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撲的優(yōu)越性，不僅可以進行能量的雙向流動，而且具有效率高、體積小和穩(wěn)定性強的優(yōu)點。憑借著這些優(yōu)點，雙向DC － DC 變換器在多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在應(yīng)急電源、航空太陽能、電動汽車供電系統(tǒng)等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。

船舶作為重要的海上交通運輸工具，航行條件相對比較惡劣，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，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)急電源將提供短時的電力供應(yīng)，以保障船舶的安全運行以及工作人員的人身安全。

本文對船舶應(yīng)急電源展開研究，以雙向DC －DC 全橋變換器作為主拓撲，設(shè)計一種適用于船舶的應(yīng)急電源，實現(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，向船舶上的一些應(yīng)急負載供電。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、AC/DC變換器和負載組成; 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、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 個端，2 端極性相同，都是上正下負，I1、I2分別為U1和U2端的輸入電流。變換器可以實現(xiàn)能量的雙向傳輸: 當能量從U1傳遞到U2端時，能量為正向傳輸，電流方向為I1 ＜ 0，I2 ＞ 0; 當能量從U2傳遞到U1端時，能量為正反向傳輸，電流方向為I1 ＞ 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在單項變換器中的二極管兩端反并聯(lián)開關(guān)管或是在開關(guān)管兩端反并聯(lián)二極管來實現(xiàn)能量的雙向傳輸。隔離型雙向DC － DC 變換器是在兩個端口加上了變壓器等隔離器件，通過磁耦合，實現(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 電路拓撲

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撲，原副邊都采用全橋結(jié)構(gòu)，中間通過變壓器進行隔離的雙向DC － DC 變換器。全橋雙向DC － DC 變換器與其他拓撲相比，開關(guān)管的應(yīng)力較小，可以進行較大功率的傳輸，適用于船舶應(yīng)急電源的應(yīng)用場合。

隔離型的雙向全橋DC － DC 變換器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖3 所示。變換器由左右2 個全橋、變壓器、諧振電感等組成。其中Vln和Vbat為變換器的2 個端口，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現(xiàn)能量的雙向流動，進行充電和放電。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在充電模式時充當濾波電感的作用，在放電模式時充當儲能電感的作用。

由于雙向DC － DC 變換器含有8 個開關(guān)管，開關(guān)管的開關(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與開關(guān)管的寄生電容構(gòu)成諧振回路，為開關(guān)管的零電壓開關(guān)創(chuàng)造條件，實現(xiàn)開關(guān)器件的ZVS 軟開關(guān)，從而可以有效減小變換器的開關(guān)損耗，降低開關(guān)噪聲，提高EMI 性能，為變換器提升開關(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: 當供電正常時，發(fā)電機發(fā)出的交流電經(jīng)AC － DC 變換器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髂妇€電壓，為負載供電，同時經(jīng)過雙向DC － DC 變換器，為電池組充電，直至充滿，當充滿電時，雙向DC －DC 停止工作，不再進行功率轉(zhuǎn)換; 當船舶遇到故障，正常供電系統(tǒng)不能提供電能時，蓄電池將通過雙向DC － DC 變換器，將電池組中存儲的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髂妇€電壓，通過直流母線給應(yīng)急負載供電，滿足負載的應(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)。本文通過雙向DC － DC 變換器可以實現(xiàn)以下優(yōu)點: 通過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; 通過變換器可以對蓄電池進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)字信號處理方面以及開關(guān)器件驅(qū)動方面所具有的優(yōu)勢

在開關(guān)管的控制方面，采用移相PWM 控制策略，以圖3 中左邊的全橋為例，通過DSP 控制Q1與Q4管之間的驅(qū)動信號，讓兩個開關(guān)管的驅(qū)動信號之間固定的移相角α，在驅(qū)動信號的驅(qū)動下，Q1和Q4就會先后導(dǎo)通。

假設(shè)變換器左邊全橋相對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，左邊全橋領(lǐng)先于右邊全橋一個角度，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DSP 對移相角進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，可以在額定功率下，得到理想的輸出電壓。

4 實驗驗證

在充分利用實驗室的條件下，搭建雙向全橋DC－ DC 變換器的實驗平臺，以直流電源和鉛酸蓄電池作為變換器的2 個端。對一些主要的參數(shù)進行測量，對一些重要的波形進行測試和分析，以驗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，工作頻率為100 kHz，采用移相PWM 控制策略時測量的實驗波形。

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，同時波形很干凈，沒有較大的毛刺，說明變換器的EMI 性能較好。變換器采用的是完全對稱器件，在放電模式下的波形和充電模式下的主要波形，并無較大不同。

另外，對變換器的軟開關(guān)特性進行了測量，變換器的開關(guān)器件均實現(xiàn)了ZVS 軟開關(guān)，整機效率達到了96%。

5 結(jié)語

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，對其中的DC － DC 變換器進行優(yōu)化設(shè)計，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，實現(xiàn)靈活的充放電控制。本文對變換器的拓撲結(jié)構(gòu)、工作原理和控制策略進行了分析和研究，為了充分驗證雙向全橋DC － DC 變換器的性能，搭建了原理樣機，并對主要的參數(shù)和波形進行了測試，取得了預(yù)期的效果，驗證了雙向全橋DC － DC 變換器在船舶應(yīng)急電源中應(yīng)用的可行性。