電動汽車用雙向DC/DC變換器設計

顧 杰

(上海海事大學 物流工程學院， 上海 201306)

21世紀，全球面臨能源需求不斷增長和環(huán)境污染的雙重挑戰(zhàn)。電動汽車由于對環(huán)境影響小、使用方便和結構簡單等優(yōu)點，越來越受歡迎[1-2]。儲能系統(tǒng)作為電動汽車的核心，對電動汽車的續(xù)航、使用壽命和整體性能都有著決定性的影響。

文獻[3-4]研究的以電池、DC/DC變換器和電機控制器為核心的電動汽車儲能系統(tǒng)存在以下缺點：汽車頻繁制動會使蓄電池頻繁充放電，對電池造成一定損壞而影響其壽命；汽車加速或者爬坡時，蓄電池會大電流放電，對電池壽命不利；蓄電池作為唯一電源會限制汽車續(xù)航里程，使之無法取得突破，而續(xù)航里程則是衡量電動汽車性能的一個關鍵指標。

如圖1所示，將超級電容通過雙向DC/DC變換器加到蓄電池與逆變器之間的直流母線上，構成電動汽車復合儲能系統(tǒng)，可以彌補蓄電池單獨供電的不足。在復合儲能系統(tǒng)中，雙向DC/DC變換器起關鍵作用，因此對雙向DC/DC變換器進行研究，可以推動儲能系統(tǒng)的發(fā)展。

圖1 電動汽車復合儲能系統(tǒng)示意圖

國內外學者對電動汽車用雙向DC/DC變換器做了很多研究。文獻[5]設計了一套基于數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，DSP)的全數(shù)字雙向DC/DC變換器控制系統(tǒng)。該雙向DC/DC變換器為單相半橋變換器，結構簡單、系統(tǒng)性能良好，但是電流紋波較大。文獻[6]提出了一種帶非線性電感且采用移相控制方法的高效DC/DC變換器，它采用了隔離型全橋拓撲，通過移相控制實現(xiàn)開關管的零電壓開關工作，減少了損耗，提高了效率，但需使用較多開關管，成本高結構復雜。文獻[7]提出一種磁集成結構的DC/DC變換器應用于電動汽車混合儲能系統(tǒng)，能優(yōu)化電能質量，提高電動汽車的續(xù)航時間和加速時所需的能量，但較為復雜。

選用交錯并聯(lián)雙向升降壓式變換(Buck/Boost)電路拓撲，相對于隔離型拓撲而言結構簡單、成本低，且開關元件的電應力較小，導通損耗小[8]，同時交錯并聯(lián)結構能夠減少電感電流紋波。

1 系統(tǒng)拓撲與參數(shù)設計

交錯并聯(lián)雙向Buck/Boost變換器拓撲圖如圖2所示，U1為超級電容端電壓，U2為蓄電池端電壓，C1,C2分別為輸入輸出端濾波電容，L1,L2為并聯(lián)電感。當電動汽車啟動或加速時，需要較大的功率，超級電容釋放存儲的電能，和蓄電池一起提供汽車所需的能量，此時Buck/Boos變換器工作在升壓(Boost)模式，從U1向U2傳輸能量，功率開關管S1,S3開通，S2,S4關斷。當汽車減速或制動時，變換器工作在降壓(Buck)模式，功率開關管S2,S4開通，S1,S3關斷，能量從U2傳向U1，即通過變換器降壓后存儲到超級電容中。

圖2 交錯并聯(lián)雙向Buck/Boost變換器拓撲圖

本文設計了一個2 kW的系統(tǒng)，超級電容端電壓U1=100 V，蓄電池端電壓U2=200 V，開關頻率fs=20 kHz。

通常情況下，Buck/Boost變換器的電感值由電感電流紋波來確定，選擇紋波ΔiL為平均值的20%，再計算Boost及Buck模式時的最小電感值。根據(jù)文獻[9]可知，Boost電路和Buck電路的電感分別為

(1)

式中:D為占空比。

由此計算出Boost模式下LBoost=1.25 mH，Buck模式下LBuck=1.25 mH，所以綜合考慮，取L1=L2=1.25 mH。

根據(jù)設計要求，取電容電壓的紋波為輸入輸出側電壓值的5%，同時假設電感電流的紋波全部流入電容，所以低壓、高壓側的濾波電容(C1和C2)分別為[9]

(2)

式中：R為Boost模式時的等效負載。

由式(3)、式(4)分別計算出輸入輸出電容值，綜合考慮取C1=C2=12.5 μF。實際運行時，兩端電壓波動較大，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，可以適當增大電容值。

2 建模和控制器設計

電動汽車在早晚高峰時頻繁起停，因此要求雙向DC/DC變換器響應速度快[10]。電壓外環(huán)、雙電流內環(huán)的控制方法具有響應速度快、輸入電流可控和抗噪聲能力強等優(yōu)點，非常適用于電動汽車雙向DC/DC變換器。此外，由于變換器電流較大，采用雙電流的控制方法還可以實現(xiàn)兩路電感電流的可控與均流。

在Boost模式下，負載為蓄電池，其端電壓為U2，等效電阻R，iL1和iL2為兩路電感電流，能量正向流動，此時Buck/Boost變換器完全可以等效為交錯并聯(lián)Boost電路。Boost模式下的交流小信號方程為[11]

(3)

式中:D1和D3為穩(wěn)態(tài)占空比。

根據(jù)交流小信號方程可建立相應的小信號模型[12]，如圖3所示。

圖3 Boost模式交流小信號模型

將時域函數(shù)通過拉普拉斯變換到復頻域，也就是s域中。拉普拉斯變換是一個線性變換，可將一個有引數(shù)實數(shù)t的函數(shù)轉換為一個引數(shù)為復數(shù)s的函數(shù)。

根據(jù)小信號模型可以得到Boost模式下占空比到電感電流的傳遞函數(shù)為[13]

(4)

電感電流到輸出電壓的傳遞函數(shù)為

(5)

整個系統(tǒng)采用電壓外環(huán)、雙電流內環(huán)的控制策略，兩路電流分別獨立控制，有效改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性[14]。系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)整體控制框圖

系統(tǒng)中兩路電感分別獨立控制，使兩個模塊的電應力接近；對采樣值進行濾波處理，以保證采樣值的準確性，減小其對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[15]；對電壓電流采樣值做歸一化處理，電壓采樣比Ku=0.005，電流采樣比Ki=0.05；PWM調制比GPWM由軟件設置，此處為1。電路相關參數(shù)如下：U1=100 V，U2=200 V，L=1.25 mH，R=20 Ω，C1=12.5 μF。實際工程中，系統(tǒng)的穿越頻率一般選開關頻率的1/10～1/5，轉折頻率一般選穿越頻率的1/5。本文中開關頻率f=20 kHz，因此設定經PI控制器補償后電流內環(huán)穿越頻率fci=3 kHz，轉折頻率fni=600 Hz。

經PI控制器補償后的電流環(huán)傳遞函數(shù)為

GI-loop(s)=GPIi(s)Gid(s)KiGPWM

(6)

式中：GPIi(s)為補償電流環(huán)PI控制器的傳遞函數(shù)。

根據(jù)以下方程求解PI控制器參數(shù):

(7)

代入電路相關參數(shù)，解得電流環(huán)控制器的比例系數(shù)KPi=0.09，電流環(huán)控制器的積分系數(shù)KIi=339.292。通過Mathcad繪制電流環(huán)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，D,DPI,PI依次代表補償前、補償后和PI控制器的特性曲線,如圖5所示。可以看出，電流環(huán)穿越頻率為3 kHz，相位裕度為80°左右，系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作。

(a) 幅頻特性

(b) 相頻特性

由于電流環(huán)的帶寬遠高于電壓環(huán)，因此可以認為電流環(huán)能及時響應電壓環(huán)的變化[16]。設定經PI控制器補償后的電壓環(huán)穿越頻率fcu=300 Hz，轉折頻率fnu=60 Hz。

補償后電壓環(huán)傳遞函數(shù)為

(8)

式中：GPIu(s)為補償電壓環(huán)PI控制器的傳遞函數(shù)。

由此方程組可以求得PI控制器參數(shù):

(9)

將相關參數(shù)代入方程組，可以解得電壓環(huán)控制器的比例系數(shù)KPu=0.038，電壓環(huán)控制器的積分系數(shù)KIu=71.628。同樣用Mathcad繪制電壓環(huán)的幅頻特性與相頻特性曲線，如圖6所示?？梢钥闯?，電壓環(huán)穿越頻率為300 Hz，相位裕度為125°，電壓環(huán)更偏向于穩(wěn)定，響應速度緩慢，同時符合設計要求。

(a) 幅頻特性

(b) 相頻特性

3 仿真驗證

應用PSIM軟件對系統(tǒng)Boost模式進行了仿真，相關參數(shù)如下：U1=100 V，U2=200 V，L=1.25 mH，R=20 Ω，C2=12.5 μF，開關頻率為20 kHz，系統(tǒng)功率為2 kW左右。

圖7為仿真輸出電壓波形。由圖7可見，輸出電壓可以迅速穩(wěn)定到設定值，并且紋波較小，同時在0.2 s時將輸入電壓從100 V改為90 V，輸出電壓經過短暫的波動后又趨于穩(wěn)定，可見系統(tǒng)響應速度快、穩(wěn)定性高。

圖7 輸出電壓波形圖

圖8和圖9分別為雙向DC/DC變換器在單相和交錯并聯(lián)時的電感電流波形。通過軟件測量得到單相時電感電流紋波峰峰值為1.98 A，即紋波率為19.8%。采用交錯并聯(lián)時電流紋波峰峰值為1.61 A，紋波率為16.1%。不難看出采用交錯并聯(lián)結構能有效減小電感電流紋波。

圖8 單相時電感電流波形

圖9 交錯并聯(lián)時電感電流波形

4 結 語

根據(jù)電動汽車復合儲能系統(tǒng)對雙向DC/DC變換器的要求，選擇了一種較為合適的交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器拓撲，并推導了Boost模式下的小信號模型，設計了電壓外環(huán)、雙電流內環(huán)的控制器。通過仿真，驗證了系統(tǒng)輸出電壓和電感電流紋波小、動態(tài)響應快、穩(wěn)定性好、可控性強等特點。