電動(dòng)車用雙向能量變換系統(tǒng)用集成電感的有限元仿真分析

李啟國，夏鑄亮，梁靈威，趙小坤

（廣汽集團(tuán)汽車工程研究院，廣東廣州 510640）

0 引言

在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，電動(dòng)汽車不僅是交通工具，也是一種具有移動(dòng)性和分散性特點(diǎn)的互聯(lián)網(wǎng)能量源，電動(dòng)汽車與電力網(wǎng)連接既可以存儲來源于電網(wǎng)的能量，也可以向電網(wǎng)釋放能量[1]。

電動(dòng)汽車與電力網(wǎng)之間的能量交換需要具有雙向性流動(dòng)的特點(diǎn)，本文介紹的電動(dòng)車用雙向能量變換系統(tǒng)主要包括三部分：逆變驅(qū)動(dòng)部分、充放電部分和雙向直流DCDC；充放電和逆變驅(qū)動(dòng)中部分器件在不同模式下共用，雙向直流DCDC和充放電部分的電感采用集成設(shè)計(jì)，采用這種設(shè)計(jì)思想可以提高此雙向變換系統(tǒng)裝置的功率密度、減小體積、減輕重量。

1 雙向能量變換裝置

雙向能量變換裝置主要由雙向DC-DC和雙向DC-AC變換器組成，可工作于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、充電、放電三種模式下，其拓?fù)鋱D如圖1。

圖1 雙向能量變換系統(tǒng)拓?fù)?/p>

1.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式也是此變換系統(tǒng)的主要工作模式，雙向DCDC工作于BOOST升壓模式，S8為PWM驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，其反并聯(lián)二極管不工作，S7為開路狀態(tài)，其反并聯(lián)二極管提供續(xù)流通路；與電感連接的繼電器K1、K2、K3斷開，與電機(jī)交流輸入連接的繼電器K4、K5、K6閉合，高壓直流母線經(jīng)過S1-S6（IGBT模塊）逆變輸出交流給電機(jī)供電，從而驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。

1.2 放電模式

放電模式下，雙向DCDC工作于BOOST升壓模式，S8為PWM驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，其反并聯(lián)二極管不工作，S7為開路狀態(tài)，其反并聯(lián)二極管提供續(xù)流通路；與電感連接的繼電器K1、K2、K3閉合，與電機(jī)交流輸入連接的繼電器K4、K5、K6斷開，高壓直流母線經(jīng)過S1-S6（IGBT模塊）逆變輸出交流電壓，此交流電壓的負(fù)載可為電網(wǎng)或者用電負(fù)載，如果連接為電網(wǎng)負(fù)載，則電動(dòng)汽車對電網(wǎng)放電。如果連接為用電負(fù)載，則可提供離線的持續(xù)供電，不再受制于配電網(wǎng)不能達(dá)到地方。

1.3 充電模式

充電模式下，雙向DCDC工作于BUCK降壓模式，S7為PWM驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，其反并聯(lián)二極管不工作，S8為開路狀態(tài)，其反并聯(lián)二極管提供續(xù)流通路；電感連接的繼電器K1、K2、K3閉合，與電機(jī)交流輸入連接的繼電器K4、K5、K6斷開，電網(wǎng)交流電壓經(jīng)過S1-S6（IGBT模塊）整流成直流電壓通過DCDC變換器給電池充電，實(shí)現(xiàn)能量從電網(wǎng)到電動(dòng)汽車的流動(dòng)。

2 集成電感設(shè)計(jì)與仿真

2.1 電感參數(shù)定義

本裝置中共用了四個(gè)電感，DCDC部分電感L4主要是提供PWM開與關(guān)的過程中能量的存儲與交換，其所流經(jīng)的電流為直流電流上疊加一定紋波,紋波的頻率與S7/S8相同，電感磁芯有直流偏滯，Bmax（最高磁密）時(shí)電感不能飽和；交流側(cè)電感L1、L2、L3為充放電濾波電感，主要目的一是充電時(shí)提供有源整流開關(guān)期間的儲能；二是濾波及限制電網(wǎng)側(cè)的諧波污染。

電感的設(shè)計(jì)需要先定義如下關(guān)鍵參數(shù)[2]：（1）電感量，在不同拓?fù)渲须姼辛康拇笮Q定紋波電流的大??；（2）峰值電流，峰值電流取決于磁芯材料的磁通密度飽和點(diǎn)，在最大電流時(shí)磁芯不能飽和；（3）損耗溫升及體積重量，此部分的指標(biāo)跟紋波電流、開關(guān)頻率、材料特性有很大關(guān)系；本集成電感磁芯材料為鐵基非晶材料（80%Fe，20SiB類金屬元素構(gòu)成），它具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（1.56 T），磁導(dǎo)率、激磁電流和鐵損等各方面都優(yōu)于硅鋼片的特點(diǎn)[3]，此裝置中電感工作設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

2.2 磁路參數(shù)初步計(jì)算

如上拓?fù)渲兴膫€(gè)電感L1、L2、L3、L4一般設(shè)計(jì)成4個(gè)獨(dú)立的電感或者L4設(shè)計(jì)成獨(dú)立的電感，L1、L2、L3設(shè)計(jì)成三相三柱結(jié)構(gòu)，由于L4通過的電流較大，L4的電感量的大小可以方便地通過調(diào)節(jié)磁芯16的材料或者截面積來調(diào)節(jié)L4的電感量，L1、L2、L3的電流產(chǎn)生的磁通在磁路10、11、12、13、14中相互耦合，有部分磁通相互抵消，磁芯的損耗可相應(yīng)減小。本文中將四個(gè)電感集成到一個(gè)磁芯結(jié)構(gòu)中，一部分磁路共用[4-6]，達(dá)到減小磁芯用量，減小體積，提供功率密度的目的，集成電感如圖2所示。

表1 電感設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 集成電感結(jié)構(gòu)示意圖

由安培環(huán)路定律，可得：

式中：N為電感線圈匝數(shù)；I為電感電流；δ為氣隙長度；Hg、Hm、L0分別為氣隙磁場強(qiáng)度，磁芯磁場強(qiáng)度及磁芯長度。

實(shí)際由于空氣的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)低于磁芯的磁導(dǎo)率，大部分的磁勢將降落在氣隙中，式（1）可近似為：

電感公式為：

由式（2）和（3）可以得到：

以上為線圈匝數(shù)與磁芯截面積的關(guān)系，匝數(shù)為初步估算，匝數(shù)的選取還與磁芯的窗口填充率及電流密度選取有關(guān)，可以初步選擇匝數(shù)與磁芯的規(guī)格組合進(jìn)行仿真優(yōu)化，選電流密度為5 A/mm2，仿真模型參數(shù)如表2。

2.3 有限元仿真及結(jié)果

Maxwell是主要建立在Maxwell方程基礎(chǔ)上的有限元分析軟件，包括交流/直流磁場、靜電場以及瞬態(tài)電磁場、溫度場分析、參數(shù)化分析，以及優(yōu)化功能，損耗、阻抗（R/L）、電感等參數(shù)可以自動(dòng)計(jì)算，同時(shí)也可以給出相位的磁力線、B和H分布圖、能量密度等圖形結(jié)果[7]。有限元仿真中剖分及邊界條件對仿真結(jié)果有較大影響，本仿真中采用自然邊界即可，優(yōu)化后的剖分網(wǎng)格如圖3。

表2 電感仿真模型參數(shù)

圖3 有限元仿真網(wǎng)格

在Magneto Static求解器中仿真計(jì)算電感矩陣參數(shù)的結(jié)果如表3。

表3 電感矩陣仿真結(jié)果

在Transient求解器中主要模擬一個(gè)輸出周期中的實(shí)際工況，以驗(yàn)證磁芯結(jié)構(gòu)是否合理，磁芯是否飽和，在L1最大電流（π/4時(shí)）仿真計(jì)算L1磁芯（磁路13）的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖、磁勢線分布如下。

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁勢線分布

從以上仿真結(jié)果來看，此種集4個(gè)電感集成于一體的磁芯結(jié)構(gòu)具有可行性，并且結(jié)果滿足預(yù)期的要求，從電感矩陣可以看出，L1、L2、L3的電感量誤差為8μH(約1.2%)，三個(gè)電感之間的耦合程度較高約為48.5%，L4與其他電感耦合程度較小，其磁路主要為最外層磁芯。磁路中在邊角的局部小范圍內(nèi)磁密接近飽和點(diǎn)，但對關(guān)鍵性能不影響，其他大部分地方還未到飽和點(diǎn)。

3 結(jié)語

本文介紹了一種電動(dòng)車用雙向能量變換系統(tǒng)及儲能電感與交流濾波電感的集成設(shè)計(jì)的磁芯結(jié)構(gòu)，通過有限元對其磁路及關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，這種集成結(jié)構(gòu)的電感方案可以滿足要求，并且此種結(jié)構(gòu)的集成電感較傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)成4個(gè)獨(dú)立的電感方式具有體積小、重量輕、功率密度高的特點(diǎn)。