双向DCDC变换器可以将直流电能从一侧变换到另一侧，实现能量的双向传递。在光伏储能系统中，大功率双向DCDC变换器可以将光伏板吸收的太阳能储存到电池中，也可以将电池中的电能逆变换后供给负荷使用。

具体来说，大功率双向DCDC变换器可以将光伏板输出的直流电压变换为适合电池充电的直流电压，实现对电池的充电。同时，当需要从电池获取电能时，大功率双向DCDC变换器可以将电池的直流电压变换为适合负荷使用的直流电压，实现对负荷的供电。

大功率双向DCDC变换器在光伏储能系统中的作用主要有以下几点：

1. 实现**大功率跟踪(MPPT)：通过DCDC变换器的控制，可以实现光伏板吸收太阳能的**大化，提高系统的能量利用率。
2. 稳定直流母线电压：DCDC变换器可以将直流母线电压稳定在合适的水平，保证用电设备的稳定运行。
3. 保护电池：DCDC变换器可以实现电池的过充电保护和过放电保护，延长电池的使用寿命。
4. 提高系统的稳定性：DCDC变换器可以稳定光伏储能系统的运行，提高系统的稳定性。

总之，大功率双向DCDC在光伏储能中可以实现对能量的高效利用和稳定系统的运行，具有重要的应用价值。

大功率双向DC-DC变换器：应用广泛的高性能电源技术

大功率双向DC-DC变换器有许多应用场景，以下是其中一些常见的场景：

电力传输：高压直流输电系统可以实现长距离、大容量的电力传输，双向DC-DC变换器可以用于调节电压，实现高压直流电的传输和分配。

工业控制：在工业控制系统中，需要为各种电子设备提供稳定的电源，以保证工业控制的精度和稳定性。双向DC-DC变换器可以实现电压的转换和稳定输出。

电动汽车：电动汽车需要使用高电压电池作为动力源，而车辆的低压系统需要稳定的电源。双向DC-DC变换器可以实现高电压和低电压之间的转换，满足车辆的用电需求。

航空航天：航空航天领域的设备需要使用高稳定度、高可靠性的电源，双向DC-DC变换器可以实现电压的转换和稳定输出，满足设备的用电需求。

新能源发电：太阳能、风能等新能源发电系统输出的电压不稳定，双向DC-DC变换器可以实现电压的调节和稳定输出，提**能源发电系统的效率和可靠性。

总之，大功率双向DC-DC变换器在电力传输、工业控制、交通信号、航空航天、新能源发电等领域都有广泛的应用。

大功率双向DC-DC变换器原理与应用

1. 引言

随着电力电子技术的发展，大功率双向DC-DC变换器在电力传输、工业控制、交通信号等领域得到了广泛应用。大功率双向DC-DC变换器具有高效率、高功率密度、低噪音等优点，成为电力电子领域的研究热点。本文将详细介绍大功率双向DC-DC变换器的基本原理、设计方法、控制策略、可靠性分析以及应用场景等方面。

2. dcdc 变换器的基本原理

DC-DC变换器是一种将直流电压从一个水平转换为另一个水平的电力电子装置。它由一个或多个开关和磁性元件组成，通过控制开关的通断，实现电压的转换。DC-DC变换器的基本原理是基于电感的电压和电流的相互转换关系，通过改变电感的电流有效值来实现电压的调节。

3. 大功率双向 dcdc 变换器的设计

大功率双向DC-DC变换器的设计需要考虑电路拓扑结构、器件选择、磁性元件设计、热设计等方面。常见的电路拓扑结构包括Buck-Boost、?uk、Flyback等。器件选择方面，需要选择具有高功率密度、高效率、低成本的器件。磁性元件设计需要考虑磁性材料、线圈设计、磁芯选择等方面，以保证变换器的性能和可靠性。热设计是保证变换器长期稳定运行的关键，需要合理分配热源和散热装置，确保器件的工作温度在安全范围内。

4. dcdc 变换器的控制策略

DC-DC变换器的控制策略包括闭环控制、半闭环控制和开环控制等方式。闭环控制是通过反馈电压和设定电压的比较，调整开关的通断时间来实现电压的**控制。半闭环控制是只对输出电压进行采样，然后与设定电压比较，调整开关的通断时间。开环控制不使用反馈电路，根据电源特性和电路参数计算出所需的占空比，直接控制开关的通断。控制系统的设计需要考虑系统的稳定性、抗干扰能力和动态响应速度等因素。

5. dcdc 变换器的可靠性分析

DC-DC变换器的可靠性分析包括失效模式、故障类型、出现概率和影响因素等方面。常见的失效模式包括短路、断路、过热等。故障类型包括电源短路、输出电压过高或过低等。出现概率受到环境因素、器件老化、机械应力和电路设计等因素的影响。可靠性分析需要综合考虑这些因素，评估变换器的可靠性和稳定性，并采取相应的措施提高变换器的可靠性。

6. dcdc 变换器的应用

DC-DC变换器广泛应用于电力传输、工业控制、交通信号等领域。在电力传输方面，大功率双向DC-DC变换器可以实现高压直流电的传输和分配，提高电力系统的稳定性和效率。在工业控制方面，DC-DC变换器可以为各种电子设备提供稳定的电源，保证工业控制的精度和稳定性。在交通信号方面，DC-DC变换器可以为交通信号灯提供稳定的电源，保证交通信号的安全和可靠性。

7. 结论

大功率双向DC-DC变换器在电力电子领域具有重要的作用。本文详细介绍了DC-DC变换器的基本原理、设计方法、控制策略、可靠性分析以及应用场景等方面。通过研究和应用，可以提高DC-DC变换器的性能和可靠性，为电力电子技术的发展做出贡献。

  燃料电池发电系统前端DCDC变换器的研究

 燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，是一种高效的绿色能源，具有功率密度大、高效洁净、运行稳定可靠等优点，日益受到人们的青睐，成为**有前景的能源技术之一。

 但燃料电池本机输出电压一般不高，输出的直流电压随着负载的变化有很大的变动范围，因此在燃料电池发电系统中，具有升压稳压功能的功率变换是其重要组成部分。燃料电池输出的电压必须经过具有升压稳压功能的功率变换装置，将不稳定的直流电变换成符合要求的直流或交流电。

本文主要研究了燃料电池发电系统中的直流变换器。首先，本论文介绍了燃料电池的原理、特点和选题意义，并对质子交换膜燃料电池的输出特性做了分析。其次，列举并比较了常见的DC/DC变换器的拓扑结构和性能，借鉴国内外在燃料电池系统中直流变换器上的研究和创新成果，根据燃料电池的输出特性及电动汽车的特点，选用Boost 型电路结构作为直流变换电路。再次，本课题的设计目标：将5 KW质子交换膜燃料电池组的输出电压，转换成375V左右的电压，为5KW轻型车辆提供主动力。根据对Boost电路原理的分析，推导并设置电路主要元件的参数，利用Multisim、Matlab/Simulink软件进行建模和仿真，观察并分析输出电压、纹波电压、开关管电压和电流等波形，分析该方案的可行性和不足之处。

燃料电池简介

依据电解质的不同，燃料电池分为五大类，碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等，其特性见表1-1^[2]。

表1-1 主要燃料电池及其特性

    质子交换膜燃料电池工作温度低、结构紧凑、质量轻、启动速度快，且使用无毒性的固态电解质膜，可以做到真正的零排放，而且适宜于频繁启动场合、具有比其它类型的燃料电池**高的功率密度，在航天、航海以及电动汽车方面有着巨大的市场潜力，其发电技术的应用研究已在**范围内掀起高潮，成为当前国际上燃料电池研制开发的热点。

超级电容器在电梯节能中的应用

   一、概述

近年来，由于我国房地产建设项目遍地开花，也给电梯生产企业带来了不少的发展与利益，同时也因为频繁的电梯事故，让电梯离不开人们的视线。其原因主要集中于售后的维护不到位，管理方面过于松懈，检修不及时等。本文从节能环保的角度进行讨论，着重于传统电梯与运用超级电容器在电梯中使用后的效果比较，从而分析如何通过这一器件的安装来降低电梯的耗能。从现代社会发展与人类长远谋化的角度来看，节能，在任何地方的节约与环保理念的应用，都将造福子孙后代。

二、电梯耗能分析

在电梯的运行过程中，为了克服曳引机产生的能量，传统电梯都会采用制动电阻，将该能量转化为热量，并将其消耗掉。一般来讲在大多数情况下，电梯所消耗的电能，其中有三分之一是被以此形式间接的浪费掉了。如果现在的电梯用量为250万台，那么将会有百分之九十多的再生能量通过散热而耗散，如此算来每天的电量损耗会达到3600万度，同时由于热量的存在，也会给电梯正常运行带来不安全的隐患，所以从各方面来看，都应该加以解决。从目前的技术来看，技术难题虽然存在于高次谐波污染电网方面和电磁干扰技术方面，然而由于研究的深入与理论的创新，在节能方面确实出现了一些较为有效的节能方案，例如本文将要进行具体分析的超级电容器的应用。

三、节能方案分析

在电梯节能技术方面，我国较为优秀的创新与专利技术在于超级电容器在电梯节能中的应用，即应用这一新型储能器件，利用超级电容回收、利用电梯制动电能。从运送总量分析，电梯在上与下时，差别不大，一般来讲，在这一过程中驱动电动机经常在“拖动用电工况”、“制动发电工况”二者间进行循环工作，前者指上行满载的情况，后者指下午满载的情况。因而从中可以看出，其降耗的关键还依然在于对这一过程的研究之中。超级电容器的应用，主要是使交流电源通过变频器，接入电动机，并与变频器制动单元相连接（增加一个超级电容储能模块，经充放电控制单元接入）。

从作用方面分析，变频器是节能电气结构中发挥作用的主要方面，当电梯驱动电动机，制动发电时，会使制动电能反馈到变频器，从而达到使超级电容储能模块充电的目的（利用充放电控制单元）。当拖动与制动两种发电工况间适时交替工作时，其周期循环在一分钟内，因此可以得到这一超级电容器储能模块内的容量范围不大，通常相当于电动汽车蓄电池的百分之一容量。所以，超级电容器的应用成本较低。

四、实例分析

在我国，中国博览会会展综合体是上海**大的单体建筑，也是**上**大的，当然对电梯的需求量也非常大，然而为了节省能量损耗，它安装了超过二百部此类备有超级电容器的电梯，自2010年世博会以来，这些电梯发挥了非常大的作用，据相关的电梯技术项目负责人所说，这些垂直电梯都以超级电容器第VI代为主，不但散热性能好，对能源的转化能力**高，其利用效率**高，而且还做到了防水功能。当电梯下行时，会把其中的能量储存起来，不但能够做到冲抵日常耗电的目的，还可以将其转化成电能，真正的将其作为储存能量以备不时之需，从这一大规模的应用可以看出其集中起来的力量有多大，也可以理解到当其超过400多部时将带来的真正的效益，例如可以以每一部装有超级电容器的电梯为例，当其节能率达25%～30%时，若国博综合体年度电达到一百万度以上，就可以使一千二百户居民的年用电量得到保证，从此可以推算出三至五年时间即可将成本收回，因此来看，超级电容器的使用，可以大大的降低成本，也可以真正达到节能的目的，可谓一举两得。**为主要的用途可以使节能电梯做到应急之用，也就是说，当遇到停电问题或者电梯故障时，节能电梯即可利用储存的能量来解决这些问题，比如对于通风的维持、对于照明功能的维持，对于通信功能的维持等，也可以使里边的人在平层安全撤出。

根据相关专家项目的评定，我国出现了这一超级电容节能电梯项目研究与应用，经过近几年的试运行与真正的推广应用，其效能良好，也在市场上得到了一定认可，不但从技术上**于国际同问题的水平，同时也在当前市场上取得了较好的口碑与评价，因而可以说其应用前景十分可观。

其技术核心被称作电梯用变频曳引设备节能系统，其原理是将上行与下行时的轻载和重载所产生的能量，利用超级电容器储存起来，然后利用连接于其上的变频器，将其导入直流母线，从而使电梯设备在供电容量方面得到降低，进而达到节能效果，从环保的角度讲，它不会给电网带来冲击与污染问题。和传统的电梯比较，其综合节电率甚至可以达到百分之三十，据估计，若把我国的这一技术应用于全国的一半电梯之中，那么其节省电能即可相当于我国刘家峡水电站在平均一年正常情况下的发电量，可见其节能技术带来的利益何其大。

另一方面，经过太仓特种设备学会组织的应用测试显示，当节能电梯在连续性运行测试环境下，其平均节电率可达到百分之三十，与计算结果较为符合，因而其在推广方面的价值较高。具体是这一组织通过对生产单位、电梯检验、计量测试、安装、维修以及相关的监管，选用专业人员对太仓检测大楼内的三台电梯的二十层站进行，其速度、额定载重量分别是二米每秒、一千千克，当把超级电容节能系统安装于该电梯时，对其展相关测试，分别从空载、不同负载（为百分之二十五、五十、七十五等）情况下，经过每组分别运行十个循环，于此可以**好的从**对这一节能系统的应用展开测试，也可以使超级电容器的性能得到全面的应用研究与分析，其结果如上所述。

对超级电容器的应用，主要是其节能技术以核心的系统设置较为前卫，在**处于**地位，同时也可以看出，一项新型的节能技术的应用需要经过各方面的全面测试与试运行，才可以真正的达到理想效果，另外，真正的技术才是**生产力，要想使我国的节能环保事业达到繁荣，想通过技术达到可持续发展还有很多的路要走，还需要进行**多的研究与推广应用试验。

结束语

总而言之，笔者认为在电梯节能中，超级电容器只是近些年来才较为广泛应用的新型电力储能器件，其特征表明了自身优势，并且随城市化建设不断的推进与合理化，节能与环保理念的不断付诸实践，其应用市场与应用前景将指日可待，因此，应该加强对其研究探讨，并对其技术进行自主创新研究。

（作者单位：江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院）

燃料电池车载大功率DCDC变换器的设计与应用

1，前言

DC/DC变换器是燃料电池车动力系统中一个重要部分。主要功能是把不可调的直流电源变为可调的直流电源。如何有效地控制变换器的各个参数，不仅关系到FCE（Fuel Cell Engineer）和BMU（Battery Management Unit）的正常运行，而且也关系到整个燃料电池轿车的动力性能、能源利用效率及其他控制系统可靠的运行[3]。燃料电池的输出特性偏软，难以直接与电动机驱动器匹配，其电流-电压特性曲线如图1所示。在燃料电池加负载的起始阶段，电压Ufc下降较快，随着负载的增加，电流增大，电压下降，下降的斜率比普通电池大得多，故燃料电池的输出特性相对较软；对于某特定负载，输出功率的波动会导致燃料电池效率下降。

图1   燃料电池电流-电压特性曲线            

图2  燃料电池车能源驱动结构

与传统汽车一样，燃料电池汽车也必须具有很强的机动性，以便对不同的路况及时做出相应的反应，为满足机动性的要求，燃料电池汽车驱动所需功率会有较大的波动，这与燃料电池的输出特性偏软是相矛盾的。另一方面，燃料电池的输出功率若波动较大，其效率会大大下降，反面影响其机动性能。因此，若以燃料电池作为电源直接驱动，一方面输出特性偏软，另一方面燃料电池的输出电压较低，在燃料电池与汽车驱动之间加入DC/DC变换器，燃料电池和DC/DC变换器共同组成电源对外供电如图2所示，从而转换成稳定、可控的直流电源。合理的DC/DC变换器的设计对燃料电池车显的尤为重要。

2,DC/DC基本硬件电路及工作原理

DC/DC变换器按输入与输出间是否有电气隔离可以分为没有电气隔离和有电器隔离的直流变化器两类。按工作电路区分有降压式（BUCK），升压式（BOOST），升降压式（BUCK/BOOST），库克（CUK），瑞泰（ZETA），塞皮克（SEPIC）等六种[1]。设计采用没有隔离的双向Zeta-Sepic直流变换器电路，工作原理电路图如图3所示。

主电路由两开关管Q1和Q2，两二**管D1和D2构成。Q1和Q2为PWM工作方式，互补导通，有死区时间。变换器输出与输入电压间的关系为V2／V1=Dy／(1-Dy),式中，Dy为                                               

图3 双向Zeta-Sepic直流变换器设计电路图

图4  能量从V1向V2流动     

图5  能量从V2向V1方向流动         

图6  交替工作方式                        

Q2的占空比。图4为能量从V1向V2方向流动时电感电流波形，因Dy＞0.5，故V2＞V1，I1＞I2，I1为电源电流平均值，I2为输出电流平均值。并且IL1＞IL2，IL1和IL2为电感电流平均值。电容C1电压VC1为VC1=VC2，不论能量流动方向如何，电容C1电压**性总是左负右正。功率器件承受的电压VQ=VD=V1+V2=V1／(1-Dy)，开关管Q1和二**管D2电流平均值IQ1和ID2关系为IQ1=IL1=I1，ID2=IL2=I2。能量传输方向相反时，电流波形如图5所示，图6是交替工作方式的一种情形，因Q1的占空比Dy＞0.5，V2＞V1，I1＞I2，故IL1＞IL2，iL1的瞬时值都大于零，iL2的瞬时值出现了正负交替变化，iQ1和iQ2的瞬时值也交替变化，4个器件轮流导通[2]。在t=0～t1期间D1续流，t1～ton期间Q1导通，ton～t3期间D2续流，t3～T期间Q2导通。由于Q1是在D1续流期间导通的，故Q1为零电压开通，同理Q2亦为零电压开通，由图6知两电感电流平均值IL1和IL2均大于零，故这种情况下平均能量是从V1向V2方向传输。                         

3,DC/DC变换器控制单元和辅助单元电路设计

Zeta-Sepic电路是DC/DC变换器的核心组件，车载DC/DC变换器除此外还包括           

控制单元和辅助单元电路，其性能直接影响Zeta-Sepic电路的工作质量和整车控制器的**运行。控制单元与辅助单元电路同Zeta-Sepic一同构成DC/DC变换器的总体硬件电路。其系统结构图如图7所示。    

图7  DC/DC变换器系统结构图

3.1控制单元

控制单元选用单片机MC9S12D64，它延续了飞思卡尔半导体在车用微控制器领域的优良传统，是以速度**快的S12内核（Star Core）为核心的单片机MC9S12系列的成员，管脚兼容，存储器可以得到升级。并且片内有多种外围设备可供选择。 MC9S12D64共有8种工作模式，模式的设定通过复位期间采集BKGD、MODB、MODA三个引脚的状态来实现[5]。增强了应用的可选择性。控制单元通过CAN通讯网络接受整车控制器的指令，按照协议翻译指令对燃料电池电堆提取相应的功率，并将通过传感器检测到的DC/DC变换器的高低端的电流电压值按照协议上传CAN通讯网络。同时读取温度传感器的值，根据要求适时的启动散热风扇。

3.2CAN通讯硬件接口电路

做为燃料电池车的DC/DC变换模块，须参与整车的通讯和控制，通过接受整车控制信号指令做出相应的动作，对燃料电池提取功率。

CAN通讯接口硬件设计如图8所示，其中82C250是CAN控制器和物理总线间的接口[4]，它和CAN控制器之间采用光隔P113以提高系统的抗干扰能力。   

图8  CAN通讯接口硬件电路设计

3.3 DC/DC变换器低端**电压电流测量

对DC/DC变换器的**低端电压电流进行采样，作为控制DC/DC变换器功率的回馈参考数据，并上传CAN网络做为整车控制的重要参考数据。**和低端的电流采样用传感器WBV151S07,为电压隔离传感器，输入范围为0～75mV,输出为0～5V，供电为±12V。被测母线通过分流，将电流以比例衰减到电流传感器的输入范围内，并通过车用微控制器MC9S12D64的AD采样传感器的输出端。

**和低端的电压采样用传感器WBV151S01，当被测电压低于500V时，将电压传感器直接挂接到被测母线上，通过控制器AD采样接口读取传感器输出端的值。

3.4温度传感器

车载DC/DC变换器为大功率器件，散热是重要性能指标之一，因此为DC/DC变换器设置了温度传感器，来实时检测温度，当散热器不能满足其散热要求时，根据温度传感器采集的温度量来启动散热风扇，并以温度为依据设定风扇的转速大小。温度检测采用的是美DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器DS18B20。它的测量范围为﹣50℃到﹢125℃，精度可达0.1℃，不需要A/D转换，直接将温度值转换为数字量。DS18B20严格的遵守单线串行通信协议，每一个DS18B20在出厂时都用激光进行调校，并具有**的64位序列号。这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。

工作中控制单元对DS18B20的操作以ROM命令和存储器命令形式出现。其中ROM操作指令分别为：读ROM(33H) 、匹配ROM(55H) 、跳过ROM(CCH) 、搜索ROM(F0H)和告警搜索(ECH)命令。暂存器指令分别为：写暂存存储器(4EH)、读暂存存储器(BEH)、复制暂存存储器(48H)、温度转换(44H)和读电源供电方式(B4H)。

4,DC/DC变换器的软件设计

软件设计的开发环境为Code Warrior for S12,它是面向以HC12和S12为CPU的单片机应用开发的软件包。包括集成开发环境IDE、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、C交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。其调试方式为BDM方式, BDM(Background Debug Mode)是Freescale公司的一种系统调试方式，具备基本的调试功能，包括资源访问及运行控制，与指令挂牌及断点逻辑配合就可以实现很多重要的开发功能。

4.1 DC/DC变换器工作模式

DC/DC变换器设计三种工作模式，使能工作模式，正常工作模式和故障模式。在使能工作模式下DC/DC处于未被启动状况，需要将其引出的两使能脚短路使其使能成功，使能成功后即进入正常工作模式，在正常工作模式下可对DC/DC变换器进行提取功率操作。DC/DC的控制单元如果检测到故障，将使DC/DC变换器进入故障模式，此时整车控制器指令对DC/DC变换器的操作无效。

4.2DC/DC变换器工作协议

作为燃料电池车的电压变换器，需要根据工作方式制定协议，并规定每上传比特位的意义，DC/DC变换器则根据相应的协议向整车CAN网上传数据，整车控制器则从CAN网上采集相应的数据按协议翻译并参与控制策略运算。DC/DC变换器的协议包括上传数据协议和接受数据协议。

4.3流程图

如图9所示，为DC/DC变换器的工作主流程图，此外，在CAN中断处理程序中，按协议接受CAN网数据供主程序使用，并在定时中断中定时上传数据，每100ms上传一帧数据,采用CAN2.0 通讯协议，29位ID，每帧8个字节数据量通讯方式。

图9  主流程图

5,结束语

本文作者创新点：以飞思卡尔单片机MC9S12D64做为控制单元设计成的燃料电池车载DC/DC变换器经上车实验具有如下创新点：          

①DC/DC电路采用没有隔离的双向Zeta-Sepic 直流变换器电路，可靠稳定，适应燃料电池车的工作要求。②采用车用微控制器MC9SD64为DC/DC变换器的控制单元，提高了现场的抗干扰能力，确保DC/DC变换器在电磁环境较为恶劣，电磁干扰因素居多环境下正常运行。③采用数字温度传感器DS18B20检测散热器温度，使温度检测系统结构简单，抗干扰能力强，精度高；④利用CAN总线与整车CAN网通讯，与整车通讯协议匹配，保证通信流畅，提高了DC/DC变换器的通信的抗干扰能力。