電動汽車用三端口Buck＆Boost變換器的能量管理策略

陳旭玲，劉福鑫

(1．南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇 南京210016;2．南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京210016)

1 引言

電動汽車將各種新能源或傳統(tǒng)能源與蓄電池、超級電容等儲能裝置聯(lián)合起來，通過多種能源之間的互補性實現(xiàn)驅(qū)動能量的合理利用，不僅可以減少對石油等傳統(tǒng)化石能源的依賴，而且可以大幅減少溫室氣體的排放，因此具有廣闊的市場前景。

電動汽車一般可分為純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車三種類型［1］。以燃料電池汽車為例，其供電系統(tǒng)是由燃料電池與蓄電池構(gòu)成的多電源架構(gòu)，其中燃料電池是車輛運行的主要動力源，蓄電池是輔助動力源，兩者分別經(jīng)直流變換器與高壓直流母線相連，再通過逆變器來驅(qū)動電機。由于每個動力源端口與高壓直流母線端口之間均需要通過直流變換器連接，那么多個動力源端口就需要多個直流變換器，系統(tǒng)存在以下缺點:①變換器數(shù)量較多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜;②系統(tǒng)中每增加一個動力源端口就要相應(yīng)地增加變換器及其控制電路，系統(tǒng)成本較高。為了簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低成本，可以采用單個多端口直流變換器(Multi-Port Converter，MPC)取代原有的多個直流變換器。MPC使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的同時，將各個端口有機結(jié)合，采用合理的控制策略即可實現(xiàn)各個端口之間的能量傳遞以及能量的最優(yōu)利用。

目前關(guān)于MPC的控制策略尚在研究之中，其中文獻(xiàn)［2-4］在一種非隔離型MPC中采用模糊邏輯控制策略，使MPC能夠適應(yīng)燃料電池和蓄電池非線性工作的特性，同時在任意功率需求下保證直流母線電壓可控。對于隔離型MPC的研究則主要集中在隔離型半橋和全橋三端口直流變換器［5-10］，如在半橋型三端口變換器中采用移相控制和占空比控制，其目的是研究提高開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān)的范圍［5］;在全橋型三端口變換器中引入移相控制和占空比控制，研究如何降低系統(tǒng)損耗，同時利用解耦網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多個控制環(huán)路之間的解耦［6］。

本文采用一種新型三端口Buck＆Boost變換器構(gòu)建電動汽車供電系統(tǒng)，根據(jù)各種工作模式特點提出三端口Buck＆Boost變換器的能量管理策略，從而實現(xiàn)了各個端口之間能量自由傳遞和模式之間自由切換。在實驗室研制了一臺1kW原理樣機，對該變換器的能量管理策略進(jìn)行了實驗驗證。

2 電動汽車供電系統(tǒng)典型工作模式

圖1給出典型電動汽車供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖所示，系統(tǒng)中存在三個不同電壓等級的端口，分別為主動力源、輔助動力源的輸出以及高壓直流母線。本文采用三端口Buck＆Boost變換器構(gòu)建該系統(tǒng)，電路圖如圖2所示，其中1#源(主動力源)的輸出定義為1#端口，其電壓幅值為V1，2#源(輔助動力源)的輸出定義為2#端口，其電壓幅值為V2，高壓直流母線定義為3#端口，其電壓幅值為V3。

圖1 電動汽車供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Configuration of electric vehicle power system

圖2 三端口Buck＆Boost變換器Fig．2 Three-port Buck＆Boost converter

根據(jù)汽車行駛工況的不同，電動汽車供電系統(tǒng)可分為以下五種工作模式。(1)工作模式一:當(dāng)汽車在啟動、加速或爬坡時，需要的驅(qū)動功率較大，此時1#源輸出的功率小于3#端口所需功率，不足功率由2#源補充。(2)工作模式二:如果汽車正常行駛時需要的驅(qū)動功率小于1#源提供的功率，1#源將單獨給高壓直流母線供電，此時2#源不輸出功率。(3)工作模式三:在工作模式二中，如果2#源的能量不足，1#源給高壓直流母線供電的同時，可將多余的能量給2#源充電。(4)工作模式四:當(dāng)汽車剎車或者下坡通過制動裝置回饋能量時，回饋的能量通過高壓直流母線優(yōu)先向1#源充電。(5)工作模式五:在模式四中，如果制動回饋的能量較多，3#端口將同時向1#源和2#源回饋能量。

3 三端口Buck＆Boost變換器的能量管理策略

在工作模式一中，1#和2#端口同時向3#端口傳遞能量，而工作模式二中，只有1#端口單獨向3#端口傳遞能量，因此在這兩個工作模式下，可以將1#和2#端口等效為直流源，3#端口等效為負(fù)載。

本文采用主從控制方式分配兩個端口的輸出功率，在工作模式一時1#源以功率Pin1_ref輸出，不足功率由2#源補充，因此1#端口單元工作在Boost恒流模式，控制1#源的輸入電流iin1，2#端口單元工作在Boost模式控制中間母線電壓Vbus，3#端口單元工作在Boost模式控制3#端口電壓Vo3;而在工作模式二中，1#端口單元由控制1#源的輸入電流iin1變成控制中間母線電壓Vbus，而2#端口單元工作在關(guān)機模式，3#端口單元工作模式不變。

圖3給出實現(xiàn)工作模式一、二切換的控制框圖，其中兩種工作模式的選通信號由圖中遲滯比較器的輸出vSD1決定，遲滯比較器的基準(zhǔn)io3_ref1由1#端口的輸出功率Pin1_ref確定，通過采樣3#端口的電流io3-f與io3_ref1進(jìn)行比較，當(dāng)io3-f＞io3_ref1時，vSD1為高電平，S1和S2導(dǎo)通，S3關(guān)斷，同時開通2#端口單元的開關(guān)管，變換器工作在模式一;當(dāng)io3-f＜io3_ref1時，vSD1為低電平，S1和S2關(guān)斷，S3導(dǎo)通，同時關(guān)閉2#端口單元開關(guān)管的驅(qū)動信號，變換器工作在模式二。根據(jù)3#端口電流io3的變化，可以實現(xiàn)兩個模式的自由切換。

圖3 工作模式一、二的控制框圖Fig．3 Control diagram for operation mode Iand II

在工作模式三中，1#端口向3#端口傳遞能量的同時給2#端口充電，此時1#端口等效為直流源，2#和3#端口等效為負(fù)載。本文通過檢測3#端口輸出電流的方法來判斷是否為2#端口充電，當(dāng)3#端口輸出電流低于某設(shè)定值時，認(rèn)為1#端口有充足的能量，此時1#端口可向2#端口充電，1#端口單元工作在Boost模式控制中間母線電壓Vbus，2#端口單元工作在Buck模式穩(wěn)定2#端口電壓Vo2，3#端口單元工作在Boost模式控制3#端口電壓Vo3，變換器工作在模式三;如果3#端口輸出電流高于該設(shè)定值，則1#端口不向2#端口充電，此時變換器工作在模式二。

圖4給出工作模式二、三的控制框圖，工作模式二和三的選通信號由圖中遲滯比較器的輸出vSD2決定，本文設(shè)定遲滯比較器的基準(zhǔn)io3_ref2由Pin1_ref/2決定，當(dāng)io3-f＜io3_ref2，即3#端口輸出功率小于Pin1_ref/2時，vSD2為低電平，2#端口單元開關(guān)管驅(qū)動信號開通，變換器工作在模式三。當(dāng)io3_ref1＞io3＞io3_ref2，即3#端口輸出功率大于Pin1_ref/2、小于Pin1_ref時，vSD2為高電平，2#端口單元開關(guān)管驅(qū)動信號關(guān)閉，變換器工作在模式二。通過判斷3#端口電流io3的變化，可以實現(xiàn)工作模式二和三之間的自由切換。

圖4 工作模式二、三的控制框圖Fig．4 Control diagram for operationmode IIand III

在工作模式四中，3#端口向1#端口回饋能量，而工作模式五中，3#端口向1#端口和2#端口同時回饋能量，因此在這兩個工作模式下，1#和2#端口等效為負(fù)載，3#端口等效為直流源。在工作模式四中，1#端口單元工作在Buck模式控制1#端口電壓Vo1，2#端口單元工作在關(guān)機模式，3#端口單元工作在Buck模式控制中間母線電壓Vbus;如果1#端口的電流io1達(dá)到其限流值，1#端口單元由控制Vo1變?yōu)榭刂苅o1，同時開通2#端口單元，變換器切換到工作模式五，此時三個端口單元都工作在Buck模式，1#端口單元控制io1，2#端口單元控制2#端口電壓Vo2，3#端口單元控制中間母線電壓Vbus。

圖5給出工作模式四和五的控制框圖，工作模式四和五的選通信號由圖中遲滯比較器的輸出vSD3決定，將電壓調(diào)節(jié)器的輸出vVo1與電流調(diào)節(jié)器的輸出vIo1進(jìn)行比較，當(dāng)vIo1＞vVo1時，vSD3為高電平，關(guān)閉2#端口單元開關(guān)管的驅(qū)動信號，變換器工作在模式四;當(dāng)vIo1＜vVo1時，vSD3為低電平，此時開通2#端口單元的開關(guān)管，變換器工作在模式五。通過比較1#端口單元電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的輸出vVo1和vIo1的大小，可以實現(xiàn)工作模式四和五之間的自由切換。

圖5 工作模式四、五的控制框圖Fig．5 Control diagram for operation mode IV and V

4 實驗驗證

實驗所用的數(shù)據(jù)如下:1#端口電壓:V1=48(1±10%)V;2#端口電壓:V2=36(1±10%)V;3#端口電壓:V3=160(1±10%)V;中間母線電壓:Vbus=80 V;變換器額定功率:Po=1000 W;1#端口功率的參考值:P1_ref=600 W;開關(guān)頻率:fs=50 kHz;1#端口輸入電流參考值:iin1_ref=12.5 A;1#端口輸出電流限流值:io1_ref=10.5 A;3#端口輸出電流參考值:io3_ref1=3.75 A，io3_ref2=1.88 A。

4.1 穩(wěn)態(tài)實驗波形

圖6給出了滿載時變換器在工作模式一下的穩(wěn)態(tài)實驗波形，分別為三個端口單元主控管的驅(qū)動波形vgs1、vgs3、vgs5，AB兩點電壓波形vAB和電感Lf1的電流波形iLf1、CD兩點電壓波形vCD和電感Lf2的電流波形iLf2、EF兩點電壓波形vEF和電感Lf3的電流波形iLf3，從圖中可以看出中間母線電壓為80 V，3#端口電壓為160 V，由各個電感電流幅值可知，此時1#和2#端口同時向3#端口供電。

圖6 工作模式一的穩(wěn)態(tài)實驗波形Fig．6 Experimentalwaveforms in operation mode I

當(dāng)負(fù)載下降到半載時，Pin1_ref＞Po3，2#端口單元退出工作，由1#端口單獨供電，此時變換器切換到工作模式二，圖7給出了該模式下的穩(wěn)態(tài)實驗波形。由波形可知，中間母線電壓穩(wěn)定在80 V，vCD=Vin2=36 V，3#端口電壓為160 V，2#端口單元開關(guān)管驅(qū)動信號vgs3=0，2#端口的輸入電流為零，表明2#端口單元停止工作，1#端口單獨向3#端口供電。

當(dāng)負(fù)載繼續(xù)減小時，2#端口單元開通，變換器工作在模式三，圖8給出該模式下的穩(wěn)態(tài)實驗波形。由波形可知，2#端口單元的主控管變?yōu)镼4，工作在Buck模式穩(wěn)定2#端口電壓Vo2，中間母線電壓為80 V，2#端口單元的電感電流iLf2反向，表明2#端口吸收能量，電感電流iLf1和iLf3的方向不變，3#端口電壓穩(wěn)定在160 V。

圖7 工作模式二的穩(wěn)態(tài)實驗波形Fig．7 Experimentalwaveforms in operationmode II

圖8 工作模式三的穩(wěn)態(tài)實驗波形Fig．8 Experimentalwaveforms in operationmode III

圖9給出了工作模式四的穩(wěn)態(tài)實驗波形。由波形可知1#端口的輸出電流約為9.5 A，小于其限流值io1_ref=10.5 A，因此2#端口單元開關(guān)管驅(qū)動信號關(guān)閉，即vgs4=0，中間母線電壓為80 V，2#端口吸收的功率Po2=0，由于2#端口是負(fù)載，因此CD兩端的電壓vCD=0，1#和3#端口單元的電感電流反向，此時3#端口向1#端口單獨供電。

圖10給出了工作模式五的穩(wěn)態(tài)實驗波形。由波形可知，1#端口的輸出電流io1=io1_ref=10.5 A，達(dá)到其限流值，因此1#端口由穩(wěn)壓變?yōu)橄蘖?，同時2#端口單元開關(guān)管驅(qū)動信號開通，中間母線電壓為80 V，此時3#端口向1#和2#端口同時供電。

圖9 工作模式四的穩(wěn)態(tài)實驗波形Fig．9 Experimentalwaveforms in operationmode IV

圖10 工作模式五的穩(wěn)態(tài)實驗波形Fig．10 Experimentalwaveforms in operation mode V

以上實驗結(jié)果表明變換器在五種工作模式下均能穩(wěn)定工作，從而驗證了本文所提出控制策略的有效性。

4.2 動態(tài)實驗波形

圖11給出了工作模式一中負(fù)載突增到突減時的實驗波形，由波形可知負(fù)載電流io3在75%滿載與滿載之間跳變時，1#端口的輸入電流穩(wěn)定在12.5 A不變，即1#源以功率Pin1_ref=600 W輸出，由于負(fù)載所需功率大于1#源提供的最大功率，因此2#端口單元沒有退出工作，其輸入電流隨著負(fù)載的變化而變化，在負(fù)載跳變的前后，中間母線和3#端口的電壓始終保持穩(wěn)定。

圖12給出了io3在半載與75%滿載之間跳變時的實驗波形。當(dāng)io3從半載跳變至75%滿載時，變換器從工作模式二切換至模式一;當(dāng)io3從75%滿載跳變至半載時，變換器從工作模式一切換至模式二。由波形可知，在工作模式一和二切換的過程中，中間母線和3#端口的電壓始終保持穩(wěn)定。

圖11 工作模式一時負(fù)載突增到突減的實驗波形Fig．11 Experimental waveforms corresponding to a step change in load current in operation mode I

圖12 工作模式一與工作模式二切換的實驗波形Fig．12 Experimentalwaveforms corresponding tomodeswitching between operation mode Iand II

圖13 給出了io3在半載與25%滿載之間跳變時的實驗波形。當(dāng)io3從25%滿載跳變至半載時，變換器從工作模式三切換至工作模式二;當(dāng)io3從半載跳變至25%滿載時，變換器從工作模式二切換至工作模式三。由波形可知，在工作模式二和三切換的過程中，中間母線和3#端口的電壓始終保持穩(wěn)定。

圖14給出了工作模式四、五之間切換時的實驗波形。由波形可知，在工作模式四和五切換的過程中，中間母線電壓始終保持穩(wěn)定。

圖13 工作模式二與工作模式三切換的實驗波形Fig．13 Experimental waveforms corresponding tomodeswitching between operation mode IIand III

圖14 工作模式四與工作模式五切換的實驗波形Fig．14 Experimentalwaveforms corresponding tomodeswitching between operationmode IV and V

上述動態(tài)實驗結(jié)果表明，本文提出的能量管理策略可以有效實現(xiàn)各個工作模式之間的自由切換。

5 結(jié)論

本文采用一種新型三端口Buck＆Boost變換器構(gòu)建電動汽車供電系統(tǒng)，根據(jù)各種模式下的工作特點提出了相應(yīng)的能量管理策略，該策略具有如下優(yōu)點:

(1)各個端口的電壓、電流和功率均能獨立控制;

(2)實現(xiàn)了任意端口之間能量的自由傳遞;

(3)實現(xiàn)了工作模式之間的自由切換以及具體工作模式下的功率分配。在實驗室完成一臺1kW的原理樣機，實驗結(jié)果驗證了本文提出的能量管理策略的有效性。

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