基于Matlab/Simulink的電動(dòng)汽車高壓電路仿真分析

劉忠明

（貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 凱里 556000）

電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池、車載充電機(jī)、電機(jī)控制器、DC-DC轉(zhuǎn)換器以及高壓線束等組成。其中只能以高壓直流電的形式給動(dòng)力電池充電，這一過程主要依靠車載充電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)；而較傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，純電動(dòng)汽車主要依靠DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)高低壓轉(zhuǎn)變，進(jìn)而給電瓶及低壓用電設(shè)備供能；作為國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車主打的永磁同步電機(jī)采用三相交流勵(lì)磁，所以這一過程需要經(jīng)過DC-AC的逆變。下文基于Matlab/Simulink對(duì)以上三種電路進(jìn)行仿真分析[1-4]。

1 車載充電機(jī)的整流分析

參考文獻(xiàn)[1]中所提到的兩級(jí)拓?fù)湫徒Y(jié)構(gòu)的單向車載充電機(jī)，該車載充電機(jī)具備充電電流紋波小、輸出電壓范圍廣、整機(jī)功率因素高等優(yōu)點(diǎn)。

車載充電機(jī)的工作過程可分為四個(gè)階段進(jìn)行，如圖1所示。第一階段，主要把電網(wǎng)輸入的220V AC電壓進(jìn)行全橋整流；第二階段，整流后的電壓進(jìn)行升壓處理，其中boost兩橋由VT1、VT2兩管輪流導(dǎo)通控制；第三階段，ACDC處理，升高后的電壓經(jīng)VT3-VT6處理后，得到預(yù)期幅值及頻率的電壓值；第四階段，二次整流，交流信號(hào)經(jīng)過橋式整流、高低頻濾波，最后輸出預(yù)期的DC值。

圖1 整流主電路仿真模型

主要參數(shù)設(shè)置：輸入的交流電工頻為50Hz，有效值220V，VT1、VT2采用幅值為1、占空比50%、頻率10kHz、相位角相差180°的兩PWM信號(hào)進(jìn)行控制。在信號(hào)處理的第三階段，采用正弦波與三角波信號(hào)進(jìn)行比較，差值大于0輸出高電平，否則輸出低電平，分別驅(qū)動(dòng)VT3/VT5、VT2/VT6兩橋。

圖2 仿真波形圖

電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，采集C1電容、變壓器初級(jí)繞組、輸出負(fù)載R1的端電壓波形圖如圖2所示，仿真結(jié)果表明：電路升壓效果受L1、L2電感量的影響，改變調(diào)制正弦波的頻率可以改變初級(jí)線圈電壓電流頻率，改變R2、C2與L5、C3兩組濾波電路的參數(shù)值，可以影響DC的濾波效果及幅值。

2 DC-DC轉(zhuǎn)換器

降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，其性能如下：輸入電壓346V，輸出電壓14V，功率為1kW，輸出電壓紋波為1%、電流紋波5%，開關(guān)頻率為100kHz，假設(shè)開關(guān)管、電容、電感等均為理想型元器件，不記二極管管壓降，根據(jù)基爾霍夫定律、電容與電感計(jì)算公式，可推導(dǎo)輸入、輸出電壓及開關(guān)頻率占空比之間的關(guān)系即：

同時(shí)計(jì)算出輸出負(fù)載電阻0.2Ω，濾波電感377uH，濾波電容319uF，將以上數(shù)值代入Buck基本電路進(jìn)行仿真，為了消除偏差得到更為準(zhǔn)確的輸出波形，采用閉環(huán)控制電路，將負(fù)載實(shí)際輸出電壓值與預(yù)期值作差進(jìn)行PID運(yùn)算，再與設(shè)定的占空比混合得到調(diào)制信號(hào)，如圖3所示。

圖3 Buck電路仿真模型

圖4 輸入與輸出波形圖

由圖4可以得出，經(jīng)過0.03s左右，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，當(dāng)把波形圖放大，可以清晰看見14V波形信號(hào)上的紋波，為了使輸出信號(hào)愈加平滑，可以增加電路中電感、電容的容量，提高濾波效果。

3 電機(jī)控制器的逆變

永磁同步電機(jī)兼具體積小、重量輕、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、功率因素高等優(yōu)點(diǎn)，深受電動(dòng)汽車生產(chǎn)商的青睞，而往往驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作離不開電機(jī)控制器，電機(jī)控制器是電動(dòng)汽車核心部件之一，它不僅控制著整車的前進(jìn)、后退，同時(shí)也是車輛在滑行、制動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)能量回收的關(guān)鍵所在。

電機(jī)控制器的主要電路原理如圖5所示，電路主要由直流電源（動(dòng)力電池）、大電容C1、6個(gè)IGBT構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)橋、LC濾波電路以及阻感性負(fù)載的電機(jī)部分構(gòu)成，同時(shí)每個(gè)IGBT上并得有續(xù)流二極管，工作時(shí)IGBT按照一定順序?qū)ǎ闺妷耗孀?，再?jīng)過LC濾波電路，輸出理想三相交流電。

圖5 逆變主電路仿真模型

主要參數(shù)設(shè)置：VT1、VT3、VT5構(gòu)成驅(qū)動(dòng)橋上橋臂，VT2、VT4、VT6構(gòu)成下橋臂，VT1-VT6前一管比后一管超前60°，每個(gè)管的導(dǎo)通時(shí)間為180°，同一時(shí)刻只有三個(gè)管導(dǎo)通，且上下管不能同時(shí)導(dǎo)通，設(shè)開關(guān)管的頻率為10kHz，VT1調(diào)制信號(hào)的相位為0°，則VT2的延遲時(shí)間應(yīng)為：60/360*(1/10e3)，VT3的延遲時(shí)間應(yīng)設(shè)為：120/360*(1/10e3)，以此類推。

圖6是濾波前電感的端電壓以及濾波后的相電壓波形圖，在本仿真電路中LC、輸入直流電壓、負(fù)載等值不變的情況下可以實(shí)現(xiàn)：1）改變調(diào)制波的占空比可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出三相電壓幅值的控制；2）通過改變調(diào)制波的頻率來(lái)改變輸出三相交流電的頻率從而達(dá)到電機(jī)的變頻調(diào)速目的；3）任意調(diào)換兩橋調(diào)制波的順序，可以通過仿真示波器觀察到U、V、W三相交流電相序的改變，進(jìn)而引起電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向的改變實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)。實(shí)際上，電機(jī)控制器的逆變電路是一個(gè)閉環(huán)控制回路，當(dāng)控制單元監(jiān)測(cè)到母線上的電流電壓異常時(shí)，IGBT將停止工作。

圖6 輸出波形圖

當(dāng)電動(dòng)汽車處于減速狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將工作在發(fā)電機(jī)工況，此時(shí)的電路將變成一個(gè)半控整流電路，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存在動(dòng)力電池中。

4 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的控制過程，Matlab/Simulink能對(duì)電路的分析起到良好的效果，無(wú)論是在教學(xué)方面還是設(shè)計(jì)研究方面，Matlab/Simulink軟件具備了強(qiáng)大的功能，鑒于筆者對(duì)該軟件的應(yīng)用有限，以及查閱相關(guān)資料仍無(wú)法滿足預(yù)期，希望后續(xù)能將之彌補(bǔ)。