簡述一種電動(dòng)輪自卸車用雙向DC/DC變換器的設(shè)計(jì)

摘 要 針對(duì)電動(dòng)輪自卸車的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種適合于電動(dòng)輪自卸車超級(jí)電容充放電特性的700kW等級(jí)的雙向DC/DC變換器，進(jìn)行了功率電路和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行超級(jí)電容充放電試驗(yàn)，驗(yàn)證了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的正確性。

關(guān)鍵詞 雙向DC/DC變換器;Buck-Boost變換器;超級(jí)電容

前言

近年來，由于超級(jí)電容等新儲(chǔ)能元件的應(yīng)用，將車輛再生制動(dòng)的電能進(jìn)行存儲(chǔ)利用已成為電動(dòng)輪領(lǐng)域研究當(dāng)前的重要課題。本雙向DC/DC變換器安裝在超級(jí)電容供電的純電動(dòng)輪自卸車上，用于連接超級(jí)電容與牽引逆變器。牽引時(shí)，變換器將能量由超級(jí)電容傳送給牽引逆變器;制動(dòng)時(shí)，變換器將牽引逆變器再生制動(dòng)能量傳送給超級(jí)電容，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收。DC/DC變換器通過能量的雙向控制，維持牽引逆變器側(cè)的電壓穩(wěn)定。

1變換器的設(shè)計(jì)

1.1 主要設(shè)計(jì)說明

（1）為了減小變換器噪聲、體積和重量，主電路擬采用三電平方案，開關(guān)頻率為15kHz。

（2）為了提高系統(tǒng)可靠性，采用兩單元模塊結(jié)構(gòu)，其中一單元故障時(shí)，切除故障單元，不影響車輛的運(yùn)行。

1.2 系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主電路如圖1所示。將蓄能超級(jí)電容和DC/DC變換器分為1#和2#兩個(gè)完全相同的單元，輸出并聯(lián)給牽引逆變器供電。每個(gè)單元有獨(dú)立的斷路器、主接觸器和充電接觸器，輸出經(jīng)濾波電后經(jīng)帶熔斷器的開關(guān)向牽引逆變器供電。每個(gè)單元內(nèi)部由兩個(gè)并聯(lián)的三電平雙向DC模塊構(gòu)成，每個(gè)功模塊輸出電流400A。上述主電路方案形成如下特點(diǎn)：①采用三電平結(jié)構(gòu)，開關(guān)頻率為15kHz，電感及開關(guān)器件的噪聲幾乎聽不到，濾波電感可減小4倍（對(duì)應(yīng)相同開關(guān)頻率的兩電平）;②IGBT采用infineon型號(hào)為FF600R12ME4? EconoDUAL封裝 1200V/600A IGBT模塊，散熱性能好，維護(hù)方便;③兩個(gè)單元獨(dú)立控制，一臺(tái)出現(xiàn)故障后隔離后，車輛可降功率為原來一半運(yùn)行;④兩個(gè)單元載波信號(hào)相差180度，兩重?cái)夭ㄟ\(yùn)行，減小流入逆變器側(cè)的紋波電流;⑤兩個(gè)單元內(nèi)各有兩個(gè)功率模塊，四個(gè)功率模塊采用相同的結(jié)構(gòu)，故障后維護(hù)更換方便。

1.3 控制系統(tǒng)

（1）控制功能。雙向DC/DC控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)牽引逆變器直流側(cè)電壓穩(wěn)定，保證牽引逆變器與超級(jí)電容間能量能雙向流動(dòng)，此外控制要求兩個(gè)單元的輸出電流應(yīng)基本相等。控制器采用了電流下垂的電壓電流雙閉環(huán)控制，外環(huán)是逆變器直流側(cè)電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)是雙向DC/DC的電流環(huán)，電流環(huán)輸出與三角波比較生成觸發(fā)脈沖。三電平上下兩個(gè)半橋功率模塊的觸沖發(fā)生電路采用同一個(gè)三角波，調(diào)制信號(hào)反向。

控制器兩個(gè)功能實(shí)現(xiàn)如下：①逆變器恒壓控制。電壓環(huán)的給定與反饋?zhàn)鳛殡娏鞯膮⒖贾噶?。?dāng)因牽引逆變器輸出功率增大輸出電壓降低時(shí)，電壓PI輸出增加，增加超級(jí)電容流出的電流，由超級(jí)電容側(cè)流出的能量增多，維持直流電壓穩(wěn)定;當(dāng)牽引逆變器制動(dòng)時(shí)，牽引逆變器交流側(cè)能量流向直流側(cè)使直流側(cè)電壓上升，電壓PI輸出減小變?yōu)樨?fù)號(hào)時(shí)，超級(jí)電容流出電流由正變?yōu)樨?fù)，吸收能量，維持了逆變器直流側(cè)電流不變。②雙向DC/DC均流控制。圖2中反饋電流經(jīng)過一個(gè)系數(shù)K后加入到電壓環(huán)反饋信號(hào)中，這樣使得恒壓環(huán)控制中具有下垂特性，即隨著雙向DC/DC輸出電流的增加，逆變器直流側(cè)電壓略有下降。兩個(gè)具有下垂特性的雙向DC/DC并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可以無須通訊聯(lián)系就可實(shí)現(xiàn)輸出增均流控制。

（2）控制器結(jié)構(gòu)。控制器由ARM+FPGA為內(nèi)核的控制板外加數(shù)字和模擬電路構(gòu)成。控制器對(duì)外接口有：控制電源輸入、電器控制輸出、電器狀態(tài)輸入、驅(qū)動(dòng)脈沖輸出、驅(qū)動(dòng)狀態(tài)輸入、電壓電流傳感器輸入、散熱器溫度傳感輸入?？刂破鞲鶕?jù)輸入傳感器信號(hào)完成變換器的控制和保護(hù)功能[1]。

2樣機(jī)試制及試驗(yàn)結(jié)果

2.1 樣機(jī)試制

本文設(shè)計(jì)了700kW等級(jí)的雙向Buck/Boost變換器樣機(jī)，主要電氣參數(shù) ：

輸入電壓：950V～465V;

輸入電流：785A～1602A;

輸入額定功率：745kW;

輸出額定電壓：930V;

輸出額定電流：762A;

輸出額定功率：708kW;

輸出電流紋波：小于20%;

額定效率：大于98%;

冷卻方式：強(qiáng)風(fēng)冷;

2.2 試驗(yàn)波形

采用雙向Buck-Boost變換器的工程樣機(jī)搭配超級(jí)電容組、牽引逆變器、牽引電機(jī)、高壓電源進(jìn)行循環(huán)充放電試驗(yàn)。

圖中曲線1是儲(chǔ)能元件超級(jí)電容的電壓，曲線2是儲(chǔ)能元件超級(jí)電容的輸出電流，曲線3是變換器Boost端的輸出電流，曲線4是變換器Boost端的輸出電壓[2]。

3結(jié)束語

雙向Buck-Boost變換器具有拓?fù)浜唵?、可靠性高、能夠達(dá)到700kW以上功率等級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用在基于超級(jí)電容的電動(dòng)輪車載能量管理系統(tǒng)中。變換器主電路采用了三電平方案，開關(guān)頻率設(shè)置為12kHz，有效減小了變換器噪聲、體積和重量;控制器采用了電流下垂的電壓電流雙閉環(huán)控制，有效實(shí)現(xiàn)了恒壓控制和均流控制。但樣機(jī)試驗(yàn)也指出，在大電流應(yīng)用場景下，雙向變換器的輸出直流電流波形效果仍然較差，對(duì)環(huán)境可能存在一定的電磁干擾，后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)進(jìn)一步采用多相交錯(cuò)并聯(lián)輸出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，改善電流波形質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 金科，楊孟雄，阮新波.三電平雙向變換器[J].中國電機(jī)工程報(bào)， 2006，26（18）：41-46.

[2] 姜磊. Buck-Boost變換器在車載超級(jí)電容能量管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.