基于CCM 模式PFC 的液壓混動車用BOOST 變換器性能分析

習璐

（咸陽職業(yè)技術(shù)學院 汽車工程學院，咸陽 712000）

引言

隨著汽車工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出和傳統(tǒng)汽車動力驅(qū)動形式不一樣的諸多汽車類型，而且發(fā)展的非常好，純電動汽車、混合動力汽車、增程式汽車等[1]。液壓混合動力汽車是一種驅(qū)動系統(tǒng)由車輛原有驅(qū)動系統(tǒng)和液壓車輔助驅(qū)動單元構(gòu)成的車輛，其驅(qū)動系統(tǒng)的部件更為復雜，動力電池作為其主要的驅(qū)動源，能夠?qū)ζ溥M行外部和內(nèi)部充電，因此具有高功率和高效率的車載充電機是其能源轉(zhuǎn)換的重要橋梁。

具備PFC 電路的車用BOOST 變換器充電機可以將制動回收的能量轉(zhuǎn)換為電能存儲在動力電池中，可以提高整車的續(xù)駛里程，與此同時，也可以減緩電網(wǎng)的超高負荷，對不同時段的電網(wǎng)進行削峰填谷的均衡作用[2]。為此，對于PFC 車載BOOST 變換器充電機的性能和穩(wěn)定性控制研究一直是熱點和難點，其中，文獻[3] 研究液壓Boost 變換器驅(qū)動液壓缸的雙向運動特性，通過調(diào)節(jié)PWM 信號的占空比可以控制液壓缸的運動速度，并且在AMESim仿真環(huán)境中驗證了液壓缸可以在兩個方向運動，Boost 變換器的輸出壓力要高于系統(tǒng)的供應壓力；文獻[4]設計了一臺多功能的車載充電機樣機，輸入為單相交流市電,采用AC-DC 和DC-DC 相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu)，利用DSP 進行控制，通過與定制的BMS 結(jié)合所做的充電實驗，實驗結(jié)果表明車載充電機能夠滿足快速提供能量充電的需求。本文以液壓混合動力汽車的車載BOOST 變換器充電機為研究對象，在液壓混動車輛的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和車載BOOST 變換器電路原理基礎(chǔ)上對變換器的性能進行性能分析，為了能夠得到更為詳細的性能分析結(jié)果，利用硬件在環(huán)試驗臺進行了輸出功率等性能試驗，最后試驗結(jié)果表明在恒流模式下的具備PFC 的車載BOOST 變換器具有良好的性能輸出。

1 液壓混動車輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液壓混合動力汽車是一種液壓輔助、發(fā)動機和動力電池聯(lián)合驅(qū)動的高度集成化汽車，其底盤域驅(qū)動系統(tǒng)主要由發(fā)動機、變速箱、動力電池、驅(qū)動電機、車載變換器、電機控制器以及液壓輔助裝置等構(gòu)成。不同的驅(qū)動源會根據(jù)不同的駕駛工況功率需求進行切換[5]。

液壓混合動力汽車會頻繁處于制動狀態(tài)中，當車輛處于制動狀態(tài)時，液壓輔助系統(tǒng)為車輛提供制動轉(zhuǎn)矩，并將車輛的慣性能轉(zhuǎn)換成液壓能，利用低壓蓄能器中的液體以高壓的形式存儲到高壓蓄能器中；當車輛爬坡或者大功率需求，液壓輔助驅(qū)動系統(tǒng)和動力電池、驅(qū)動電機以及發(fā)動機經(jīng)過動力耦合裝置共同驅(qū)動車輛，以平衡發(fā)動機的功率，增加整車的輸出功率，從而實現(xiàn)快速的驅(qū)動車輛[6-7]。在這個車輛的驅(qū)動期間，動力電池提供了足夠的動力，為了提升整車的續(xù)駛里程，車載充電機BOOST 變換器變得尤為重要，能夠?qū)崿F(xiàn)實時的充電，將車輛的相關(guān)剩余能量存儲在動力電池中，具有高效率高功率的車載BOOST 變換器在整個液壓混合動力車輛驅(qū)動系統(tǒng)中是非常重要的部件，其整體的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 液壓混動車輛驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 BOOST 變換器拓撲結(jié)構(gòu)重構(gòu)

液壓混合動力車輛車載BOOST 變換器是一種快速實現(xiàn)多種方式對車載電池進行充電的重要部件。通常具有前級和后級的車載BOOST 變換器輸入電壓經(jīng)過濾波后功率校正，減小前級輸出的電壓紋波，后級進行輸出電壓的調(diào)整，將輸出電壓實時變換為動力電池所需的充電功率。其內(nèi)部的功能模塊大致分為EMI 濾波、功率因數(shù)校正電路、DCDC 電路、采集電路和PWM 驅(qū)動電路[8]。

具有有源PFC 電路拓撲結(jié)構(gòu)的車載BOOST 變換器能夠在最大程度上削減高頻電流的諧波，提升整個功率輸出的質(zhì)量，在后級DCDC 拓撲結(jié)構(gòu)中，通過對有源電路器件進行邏輯關(guān)斷和開通實現(xiàn)車載動力電池的充電，如圖2 所示。

圖2 車載BOOST 變換器PFC 拓撲結(jié)構(gòu)

通過對液壓混動車輛的車載BOOST 變換器拓撲重構(gòu)后，針對連續(xù)導通模式CCM 下的電流控制在充電需求是峰值狀態(tài)時，在[Te, Ts]通斷時間內(nèi)，通過調(diào)整功率因數(shù)的大小和MOS 管的關(guān)斷，將峰值電感電流進行減小后，進入第二象限 Sr→ St的控制； 進入第二象限后，MOS管處于關(guān)斷的狀態(tài)，隨之進行滯環(huán)控制，將電感電流進行分下調(diào)，和MOS 管開通閾值進行邏輯判斷，當電感電流下降到閾值時開啟MOS 管，實現(xiàn)滯環(huán)控制，提升電流響應能力，進入第四象限控制，在整個[Tk, Ts]通斷周期內(nèi)，調(diào)節(jié)后級參數(shù)配置，實時地配置車載動力電池的需求電壓，實現(xiàn)動態(tài)控制，輸出穩(wěn)定的電壓，如圖3 所示。

圖3 車載BOOST 變換器MOS 動態(tài)控制

3 功率性能分析

液壓混合動力車輛的車載BOOST 變換器是一種在復雜工況下運行的多態(tài)變化的充電設備，其內(nèi)部的功能是由不同的模塊構(gòu)成，模塊之間通過硬線、SPI、CAN 總線、集成電路等進行信息交互，對不同模塊的單元進行集成化分析，調(diào)整不同的配置參數(shù)來分析整個車載BOOST 變換器的功率性能[9]。

單元集成化分析將車載BOOST 變換器進行階段間隔和模式變換，對不同的負載狀態(tài)、MOS 關(guān)斷/閉合以及調(diào)制電壓等級進行設置，然后觀測輸出電壓和調(diào)制電壓的質(zhì)量比性能，性能觀測數(shù)學描述如下所示，車載BOOST 變換器狀態(tài)分析如圖4 所示。

式中：

hmi,φri, Md,Kd—模式節(jié)點質(zhì)量比性能、斜率、校準系數(shù)；

Δmti, Ts,c0—負載增益壓差比重、修正因數(shù)、擾動系數(shù)；

T0, Hc, Mti, H0,σri—積分器初始值、載波信號固有斜率、下降斜率以及瞬時關(guān)斷系數(shù)。

通過在電路模擬環(huán)境中對車載BOOST 進行性能計算仿真可以看出，在負載擾動系數(shù)區(qū)間，開關(guān)頻率遠大于工頻，將整個車載充電的負載設置為恒定狀態(tài)，MOS 管導通后，輸出的電壓能夠快速的響應，調(diào)制電壓下降后進行轉(zhuǎn)置后，提升整個車載充電系統(tǒng)的功率。輸出的動力電池所需電壓趨于穩(wěn)定化，隨后進行MOS 關(guān)斷，電壓瞬間下降，在負載擾動抑制后，通過對檢測電流進行KB校準后，采用PI 調(diào)節(jié)算法[10]進行輸出電壓的穩(wěn)定性控制，能夠從圖5 準確的看出整個車載BOOST 變換器具有迅速的動態(tài)響應能力和輸出穩(wěn)定的充電電壓，實現(xiàn)液壓混動車輛的高效充電。

圖5 PFC BOOST 變換器電壓特性

4 試驗分析

為了驗證所設計的液壓混動車用BOOST 變換器性能在CCM 模式下的性能，利用可變工況模擬性能實驗環(huán)境進行性能實驗驗證，主要由可變工況模擬裝置、車載BOOST 變換器充電機、可編程電子負載設備、標定工具以及數(shù)采設備構(gòu)成，主要對CCM 模式下功率解耦后的BOOST 變換器輸出電壓和解耦電壓壓差性能進行考察，實驗環(huán)境和實驗結(jié)果如圖6～8 所示。

圖6 車載BOOST 變換器性能實驗環(huán)境

對液壓混合動力車載BOOST 變換器進行了長周期的輸出電壓性能試驗，其中，圖7 的試驗結(jié)果表明在初始階段動力電池的需求電壓較小，隨著調(diào)制電壓的上升以及負載的增加，輸出電壓達到了302.27 V；從圖8 壓差的性能試驗結(jié)果可以看出，壓差控制在了理想的范圍內(nèi)，整體的輸出電壓動態(tài)響應能力較強，整個系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的。

圖7 車載BOOST 變換器輸出電壓

圖8 車載BOOST 變換器輸出電壓壓差

5 總結(jié)

液壓混合動力車輛的BOOST 變換器是實現(xiàn)車載充電重要部件，其穩(wěn)定性控制一直是關(guān)鍵的一環(huán)。本文在液壓混動車輛的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和車載BOOST 變換器電路原理上對拓撲結(jié)構(gòu)進行了重構(gòu)，利用集成化的性能分析方法對車載BOOST 變換器進行性能分析，結(jié)合無模型動態(tài)功率控制方法進行輸出功率的性能優(yōu)化，最后在車載BOOST變換器硬件在環(huán)試驗環(huán)境中驗證了控制方法的可靠性，為往后更為復雜工況下的工程實踐提供實際參考意義。