本文针对新能源汽车混合储能系统中的双向DC/DC变换器展开研究,以兼顾输出电流纹波和动态响应速度为设计准则,应用磁集成和交错并联技术,设计了一种六通道磁集成交错并联双向DC/DC变换器。汽车尾气是造成环境恶化的重要因素之一,城市汽车保有量的逐年上升,导致一些无重工业的城市也出现严重雾霾天气,因此,低排放甚至零排放的新能源汽车,近年来成为全球关注的研发热点。混合动力汽车是新能源汽车的重要分支,其所用混合储能装置的构型通常选择由双向DC/DC变换器实现对蓄电池和超级电容的充放电管理,以蓄电池为主能量源,与负载直接连接,而超级电容作为辅助能量源,超级电容通过DC/DC变换器与负载连接,以实现汽车制动时的能量回收。双向DC/DC变换器工作在Boost模式时,超级电容经过变换器给负载提供峰值功率,反之,双向DC/DC变换器处于Buck工作模式时,由超级电容来接收负载回馈的能量。混合储能系统的设计中,设计者期望双向DC/DC变换器的输出电流纹波越小越好,通常可采取多重化处理的方法来实现,即采取多个单通道Buck-Boost基本电路并联构成。多通道双向DC/DC变换器的优点是在增大输出功率的同时,使每一通道电流应力变小,提高变换器效率。通道数的增加,可以增大变换器输出总功率,但是通道数的增加会导致分析和设计变得复杂,故国内外相关研究工作较少。本文依托国家自然科学基金项目《双向DC/DC变换器的磁集成交错并联理论与控制方法》,在课题组对三通道和四通道交错并联双向DC/DC变换器磁集成技术的研究成果基础之上,设计了一种六通道的磁集成交错并联Buck-Boost变换器。减小电流纹波与提高动态响应速度是变换器设计中的一对矛盾因素,本文采用磁集成交错并联技术,实现六个通道主电感之间的耦合,可在减小输出电流纹波的同时保证变换器的动态响应速度。在相同的动态响应速度下,与采用分立电感的变换器相比,采取主电感耦合方式,能够明显减小通道电流纹波、总输出电流纹波及总输出电压纹波。首先设计六通道交错并联Buck-Boost变换器的拓扑结构,对六通道交错并联双向Buck-Boost变换器的Boost工作模式进行分析,画出不同模态下变换器的等效电路,并依据占空比的六个不同取值区间,分析得到一个开关周期内的十二个工作模态下主开关管导通和关断的规律表。由于通道数的增加,采用整体式磁芯设计耦合电感变得困难,故本文使用阵列式磁芯结构,这种耦合电感采用矩阵式拓扑结构,可以更好地满足变换器通道数变化和扩展的需求。本文针对双向Buck-Boost变换器六个通道主电感的阵列式磁集成实现,给出三种耦合方案:第一通道与第四通道、第二通道与第五通道、第三通道与第六通道分别耦合的两两耦合方式,第一、第三和第五通道相互耦合而第二、第四和第六通道相互耦合的三三耦合方式,以及第一、第二、第三、第四、第五、第六通道、再回到第一通道的首尾依次耦合方式。针对所设计的三种主电感耦合方案,分别设计其对应的阵列式矩阵拓扑结构,并根据矩阵拓扑结构推导出主对角线磁芯电感、非主对角线磁芯电感、匝数比和磁阻比与耦合度的关系。根据三种方案对应的电路拓扑结构所满足的电压方程、主开关管导通状态表以及Boost模式下的通道电流波形和电感电流波形图,以第一通道为例,分别计算了占空比的六个取值区间内,每种耦合方式的十二个模态对应的十二个等效电感。通道等效电感的计算结果,为求解等效稳态电感和等效暂态电感奠定了重要的数学基础。等效电感的求解需要经过大量的数学计算,对于多通道变换器而言,寻找计算规律和有效的计算方法变得尤为重要,本文所用方法可推广至N通道双向Buck-Boost变换器等效电感的计算。采用分立电感时,增大主电感可减小电流纹波,但会导致动态响应严重变慢,即减小纹波与加快响应速度二者不可兼得,二者为一对矛盾因素。磁集成技术的优点正是能够通过正确的分析和计算,在兼顾输出电流纹波和响应速度的基础之上,找到最佳耦合度,设计出六通道耦合电感。当负载突然增大时,变换器占空比也会增大,通过动态分析可以求解变换器输出电流稳态纹波及暂态电流增量。具体分析方法为,画出占空比增加时耦合与非耦合情况下的通道电流波形,计算耦合与非耦合情况下的通道稳态电流纹波以及暂态电流增量,通过耦合与非耦合数学关系式的对比,可以确定变换器耦合方式下的稳态等效电感和暂态等效电感。分别针对所设计的三种耦合方案,画出耦合与非耦合情况下对应的相电流(即通道电流)动态响应曲线,推导出不同占空比区间的等效稳态电感与暂态等效电感的表达式,并计算出耦合与非耦合情况下的相电流纹波和输出电流纹波的表达式,以及动态响应速度的表达式。进一步推导出耦合度与占空比、稳态相电流纹波和暂态相电流增量之间所满足的数学关系表达式,为三种方案的最佳耦合度的设计提供数学依据。耦合度设计是磁集成应用中最重要环节,本文设计思路为,兼顾动态响应速度与输出电流纹波,根据耦合与非耦合情况下的动态响应速度表达式,先假定耦合情况下的暂态电感与非耦合情况下的分立电感相等,即在保证耦合与非耦合响应速度相同的情况下进行对比,选择合适的耦合度以使得耦合方式的电流纹波小于非耦合方式。在假定响应速度相等的前提下,根据耦合与非耦合情况下的相电流纹波表达式可知,等效稳态电感与暂态等效电感(即非耦合时的分立电感)的差值越大,表示耦合后的相电流纹波比非耦合情况下相电流纹波减小的越多,由此可确定出最佳耦合度,即找到了六通道磁集成耦合电感的设计准则。耦合度设计的具体实现方法为,根据所推导的耦合度、占空比、等效稳态电感及等效暂态电感的表达式,采用归一化电感计算方法,利用Math CAD得到不同占空比取值条件下,三种耦合方案各自对应的归一化等效稳态电感、归一化等效暂态电感与耦合度之间的关系曲线,以及归一化等效稳态电感与归一化等效暂态电感的差值与耦合度的关系曲线,取每种耦合方案的关系曲线中等效稳态电感和等效暂态电感差值最大的区域为最佳耦合度取值范围。根据计算和分析的结果发现,采用六通道两两耦合方式和三三耦合方式时,变换器均能稳定工作,可以确定出各自对应的最佳耦合度取值范围,但是对于六通道依次耦合方式,当占空比大于1/3时,等效稳态电感在某些情况下变为无穷大,说明变换器不能稳定工作,故第三种方案不可取,本文仅对这种方案进行了理论分析,仿真与实验研究只针对前两种方案。为保证电流连续,可以求解出非耦合情况下的等效稳态电感最小取值,进一步求解出耦合情况下每相自感的最小取值。根据阵列式矩阵结构,求解出耦合情况下每单元的漏感和互感值,利用铁硅铝磁环KS068125A手工绕制电感线圈,分别制作出两两耦合和三三耦合方式下的六相耦合电感。利用Saber软件建立了系统的仿真模型,对非耦合、两两耦合和三三耦合这三种情况下的相电流、总输出电流及负载突变进行了仿真分析,仿真结果验证了前述理论分析及计算推导的正确性。搭建了系统实验样机,分别对非耦合、两两耦合和三三耦合情况下的电路进行实验测试。通过对单相电流输出纹波、总输出电流纹波和总输出电压纹波的测试,实验结果证明,在相同条件下,使用耦合电感可以较大程度的减小单相电流纹波、总输出电压纹波和总输出电流的纹波。通过理论分析、数学推导、仿真分析和实验测试,得出结论:对于六通道交错并联双向DC/DC变换器,与采用分立电感的变换器相比,在保证相同动态响应速度的前提之下,采用耦合电感可以较明显的减小单相电流纹波、总输出电流纹波和总输出电压纹波。此外,两两耦合方案的性能优于非耦合方式,而三三耦合方案的性能又优于两两耦合方式。