浅谈理论联系实践在电力电子教学中的应用

摘要：在高职的电力电子技术课程教学中，经常存在学生觉得理论知识枯燥乏味听不懂，好不容易有点理解又不知道在实际中有什么用。理论一旦脱离了实际，就会变得索然无味，所以理论联系实际是高职教学中必须坚持的基本教学法。在本文中联系电动汽车的相关技术浅谈理论在实践中的应用。

关键词：电力电子;理论;实践;电动汽车

一、前言

教育理论研究与教育实践研究应该是统一的、互相依托和互相促进的。然而在高职教育中，电气类的学生普遍存在，理论学习难，枯燥无味，不知道这些理论在生活中有哪些作用。毕业工作后，看到实际电路图又不知道该和以前的哪个知识点联系起来。在教学中，理论如果脱离了实际，最后培养出的学生必定会缺少社会竞争力。理论要指导实践，实践又会不断深化和完善理论并促进理论向前发展，这才是高职院校对学生最终的培养目标。

可是，在理论学习中，我们如何将这两者联系在一起呢。在本文中，我们理论联系实际，将电力电子课程中的直流斩波电路与电动汽车中的双向变换器相结合，从基本理论出发，看懂实际电路图。

二、教学内容讲解：基本Buck-boost双向DC-DC变换器

通过电力电子器件的开关作用，将恒定的直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，称为直流斩波电路，也称为DC-DC变换器。

DC-DC变换器种类很多，主要分为隔离性和非隔离型，不论哪种类型都可以由基本的DC-DC变换器进行级联、演化、等效、隔离等技术构成。所以在在教学中，我们主要介绍Buck电路、Boost电路、Buck-boost电路以及Cuk电路这4个最基本的直流斩波电路。今天我们选取Buck-boost双向DC-DC变换器的基本工作原理进行简单描述。

开关V导通：电源E通过开关管V向电感L供电，此时电流为i1，电感储存能量，同时电容C向负载R供电并维持输出电压恒定;

开关V断开：电感L中储存的能量向负载释放，电流为i2，负载电压极性上负下正，与电源电压极性相反。

该电路的输出电压为：Uo=α/（1-α）Ud（α为占空比），若改变α，则输出电压既可以比电源电压低，也可以比电源电压高。当1<α<1/2时为降压，1/2<α<1时为升压，因此该电路称为升降压斩波电路，或者称为Buck-boost变换器。为了让学生便于理解这种技术与我们的生活息息相关，我们可以向学生介绍Buck-boost变换器在当下比较热门电动汽车相关技术中的一些应用。

三、理论联系实际：电动汽车中的DC-DC

作为电动汽车动力系统中重要组成部分，DC-DC变换器主要有2个作用：

1、提供电力给动力转向系统、空调、其他辅助设备;

2、在复合电源系统中，串联超级电容，使电源输出可调节，母线电压得以稳定。

在电动汽车电气系统中，DC-DC变换器的电能来自于动力电池包，作用是供电给车载电器。它在系统中的位置如下图所示：

在最近两年中，双向DC-DC已经开始悄然取代单向的DC-DC转换模块，成为了电动汽车生产商的主流选择对象。在两端直流电压极性保持不变的前提下，双向DC-DC变换器可以根据电力系统的需要让电流方向发生改变，变换电力系统能量的双向流动。降低电池组输出电压的等级，提高车辆的安全性，降低电池系统的成本，有助于提高系统的运行效率。

非隔离型Buck-Boost双向DC-DC變换器在电动汽车中是如何应用的，如下图所示。

C1：低压侧电容;C2：为高压侧电容;L1：电感;Q1，Q2：全控开关器件IGBT;

R：电阻;D1，D2：续流二极管;V1：蓄电池电压;V2：输出电压。

我们发现，Buck-boost双向DC-DC变换器中的元器件构成和我们基本DC-DC变换器的元器件基本都是一样。

开关管Q2关断，Q1导通：此时C2为负责向启动或提速供电的电动汽车电源，在该工作过程中电感L迅速储存能量。

Q1关断：此时，为电动车负载供电的，是共同作用于电动汽车的蓄电池电压V1和电感L。在此工作周期中，电动汽车高压侧输出电压U2=1/（1-α1）U1，式中：α1为Q1的占空比。调节占空比，电动汽车输出电压就会更加稳定，同时电动汽车的能量转换得以实现。

不仅如此，课堂上还可以向学生介绍一些简单的DC-DC变换器主电路的工作原理。比如下图所示：

在上图中，我们可以看出，变压器左边接的是一个逆变电路，将直流变为交流，变压器的右侧接的是整流二极管，整流二极管的右边是一个滤波电路。所以整个电路的变换是：DC→AC→AC→DC。

如图所示：经过左侧全桥逆变电路得到的矩形脉冲波是变压器的输入，传递到变压器的副边，得到电压幅值不同的交流正弦波;交流正弦波经过DR1和DR2整流，由Cf和Rl进行滤波处理，最终得到直流电，提供给输出端。由此可见，输出电压是输入电压Vin，通过DC-DC回路得到的。

原边开关电路依靠控制器对特定占空比的PWM波进行调制，按照既定的顺序和时间驱动四个开关管导通、截止，将输入电流调制成矩形波，完成电流逆变过程。通过调节占空比可以调节原边输入电压的大小，输出电压减小则减小占空比，若增加输出电压则增加占空比即可。通过调节开关频率可以调节频率。T1为变压器，变压比n。变压器不仅可以调节电压，还可以实现电气隔离。不同电压等级可以通过改变副边线圈匝数，固定原边线圈匝数得到。

当然，在介绍这样的实例时，我们最好可以向学生简单介绍电动车的行业背景，发展历程，让学生清楚知道我们学习的DC-DC存在于电动汽车研发中的哪一环节，用来干什么的。让学生深刻体会，这些理论知识，不是孤零零毫无温度的只存在于书本上，不仅仅只是印刷品让大家去看，而是真真实实可以用在我们的生活生产科技之中，让我们自己学过的理论真切的用在实际中，让理论指导实践，让实践推动理论继续前行。

四、结语

综上所述，在传统的理论课程学习中，不受教材的局限，将复杂深奥的知识融入到日常生活、生产实践、热点新闻、当下科技发展中，选取与我们息息相关，典型而又通俗易懂的案例融入到教学中，增强学科的实用性、时代感、历史感，既可以尽可能增加学生的兴趣，加深对基础知识的理解，又能提高分析和解决问题的能力，同时又可以为提高专业素养和创新能力打下基础。

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作者简介：饶晶晶（1987.02-），女，讲师，硕士，研究方向：电力电子，传感器网络教学和研究。