基于新能源汽車續(xù)航和動力性提升的雙向DC—DC設(shè)計

杭孟荀　沙文瀚　李慶國

摘要：本文介紹了一種新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)用升壓雙向DC—DC，該DC—DC采用交錯并聯(lián)雙向BOOST/BUCK拓撲電路，通過數(shù)字DSP芯片實現(xiàn)電源能量的雙向傳遞及輸出電壓的優(yōu)化控制。傳統(tǒng)新能源汽車在一些工況下因驅(qū)動系統(tǒng)母線電壓波動會嚴重影響驅(qū)動系統(tǒng)的輸出性能，雙向DC—DC可以提供給驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定的電壓供應(yīng)，另外根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)工作特性優(yōu)化驅(qū)動系統(tǒng)的電壓供應(yīng)，從而提高了驅(qū)動系統(tǒng)的工作效率、扭矩和功率輸出能力并且降低PMSM電機高速下弱磁程度，從而有效提升了整車的續(xù)航里程、整車動力性及可靠性。

關(guān)鍵詞：雙向DC—DC;交錯并聯(lián);續(xù)航里程;整車動力性;驅(qū)動系統(tǒng)

0 引言

近年新能源汽車的產(chǎn)銷量得到迅速增長，尤其我國的產(chǎn)銷量已經(jīng)成為世界第一，人們對新能源汽車的接受程度也越來越高，國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)品性能也得到了極大提升，不過整車能耗這一指標跟國外比較還有一定的差距，整車能耗高將極大影響整車的續(xù)航里程，也不利于新能源汽車的進一步普及。為此國家出臺了一些政策引導(dǎo)整車企業(yè)關(guān)注整車能耗，鼓勵加強技術(shù)能力提升并開發(fā)出能耗更小的整車。

驅(qū)動系統(tǒng)作為整車使用能量比例最大的零部件，其工作效率的提升對整車降能耗貢獻最大，根據(jù)整車對驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用場景可以將驅(qū)動系統(tǒng)的外特性分為三個工作區(qū)，如圖1所示。城市工況作為常用工況，其對驅(qū)動系統(tǒng)的要求是小扭矩區(qū)長時間工作，對應(yīng)圖1中的效率區(qū)，該區(qū)域也是NEDC工況最常用區(qū)域，通常此區(qū)域的驅(qū)動系統(tǒng)效率偏低。再者圖1中A為扭矩拐點，其值較小或?qū)?yīng)轉(zhuǎn)速偏低將影響整車的爬坡性能和加速性能，A點之后電機將進入恒功率弱磁區(qū)，因弱磁電流的作用也會導(dǎo)致驅(qū)動系統(tǒng)的效率降低并且在弱磁電流作用下電機輸出扭矩下降，這樣也會導(dǎo)致整車在高速行駛時的動力性下降問題。

目前電機的發(fā)展趨勢之一是高轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)速帶來的益處是電機可以小型化，不過在動力電池電壓范圍沒有變化的情況下，更高轉(zhuǎn)速區(qū)的效率偏低，影響了整車高速行駛里程。另外常規(guī)新能源汽車動力電池電直接供電機控制器和電機使用，在猛踩油門時會出現(xiàn)母線電壓因瞬間大電流在母線寄生電感作用下較大電壓跌落的現(xiàn)象，這種情況下會影響整車驅(qū)動系統(tǒng)輸出性能。

針對以上問題，本文采用非隔離升降壓雙向DC-DC給驅(qū)動系統(tǒng)提供穩(wěn)定且電壓可調(diào)的電源供應(yīng)，以驅(qū)動系統(tǒng)高效運行和輸出扭矩更大為目標，調(diào)整DC-DC的輸出電壓值，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的工作性能優(yōu)化，提高了整車的續(xù)航里程和動力性能，另外升壓后電機高速運行區(qū)域弱磁程度降低，降低了電機轉(zhuǎn)子磁鋼長期運行退磁的風(fēng)險。

1 不同電壓對驅(qū)動系統(tǒng)性能影響

通過電機臺架實測同一款電機分別在不同電壓下的輸出外特性圖，從中挑出有代表性的340V、540V和750V三個電壓下的驅(qū)動系統(tǒng)輸出外特性圖，如圖2所示，驅(qū)動系統(tǒng)輸入電壓升高則驅(qū)動系統(tǒng)的高效區(qū)面積占比增大尤其高速弱磁區(qū)效率會明細改善，不過輸入直流電壓偏低時則在小扭矩效率區(qū)的驅(qū)動系統(tǒng)效率會有所改善。提取相同扭矩和轉(zhuǎn)速下不同電壓驅(qū)動系統(tǒng)的最高效率合并為一個系統(tǒng)外特性圖，可以見其高效區(qū)占比面積由340V下的89.9649%提升到95.6227%，又因非隔離雙向DC—DC效率很高，整合后的效率區(qū)可以滿足整車不同工況下整車的續(xù)航里程的提升。

從圖2還可以看出隨著電壓升高驅(qū)動系統(tǒng)的高速區(qū)扭矩更大且輸出功率更大，這樣有利于提升整車高速行駛的加速性能和最高車速。

2 雙向DC—DC主電路設(shè)計

本文雙向DC—DC采用交錯并聯(lián)電路，可以實現(xiàn)動力電池升壓后供驅(qū)動系統(tǒng)使用，也可以實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)能量回饋電壓降壓后給動力電池充電，其拓撲圖如圖3所示。交錯并聯(lián)電路將主功率電路分為兩路，其優(yōu)點一為紋波電壓、電流更小且紋波頻率更高，則輸入和輸出側(cè)的電容容值、體積更小，其優(yōu)點二為電流分為兩路使上功率電路上的損耗和電感上的交流損耗更低。

本文設(shè)計一款交錯并聯(lián)雙向DC—DC變換器，其詳細技術(shù)參數(shù)如下：

變換器功率電路由兩路并聯(lián)組成，按單路電流為總電流的一半來設(shè)計單路功率電路的器件參數(shù)?？紤]到DCM模式下的開關(guān)管內(nèi)的峰值電流更大，更大的電流導(dǎo)致開關(guān)管損耗更大且選型容量更大的開關(guān)管也會增加成本，另外更大的峰值電流也會帶來更大的EMC問題，因此本文選擇CCM模式來設(shè)計主功率器件參數(shù)，考慮到開關(guān)器件及輸入電壓范圍計算最小電感公式如下：

（1）式式中△IL按電感平均電流的40%計算，電感平均電流按輸入平均電流的一半計算，因動力電池的電壓是300V～410V這個范圍，根據(jù)公式1畫出電感L與電壓的對應(yīng)關(guān)系曲線如圖4所示，從而BOOST在輸入電壓最大時對應(yīng)的電感最大值為Lboos=200.5μH，BUCK在最大輸出電壓處對應(yīng)的最大電感為Lbuck=200.5μH，綜合考慮選取單獨電感的電感值為L1=Lz=200μH。

根據(jù)電感電流紋波全部流入電容產(chǎn)生的輸出電壓脈動可以計算出所需電容大小，又因兩相交錯并聯(lián)拓撲使流入電容的電流頻率為常規(guī)BUCK/BOOST拓撲的兩倍，從而可以獲得輸入和輸出側(cè)電容的計算公式如下所示：

（2）上式中R為升壓輸出側(cè)等效電阻值，變換器兩側(cè)紋波電壓為兩側(cè)電壓的1%設(shè)計，根據(jù)上述可知C2=253.3μH，C1=48.85μH，考慮到ESR的影響，實際選擇C2=470μH，C1=100μH，以保證紋波電壓目標達成。

3 系統(tǒng)控制設(shè)計

考慮到實際數(shù)字控制中ADC采樣保持和PWM更新延遲的影響，在做系統(tǒng)仿真中增加采樣保持和延遲環(huán)節(jié)，從而使仿真結(jié)果更加接近真實結(jié)果。整個控制系統(tǒng)采用雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)采用兩路電流環(huán)，外環(huán)采用電壓環(huán)控制，雙環(huán)控制比單環(huán)控制在動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能方面均有改善且具有均流和限流功能，從而提高了性能和可靠性。

使用PSIM里的SWEEP功能，在BOOST穩(wěn)態(tài)工作點注入小信號，通過輸出端口觀測小信號對輸出的影響可以掃描出系統(tǒng)的bode圖。根據(jù)bode圖有針對性的設(shè)計出P1補償器，然后通過SWEEP功能掃描出補償后的bode圖，從圖中可以看出補償后開環(huán)系統(tǒng)相角余量在49.3°，幅值余量為—46.7dB，截止頻率為2.79kHz。

接下來進行外環(huán)電壓環(huán)設(shè)計，類似電流環(huán)設(shè)計，使用SWEEP掃描功能設(shè)計出電壓環(huán)PI控制器，具體如下圖所示，電壓環(huán)PI補償后整個開環(huán)系統(tǒng)相角余量為48.6°，幅值余量為—43.3dB，截止頻率為703Hz。

4 系統(tǒng)仿真驗證

升壓交錯并聯(lián)BOOST變換器滿載95kW輸出系統(tǒng)仿真波形如下圖所示，其輸出電壓平均值為750V，電壓紋波在2V左右，電流紋波約45A，仿真結(jié)果較優(yōu)。

升壓BOOST帶半載47.5kW啟動，變換器輸出電壓穩(wěn)定后帶突加載到滿載95kW及突減載至47.5kW，系統(tǒng)仿真波形如下，由波形可知突加減載變換器的負載調(diào)整率為750—744.7=0.71%，另外由圖7可知變換器突加減載其恢復(fù)穩(wěn)定電壓時間為2ms。

4 結(jié)論

新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)其能耗、輸出功率、扭矩及弱磁程度跟其輸入電壓有很大關(guān)系，電壓升高后會使這四方面性能有很大提升。升壓總體會對降能耗有很大改善，但在小扭矩且中低轉(zhuǎn)速區(qū)低電壓比高電壓總體能耗更低，結(jié)合驅(qū)動系統(tǒng)的以上工作特性以及整車運行工況，通過雙向DC-DC給驅(qū)動系統(tǒng)提供合適的電壓，以便驅(qū)動系統(tǒng)一直工作在性能較好的區(qū)域，從而提升了整車的動力性、耗電經(jīng)濟性和可靠性。

本文根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)特性設(shè)計了一款交錯并聯(lián)BOOST/BUCK變換器，此變換器采用電壓和電流環(huán)雙環(huán)控制，其內(nèi)部電流環(huán)采用兩路電流環(huán)獨立控制，通過PSIM仿真驗證，其升壓輸出的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能均滿足需求。

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