tài)的參量在寬范圍內(nèi)變化，因此DC-DC變換器運(yùn)行狀態(tài)及效率表現(xiàn)出寬范圍的時(shí)變特性。為此，文獻(xiàn)[83]提出一種時(shí)間加權(quán)平均效率指標(biāo)，以評(píng)價(jià)充電機(jī)在整個(gè)充電過程中的效率性能，并作為變換器優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)，但該指標(biāo)要求設(shè)計(jì)者熟知電池充放電特性，以確定各加權(quán)系數(shù)；而且尚需兼顧考慮到不同的電池規(guī)格，給實(shí)際應(yīng)用帶來了諸多不便。

此外，現(xiàn)有車載充電機(jī)DC-DC變換器參數(shù)設(shè)計(jì)大多依據(jù)常規(guī)的恒壓輸出應(yīng)用場(chǎng)合的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，尚未建立起兼顧考慮電池組不同充電模式的變換器設(shè)計(jì)流程，仍需廣大科研工作者繼續(xù)開展深入研究。

通常，在合理選擇變換器拓?fù)?、?qū)動(dòng)方式并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，所設(shè)計(jì)DC-DC變換器可以在設(shè)計(jì)的工作點(diǎn)處獲得較高的運(yùn)行效率，但不能保證其在整個(gè)CC-CV充電過程中的高效運(yùn)行，為此，需進(jìn)一步從系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與控制的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)與之匹配的控制策略，以實(shí)現(xiàn)變換器在寬負(fù)載范圍內(nèi)的高效運(yùn)行。

將PPS與PWM控制相結(jié)合形成的多模式控制策略雖然可以在一定程度上提高傳統(tǒng)PPS-FB DC-DC變換器運(yùn)行效率，但PWM控制下開關(guān)器件運(yùn)行在硬開關(guān)狀態(tài)，變換器效率仍有較大提升空間。對(duì)于采用其他拓?fù)浼膀?qū)動(dòng)方式的DC-DC變換器，目前仍存在合理確定其工作模式組合等問題。

另外，直流母線電壓自適應(yīng)控制可連續(xù)調(diào)節(jié)變換器工作狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)最高效率點(diǎn)跟蹤，但鑒于前級(jí)升壓型變換器對(duì)其輸出電壓的要求，直流母線電壓無法無限制的降低，單一的直流母線電壓自適應(yīng)控制方法的調(diào)節(jié)能力有限。因此，通過多自由度控制，如變換器直流母線電壓、開關(guān)頻率、復(fù)合移相控制等，實(shí)現(xiàn)變換器在寬范圍運(yùn)行工況下的高效運(yùn)行將成為車載充電機(jī)DC-DC變換器重要的研究方向[84-86]。

從上述分析討論可以看出，現(xiàn)有車載充電機(jī)DC-DC變換器方案均存在一定的不足，仍需綜合考慮主電路拓?fù)浜万?qū)動(dòng)方式，在兼顧變換器功率密度等要求的同時(shí)，探索解決DC-DC變換器在寬電池負(fù)載范圍內(nèi)的低環(huán)流、寬軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)范圍的關(guān)鍵技術(shù)問題。

此外，迫切需要建立和完善DC-DC變換器在整個(gè)充電過程中的運(yùn)行效率綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，并根據(jù)變換器自身特點(diǎn)和負(fù)載特性開展優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，最后從系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制的角度，實(shí)現(xiàn)其在整個(gè)充電過程中的高效運(yùn)行，最大程度地發(fā)揮DC-DC變換器的效能。

結(jié)論

電池組充電運(yùn)行特征使車載充電機(jī)中DC-DC變換器運(yùn)行狀態(tài)及效率在寬范圍內(nèi)變化，給變換器設(shè)計(jì)帶來很大挑戰(zhàn)。本文圍繞DC-DC變換器運(yùn)行效率問題，歸納總結(jié)了車載充電機(jī)中PWM軟開關(guān)DC-DC變換器的研究進(jìn)展。

首先介紹了CC-CV充電策略對(duì)DC-DC變換器的設(shè)計(jì)要求，并揭示傳統(tǒng)PPS-FB DC-DC變換器方案存在的技術(shù)不足。在此基礎(chǔ)上，從主電路拓?fù)?、?qū)動(dòng)方式和控制策略三個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有車載充電機(jī)DC-DC變換器技術(shù)方案予以分類總結(jié)，經(jīng)分析討論指出每種技術(shù)方案的優(yōu)勢(shì)與不足以及電流驅(qū)動(dòng)型整流器與SPS控制方式的優(yōu)越性。最后闡述當(dāng)前研究工作在車載充電機(jī)DC-DC變換器效率評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)流程方面的不足，給出了變換器系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與控制的新思路。

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