用于電動(dòng)汽車的磁集成結(jié)構(gòu)DC/DC變換器

夏向陽，孔祥霽，唐 欣，彭夢(mèng)妮，冉成科,2，李明德，湯 賜，劉代飛，徐元璨

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410077；2.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，湖南長(zhǎng)沙，410151；3.衡陽產(chǎn)商品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，湖南衡陽，421001)

用于電動(dòng)汽車的磁集成結(jié)構(gòu)DC/DC變換器

夏向陽1，孔祥霽1，唐 欣1，彭夢(mèng)妮1，冉成科1,2，李明德3，湯 賜1，劉代飛1，徐元璨1

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410077；2.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，湖南長(zhǎng)沙，410151；3.衡陽產(chǎn)商品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，湖南衡陽，421001)

基于傳統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備的功率密度以及轉(zhuǎn)換效率低，在很大程度限制了電動(dòng)汽車的操控性和續(xù)航性能，提出一種磁集成結(jié)構(gòu)的DC/DC變換器應(yīng)用于電動(dòng)汽車的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。研究結(jié)果表明：加入二階貝塞爾低通濾波器，配合磁集成結(jié)構(gòu)本身的濾波性能，結(jié)合混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)越性可以顯著提高電動(dòng)汽車的工作效率和穩(wěn)定性；磁集成技術(shù)可以減小變換器整體體積和降低變換器磁芯損耗。蓄電池與超級(jí)電容構(gòu)成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)具有高容量?jī)?chǔ)能、快速響應(yīng)、回收制動(dòng)能量的特點(diǎn)；該混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠優(yōu)化電能質(zhì)量，提高電動(dòng)汽車的續(xù)航時(shí)間和加速時(shí)所需能量，在傳統(tǒng)的駕駛周期內(nèi)具有良好的性能。

DC/DC變換器；磁集成結(jié)構(gòu)；電動(dòng)汽車；混合儲(chǔ)能系統(tǒng)；電能質(zhì)量

對(duì)于即將來臨的電動(dòng)汽車時(shí)代，為了能讓電動(dòng)汽車與燃油汽車一樣具有快速的瞬時(shí)加速能量、長(zhǎng)距離續(xù)航、較小的質(zhì)量，需要多個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備相互配合才能夠達(dá)到目標(biāo)。對(duì)于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，蓄電池與超級(jí)電容配合需經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證[1?2]，蓄電池如鋰電池具有超高的能量密度，可為電動(dòng)汽車提供長(zhǎng)距離的續(xù)航，而超級(jí)電容具有快速響應(yīng)和極大的瞬時(shí)輸出電流特性。對(duì)于電動(dòng)汽車的發(fā)展，儲(chǔ)能裝置的優(yōu)化是主體，既要考慮提高蓄電池的容量，又要減小蓄電池的體積和質(zhì)量，提高充電速度，減小車身質(zhì)量也是提高電動(dòng)汽車的續(xù)航、減少損耗的主要途徑。DC/DC變換器作為重要的電力電子器件，已經(jīng)發(fā)展多年，經(jīng)過多次革新，出現(xiàn)了多種DC/DC變換器，如：新型的ZVS雙向DC/DC變換器[3]通過ZVS良好的可控性，提高轉(zhuǎn)換效率；隔離型雙向DC/DC變換器[4]結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能夠轉(zhuǎn)換傳輸較大功率；CUK變換器[5]是最早提出能夠應(yīng)用磁集成技術(shù)的，實(shí)驗(yàn)效果很好。CUK[5]還進(jìn)行了一系列優(yōu)化Cuk變換器磁集成技術(shù)的研究，進(jìn)一步證實(shí)了磁集成技術(shù)的可行性；隔離型交錯(cuò)式DC/DC變換器[6?8]引入了三繞組耦合電感概念，多用于大功率傳輸；磁集成結(jié)構(gòu)DC/DC變換器作為連接儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)和直流電機(jī)必不可少的部分，結(jié)構(gòu)上更加簡(jiǎn)單高效，能夠顯著減小變換器的體積和質(zhì)量，應(yīng)用于電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能裝置中，可以發(fā)揮更好的效果[9?13]。本文作者對(duì)所提出的DC/DC變換器，給出具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖和具體的工作模式以及對(duì)電池組與超級(jí)電容的控制方式。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證混合儲(chǔ)能系統(tǒng)性能符合理論分析。

1 電動(dòng)汽車混合儲(chǔ)能系統(tǒng)

圖1所示為所提出的電動(dòng)汽車混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，由DC/DC變換器、超級(jí)電容、電池組配合組成。圖1中：L2為輸出濾波電感；L1為外加電感；Ca為外加電容。在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，不考慮電容電壓脈動(dòng)，Ca上電壓與輸出電壓相等。L2與L1上的電壓滿足電壓成比例的條件，通過集成電感可以減小輸出電流脈動(dòng)。DC/DC變換器由4個(gè)IGBT開關(guān)T1～T4與其相對(duì)應(yīng)的二極管D1～D4，以及磁集成結(jié)構(gòu)組成[14?15]。電池組向直流電機(jī)提供平滑的功率，是電動(dòng)汽車的主要能源[16?17]。超級(jí)電容UC是應(yīng)對(duì)瞬間狀態(tài)峰值功率的供應(yīng)。Iload，Ibatt和IUC分別為直流側(cè)、電池組和超級(jí)電容電流，VDC為直流側(cè)電壓，CDC和Ca分別為直流側(cè)和外加電容。通過電源管理系統(tǒng)并根據(jù)負(fù)載的需求決定電能的流向。

電動(dòng)汽車混合儲(chǔ)能系統(tǒng)主要有5種工作狀態(tài)：

1)停車充電狀態(tài)。電能從交流電源通過AC/DC變換器轉(zhuǎn)為直流電，由IGBT開關(guān)T3、二極管D4、自感電感L1構(gòu)成的降壓變換器給電池組充電，由IGBT開關(guān)T1、二極管D2、自感電感L2構(gòu)成的降壓變換器給超級(jí)電容充電。

2)勻速行駛狀態(tài)。由自感電感L1、IGBT開關(guān)T4、二極管D3構(gòu)成的升壓變換器輸送電能至直流電機(jī)側(cè)。

3)加速行駛狀態(tài)。升壓模式下將超級(jí)電容的電能輸送至直流電機(jī)側(cè)，供電動(dòng)汽車應(yīng)對(duì)加速狀況。由自感電感L2、二極管D1、IGBT開關(guān)T2構(gòu)成的升壓變換器輸送電能至直流電機(jī)側(cè)。

4)制動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)汽車處于制動(dòng)狀態(tài)，在降壓模式下從直流電機(jī)側(cè)回收制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存在超級(jí)電容中。由T1，D2和L2構(gòu)成的降壓變換器器給超級(jí)電容充電，因此制動(dòng)狀態(tài)與停車充電狀態(tài)的超級(jí)電容充電狀態(tài)相似。

5)超級(jí)電容緊急充電狀態(tài)：在超級(jí)電容的SOC(stateof charge)降到最低限制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，升壓模式下將電池組中電能輸送給超級(jí)電容充電。此時(shí)，由電池組給直流電機(jī)側(cè)提供電能，同時(shí)超級(jí)電容從直流電機(jī)側(cè)獲得電能進(jìn)行充電，以保證電動(dòng)汽車的加速能量充足。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of hybrid energy storage system

表1所示為電動(dòng)汽車混合儲(chǔ)能系統(tǒng)具體工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電能流向以及對(duì)應(yīng)DC/DC變換器的工作方式。

表1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)工作與運(yùn)行方式Table1 Operationmodeof hybrid energy storage system

2 磁集成結(jié)構(gòu)

磁性元件(主要指電感)的體積是決定變換器體積和重量的主要因素。要實(shí)現(xiàn)多個(gè)磁性元件的集成，需要磁芯具有多條磁路，本文采用E型磁芯，利用其多磁路的特性，可以更加簡(jiǎn)單地將多個(gè)交變磁通不同的分立磁性元件集成起來。

在本文中，采用的是電感與電感的集成，即耦合電感。

磁集成結(jié)構(gòu)與分立電感比較如表2所示。磁集成結(jié)構(gòu)與2個(gè)分立電感相比，整個(gè)磁性元件的體積和質(zhì)量都明顯減小，在電動(dòng)車應(yīng)用中，效果更加明顯，可以減小整體儲(chǔ)能系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，這樣減小了整個(gè)車身的質(zhì)量，增大了車身整體的可容納空間。

表2 磁集成結(jié)構(gòu)與分立電感比較Table2 Comparison of integratedmagnetic structurew ith discrete inductors

3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

3.1 超級(jí)電容控制器

選用級(jí)聯(lián)電壓與電流控制器作為超級(jí)電容控制器，因?yàn)楫?dāng)電池提供穩(wěn)定負(fù)載電壓時(shí)，超級(jí)電容可以保持直流電機(jī)側(cè)的電壓，這樣可以確保在制動(dòng)過程中，由于直流電機(jī)側(cè)電壓顯著增加，超級(jí)電容可以更加快速地反映，回收制動(dòng)能量。圖2所示為超級(jí)電容控制器的控制框圖。圖中：Vdc為直流側(cè)實(shí)際電壓；Vdc-sen為直流側(cè)額定電壓；i*UC為超級(jí)電容電流標(biāo)幺值；iUC-sen為超級(jí)電容額定電流；fs為開關(guān)頻率；G1,2為IGBT開關(guān)T1和T2的通斷信號(hào)。

在升壓模式下電感電流占空比的傳遞函數(shù)可表示為

圖2 超級(jí)電容級(jí)聯(lián)電壓與電流控制器的控制框圖Fig.2 Block diagram of ultracapacitor voltageand current controller

其中：IL2(s)為L(zhǎng)2的基準(zhǔn)電流；Vdc為直流電機(jī)電壓；Cdc為直流電機(jī)側(cè)電容；D為占空比。在頻率范圍內(nèi)，電感電流與直流側(cè)電壓之間的關(guān)系可用下式表示：

3.2 電池組控制器

對(duì)電池組的電流控制要保證對(duì)直流電機(jī)供給平滑的電流，所以，電池組的輸出(相對(duì)應(yīng)的電池組控制)電流通過1個(gè)截止頻率為50Hz的二階貝塞爾低通濾波器，這樣可以保證輸出電流沒有高脈動(dòng)或者瞬時(shí)大的變化。同時(shí)，由于降壓變換器的輸出電流一般含有較高的輸出電流波，電池組在正常工作時(shí)通過升壓變換器傳輸電能。只在電池組充電時(shí)，才通過降壓變換器傳輸電能，因此，電池組的輸出電流含有的紋波比例可以大大降低[18]。

Vload和Iload分別為直流電機(jī)電壓和電流，Vbatt和Ibatt分別為電池組電壓和電流。假設(shè)變換器無損耗，則直流電機(jī)功率與電池組功率相等，電池組電流與直流電機(jī)比例關(guān)系表示為

電池組的基準(zhǔn)電流表示為

GLP(s)為貝塞爾低通濾波器的傳遞函數(shù)，可表示為

其中：θn(S)為反向貝塞爾多項(xiàng)式；ω0為截止頻率；a(n)與b(n)為貝塞爾多項(xiàng)式系數(shù)。對(duì)于二階貝塞爾濾波器，濾波器的傳遞函數(shù)可表示為

貝塞爾濾波器是一種線性濾波器，其有最平坦的群延遲或者最大的線性相位響應(yīng)，所以，貝塞爾濾波器可以完整的保留濾波后波形，且在整個(gè)濾波過程中保持基本穩(wěn)定的群延遲。一旦獲得電池的輸出基準(zhǔn)電流，轉(zhuǎn)換器就受到峰值電流控制器的控制，圖3所示為具體控制框圖(其中，ibatt-sen為電池組額定電流；G3,4為IGBT開關(guān)T3和T4的通斷信號(hào))。

圖3 電池組控制框圖Fig.3 Block diagram of battery control

3.3 超級(jí)電容緊急充電狀態(tài)的控制策略

圖4 工作狀態(tài)5)時(shí)的控制框圖Fig.4 Block diagram of controlsystem whileoperating in Mode 5)

工作狀態(tài)5)即超級(jí)電容緊急充電狀態(tài)包括電池組給直流電機(jī)提供電能，超級(jí)電容從直流電機(jī)側(cè)獲得電能。在正常工作情況下，由電池組提供穩(wěn)定的功率，當(dāng)超級(jí)電容SOC低于限制值時(shí)，通過控制變換器開關(guān)，超級(jí)電容從直流電機(jī)側(cè)獲得電能進(jìn)行充電。圖4所示為工作在工作狀態(tài)5)時(shí)的控制框圖，其中：Vuc-ref和Vuc-sen分別為UC的額定電壓和實(shí)際電壓；Iuc-ref和Iuc-sen分別為UC的額定電流和實(shí)際電流；Vdc-ref和Vdc-sen分別為直流電機(jī)側(cè)的額定電壓和實(shí)際電壓；Ibatt-ref和Ibatt-sen分別為電池組的額定電壓和實(shí)際電壓；I*batt-ref為電池組額定電壓的標(biāo)幺值；G1與G4為開關(guān)關(guān)斷信號(hào)。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

通過將本混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于1個(gè)典型的汽車行駛周期中進(jìn)行仿真分析，以測(cè)試本系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。仿真模型使用MATLAB中的Simulink,SimPower Systems和Control System Toolbox工具箱，仿真系統(tǒng)參數(shù)見表3。

該仿真試驗(yàn)?zāi)M汽車行駛過程中，在加速、均速行駛、制動(dòng)等狀態(tài)下，對(duì)負(fù)載側(cè)電壓的穩(wěn)定性和負(fù)載側(cè)、電池組、超級(jí)電容的電流波動(dòng)進(jìn)行觀察。最后通過實(shí)驗(yàn)在負(fù)載側(cè)施加1個(gè)階躍變化，觀察超級(jí)電容與電池組的電流變化。

表3 仿真系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)Tab le 3 Simulation system specification

標(biāo)準(zhǔn)仿真周期內(nèi)的負(fù)載電流、電池組及超級(jí)電容電流變化圖如圖5所示。負(fù)載電流對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)的駕駛周期，負(fù)載電流非常平滑(加入了對(duì)電池組的仿真分析)，基本無紋波。從圖5可以看出：與超級(jí)電容電流相比，電池組電流變化更加平滑，沒有瞬時(shí)突變。電池組輸出電流平滑且紋波含量小，既能延長(zhǎng)電池組的壽命，又能減少電流紋波對(duì)直流電機(jī)造成的損耗。而超級(jí)電容作為負(fù)載突變時(shí)的緩沖，電流變化突變很大是正常的。同時(shí)，負(fù)載、電池組和超級(jí)電容電流存在差別，這是儲(chǔ)能裝置和負(fù)載電壓端子電壓不同所致。直流電機(jī)側(cè)(負(fù)載側(cè))電壓如圖6所示。從圖6可見：負(fù)載側(cè)電壓穩(wěn)定在額定電壓300V，有少量的波動(dòng)是由于在汽車加速或者制動(dòng)時(shí)造成電壓瞬時(shí)上升或跌落，在超級(jí)電容的作用下，電壓都能迅速恢復(fù)至300V。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備和電路參數(shù)見表4。為了適合實(shí)驗(yàn)室設(shè)備條件，建立1個(gè)小規(guī)模的模擬電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用Boostcap PC2500超級(jí)電容，開關(guān)型號(hào)選用HGTG30N60A 4D IGBT，電壓傳感器選用LV20?P，DSP型號(hào)選用TI－TMS320F2812，電流傳感器選用LA100?P。TMS320F2812DSP作為反饋和控制系統(tǒng)，電感L1，L2和M設(shè)計(jì)值分別為2mH，50μH和50μH，實(shí)際值見表4。

圖5 1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)仿真周期內(nèi)的負(fù)載電流，電池組及超級(jí)電容電流變化Fig.5 Load current,battery and ultracapacitor current variation diagrams in astandard simulation cycle

圖6 直流電機(jī)側(cè)(負(fù)載側(cè))電壓Fig.6 DCmotor side(load side)voltage

實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)負(fù)載階躍變化時(shí)，負(fù)載、電池組和超級(jí)電容的電流實(shí)際變化見圖7。從圖7可以看出：當(dāng)t=3 s時(shí)，負(fù)載階躍上升，電池組電流并未立即響應(yīng)，而是通過控制緩慢上升，同時(shí)，超級(jí)電容短時(shí)內(nèi)多次大電流放電，補(bǔ)充負(fù)載側(cè)所需的電能，直流側(cè)電壓穩(wěn)定在20V，整體波動(dòng)小于5%；在t=7 s，負(fù)載階躍下降時(shí)，超級(jí)電容回收制動(dòng)能量，超級(jí)電容電流為負(fù)值。圖8所示為只采用電池組作為單一儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)應(yīng)對(duì)階躍變化時(shí)的負(fù)載電流。從圖8可以看出：電流波動(dòng)較大且紋波較多。電池組的電流驟升驟降，不利于電池組長(zhǎng)久使用。對(duì)比圖8與圖7可知：采用電池組與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以更好地應(yīng)對(duì)汽車加速和制動(dòng)，加入磁集成結(jié)構(gòu)對(duì)濾除紋波也有很好的效果。

表4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及電路參數(shù)Table4 Experimental equipmentand circuitparameters

圖7 負(fù)載階躍變化時(shí)負(fù)載電流、電池組電流和超級(jí)電容電流變化Fig.7 Experimental resultsof load,battery and ultracapacitor currents undera load step change

5 結(jié)論

1)分析了電動(dòng)汽車混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及雙向DC/DC變換器的5種工作狀態(tài)，并對(duì)每種對(duì)應(yīng)工作方式下的電能流向進(jìn)行了分析。

2)該系統(tǒng)與傳統(tǒng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，體積和質(zhì)量都明顯減小，可通過磁集成結(jié)構(gòu)濾除部分電流紋波，降低紋波對(duì)直流電機(jī)造成的影響。

3)磁集成的雙向DC/DC變換器可以改善輸入電動(dòng)汽車中電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備的電能質(zhì)量，從而提高直流電機(jī)工作穩(wěn)定性和效率，同時(shí)可再生制動(dòng)。仿真結(jié)果證明混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)加速和制動(dòng)狀況時(shí)有較強(qiáng)的處理能力。

圖8 只采用電池組時(shí)負(fù)載階躍變化時(shí)負(fù)載電流、電池組電流變化圖和直流側(cè)電壓變化Fig.8 Load current,battery currentand DC side voltageunder a load step change only w ith battery

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(編輯 陳燦華)

Integratedmagneticsstructure DC/DC converter for electric vehicles

XIA Xiangyang1,KONG Xiangji1,TANGXin1,PENGMengni1,RAN Chengke1,2, LIM ingde3,TANGCi1,LIU Daifei1,XU Yuancan1

(1.Collegeof Electricaland Information Engineering,Changsha University of Scienceand Technology, Changsha 410077,China; 2.Collegeof Automotive Engineering,Hunan Mechanical and Electrical Polytechnic,Changsha410151,China; 3.Hengyang ProductsQuality Supervision and Inspection Institute,Hengyang 421001,China)

Considering that traditional energy storage device of pow er density and low conversion efficiency greatly lim it the electric vehicle handling and performance,a novel DC/DC converter was proposed based on the integrated magnetic structure for hybrid energy storage system in electric vehicles.The results of MATLAB simulation show that adding the second-order Bessel low-pass filterw ith the filtering performance of themagnetic integrated structure itself,at the same time combining w ith the advantages of hybrid energy storage system,the efficiency and stability of electric vehicles can be significantly im proved.Integrated M agnetic structure can reduce the overall size of converter and decrease the core losses of converter.The hybrid energy storage system composed of storage battery and super capacitor has the characteristics of high capacity energy storage,quick response and recovery of braking energy.The hybrid energy storage system can optim ize the power quality,improve the endurance time and acceleration needs of electric vehicles,and has good performance in a typicaldriving cycle.

DC/DC converter；integrated magnetic structure;electric vehicles;hybrid energy storage system;power quality

TM 46

A

1672?7207(2017)03?0694?07

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.03.018

2016?03?12；

2016?05?27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51577014)；海南省社會(huì)發(fā)展科技專項(xiàng)(2015SF37)；衡陽市科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2015KG27) (Project(51577014)supported by the Natural National Science Foundation of China;Project(2015SF37)supported by Hainan Social Development Scienceand Technology SpecialProject;Project(2015KG27)supported by Hengyang Scienceand Technology Plan Key Project)

冉成科，講師，從事新能源可靠接入與電動(dòng)汽車控制等方向；E-mail:keer0716@sina.com