電動(dòng)汽車用新型三電平雙向DC/DC變換器的研究

王瑞妙，王明渝，陳楊裕

(重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044)

以電能為主要能源的電動(dòng)汽車由于其零排放、低污染、能源利用率高等特點(diǎn)，日益成為各國(guó)研究的重點(diǎn)，有望取代燃油汽車成為未來(lái)主要的交通工具之一[1]。在電動(dòng)汽車的運(yùn)行過(guò)程中，由于其轉(zhuǎn)速范圍極寬、頻繁加減速，而且蓄電池的電壓變化范圍很大，這就需要使用雙向DC/DC來(lái)穩(wěn)定電機(jī)側(cè)直流母線電壓，以提高電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能。另外，雙向DC/DC變換器可以將制動(dòng)剎車時(shí)的能量轉(zhuǎn)化為電能回饋給蓄電池，提高效率。同時(shí)也可以避免使用單向DC/DC變換器時(shí)出現(xiàn)的反向制動(dòng)無(wú)法控制和變換器輸出浪涌電壓等不利情況。雙向DC/DC變換器是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)能量流動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2]。

目前采用較多的是兩電平Buck/Boost雙向變換器，它是將Buck變換器的續(xù)流二極管換成雙向開(kāi)關(guān)管得到兩電平雙向變換器。此變換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)，但是每個(gè)開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力均為輸入電壓。鑒于當(dāng)前的開(kāi)關(guān)管電壓水平，這種結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)大電壓下的應(yīng)用，輸出電壓效果不明顯[3]。

為了解決以上問(wèn)題，本文提出一種新型三電平雙向DC/DC變換器，它是在通用多電平變換器拓?fù)涞幕A(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的[4-6]。對(duì)于各種不同的控制策略與負(fù)載特性，這種變換器都能夠自動(dòng)地平衡每一個(gè)電平，無(wú)需任何輔助電路就能實(shí)現(xiàn)電壓自動(dòng)平衡的功能，為多電平的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的保障。另外，這種新型的三電平雙向DC/DC變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)變換器在兩個(gè)方向上都能實(shí)現(xiàn)Buck/Boost工作模式，并且升壓或降壓的比例可以在較大范圍內(nèi)連續(xù)變化，可以在一定程度上降低串聯(lián)的單體蓄電池個(gè)數(shù)，從而降低了成本；(2)充分利用了多電平技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)⒌蛪洪_(kāi)關(guān)管如MOSFET應(yīng)用在高壓場(chǎng)合；(3)變換器由諸多基本單位構(gòu)成，理論上可以推廣至任意電平，而且模塊化的結(jié)構(gòu)易于更換；(4)輸出電壓的穩(wěn)定性高。

1 DC/DC變換器模型

本文所提出的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是基于通用型多電平變換器拓?fù)?。通用型多電平變換器中的開(kāi)關(guān)管需要按照一定的規(guī)則開(kāi)關(guān)工作，才可以得到所需的輸出電壓，同時(shí)能夠自動(dòng)平衡變換器中各個(gè)箝位電容兩端的電壓，所要遵照的開(kāi)關(guān)規(guī)則如下：

(1)每個(gè)開(kāi)關(guān)臂對(duì)于其他開(kāi)關(guān)臂而言都是獨(dú)立開(kāi)關(guān)工作的。

(2)每個(gè)開(kāi)關(guān)臂上任意相鄰2個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)在任意時(shí)刻都是相反的。

(3)由規(guī)則(2)可以推出，在某一個(gè)固定時(shí)刻t，若已知某一開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，那么這個(gè)開(kāi)關(guān)臂中其他開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)也就唯一確定了。

將給定的輸入電壓Uin加在端口U2上， 當(dāng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的模時(shí)，端口U1上的輸出電平為(電平數(shù)為M)：

同樣，可以在端口U1上施加輸入電壓Uin，依據(jù)相同理論分析得到輸出端U2的電壓為：

但是此時(shí)要注意 n的取值只能為1、2、3，不能為 0。

由以上公式分析可見(jiàn)，一種輸出電壓可以對(duì)應(yīng)多個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)控制在同一種輸出電平所對(duì)應(yīng)的那幾種開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間切換時(shí)，就能夠保證在輸出電壓不變的同時(shí)，自動(dòng)平衡各個(gè)箝位電容兩端的電壓。由于開(kāi)關(guān)管都是雙向開(kāi)關(guān)，相并聯(lián)的電容能夠通過(guò)相互充放電而保持其兩端電壓的一致性。將給定的輸入電壓Uin加在端口U2，則 U1為輸出端，同時(shí)有 UC21=UC22=Uin/2。分析中假設(shè)每個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)都能夠持續(xù)足夠的時(shí)間，以保證所有箝位電容完成相互間的充放電，則每種輸出電平對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)管狀態(tài)以及箝位電容電壓如表1所示。

表1 不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的輸出電壓以及箝位電容電壓

此理論可以推廣到任意電平的變換器，實(shí)現(xiàn)箝位電容電壓的自動(dòng)平衡。同時(shí)能夠保證所有開(kāi)關(guān)管、箝位電容、反并聯(lián)二極管上所承受的電壓不會(huì)超過(guò)輸入電壓的1/(M-1)。

這種結(jié)構(gòu)的變換器電壓只能整數(shù)倍于輸入電壓變化，輸出最大為2倍輸入電壓，升降壓比例小，不適合大電壓下的應(yīng)用。為了解決上述問(wèn)題，提出了一種新的結(jié)構(gòu)，不僅可以使能量雙向流動(dòng)，還可以在一個(gè)方向上同時(shí)實(shí)現(xiàn)Buck/Boost。對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行PWM控制，可以實(shí)現(xiàn)電壓的連續(xù)變化。通過(guò)不同的控制策略，還可以實(shí)現(xiàn)大升降壓比。新型三電平雙向DC/DC變換器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型三電平雙向DC/DC變換器

新型的結(jié)構(gòu)就是將2個(gè)完全相同的模塊通過(guò)電感背靠背的連接起來(lái)，加電感的目的是為了降低電路中的沖擊，防止電流瞬時(shí)過(guò)大，損壞各個(gè)器件。這個(gè)結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，從而也使得控制策略也比較靈活。

2 變換器特性分析

2.1 工作原理

圖1所示的新型三電平雙向 DC/DC變換器中，S11、S12、S13、S14、S21、S22、S31、S32、S41、S42、S43、S44均 為 開(kāi) 關(guān) 管 ， 且每個(gè)開(kāi)關(guān)管都有1個(gè)箝位二極管與之并聯(lián)，其開(kāi)關(guān)規(guī)則遵循三電平通用型變換器的開(kāi)關(guān)規(guī)則。 C12、C21、C31、C41、C42為箝位電容，在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)將其電壓箝位在一個(gè)恒定值，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定。

變換器正向工作時(shí)，對(duì)開(kāi)關(guān)臂1、開(kāi)關(guān)臂2施加頻率相同、占空比也相同的PWM控制信號(hào)，不同之處就是開(kāi)關(guān)臂2的控制信號(hào)比開(kāi)關(guān)臂1的控制信號(hào)要超前2πD相位。若開(kāi)關(guān)臂1和開(kāi)關(guān)臂2的控制信號(hào)都是頻率為1/T、占空比為D1的PWM信號(hào)，控制信號(hào)如圖2所示。占空比不同時(shí)，每種開(kāi)關(guān)狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間不同，其中：占空比 D1＜0.5 時(shí)，t1=(1-2D1)T，t2=D1T，t3=D1T； 占空比 D1≥0.5 時(shí)，t1=(1-D1)T，t2=(2D1-1)T，t3=(1-D1)T。每種開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的輸出電壓如表1所示，則電感左端電壓UL1的平均值為：

由此可見(jiàn)，無(wú)論何種占空比，輸入與輸出電壓之間總是存在關(guān)系：

對(duì)關(guān)臂 3、開(kāi)關(guān)臂4施以頻率相同但占空比為 D2的PWM信號(hào)，同樣地可推導(dǎo)出電感右端的電壓與輸出電壓之間的關(guān)系。其中：占空比 D2＜0.5時(shí)，t1=(1-2D2)T，t2=D2T，t3=D2T； 占空比 D2≥0.5 時(shí)，t1=(1-D2)T，t2=(2D2-1)T，t3=(1-D2)T。每種開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的輸出電壓如表1所示，則電感右端電壓UL2的平均值為：

占空比 D2≥0.5時(shí)：

又因?yàn)樵谝粋€(gè)周期內(nèi)，儲(chǔ)能電感L左右兩端的平均電壓可以近似相等，則推導(dǎo)出變換器輸出電壓和輸入電壓間的關(guān)系為：

2.2 控制策略

電動(dòng)汽車蓄電池在運(yùn)行過(guò)程中，由于放電過(guò)程蓄電池自身的物理特性變化，使得其電壓會(huì)隨著汽車的運(yùn)行而降低。為了使電機(jī)及各個(gè)輔助設(shè)備不受電壓變化的影響，就要對(duì)蓄電池輸出電壓進(jìn)行控制，穩(wěn)定輸出電壓。

若采用開(kāi)環(huán)控制，則會(huì)發(fā)現(xiàn)輸出電壓的抗干擾性不強(qiáng)，在遇到輸入電壓波動(dòng)時(shí)，輸出電壓不能維持恒定。為了解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)此變換器進(jìn)行閉環(huán)控制，即將輸出電壓反饋回輸入端，經(jīng)過(guò)一定的PI調(diào)節(jié)和比較，再將信號(hào)送到開(kāi)關(guān)管的控制端，對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行PWM控制，從而使輸出電壓跟隨給定值變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。PI控制的表達(dá)式為：

其中，kp為比例系數(shù)，ki為積分常數(shù)。kp的增加可以加快系統(tǒng)響應(yīng)，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在有靜差的情況下，有利于減小靜差。但是過(guò)大的kp會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。ki的增加可以加快消除系統(tǒng)靜差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。故而常用比例積分控制規(guī)律，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能都滿足要求?？刂圃砣鐖D3所示。

由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，變換器反向工作時(shí)，只需要直接將原來(lái)加到開(kāi)關(guān)臂1、開(kāi)關(guān)臂2上的脈沖信號(hào)加到開(kāi)關(guān)臂3、開(kāi)關(guān)臂4上，同時(shí)反饋采用電流控制，就可以實(shí)現(xiàn)同樣的控制效果。

3 仿真驗(yàn)證

由于蓄電池在電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中，其電壓變換范圍很大，本文僅對(duì)變換器穩(wěn)定輸出電壓的特性即其正向特性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)：箝位電容C11=C12=C21=C31=C41=C42=680 μF，電感 L=0.01 mH，開(kāi)關(guān)頻率為 f=20 kHz。

正常工作時(shí)，蓄電池電壓不穩(wěn)定，單體2 V電池工作電壓范圍為：2.2 V～1.8 V(蓄電池終止電壓與放電電流大小及放電深度有關(guān))，12 V電池的變化范圍以 2.4 V/格為單位。于是對(duì)于額定電壓48 V的蓄電池，工作電壓變化范圍為57.6 V～38.4 V?？紤]實(shí)際情況后電壓取值范圍為54 V～42 V。設(shè)定變換器的最大交換功率為3 kW，直流母線側(cè)最大電壓為300 V。由于實(shí)際蓄電池電壓變化情況復(fù)雜，本仿真采取突降電壓來(lái)模擬電池電壓降低的情況、觀察輸出電壓波形、開(kāi)關(guān)管電壓波形以及箝位電容電壓波形。

圖4所示，輸入電壓額定值為 48 V，輸出電壓額定值為300 V。當(dāng)輸入電壓從54 V跳變到42 V時(shí)，電壓變化為12 V；反應(yīng)到輸出側(cè)時(shí)，輸出電壓變化為：

本文的變換器輸出電壓變化只有0.38 V，認(rèn)為保持恒定，如表2所示。由此可見(jiàn)，本文提出的變換器大大穩(wěn)定了輸出電壓，保證直流母線電壓的穩(wěn)定，可以顯著改善電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能。當(dāng)輸入電壓從54 V跳變到42 V時(shí)，電壓變化為12 V。反應(yīng)到輸出側(cè)時(shí)，箝位電容以及開(kāi)關(guān)管電壓變化：

表2 輸入電壓擾動(dòng)時(shí)，各個(gè)電壓變化

同樣通過(guò)圖5、圖6所示，可以驗(yàn)證箝位電容以及開(kāi)關(guān)管電壓變化僅為0.27 V、0.19 V，顯然大大消除了輸入電壓波動(dòng)對(duì)開(kāi)關(guān)管的影響。

圖5 箝位電容電壓

通過(guò)以上仿真可見(jiàn)，此三電平變換器降低了開(kāi)關(guān)管以及箝位電容上承受的電壓水平，為大電壓下的應(yīng)用提供了有力的保證。

本文提出了適用于蓄電池電壓變化范圍大的電動(dòng)汽車系統(tǒng)的三電平雙向DC/DC變換器，與一般的兩電平雙向變換器相比，其輸出電壓穩(wěn)定性較好，開(kāi)關(guān)管等器件的電壓應(yīng)力小，模塊化結(jié)構(gòu)易于替換。分析了此變換器的工作原理、控制策略，并對(duì)其進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論的正確性。

圖6 開(kāi)關(guān)管電壓

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