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電動汽車（Electric Vehicles, EV）利用動力電池組的儲能為電驅(qū)動系統(tǒng)提供能量，通常該電池組通過充電機接入工頻電網(wǎng)進行充電，其中車載充電機以其體積小、成本低及便捷性被廣泛使用[1-4]。由于單級車載充電機在輸入功率因數(shù)和輸出精度上不易同時滿足設(shè)計需求，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兩級功率架構(gòu)。前級AC-DC變換器通常為升壓型變換器，實現(xiàn)功率因數(shù)校正和電能交直流轉(zhuǎn)換，后級的隔離DC-DC變換器級聯(lián)在前級AC-DC變換器輸出直流母線上，進一步進行能量轉(zhuǎn)換以滿足動力電池組充電要求[1,4,10,11]。

圖1 車載充電機兩級功率架構(gòu)

全橋拓撲兼具較高的功率密度和功率傳輸能力，因而被廣泛采用為DC-DC變換器拓撲，且通常控制變換器開關(guān)器件運行在軟開關(guān)狀態(tài)以降低開關(guān)損耗，實現(xiàn)DC-DC變換器的高效運行。

采用脈沖頻率調(diào)制的諧振變換器可實現(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，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確刻畫諧振變換器特性，使得其參數(shù)設(shè)計面臨較大的挑戰(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)進行諧振而實現(xiàn)軟開關(guān)，保持了PWM技術(shù)基于恒頻實現(xiàn)占空比可調(diào)的特點，因而廣泛使用在車載充電機等應(yīng)用場合，但這類變換器輕載時難以實現(xiàn)ZVS，致使變換器輕載效率明顯降低。

由于車載充電機總體效率主要依賴于后級DC- DC變換器部分的運行效率，因此DC-DC變換器在整個充電過程中的高效運行成為車載充電機設(shè)計的關(guān)鍵，為此，論文重點綜述車載充電機中PWM軟開關(guān)DC-DC變換器的研究進展。

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變換器實現(xiàn)方案，給出車載充電DC-DC變換器的設(shè)計要求，再從主電路拓撲、驅(qū)動方式和控制策略三個方面歸納整理車載充電機后級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，為車載充電機后級DC-DC變換器的設(shè)計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

綜合上述各種實現(xiàn)車載充電機DC-DC變換器高效運行方法的分析，論文對每種方法的技術(shù)特點與不足進行了總結(jié)，車載充電機中DC-DC變換器高效運行方案比較見表1。

基于優(yōu)化主電路拓撲的方法可在一定程度上克服傳統(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行效率，但仍需在拓撲方面開展深入研究以簡化電路，提高變壓器利用率[41-46]。

值得一提的是：電流驅(qū)動型整流器具有優(yōu)良的特性，但考慮峰值電流限制的因素，只適合3.3kW功率等級以下的車載充電機[49-51]。對于更高功率等級車載充電機，可采用變換器模塊化設(shè)計措施以提高整體輸出能力，而單個變換器模塊仍采用電流驅(qū)動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)動方式的引入為變換器軟開關(guān)運行開啟了新的實現(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中；其次在SPS控制方式下，可利用變壓器勵磁電感擴展軟開關(guān)實現(xiàn)范圍[59-63]，省去輔助電路以提高功率密度；最后，與不對稱控制相同，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，且變換器運行過程對稱，開關(guān)管以等占空比開通關(guān)斷，不存在不對稱控制中變壓器易飽和的問題。

對車載充電機而言，其電池負載荷電狀態(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變換器運行狀態(tài)及效率表現(xiàn)出寬范圍的時變特性。為此，文獻[83]提出一種時間加權(quán)平均效率指標，以評價充電機在整個充電過程中的效率性能，并作為變換器優(yōu)化設(shè)計的依據(jù)，但該指標要求設(shè)計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，給實際應(yīng)用帶來了諸多不便。

此外，現(xiàn)有車載充電機DC-DC變換器參數(shù)設(shè)計大多依據(jù)常規(guī)的恒壓輸出應(yīng)用場合的設(shè)計經(jīng)驗，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撲、驅(qū)動方式并進行優(yōu)化設(shè)計后，所設(shè)計DC-DC變換器可以在設(shè)計的工作點處獲得較高的運行效率，但不能保證其在整個CC-CV充電過程中的高效運行，為此，需進一步從系統(tǒng)集成設(shè)計與控制的角度出發(fā)，設(shè)計與之匹配的控制策略，以實現(xiàn)變換器在寬負載范圍內(nèi)的高效運行。

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變換器運行效率，但PWM控制下開關(guān)器件運行在硬開關(guān)狀態(tài)，變換器效率仍有較大提升空間。對于采用其他拓撲及驅(qū)動方式的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)以實現(xiàn)最高效率點跟蹤，但鑒于前級升壓型變換器對其輸出電壓的要求，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，實現(xiàn)變換器在寬范圍運行工況下的高效運行將成為車載充電機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撲和驅(qū)動方式，在兼顧變換器功率密度等要求的同時，探索解決DC-DC變換器在寬電池負載范圍內(nèi)的低環(huán)流、寬軟開關(guān)實現(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變換器在整個充電過程中的運行效率綜合評價指標，并根據(jù)變換器自身特點和負載特性開展優(yōu)化設(shè)計研究，最后從系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計與控制的角度，實現(xiàn)其在整個充電過程中的高效運行，最大程度地發(fā)揮DC-DC變換器的效能。

結(jié)論

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

首先介紹了CC-CV充電策略對DC-DC變換器的設(shè)計要求，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，從主電路拓撲、驅(qū)動方式和控制策略三個方面對現(xiàn)有車載充電機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)勢與不足以及電流驅(qū)動型整流器與SPS控制方式的優(yōu)越性。最后闡述當前研究工作在車載充電機DC-DC變換器效率評價與設(shè)計流程方面的不足，給出了變換器系統(tǒng)集成設(shè)計與控制的新思路。

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