電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)新型雙向DC-DC變換器小波信號模型分析研究

黃 中，張文娟，李慧敏，高 劍

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電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)新型雙向DC-DC變換器小波信號模型分析研究

黃 中1，張文娟2，李慧敏3，高 劍3

（1.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2.長沙學院電子信息與電氣工程學院，長沙 410002；3.湖南大學電氣與信息工程學院，長沙 410082）

現(xiàn)代電動汽車通常需要在加速、減速、低速大扭矩、高速恒功率等狀態(tài)間頻繁轉(zhuǎn)換，會引起直流母線電壓出現(xiàn)較大的波動。為了控制直流母線電壓的穩(wěn)定，本文提出了一種新型雙向DC/DC變流器，分析出不同模式下小信號模型，再根據(jù)小信號模型建立變流器控制模型。通過對比其與傳統(tǒng)雙向DC/DC變流器的差異，結(jié)果表明該新型雙向DC/DC具有更小的電壓應力以及更高的電壓增益，有效提高直流母線電壓調(diào)節(jié)的穩(wěn)定。

電動汽車 驅(qū)動系統(tǒng) 雙向DC/DC變換器 小波信號

0 引言

永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)作為現(xiàn)代電動汽車發(fā)展的重要組成部分通常在惡劣環(huán)境下運行，例如在加速、減速、低速大扭矩、高速恒功率等狀態(tài)間頻繁轉(zhuǎn)換，導致驅(qū)動電機負載多變，因此，對永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的運行能力與可靠性要求進一步提升[1]。驅(qū)動系統(tǒng)的運行工況通常隨機波動較大且較為復雜，同時受到電動汽車蓄電池輸出波動的影響，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力以及高速時的功率輸出能力受到極大挑戰(zhàn)。大量文獻研究表明[2-5]，提高直流母線電壓可以提高電機轉(zhuǎn)折速度，間接提高電機過載能力，擴展恒轉(zhuǎn)矩區(qū)以提高電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力。直流母線作為連接驅(qū)動電機與逆變器的橋梁，其電壓等級既影響控制算法的設(shè)計又影響控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計與選擇。選擇過高的電壓等級會引起電壓利用率降低，同時，固定直流母線電壓及調(diào)整調(diào)制系數(shù)控制逆變器輸出電壓將帶來較大基頻帶諧波，產(chǎn)生比變直流母線控制明顯增加的電機鐵耗，影響驅(qū)動系統(tǒng)輸出性能；相反，當直流母線電壓等級不足時，容易引起逆變器的過調(diào)制，也會對系統(tǒng)輸出特性產(chǎn)生影響。為避免上述問題，在全速域范圍內(nèi)采用合適的直流母線電壓控制方法來實現(xiàn)永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)效率最大化尤為重要[6-8]。

本文首先分析了一種新型雙向DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)，作為連接驅(qū)動系統(tǒng)逆變器與蓄電池的中間端，為實現(xiàn)直流母線電壓提供了橋梁。根據(jù)其工作原理分析出不同模式下的小信號模型，再根據(jù)小信號模型建立變流器控制模型，同時仔細對比其與傳統(tǒng)雙向DC/DC變流器的差異，得出了該新型雙向DC/DC具有更小的電壓應力以及更高的電壓增益的結(jié)論，能夠更好實現(xiàn)直流母線電壓調(diào)節(jié)的穩(wěn)定與高效性。

1 新型雙向DC/DC變換器拓撲及工作模式分析

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

本文選擇的新型雙向DC/DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。開關(guān)電容C1是實現(xiàn)能量存儲與釋放的中轉(zhuǎn)，在提高電壓增益的同時起到降低器件開關(guān)應力的作用。通過該變換器在驅(qū)動系統(tǒng)中實現(xiàn)動態(tài)直流母線電壓調(diào)整。

圖1 新型非隔離型交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器拓撲圖

圖2 新型雙向DC/DC變流器boost模式下電流階段

圖3 新型雙向DC/DC變流器boost模式下電路工作波形

1.2 工作模式分析

新型交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器可工作在兩種模式：升壓boost模式和降壓buck模式，低壓側(cè)電壓由直流儲能電源供電，高壓側(cè)為直流母線即圖1中的負載側(cè)。當變換器處在升壓狀態(tài)時，由直流儲能電源向直流母線供電，開關(guān)器件T1與T3和二極管D2、D4工作。當變換器降壓狀態(tài)時，負載端的能量流入儲能元件中。

在分析變流器工作原理之前假設(shè)電路均工作在電流連續(xù)模式下，兩路開關(guān)管的占空比相同，相位相差半周期。工作原理根據(jù)開關(guān)管占空比的情況可分為三類，>0.5，=0.5和<0.5。

1）升壓（boost）模式：

當變流器處在升壓模式中，為保障開關(guān)穩(wěn)態(tài)工作，占空比通常選擇大于0.5。每個開關(guān)周期內(nèi)變流器時有4種工作模態(tài)，各模態(tài)工作電路如圖2所示。一個開關(guān)周期內(nèi)各器件上電壓電流波形，如圖3所示。

2）降壓（buck）模式：

當變流器工作于Buck模式時，能量由負載側(cè)流向直流儲能電源側(cè)，為保障開關(guān)穩(wěn)態(tài)工作，占空比通常小于0.5。具體工作模態(tài)可以分為以下四類，如圖4所示，工作波形如圖5所示。

圖4 新型雙向DC/DC變流器buck模式下電流階段

2 小波信號分析

對雙向DC/DC變換器在boost模式下系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)設(shè)定如下：

圖5 新型雙向DC/DC變流器buck模式下電路工作波形

當DC/DC變換器處在Boost模態(tài)時，高壓側(cè)為負載端用替代，設(shè)定直流母線電壓為u，即輸出電容0上的電壓。低壓側(cè)蓄電池供電端簡化為恒定直流電壓源，電壓值為U。電容1為開關(guān)電容，其電壓為U1，設(shè)定電感值1=2。由上小節(jié)分析可知，boost模型下主要由開關(guān)器件T1與T3工作，其占空比分別為1與3。因此在一個開關(guān)周期內(nèi)空間狀態(tài)變量的平均值為：

當變流器進入穩(wěn)態(tài)運行時，開關(guān)電容電壓v1()=U1，直流源輸入電壓v()=U，輸出端直流母線電壓v()=U，電感上電流穩(wěn)態(tài)值，<i1()>=I1，<i2()>=I2，穩(wěn)態(tài)下開關(guān)器件占空比1()=1，3()=3。根據(jù)電感伏秒平衡與電容電荷平衡原理，代入各量的穩(wěn)態(tài)值由式（1）可計算出：

根據(jù)小信號方程（5）建立其模型如圖6所示。

圖6 新型雙向DC/DC變流器交流小信號等效電路

由式（6）、（7）可得電感電流到輸出電壓的傳遞函數(shù)為：

3 仿真分析

在輸入同樣的電壓，輸出同樣幅值的電壓前提下，仿真結(jié)果如圖7所示，新型雙向DC/DC變流器開關(guān)器件所需占空比明顯小于傳統(tǒng)DC/DC變流器，且期間上的電壓值僅為傳統(tǒng)型變流器的一半，因此電壓應力也顯著減小。

圖7 新型雙向DC/DC變流器開關(guān)器件電壓波形

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單同時具有高電壓增益的新型雙向DC/DC變換器，在永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)中實現(xiàn)動態(tài)直流母線電壓調(diào)整。通過對新型雙向DC/DC變流器的小信號分析得到了不同工作模態(tài)下變流器的控制模型。與傳統(tǒng)雙向DC/DC進行對比，在系統(tǒng)參數(shù)完全相同的情況下，新型變流器上的電壓值僅為傳統(tǒng)變流器的一半，在提高電壓增益的同時可以起到降低器件開關(guān)應力的作用，能夠有效地減小系統(tǒng)的體積和成本，提高母線電壓的穩(wěn)定性。

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Small-Signal Analysis of a Novel Bi-directional DC/DC Converter in Electrical Vehicle Driver Systems

Huang Zhong1, Zhang Wenjuan2, Li Huimin3, Gao Jian3

(1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2.Electronic Information and Electrical Engineering College, Changsha 410002, China; 3.Electrical and Information Engineering of Hunan University, Changsha 410082, China)

TM315

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1003-4862（2019）02-001-04

2018-10-30

黃中（1978-），男，高級工程師。研究方向：電機電器及控制。E-mail: 13971644018@163.com