郁百超
　　
　　湖北省电力信息通信公司
　　
　　摘要：本文介绍蓄电池的无损充电及自行车、汽车、火车的微功耗电驱动系统。“整体串联恒流、单体并联恒压”的充电方法，实现了无损充电，无损的含意有两层，一是充电功率基本无损耗，二是电池本身在充放电过程中完全无损害，该无损充电机仅由简单电路实现，无过充、过热、过放、过流、短路现象，充电终了时所有单体电池的端电压完全相等；“只须把输入功率中极小部份进行传统功率变换，就可以得到全部输出功率”，实现了微功耗电驱动，即输入功率中绝大部份既不必进行实际的功率变换，也不必通过磁芯变压器或电感传递，直接到达输出端而成为输出功率，该微功耗电驱动系统的主功率器件不采用PWM脉宽调制，电路简单，功耗极小而寿命极长，其成本、体积、重量、功耗都是传统电驱动系统的十分之一。

3．2．3微功耗双向变换器[4]
　　
　　图20是微功耗双向变换器，由两个升压变换器组成，当Q6饱和导通时，由Q1、Q3组成的微功耗升压变换器工作，直流电机M1正转；当Q5饱和导通时，由Q2、Q4组成的微功耗升压变换器工作，直流电机M1反转。由微功耗升压变换器组成的向微功耗双向变换器，其工作原理、所具备的各种特点，概如上述，此处不再重复。

　　　　
　　组成微功耗双向变换器的两个微功耗升压变换器，升压又稳压，当蓄电池端电压下降到最低时，仍能保证电机以额定电压供电。
　　
　　3．3．微功耗直流逆变器
　　
　　3．3．1.微功耗直流逆变器原理电路（1）
　　
　　图21是微功耗直流逆变器原理电路（1），Q1-Q4组成了逆变桥，V1、V2是Q1、Q2栅极驱动信号，波形为脉宽10ms、周期20ms的馒头波信号，幅值比输出电压Vo高一个栅源电路Vgs，V2比V1的滞后10ms，V4、V5是周期为20ms的方波信号，其中V4比V5滞后10ms，输入直流电压V3=310V，输出电压Vo在负载电阻R1上获得。
　　
　　前10ms，V5为高电平，Q4饱和导通，由于Q1栅极所加馒头波信号V1的钳位作用，使得Q1的源极电压跟踪栅极电压V1，在负载电阻上输出前10ms的馒头波电压；后10ms，V4为高电平，Q3饱和导通，由于Q2栅极所加馒头波信号V2的钳位作用，使得Q2的源极电压跟踪栅极电压V2，在负载电阻上输出后10ms的馒头波电压。20ms过后，在负载电阻R1上获得完整的正弦波电压Vo，Q1产生正弦波的前10ms波形，Q2产生正弦波的后10ms波形，Q3、Q4只起换向作用。

　　　　
　　图21右边是输出电压Vo时长40ms的仿真波形，与由PWM脉宽调制方波经电感、电容滤波而来的正弦波电压完全不同，这是从整块直流电压切割下来的波形，所获得的是真正的、实心正弦波电压，其正弦硬度最高。
　　
　　设输入直流电压为1，则输出正弦波电压为Sinx，直流电压输出正弦波电压后剩余部份的面积为（1-Sinx），在图21电路中，面积（1-Sinx）所包含的电压降在Q1、Q2的漏源极，所包含的电能在Q1、Q2的漏源极发热消耗掉。
　　
　　3．3.2．微功耗直流逆变器原理电路（2）
　　
　　图22是微功耗直流逆变器原理电路（2），在Q1、Q2的漏极增加了磁芯变压器TX1，面积（1-Sinx）所包含的电压在TX1中升压、电磁转换、动态整流，变成与Q9、Q10的驱动信号同频、同相、同步的正弦波电压Vob。

　　　　
　　图22电路中的V4、V5是市电同步信号，V5滞后10ms，V2、V3是高频方波，于是在负载电阻R3、R4上产生包络为脉宽10ms、周期20ms方波的高频方波信号Vr1、Vr2，此信号加在Q5、Q6的栅极，Q5、Q6的漏极加正弦馒头波电压，于是在Q5、Q6的源极电阻R6、R7上产生包络为正弦馒头波的方波信号G1、G2。
　　
　　场效应管Q9、Q10、Q13、Q14组成了微功耗直流逆变器原理电路（1），与图21电路相同，Q9、Q10的漏极接变压器TX1原边的异名端，输入直流电压V1加在TX1原边的同名端和地之间，驱动信号G1、G2加在Q9、Q10的栅极，根据图21的说明，在Q9、Q10的源极得到正弦波输出电压Voa。
　　
　　幅值为1的直流电压Vi被Q9、Q10的栅极驱动信号切下了形如Sinx的一大部份，剩下来的面积是形如（1-Sinx）的一小部份，函数y=1-Sinx也是正弦函数，这一小部份电压进入变压器TX1后，形成了包络为正弦波的双边带方波电压，选择适当变比，在电压变压器TX1付边产生幅值为310V、包络为正弦波的双边带方波电压，经过由Q1、Q2、Q7、Q8、Q11、Q12、Q15、Q16组成的动态整流电路后，在负载电阻R2上得到正弦波输出电压Vob，此电压与Voa同频、同相、同步。有关动态整流的论述请参考文献[5]。
　　
　　图23是微功耗直流逆变器原理电路（2）各点电压仿真波形，从上到下依次是：1）包络为脉宽10ms、2）周期20ms方波的高频方波信号Vr1、Vr2，包络为正弦馒头波的方波信号G1、G2，3）变压器付边电压Vs、4）正弦输出电压Voa、Vob。
　　
　　　
　　仿真波形4）中的输出电压Vob是由（1-Sinx）变换而来，采用图22所示逆变电路（2），本来已经在漏源极发热浪费掉的这一小部份功率由TX1进行回收利用。
　　
　　3．3．3.微功耗直流逆变器实际电路工作原理[11]
　　
　　图24是微功耗直流逆变器工作原理示意图，可以看到，图24的左边，直流电压经过切去Sinx后的剩部份（1-Sinx），经计算，这一部份占总面积的36%，尽管已经回收利用，但这一部份面积相对较大，进行传统功率变换后，其功率损耗也比较大，离微功耗尚有距离。为了进一步减小损耗，采用了图24右边波形所示的逆变原理。
　　
　　　　
　　图24右边是微功耗直流逆变器工作原理示意图，工作过程如下：
　　
　　1) 正弦波前10ms面积沿Y轴N等分，此处以4等分为例；
　　
　　2) 每等分以下底为一边作4个长方形，堆累成塔形；
　　
　　3) 利用电容网络由输入直流电压产生宝塔波电压，这是实施直流逆变的第一步；
　　
　　4) 用正弦波从内部切割此宝塔波，正弦波的幅值选择原则是，使得正弦波在内部刚好和塔形波相切；
　　
　　5) 塔形波被切去多余部份后的实体，刚刚好是输出的正弦波电压Voa；
　　
　　6) 塔形波切下来的多余部份变换成正弦波电压Vob，与前述Voa同时输出，产生输出电压Vo的前10ms波形；
　　
　　7) 正弦波后10ms面积处理方法同上，产生输出电压Voa、Vob的后10ms波形。
　　
　　宝塔波电压产生电路和电压切割电路的工作原理，详见文献[6、7]，三相交流电压的产生的原理和过程与单相交流电压相同，不再重复。
　　
　　3．4、汽车微功耗电驱动的特点
　　
　　电动汽车动力系统采用的微功耗降压变换器、微功耗升压变换器、微功耗双向变换器、微功耗直流逆变器，最主要的特点是，绝大部份输入功率并不参与实际的功率变换，直接到达输出端，成为输出功率，这绝大部份输入功率的变换效率可视为100%，只有极小部份输入功率须进行实际的功率变换，这极小部份输入功率进行功率变换，所产生的功率损耗当然非常小，这非常小的功率损耗换算成整个输入电压进行功率变换的功率损耗比例当然更小，因而整机功率变换的效率非常高。
　　
　　交流感应电机、交流永磁同步电机（PMSM）等，需要正弦波交流电压供电，蓄电池的直流电压必须进行逆变，同时进行变频、变压调速，本文所述微功耗直流逆变器可当此重任；有刷直流电动机、永磁无刷直流电动机（BDCM）、开关磁阻电动机（SR）、双凸极永磁电动机（DSPM）等，本质上并不需要正弦波交流电压供电，蓄电池直流电压不必进行逆变，可采用变幅调速控制，结合本文所述微功耗降压变换器和微功耗升压变换器，可组成直流变幅器，这正如交流电机进行变频调速控制一样。有关变幅器的原理和应用，请参考微功耗电动自行车控制器一文。
　　
　　（未完待续）

【红尘有你】